A kémia fejlődésének rövid története (kronológiai áttekintés) VI. A kvantummechanikai atommodell

Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) http://hu. wikipedia Nobel-díjas (1918) német fizikus, akit tehetsége miatt a zongoraművészi pálya is csábított. 1896 körül kezdte el a hőmérsékleti sugárzással kapcsolatos kutatásait. Képletbe foglalt eredményét a Berlini Fizikai Társaság előtt mutatta be először 1900. október 19-én, majd 1900. december 14-én. Ez utóbbi naptól számítjuk a kvantummechanika születését, ami az addigi newtoni fizikai felfogást alapvetően megváltoztatta.

Max Karl Ernst Ludwig Planck (folyt.) 1926-ban nyugalomba vonult a berlini egyetemről, s a Kaiser WilhelmTársaság elnöke volt 1937-ig. Nagy erkölcsi tekintélye volt, s nyíltan ellenezte a zsidóüldözést. Egyik fiát 1944-ben kivégezték a Hitler ellen szervezett merényletben való részvételéért. A II. Világháború végén házát bombatalálat érte, így az iratai, kutatási naplói megsemmisültek. 1946-ban ismét a Kaiser Wilhelm Társaság elnöke lett, ami nevét tiszteletére 1947-ben Max Planck Társaságra változtatta.

ahol ν a frekvencia és h a Planck-állandó. Planck először mestere, Kirchoff nyomán termodinamikával foglalkozott, de híressé a fekete test spektrumának magyarázatával vált, amivel a speciális relativitáselmélet kialakulásához is hozzájárult. Az abszolút fekete test egy olyan test, amely csak a hőmérséklete miatt sugároz, különben minden elektromágneses hullámot elnyel. Csak úgy tudott helyes eredményre jutni, ha feltételezte, hogy csak diszkrét frekvenciafüggő E adagokban történhet energiaátadás: E = h∙ν ahol ν a frekvencia és h a Planck-állandó. Az energia legkisebb mennyisége a „hatáskvantum” → az anyag kettős (részecske és hullám) természetű!

Albert Einstein (1879-1955) 8/153-174 http://hu. wikipedia A németországi Ulmban születik zsidó családban, akik azonban nem tartották a hagyományokat. Ennek ellenére a fajelmélet híveinek célpontjává válik, mert szerintük „zsidó fizikát” művel az „árja fizikával” szemben… Ezért 1933-ban (Hitler hatalomrakerülése után) Amerikába kell menekülnie, s ott dolgozik, majd ott is hal meg Princtonban, New Jersey államban. Itt viszont az ötvenes években baloldali nézetei miatt megfigyelik és kihallgatják. Tapintatlansága miatt, amivel legtöbb professzorát megbántotta nem kapott állást. Ezért 1902-től a Svéjci Szabadalmi Hivatalban dolgozik, ahol doktorátust szerez 1905-ben. Először elutasítják kérelmét, de végül 1906-ban másodosztályú technikai vizsgálóvá léptetik elő… 1903-ban feleségül veszi szerelmét és szellemi társát, a szerb matematikus Mileva Maric-ot. 1914-1933: a Vilmos Császár Fizikai Intézet igazgatója Németországban.

1905: „Annus Mirabilis” (latinul: A csodák éve, ezért 2005-ös centenáriuma a „Fizika Éve” lett!) Ebben az évben Einstein 4 cikket közöl az ”Annalen der Physik” c. folyóiratban, amelyek közül 3 külön-külön is megérdemelte volna a Nobel-díjat. A cikkekben alig volt irodalmi hivatkozás. Az elméleti fizikából vett ötletek logikai következményeit tárgyalva sikerül megmagyaráznia olyan kísérleti eredményeket, amik már régóta zavarba hozták a fizikusokat: 1. A Brown-mozgásról írott cikkében bebizonyítja, hogy ez a jelenség kísérleti bizonyíték az atomok létezésére. Ez hitelt adott a statisztikus mechanikának, ami még vitatott volt. (Wilhelm Ostwald!) 2. A fénykvantumok (fotonok) létezését feltételezve meg tudta magyarázni a fényelektromos jelenséget, amit egyedül a fény hullámtermészetét feltételező Maxwell –egyenletekkel nem lehetett. Az ötletet Planck feketetest-sugárzás törvénye adta, amely szerint az energia adagokban (kvantumokban) terjed. Einstein a Nobel-díjat 1921-ben a fényelektromos jelenség értelmezéséért kapta, mert a relativitáselmélet túlságosan vitatott volt (valóban több paradoxont tartalmazott!).

