Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag? Platón (i.e. 427-347), Arisztotelész (=i.e. 387-322): Végtelenségig darabolhatók Idealizált végső alkotó = őselem + hozzájuk kapcsolódó tulajdonságok: Tűz- meleg, száraz; Víz hideg, nedves; levegő meleg, nedves; föld hideg, száraz Ezek megfelelő arányú keverékeként bármely anyag előállítható. (Megj: ezek megjelenése a horoszkópokban, jellemrajzban) Van tovább már nem osztható alkotórész mindenféle anyaghoz. Mozgásuk, alakjuk, anyaguk meghatározó. ATOM = oszthatatlan rész (Demokritosz i.e. 460-370.) Alkímia feladata a megfelelő keverési arányok kiderítése, alkalmazása. (pl. aranycsinálás) Eredmény: sokféle új anyag, vegyület és reakció, vegyülési szabály megismerése Kémiailag tiszta anyagok előállítása, megismerése Lehet, hogy mégis van legkisebb alkotórész? (XVIII. század) Az atom fogalmának felelevenítése, általánossá válása a XIX. sz. első felében (Dalton, Avogadro) A kinetikus elmélet alapjainak lerakása, a kémia gyors fejlődése. A periódusos rendszer Dimitrij I. Mengyelejev (1834 1907) Jelenségek melyek arra utalnak, hogy az atom nem lehet oszthatatlan: Kémiai reakciók mi a vegyérték? Fény és anyag viszonya (elnyelés és kibocsátás) színkép, hőmérsékleti sugárzás, elektromágneses hullámok stb. Elektromosság, töltés és anyag viszonya (galvánelem, elektrolízis) az elektron felfedezése (J. J. Thomson 1897) Radioaktivitás (Becquerel 1896) stb. Atommodellek 1. Oszthatatlan részecske 2. Thomson- modell az elektron felfedezése után ( mazsolás puding ): + töltésű masszában elszórt elektronok 3. Rutherford modell: (híres szórási kísérlete után- 1911) naprendszer- atom 4. Bohr- modell: Rutherford modell módosítása a kvantum hipotézis felhasználásával 5. Kvantummechanikai modell (elektronhullám)
II. A kvantumfizika alapjai fény és anyag kettős természete Kiindulási alap: a fény természetéről alkotott kép változása - részecske áramlás vagy hullámok terjedése Terjedése egyértelműen hullám jelenség (elhajlás és interferencia)- kapcsolata az elektromágneses hullámokkal (Maxwell) Problémák : fény keletkezése hőmérsékleti sugárzás és vonalas színkép Fény elnyelődés fényelektromos hatás Hőmérsékleti sugárzás: az anyagot alkotó részecskék rendezetlen hőmozgásuk (ionizációjuk) következtében elektromágneses hullámokat bocsájtanak ki (lásd: izzó testek sugárzása) A kisugárzott energia mennyisége a hőmérséklet negyedik hatványával arányos A teljes színképben sugároznak, de eltérő mértékben, a jellemző hullámhossz fordítottan arányos a hőmérséklettel Értelmezés: Max Planck (1901) kvantum hipotézis A testek csak meghatározott adagokban, energiakvantumokban tudnak energiát (fényt) kisugározni E h f ahol f a fény frekvenciája, h = 6,67 * 10-34 Js (Planck állandó) Fényelektromos hatás: (fotoeffektus) Ha egy fém felületét látható vagy UV fénnyel világítjuk meg, a fémből elektronok szabadulnak ki. (fotocella) A kilépő elektronok energiája nem függ a megvilágítás erősségétől, csak a fény színétől (frekvenciájától). Megfelelő frekvencia esetén, egy a fémre jellemző küszöbérték felett, mindig van elektron kilépés. A megvilágítás erősségétől a kilépő elektronok száma függ Értelmezés: Einstein (1905) összekapcsolása a kvantum hipotézissel h f - W ki E elektron ahol W ki a fémre jellemző kilépési munka; E elektron a kilépő elektron mozgási energiája A fény kvantum neve = foton A fényhez ( fotonhoz) energiájával arányos tömeg is kapcsolható: E = mc 2 Ami fényt (energiát) sugároz ki, annak csökken a tömege: E 2 c m Az elektromágneses hullámok kettős természetűek: Kibocsájtás és elnyelődés esetén részecskeként viselkednek (kvantum) Terjedésük közben hullámként viselkednek (A hullámtermészet annál kevésbé szembetűnő, minél nagyobb a frekvencia) (Magyarban: rádióhullámok, röntgensugárzás ) További következmény (1920-30-as évek): Az anyagnak is van hullámtermészete! Luis de Broglie: a v sebességű, m tömegű testhez rendelt hullámhossz 2 m c illetve a frekvencia f h A modern kvantumelmélet atomelmélet megszületése (Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Dirac, Neumann) h m v
