Základy programu Editor rovnic

ATÓM

1 ATÓM
	Podľa dohody existuje farba, podľa dohody existuje sladkosť, podľa dohody existuje horkosť, ale v skutočnosti sú len atómy a prázdny priestor. Demokritos (asi 460 – 370 p.n.l.)
1.1 Úvod
	Slávny fyzik Richard Feynman kedysi povedal, že keby bolo nutné obmedziť históriu vedy na jedno dôležité tvrdenie, znelo by: „Všetko sa skladá z atómov.“ Sú všade a tvoria každú vec. Rozhliadnite sa okolo seba. Atómy nie sú len v pevných veciach, ako sú stoličky, stoly a pohovky, ale aj vo vzduchu medzi nimi. A sú v množstvách, ktoré si skutočne nedokážeme predstaviť.
1.2 História – staroveké Grécko
Thales z Milétu asi 624 – 547 p.n.l. grécky filozof Empedokles asi 490 – 430 p.n.l. grécky filozof Leukippos 5. stor. p.n.l. starogrécky filozof Demokritos z Abdér asi 460 – 370 p.n.l. grécky prírodný filozof a vedec	V putovaní za históriou atómu sa prenesieme až do starovekého Grécka. Starovekí Gréci totiž ako prví opustili hranice mytologických predstáv o svete a snažili sa racionálne pochopiť svet, prírodu, človeka a život vôbec. Jedna zo základných otázok, na ktorú sa snažili nájsť odpoveď, mala podobu: čo je to všetko, čo je? Milétsky prírodný filozof Thales si už pred viac ako 2500 rokmi uvedomil, že každá látka môže byť klasifikovaná ako pevná, kvapalná alebo plynná. Ďalej – voda môže existovať vo všetkých troch formách – mohlo by to znamenať, že všetka hmota nie je nič viac ako voda? Thales skutočne tvrdil, že celý hmotný svet pochádza z jedinej pralátky, ktorou je podľa neho voda. Thalesom sa však hľadanie pralátky, z ktorej pochádza všetka hmota, nekončí. Grécky filozof Anaximenes za túto pralátku považoval vzduch, podľa Herakleita bol prvopočiatkom večne živý oheň. Ďalšími z významných gréckych filozofov boli Anaxagoras a Empedokles. Anaxagorovo učenie hovorilo o tom, že všetky zmeny v prírode sú spôsobené rôznym usporiadaním akýchsi nedeliteľných častíc. Empedokles zredukoval tieto nedeliteľné častice na štyri elementy: zem, vzduch, oheň a voda. A podobne ako maliari dokážu zo základných farieb napodobniť celú rozmanitosť prírody, tak sa táto rozmanitosť vytvára z týchto štyroch elementov. Asi práve na tomto mieste vchádza pojem „element“ do príbehu vedy. Pôdu pre modernú fyziku pripravili v 5. storočí p.n.l. grécki filozofi Leukippos a jeho nasledovník Demokritos, ktorí zaviedli najmenšie, nedeliteľné telieska. Ak delíme kúsok hmoty najostrejším nožom, aký si možno predstaviť, dôjdeme nakoniec k časticiam, ktoré už ďalej nemožno deliť. To sú „atómy“ – nedeliteľné. Podľa Demokrita sú atómy nesmierne malé, majú rôzne tvary a nepretržite sa pohybujú v prázdnom priestore. Sú však rôzne ťažké a rôzne pohyblivé. Majú schopnosť spájať sa, čím vznikajú všetky pozorované hmotné útvary, od najtvrdších cez kvapalné až k najľahším plynom a hviezdam. Predstavy Leukippa a Demokrita o ATÓMOCH: podstatou všetkého sú atómy a prázdno atómy sú nedeliteľné, večné a nemenné atómy majú nekonečne veľa tvarov a ich počet je tiež nekonečný rôzne veci vznikajú a zanikajú rôznym spájaním a rozpájaním atómov Obr.1.1 Grécke slovo „atomos“ - nedeliteľný Všetky tieto myšlienky, predpoklady a názory mohli dať ihneď základ moderného vedeckého myslenia, že svet sa skladá z niekoľkých nedeliteľných častíc (zložiek). Myšlienky gréckych filozofov však zapadli na viac ako 2000 rokov prachom.