1905: „Annus Mirabilis” (folyt.: a 3. és 4. cikk) 3. A speciális relativitáselméletben elvetette a tér és az idő abszolút voltát. Galilei régi ötletére (a természet törvényeinek minden egymáshoz képest egyenletesen mozgó megfigyelő számára azonosnak kell lenniük) és a fénysebesség állandóságára épül (ami a jóval korábbi Michelson-Morley kísérlet eredménye volt). 4. A tömeg-energia egyenértékűség a relativitáselméletből következett. Az E=m∙c2 egyenlet értelmében a testeknek nyugalmi energiája is van, ami különbözik a helyzeti és mozgási energiától. Ez magyarázza a maghasadás során felszabaduló energia nagy mennyiségét.

Az általános relativitás Einstein 1915. novemberében előadássorozatot tartott a Porosz Tudományos Akadémián, amiben leírta az általános relativitáselméletet. Az utolsó előadás tetőpontja az volt, hogy bevezette a newtoni gravitációelméletet felváltó egyenletét. Eszerint a gravitáció nem erő, hanem a téridő görbületének következménye. Ez szolgált a kozmológia alapjául és a világegyetem sok tulajdonságának megértésére, amit jóval később fedeztek fel. Az egyenletei jóslatokat tettek lehetővé, és amikor ezeket Arthur Edington méréssel ellenőrizte , pontosnak bizonyultak. Azt mérték, hogy a napfogyatkozás alkalmával a Naphoz közeli csillag fényét mennyire hajlítja el a Nap gravitációja. 1919. nov. 7-én a The Times leírta az ellenőrzést, mely tovább növelte Einstein hírét, és mai napig sem találtak az elméletnek ellentmondó jelenséget.

Einstein és a kvantummechanika Einstein viszonya a később kialakuló kvantummechanikához ellentmondásos volt, teljesebb, determinisztikusabb magyarázatot várt, ezért elégedetlen volt vele: „A kvantummechanika bizonyára hatásos. Mégis egy belső hang azt súgja nekem, hogy ez még nem az igazi. Sok mindent mond az elmélet, de nem igazán visz közelebb az Öreg (Isten – a ford. megjegyzése) titkához. Én legalábbis meg vagyok győződve, hogy Ő nem dobókockázik.” Niels Bohr, aki gyakran vitatkozott Einsteinnel a kvantummechanikáról, azt szokta felelni erre neki: „Ne mondd meg Istennek, hogy mit kell csinálnia!”

Louis de Broglie (1892-1987) http://hu. wikipedia Louis-Victor-Pierre-Raymond, de Broglie 7. hercege (de nem ezért tiszteljük…), francia fizikus 1924: doktori disszertációjában közli elméletét az elektronhullámokról. De Broglie hipotézis (Einstein és Planck munkájára alapozva): minden mozgó részecske rendelkezik egy hozzárendelt hullámmal → hullámmechanika. Ennek alkalmazásai közé tartozott az elektronmikroszkóp kifejlesztése. Ez az optikai mikroszkópnál jobb felbontású, mert az elektronok hullámhossza rövidebb a fotonokénál → 1929: fizikai Nobel-díj 1924-től a Párizsi Egyetemen tanít, 1944-től a Francia Akadémia tagja (csak 17-en választják meg a háború miatt és bátyja fogadja taggá!)

Werner Karl Heisenberg (1901-1976) 1/915 és 1/720 http://hu. wikipedia Nobel-díjas német fizikus (1932). 1925-ben fejlesztette ki a mátrixmechanikát, a kvantummechanika első egzakt megfogalmazását. 1927-ben fedezte fel a határozatlansági elvet, ami szerint kanonikus konjugált mennyiségek egyszerre való pontos mérése elvi akadályba ütközik (az elektronnak nem lehet egyszerre pontosan ismerni a helyét és az impulzusát). Bohrral együttműködve fogalmazta meg a kvantummechanika koppenhágai interpretációját, ezért a náci rezsim korai szakaszában zaklatták, mint „fehér zsidót”, aki Einstein-féle fizikát tanított. 1928-30: Lipcsében doktori témavezetője volt Teller Edének.

Werner Karl Heisenberg politikai szerepe Heisenberg vezette a háborús Németország nukleárisenergia-programját, szerepe máig vitatott. Ő azt sugallta a háború után, hogy szándékosan szabotálta a német atombomba létrehozását, de mások szerint (a kritikus tömeg kiszámításakor elkövetett hiba miatt) nem hitt az atombomba megvalósíthatóságában, s ezért nem dolgozott teljes szívvel rajta. 1941-es koppenhágai találkozójáról Bohrral utólag azt engedte sejtetni, hogy paktumot ajánlott neki, miszerint egyikük se hozza létre az atombombát. Bohr nem igazolta ezt, s számos levelet fogalmazott Heisenbergnek, de egyet se küldött el. Soha többé nem találkoztak egymással.

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961) 1/972 és 719-720; 2007.03.03. http://hu.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dingerErwin Schrödinger Nobel-díjas osztrák fizikus (1932). A bécsi egyetemen tanult, majd a zürichi egyetemen tanított. Később Planck és Einstein barátja, s Planck utódja lett a berlini Humbolt Egyetemen. 1933-ban elhagyta Németországot, mert nem szerette a nácik antiszemitizmusát. Oxfordba ment, de nemkonvencionális élete (két nővel élt) nem talált megértésre, ezért távozott.