III. Az atom szerkezete: Bohr-féle atommodell Előzmény: A XIX. század végére nyilvánvalóvá vált (elektrolízis, radioaktivitás, röntgensugárzás), hogy az atom nem oszthatatlan részecske, szerkezete van. A XX. század első évtizedeiben fény derült az atom szerkezetére. atom Rutherford szórási kísérlete: pozitív töltésű -részecskékkel bombázott egy igen vékony aranyfóliát. Az -részecskék tekintélyes része akadálytalanul áthaladt a fólián, bizonyos hányaduk viszont eltérült az aranyatomok pozitív töltésű tartományának hatására. Az eltérülés annál nagyobb, minél közelebb halad az -részecske e tartományhoz. Egyes részecskék pedig visszapattantak a fóliáról. A mérési eredményekből arra lehetett következtetni, hogy az atom pozitív töltése 10-14 m sugarú gömbön belül van jelen. Az atomnak ezt a pozitív töltésű, nagy tömegű és igen kis átmérőjű alkotórészét nevezzük atommagnak. Az atommagban van az atom tömegének 99,98 %-a. Rutherford modellje: atom = pozitív töltésű atommag + körülötte keringő elektronok Az elektron burokban az elem rendszámával egyezőszámú elektron van. Problémája: Rutherford modelljében az atommag körül keringenek az elektronok úgy, ahogy a Nap körül a bolygók. Az elektronokat az atommag elektrosztatikus vonzása tartja a mag körül. Az atom sugarán a külső elektron keringési sugarát értjük, ez 10-10 m nagyságrendű! Ez az atommodell lényeges előrelépés Thomson modelljéhez képest, de van egy komoly fogyatékossága: nem lehet stabil. Az állandóan keringő (tehát gyorsuló) elektronok energiát sugároznak ki, ezért előbb utóbb bele kellene zuhanniuk a magba. Ez pedig ellentmondásban van az atomok könnyen megfigyelhető stabilitásával. Megoldás: Bohr (1913): A kvantumhipotézis bevezetése Az elektronok az atomon belül csak jól meghatározott energiájú állapotban lehetnek, alapállapotban nem sugároznak (kvantált naprendszer) A kémiában tanult modell ennek a hullámmechanika által tökéletesített változata: Az elektronok pontos helye nem meghatározható, elektron felhő az elektronburok szerkezete meghatározott kvantum számokkal jellemezhető, (fő, mellék, mágneses) a periódusos rendszer értelmezhető az elektronburok feltöltődésével. (a belépő elektronok a lehető legkisebb energiájú állapotra törekszenek + Pauli -elv) Az elektronburok szerkezete meghatározza az illető elem kémiai tulajdonságait, illetve sok fizikai jellemzőjét is. (Legkülső, betöltetlen héj a vegyértékhéj.) Fizikai szempontból lényeges, hogy az atomok energia felvétele / leadása (fény elnyelése és kibocsátása) és így a színképek keletkezése is értelmezhető. Gerjesztett atom: Valamely elektron nem a lehetséges legkisebb energiájú állapotban van.gerjesztés létrejöhet pl. fényelnyeléssel, nagyfeszültség, magas hőmérséklet hatására stb. A gerjesztett atom rövid idő múlva a felvett energiát elektromágneses hullámok formájában
kisugározza. Az elnyelt illetve kisugárzott energia megegyezik a két állapot energiájának különbségével. Mivel ez a különbség mindig azonos, ezért a kisugárzott (elnyelt) fény színe állandó, az atomra jellemző. E h f Következmény: A testek színe állandó Magyarázható a vonalas színkép szerkezete. A színkép valóban szolgálhat az anyagi összetétel megállapítására. Folytonos színkép létrejötte: nagyszámú atom eltérő módon gerjesztődik pl. magas hőmérsékleten Lézer: monokromatikus, koherens fény létrehozása 1962. A kibocsájtó anyag atomjait összehangolják, azonos módon gerjesztődnek és lényegében egyszerre nyerik vissza alapállapotukat. Lézer alkalmazásával kapcsolatban megemlítendő a holográfia, melynek kidolgozásáért Gábor Dénes (Bp. 1900 London 1979) 1971-ben Nobel Díjat kapott. Az általa még az 1946-52 között kidolgozott elmélet a lézer 1962-ben való megalkotása után vált alkalmazhatóvá. A hullámmechanikai atommodellben (Bohr féle modell továbbfejlesztése) az atomon belül az elektronok állapotát kvantumszámokkal jellemezzük: - Főkvantumszám, jele: n Lehetséges értékei: n = 1,2,3,4, - Mellékkvantumszám, jele: l Lehetséges értékei: l = 0,1,2,.n-1 Elnevezések: l = 0 s állapot l = 1 p állapot l = 2 d állapot l = 3 f állapot - Mágneses kvantumszám, jele: m A mellékkvantumszám lehetséges értékei: m = 0,±1,±2,.±l (Vagyis adott l mellékkvantumszám esetén 2l+1 értéket vehet fel.) - Spinkvantumszám, jele: s Ez a kvantumszám szemléletesen az elektronnak, mint egy kis pörgettyűnek a forgásirányáról ad számot. Lehetséges értékei: s = ±1/2 Az alábbi táblázat a kvantumszámok lehetséges kombinációit mutatja az n=4 főkvantumszámú állapotig bezárólag. n 1 2 3 l 0 0 1 0 1 2 m 0 0-1 0 1 0-1 0 1-2 -1 0 1 2 s ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 4 0 1 2 3 0-1 0 1-2 -1 0 1 2-3 -2-1 0 1 2 3 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 A táblázatból kiolvasható, hogy az n = 1 főkvantumszámú állapothoz 2 elektronállapot n = 2 főkvantumszámú állapothoz 8 elektronállapot n = 3 főkvantumszámú állapothoz 16 elektronállapot n = 4 főkvantumszámú állapothoz 32 elektronállapot tartozik. Általában az n főkvantumszámú állapothoz 2 n 2 elektronállapot tartozik. Ez alapján értelmezhető a periódusos rendszer felépítése.
Elektronpályák.