1.3 Novodobá história
J.Dalton 1766 – 1844 anglický chemik R.Brown 1773 – 1858 škótsky botanik D.I.Mendelejev 1834 – 1907 ruský chemik	V stredoveku sa atomistické teórie nerozvíjali. Hypotézy o časticovej štruktúre látok sa začali objavovať v 17. storočí. Avšak modernú atómovú teóriu hmoty navrhol až v roku 1808 anglický chemik John Dalton. Chémia sa v tomto období stala kvantitatívnou vedou a zistilo sa, že široká rozmanitosť látok môže byť vytvorená kombinovaním rôzneho množstva niekoľkých prvkov (elementov), ako vodík, uhlík, kyslík, sodík, chlór. Dalton si uvedomil, že spôsob akým sa tieto prvky zlučujú, by mohol byť pochopený, ak by bola prijatá predstava, že každý prvok sa skladá z atómov. Kombinovaním atómov rôznych prvkov sa vytvárajú molekuly neelementárnych látok. Veril tiež, že atómy sú nedeliteľné a práve preto, že si ctil Demokrita, nazval tieto nedeliteľné časti atómami. Prvé vedecké poznatky podporujúce atómovú hypotézu boli: ZÁVER: látka má atómovú a molekulovú štruktúru Celá kinetická teória plynov je založená na predstave atómov ako malých tvrdých guličiek, ktoré sú v neustálom pohybe. ??? Ako vieme, že atómy skutočne existujú? Atómy sú také malé, že ich nemôžeme vidieť. Keby sme naskladali vedľa seba pol milióna atómov, tak by sa skryli za jeden ľudský vlas. Atómy sú však v neustálom pohybe, a keď vložíme do vody nejaký maličký predmet, ktorý je omnoho väčší ako atómy, bude poskakovať. Bude sa chovať podobne, ako sa chová obrovský balón pri hre veľkého množstva ľudí. Ľudia postrkujú balón rôznymi smermi a ten sa pohybuje po ihrisku nepravidelne. Práve tak sa bude pohybovať maličký predmet vo vode, pretože v rôznych okamihoch na neho budú z rôznych strán dopadať nerovnaké údery. Preto pri sledovaní veľmi malých čiastočiek (napríklad peľových zrniek) vo vode pomocou dobrého mikroskopu pozorujeme ich neustále poskakovanie ako následok toho, že sú bombardované atómami a molekulami. Tento jav sa volá Brownov pohyb podľa škótskeho botanika Roberta Browna, ktorý si v roku 1872 všimol, že malé zrnká peľu vo vode sú v neustálom pohybe, aj keď sa ich snažil zastaviť. Podstatu tohto javu teoreticky vysvetlil až v roku 1905 Albert Einstein, a tým poskytol dôkaz, že atómy skutočne existujú. ??? Je atóm naozaj nedeliteľný? Prvým nepriamym náznakom toho, že atóm má vnútornú štruktúru, bolo objavenie množstva chemických prvkov v 17. storočí. Postupne ako prvkov pribúdalo, bolo nevyhnutné popísať ich jednoduchšie. Prehľadné usporiadanie prvkov priniesol profesor chémie Dmitrij Ivanovič Mendelejev uverejnením svojej periodickej tabuľky prvkov v roku 1869. Obr.1.2 Mendelejevova periodická tabuľka prvkov z roku 1869 Mendelejev usporiadal prvky od najľahšieho–vodíka po vtedy najťažší–urán. To zapríčinilo, že prvky s rovnakými vlastnosťami sa opakovali v pravidelných intervaloch. Ale ak každý prvok je naozaj nezávislý od ostatných, potom podobnosti medzi nimi by sa mali prejavovať náhodne. Túto pravidelnosť dnes chápeme ako dôsledok toho, že atómy nie sú elementárne, ďalej nedeliteľné, ale sú zložitým systémom elektrónov, ktoré obklopujú kompaktné jadro. V Mendelejevovej dobe bolo známych len tridsaťšesť prvkov a on si vďaka svojej chytrosti už vtedy uvedomoval, že to nie je úplný obraz, a že mnoho dielov skladačky chýba. Jeho tabuľka predpovedala s pomernou presnosťou, kam nové prvky zapadnú, až ich niekto objaví. Dnes poznáme približne 120 prvkov, deväťdesiatdva z nich sa prirodzene vyskytujú v prírode a zvyšné dva tucty môžeme vyrobiť v laboratóriách. Presný počet je sporný, pretože ťažké umelo vyrobené prvky existujú len milióntiny sekundy a chemici sa niekedy hádajú, či boli vôbec zaregistrované. Mimochodom nikto presne nevie, aký vysoký počet prvkov nakoniec môže existovať, aj keď sa atómové číslo nad 168 považuje za „čisto špekulatívne“. Isté však je, že všetko, čo bude nájdené, do Mendelejevovej skvelej tabuľky elegantne zapadne. Ďalšie nové poznatky, ktoré narušili predstavu o nedeliteľnosti atómov boli: Faradayove zákony elektrolýzy (1834) štúdium katódových lúčov (1859) - Thomson zistil, že každá častica katódového žiarenia nesie elektricky záporný náboj a Stoney nazval tieto častice elektróny. termoemisia (1883) – Edison objavil, že pri zahrievaní rôznych materiálov sa z nich emitujú elektróny. fotoelektrický jav (1888) - Hallwachs pozoroval uvoľňovanie elektrónov pri osvetlení materiálov. ZÁVER: elektróny nie sú niečím vzácnym, ale pravdepodobne existujú vo všetkých atómoch
1.4 Zrod modernej fyziky
W.Röntgen 1845 – 1923 nemecký fyzik H.Becquerel 1852 – 1908 francúzsky fyzik	Za zrod modernej fyziky možno považovať objav Wilhelma Röntgena z roku 1895. Práve ďalšie štúdium Röntgenom objavených X-lúčov viedlo k rozvoju atómovej fyziky. V snahe o vysvetlenie podstaty X-lúčov objavil francúzsky fyzik Henry Becquerel pri štúdiu fluorescencie uránových solí v roku 1896 rádioaktívne žiarenie. V týchto prácach pokračovali manželia Pierre Curie a Marie Curie-Skłodowská, ktorí objavili nové rádioaktívne prvky – rádium a polónium. Prvým hrdinom atómového veku sa stal Ernest Rutherford, ktorý sa začal zaujímať o tieto nové rádioaktívne materiály. V roku 1900 zistil, že žiarenie objavené Becquerelom obsahuje tri zložky: alfa žiarenie – masívne, kladne nabité častice (dnes vieme, že sú to jadrá hélia) beta žiarenie – záporne nabité častice (čoskoro sa o nich dokázalo, že sú to elektróny) gama žiarenie – elektromagnetické žiarenie extrémne vysokých energií (prevyšujúcich i energiu X-lúčov) Rutherford s kolegom Frederikom Soddym objavili, že rádioaktívne prvky sa rozkladajú na iné prvky. Povedzme, že jedného dňa tu máme atóm uránu a na druhý deň je tu namiesto neho atóm olova. Prišli aj na to, že v týchto malých množstvách látky sú viazané nesmierne zásoby energie, a že rádioaktivita by mohla byť príčinou vzniku väčšiny tepla Zeme.
1.5 Modely atómu
	Začiatkom 20. storočia sa vedelo, že atómy sa skladajú z častí, dokázal to Thomsonov objav elektrónu, ale nebolo známe: koľko stavebných prvkov má atóm a akého sú tvaru aké je rozdelenie kladného náboja v atóme ako je zabezpečená väzba elektrónov v atóme
1.5.1 Thomsonov model atómu
J. J. Thomson 1856 – 1940 anglický fyzik	Poznatky o atómoch a elektrónoch začiatkom 20. storočia: elektrón má záporný elektrický náboj atóm je navonok elektricky neutrálny ZÁVER: každý atóm musí obsahovať dostatok kladnej zložky k vyrovnaniu záporného náboja jeho elektrónov elektrón je približne 2000-krát ľahší ako najľahší atóm vodíka ZÁVER: kladne nabitá zložka dodáva atómu takmer celú jeho hmotnosť Anglický fyzik J.J.Thomson navrhol v roku 1898 predstavu, podľa ktorej: atóm je homogénnou kladnou guľou, vo vnútri ktorej sú záporné elektróny elektróny sú v atóme rozložené tak, aby celok bol stabilný a elektricky neutrálny Fyzici nazývali tento model aj „pudingovým modelom“ pričom mali na mysli puding s hrozienkami. Guľa pudingu predstavovala hmotnosť atómu a jeho kladný náboj, hrozienka predstavovali elektróny. Thomsonov model atómu umožnil ohodnotiť rozmery atómu vodíka v dobrom súlade s rozmermi získanými z kinetickej teórie plynov, čo by mohlo byť potvrdením tejto predstavy. Ale, vedcov trápila otázka, aké je skutočné priestorové rozloženie kladných a záporných nábojov vo vnútri atómu. Odpoveď na túto otázku ponúkol až o 13 rokov neskôr Rutherfordov model atómu.
1.5.2 Rutherfordov model atómu
sir E.Rutherford 1871 – 1937 anglický fyzik	Aby sa zistilo, čo je skutočne nositeľom kladného náboja atómu, bolo potrebné „pozrieť“ sa do jeho vnútra. Predstavte si, že udrieme do kovu kladivom, zasiahneme tak milióny atómov a o jedinom atóme sa nedozvieme nič. Ale ak by sme na kov „udreli“ niečím, čo má porovnateľné rozmery ako atóm, mali by sme reálnu šancu, že bude zasiahnutý jediný atóm a niečo sa o ňom dozvieme. Napríklad to, ako je v ňom skutočne rozložený kladný a záporný náboj. Experiment, ktorý by ponúkol odpovede na tieto otázky navrhol anglický fyzik Ernest Rutherford a v roku 1911 ho realizovali jeho spolupracovníci Geiger a Marsden. Rutherford si ako prvý uvedomil, že alfa častice, ktoré vznikajú pri rádioaktívnych premenách látok možno použiť ako nástroj na skúmanie štruktúry atómu. Aj keď podstata alfa častíc nebola ešte úplne známa, mali užitočné vlastnosti: Keďže sú emitované z atómov, sú oveľa menšie ako atómy, Majú kladný náboj, takže budú kladným nábojom atómov odpudzované. Tieto pomerne ťažké častice ignorovali veľmi ľahké elektróny rovnako, ako by si biliardová guľa nevšimla zrnko prachu. Je potrebné pozastaviť sa pri tom, prečo samotné alfa častice neboli navrhnuté ako nositele kladného náboja atómu. Existovali preto dva hlavné dôvody: Hmotnosť alfa častice je 4-krát väčšia ako hmotnosť atómu vodíka, čo znamená, že vodík z nich nemôže byť vybudovaný, Veľkosť náboja alfa častice je rovná dvojnásobku náboja elektrónu a prirodzenejšie bolo predpokladať, že nositeľ kladného náboja v jadre bude mať rovnakú veľkosť náboja ako elektrón. RUTHERFORDOV EXPERIMENT V experimente boli alfa častice z rádioaktívneho zdroja vystreľované na veľmi tenkú zlatú fóliu a potom sa pozorne sledovalo, do ktorých smerov sa častice rozptyľujú. Zariadenie, pomocou ktorého Rutherford pozoroval rozptyl alfa častíc: 1–mikroskop, 2–fluoreskujúce tienidlo, 3–rádioaktívna látka v ochrannom olovenom púzdre, 4-drôtik používaný ako terčík, 5–vákuový vývod, 6-plášť Obr.1.3 Rutherfordov experiment Na základe Thomsonovho modelu atómu Rutherford očakával, že alfa častica sa pri prechode zlatou fóliou iba málo odchýli od pôvodného smeru. Podľa výpočtov by mali byť maximálne odchýlky alfa častíc od pôvodného smeru asi 1º až 2º. Experimenty však ukázali, že odchýlky sú veľké a na Rutherfordovo prekvapenie sa niektoré z častíc odrazili dokonca späť. Rutherford po rokoch spomínal na objav takto: „Toto bola najnepravdepodobnejšia udalosť v celom mojom živote. Je to tak málo pravdepodobné, ako keby ste 15-palcovým granátom strieľali do tenkého cigaretového papiera, náboj by sa odrazil od papiera a vletel rovno do vás.“ Rutherford si s týmito výsledkami niekoľko týždňov lámal hlavu a nakoniec si uvedomil, že alfa častice sa môžu rozptyľovať do takých veľkých uhlov len vtedy, pokiaľ sa zrážajú s veľmi hustou a malou centrálnou oblasťou vo vnútri atómu, v ktorej je sústredená celá hmota a celý kladný náboj. Táto oblasť sa dnes nazýva atómové jadro. Kladný náboj atómu Z.e a skoro celá jeho hmotnosť sú sústredené v centre atómu. Alfa častice prechádzajúce cez atóm vo väčšej vzdialenosti od jadra sú rozptyľované pod malými uhlami. Tie alfa častice, ktoré sa zrážajú s jadrom priamo, sú rozptyľované buď dozadu, alebo pod veľmi veľkými uhlami. Obr.1.4 Výsledok Rutherfordovho