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (folyt.) 1938-ban a hitleri megszállás újra Ausztriában találja, ahol náciellenes múltja miatt zaklatják. Ezért kiad egy olyan közleményt, amiért később Einsteintől személyesen kér elnézést. A nácik mégis elbocsátják állásából. Külföldre megy és Dublinban telepedik le 17 boldog évre. Nem a kvantummechanikához kapcsolódó munkái közül legjelentősebb ötlete: a genetikai információt molekulák tárolhatják (Watson és Crick: DNS kettős spirál szerkezetű, 1953-ban Nobel-díj!)

A kvantummechanikai atommodell (1/719-720) http://hu. wikipedia A kvantummechanikai atommodell (1/719-720) http://hu.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dingerErwin Schrödinger de Broglie (1923): az elektronokat a pályát kitöltő térbeli állóhullámként kell fölfogni. A „kvantummechanika” kifejezést Max Born (1882-1970) használta először 1924-ben, akinél Heisenberg és Pauli is dolgozott. Wolfgang Pauli 1925-ben megfogalmazza a „kizárási elvet”: egy atomban nem lehet 2 teljesen azonos állapotú elektron. Heisenberg 1925-ben kidolgozta a mátrixmechanikát. Schrödinger 1926 januárjában publikálta az Annalen der Physik-ben cikkét ("Quantisierung als Eigenwertproblem" [A kvantálás, mint sajátértékprobléma]) a hullámmechanikáról, amit ma Schrödinger-egyenletként ismerünk. Ez helyes energia-sajátértékeket ad a hidrogénszerű atomok esetén. E parciális differenciálegyenlet megoldásából az atomban található elektronokat jellemző kvantumszámok kiszámíthatók. Egy májusi cikkében pedig megmutatta, hogy az ő megközelítése és Heisenbergé ekvivalens.

A kvantummechanikai atommodell (folyt.) Mai tudásunk szerint a tér egy adott pontján csak az elektron előfordulásának valószínűsége számítható ki, amit a Schrödinger-egyenlet által megadott hullámfüggvény abszolút értékének négyzete ad meg. Azokat a térrészeket, ahol az elektron tartózkodási valószínűsége legalább 90% atompályáknak nevezzük. Schrödinger azon fizikusok közé tartozott, akik a kvantummechanikát a klasszikus fizika határeseteként értelmezték, s nem értett egyet a hullámfüggvény valószínűségi értelmezésével. Friedrich Hund (1927) szabálya: egy alhéjon maximális számú párosítatlan elektron van.

http://en.wikipedia.org.wiki.J.J.Thomson A hidrogén-atom első néhány atompályájának elektronsűrűségére vonatkozó elméleti becsléseket szemléltető ábra.

Az elektrokémia fejlődésének fő állomásai (Dr. Inzelt György előadásai nyomán)

A kezdetek Bagdadi leletek - utalhatnak egy, az ókorban galvánelemként használt berendezésre (elektrosztatikus kísérlet – Leideni palack). Használhatták pl. aranyozásra(?), de ez nem bizonyított. Állatok esetében tapasztalt elektromos jelenségek, pl. rája 1791. Luigi Galvani: Állati elektromosság (békacomb a vizes erkélyrácson összerándul), a bioelektrokémia előfutára. 1792-1802. Alessandro Volta: Fémes vagy kontaktelektromosság (fémek érintkezése!), Volta-elem (Volta oszlop), amivel már elektrolizálásra alkalmas feszültséget lehetett előállítani! Galvani ellenállt Napóleonnak, ezért Napóleon Voltát pártolja kettőjük vitájában (Volta-díj), Galvani majdnem éhen halt! Volta Milánó mellett dolgozik, s felfedezéséről francia nyelvű levelet ír Banks-nek (Royal Society of Chemistry)

Elektrolízis – új kémiai elemek és galvánelemek! 1800. W. Nicholson és A. Carlisle: A víz elektrolízise (shillingesek – Cu, Zn – Volta-elem – nagy szenzáció – „mindenki” ezzel kísérletezett!) 1800. W. Cruikshank: Sóoldatok elektrolízise és elmélete 1806-07. Humphry Davy: Az elektrolízis elmélete, a nátrium és a kálium előállítása 1826. H. Davy: A korrózió elektrokémiai elmélete, katódos fémvédelem (hajók borítása!) 1833/34. Michael Faraday: Faraday-törvény (tömeg- és töltésmegmaradás). Alapvető munkák az elektrolízissel kapcsolatban, elsődleges és másodlagos reakciótermékek kimutatása, acetátoldatok elektrolízisével szénhidrogének előállítása (Kolbe-szintézis). Az elektrokémia új terminológiája (ion, elektród stb.) 1836. J.F. Daniell: A Daniell-elem 1839. W.R. