Atom: elektronový obal a elementární částice

language: cs
author: Ondřej Sequens
year: 2008
area: chemistry
length: 9200 characters (5 NS)

SEMINÁRNÍ PRÁCE

CHEMIE

STRUKTURA ELEKTRONOVÉHO OBALU

SUBATOMÁRNÍ A ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE

Vypracoval: Ondřej Sequens Dne: 30.11.08

Vesmír je tvořen hmotou a poli. Hmota je nejčastěji definována jako vše co má hmotnost a objem, tedy zabírá prostor. Pole se v klasické fyzice neprojevuje jako částice, ale jako kontinuum (spojité prostředí, nehledě jeho určitý charakter) ve svých vlastnostech. V kvantové fyzice a mikrosvětě je ale pole a hmota spjata mnohem bližšími vztahy.

Elementární částice by tedy měli vystupovat jako kvanta (kvantum je nejmenší a nedělitelná veličina spojená s energií a hybností elementárních částic – fermionů, fotonů a jiných bosonů) polí a tím ztrácejí svůj tělesový charakter. Pole ztrácejí svou kontinuitu a chovají se jako kvanta (fotony nebo gravitony) neboli částice. Proto se pojem částice v kvantové fyzice a mikrosvětě používá pro veškeré elementární hmotné objekty, ať už mají podobu klasických částice nebo polí. V takovémto mikrosvětě tedy můžeme pohlížet na každý hmotný objekt jako na částici nebo jako na vlnu.

Vesmír je podle nejznámějších hypotéz tvořen normální hmotou a záhadnou temnou hmotou a temnou energií. Normální hmota zabírá přibližně 2-7% (záleží na literatuře) pozorovatelného vesmíru, a to je ta hmota kterou se bude můj seminář zaobírat.

Asi nejpřehlednější rozdělení hmoty zachycuje toto rozřazení.

Hmota (v subatomární pojetí)
- Látka
  - Molekuly, molekulové ionty
    - Atomy, atomové ionty
      - Hadrony
        
        Kvarky
      - Leptony
- Pole
  - Fotony
  - Gravitony
  - Gluony
Antihmota
- Antihadrony
  - Antikvarky
- Antileptony

Antičástice k částicím polí neexistují.

Existují různá dělení elementárních částic, každý obor mikrofyziky používá různé modely rozdělení. Já použiji ten nejobecnější, kterému se říká standardní model.

V minulosti byly za elementární částice považovány atomy. Na počátku 20. století to byly protony a neutrony a po zavedení kvantové fyziky jen několik desetiletí poté se dostáváme k dnešnímu rozdělení elementárních částic. Přesto je možnost, že ani toto rozdělení nebude definitivní.

Elementární částice dnes dělíme do dvou skupin. Na takzvané BOSONY a FERMIONY. Tyto dvě skupiny se rozlišují podle svého spinu a své vlnové funkce.

Bosony jsou částice s celočíselným spinem (tedy 0, ±1, ±2, atd.) a symetrickou vlnovou funkcí. Mezi jejich zástupce patří fotony, mezony, gluony aj. Bosony jsou nejčastěji nazývány nositeli sil.

Fermiony jsou částice s poločíselným spinem (tedy ±1/2, ±3/2, atd.) a s nesymetrickou vlnovou funkcí. Fermiony mají každý svou antičástici. Mezi jejich zástupce patří leptony a kvarky a tedy i protony neutrony, které jsou jimi tvořeny. Fermiony jsou obecně spojovány s hmotou jako takovou.

V kvantové fyzice je, ale rozlišení bosonů jako nositeli sil a fermiony jako hmotou těžko rozlišitelný vzhledem k velmi úzkému propojení.

BOSONY A INTERAKCE

Mezi bosony patří foton, boson W, boson Z, gluon, higgsův boson a graviton. Bosony jsou podle kvantové teorie částice zprostředkující základní neboli fundamentální interakce. Higgsův boson je zatím nedokázaná částice, která je zatím předpovězena pouze Standardním modelem.

Silná interakce je zprostředkována pomocí gluonů, je omezena na subatomární úroveň a zprostředkovává soudržnost a interakce kvarků (stavební částice hadronů) a tím pádem i drží protony a neutrony v atomovém jádře.

Slabá interakce je přibližně 10¹³ x slabší než silná. Je omezena na subatomární úroveň. Je zprostředkovávána bosony W a Z. Jejím typickým projevem je záření β. Působí na elektrony. Je to jediná interakce ovlivňující neutrina (vznikají při jaderných reakcích).

Elektromagnetická interakce je zprostředkována fotony a je nám nejznámější síla. Má na svědomí téměř všechny fenomény, se kterými se denně setkáváme, včetně chemických reakcí a interakcí elektronových orbitalů. Její rozsah je neomezený, ale s rostoucí vzdáleností se exponenciálně zmenšuje.

Gravitace je poslední interakcí a je zároveň interakcí doposud nejzáhadnější. Víme o ní nejdéle, ale víme o ní zároveň nejméně, ale víme že je interakcí nejslabší. V kvantové fyzice je pro její označení vytvořena hypotetická částice graviton. Její rozsah je neomezený, ale s rostoucí vzdáleností se exponenciálně zmenšuje.

Přehled působení částic mezi sebou. Standardní model.

FERMIONY

Dělíme je na kvarky a leptony. Kvarky i leptony mají 3 generace, přičemž do každé generace patří 2 kvarky a 2 leptony. Každý kvark a lepton v každé generaci má svou antičástici. Generace se liší jen hmotností částic. Hmota, kterou denně vídáme je tvořena kvarky a leptony 1. generace, což je to co nás bude zajímat. Leptony jsou ovlivňovány slabou interakcí a kvarky interakcí silnou.

Do první generace fermionů patří leptony: elektron (antičástice pozitron), elektronové neutrino neboli neutrino (antičástice antineutrino) a kvarky: down a up se svými antičásticemi.

ČÁSTICE SLOŽENÉ (Fermiony-Hadrony-Baryony-Nukleony)

Nejznámější složené částice jsou protony a neutrony.

Proton je tvořen kvarky uud, jeho hmotnost je 1.672631 x 10^-27Kg nebo 938 MeV/c² (elektronvolt je jednotka energie získaná 1 elektronem urychleným napětím 1 V … je nutné si uvědomit že hmota je jen jednou z forem energie E = mc²), jeho náboj odpovídá 1,6 x 10^-19 C což je přibližně stejně jako náboj elektronu. Proton je částice stabilní, ale existují hypotézy, že jeho rozpad je okolo 10³⁵ roku.

Neutron na rozdíl od protonu nemá elektrický náboj. Je tvořen kvarky udd. Jeho hmotnost je 940MeV/c². Jeho poločas rozpadu je mimo atomové jádro 914 sekund. Rozpadá se při tom na proton, elektron a antineutrino (beta záření).

Společně s elektronem tvoří základní stavební částice viditelné hmoty.

ELEKTRONY A LEKTRONOVÝ OBAL

Jak již víme, elektron je lepton 1. generace , je schopný gravitační, slabé a elektromagnetické interakce má záporný elektrický náboj o velikosti přibližně -1,6 x 10^-19 C a je 1836 x lehčí než proton. Elektron je částice stabilní.

Byl objeven roku 1896 J.J. Thompsonem za použití katodového zářiče. Kolem roku 1914 byla Ernestem Rutherfordem experimentálně potvrzena struktura atomu jako silného kladného náboje uprostřed, obklopeného řidším polem náboje záporného. Přibližně v téže době dánský fyzik Niels Bohr předpověděl, že elektrony mají energetické kvantové stavy, které lze měnit emisí nebo absorpcí fotonů různých frekvencí, tedy posouvat je v rámci orbitalových vrstev.

Dnešní elektronová fyzika studuje chování elektronů a pozitronů v čističových urychlovačích.

V každém atomu je stejný počet protonů a elektronů. Dojde-li vlivem nějaké vnější síly k odtržení elektronu, stává se z atomu iont.

O struktuře elektronového existuje mnoho teorií. Nejznámější a nejpoužívanější je nicméně ta, že elektrony se pohybují v orbitalech, které jsou určené elektronovou konfigurací elektronu. Orbitaly neurčují přesně polohu elektronu, je možné pouze zjistit pravděpodobnost výskytu elektronu v daném orbitalu. Tato teorie je součástí kvantové teorie.

Odkazy:

http://www.falstad.com/qmatom/

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hydrogen_Density_Plots.png

Pro potřeby chemie je teorie orbitalů zjednodušena do slupek, z nichž jen ta poslední se účastní chemických reakcí (Bohrův model).

Elektronová konfigurace elektronu je určena 4 kvantovými čísly:

Hlavní kvantové číslo určuje energii elektronu ; n = 1,2, …

Vedlejší kvantové číslo určeno orbitálním momentem hybnosti (rotací kolem bodu/jádra) elektronu ; l = n – 1

Magnetické kvantové číslo určeno magnetickým momentem hybnosti elektronu ; m = -l, až l

Spin určen spinovým momentem hybnosti ; m_s = +1/2 nebo -1/2

Každý elektron v atomu má alespoň jedno z těchto čísel odlišné od zbytku elektronů v atomu. Čím vyšší n atomu tím dále od jádra se bude pohybovat a tím více se bude podílet na chemických reakcích, protože jádro atomu na ně má menší vliv.

Počet elektronů v atomu lze spočítat jednoduše přes formuli : n² = počet e

Žádný nám známý prvek nemá více než 32 elektronů v jedné slupce.

Elektronové slupky označujeme čísly 1 až 6 nebo písmeny K až P. Každá z těchto slupek má alespoň 1 podslupku. Podslupky označujeme písmeny s, p, d, f, g, h a i.

Podslupka s nemůže obsahovat více než 2 elektrony.

Podslupka p nemůže obsahovat více než 6 elektronů.

Podslupka d nemůže obsahovat více než 10 elektronů.

Podslupka f nemůže obsahovat více než 14 elektronů.

Odkaz

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/11/Electron_orbitals.svg

Použité zdroje

en.wikipedia.org

cs.wikipedia.org

falstad.com/qmatom/

Na správnou cestu mě přivedla encyklopedie: Universe DK

Dorling Kindersley Limited 2005

Speciální poděkování patří Dr. Pavelkovi za uvedení vědomostí na pravou míru .