experimentu Jadro je asi stotisíckrát menšie než veľkosť atómu. Keby sa atóm zväčšil tak, že by zaplňoval katedrálu, jadro by malo veľkosť muchy, ale muchy mnohotisíckrát ťažšej než celá katedrála. Základné zložky atómu, jadro a elektróny, boli teda experimentálne objavené a ich existencia dokázaná. Mohlo sa zdať, že problém atómu je vyriešený, ale v skutočnosti zostávala nezodpovedaná otázka rozloženia elektrónov. RUTHERFORDOV MODEL Elektróny obiehajú okolo jadra po kruhových dráhach analogicky ako planéty okolo Slnka. Namiesto gravitačnej sily tu pôsobí elektromagnetická príťažlivá sila pôsobiaca medzi zápornými elektrónmi a kladne nabitým jadrom. Problém Rutherfordovho planetárneho modelu bol v tom, že žiaden elektrón nemôže obiehať okolo jadra bez toho, aby sa do neho okamžite nezrútil. Podľa klasickej teórie elektriny a magnetizmu elektrón pohybujúci sa po kružnici vyžaruje svetlo, a tým stráca energiu, v dôsledku čoho sa špirálovite zrúti do jadra. ??? Čím je zaistená stabilita atómu?
1.5.3 Bohrov model atómu
N. Bohr 1885 – 1962 dánsky fyzik	Dlhú dobu zostávala nezodpovedaná jedna hádanka. Keď fyzici zahrievali trubice naplnené rôznymi plynmi, zistili, že každý plyn vyžaruje svetlo iba s istým charakteristickým „spektrom“. Vyžaruje energiu len na určitých vlnových dĺžkach, ale na iných nie. Akoby sa nejaká starostlivo sledovaná osoba pravidelne objavovala na určitých miestach, ale nikdy nebola pozorovaná, ako sa medzi nimi presúva. Spektrum bolo jednoducho nespojité a nikto nechápal, prečo sa tak deje. Takéto spektrum sa nazýva čiarové. Obr.1.5 Čiarové emisné spektrá atómov Čiarové spektrum je možné využiť k identifikácii jednotlivých chemických prvkov. Niektoré čiarové spektrá sú pomerne jednoduché (napríklad spektrum vodíka, hélia a alkalických kovov – lítium, sodík, draslík), ale väčšina z nich je veľmi komplikovaná. Prvý krok k riešeniu problému čiarového spektra spravil dánsky fyzik Niels Bohr. Vysvetlil tiež, prečo elektróny nespadnú do jadra. Môžu totiž zaujímať len určité, dopredu vymedzené obežné dráhy. Každej takejto dráhe odpovedá konkrétna energia, hovoríme, že energia je „kvantovaná“. Elektrón prechádzajúci medzi dvoma obežnými dráhami zmizne z jednej a okamžite sa objaví na druhej, bez toho, aby navštívil miesto medzi nimi. Pri tomto „kvantovom skoku“ môže vyžiariť alebo pohltiť energiu. BOHROVE POSTULÁTY Energie elektrónov v atóme sú kvantované, teda elektróny sa pohybujú po určitých (diskrétnych) kruhových dráhach okolo jadra a vtedy nevyžarujú energiu. Elektróny môžu vyžarovať energiu iba v skokoch, a to pri prechode z vyššej na nižšiu energetickú hladinu – elektrón vyžiari fotón. V Bohrovom modeli sa takto zvláštne snúbia klasické (obiehanie elektrónu po kruhových dráhach) a kvantovomechanické predstavy (iba určité možné energetické stavy). Jeho úspechom bolo, že presne popísal známe vodíkové spektrum, teda súhlasne s experimentom, ako aj to, že jeho výpočty energetických hladín presne súhlasia s kvantovomechanickými výpočtami. Modelu však ľudia veľmi nerozumeli a problém bol s popisom spektier zložitejších atómov. Hoci Bohr svoj prvý kvantový model atómu vodíka vypracoval v roku 1913, až v roku 1926 dokázal Erwin Schrödinger vysvetliť Bohrove pravidlá pomocou novej kvantovej mechaniky. Pričom elektrón v atóme pripomína svojím chovaním stojatú vlnu.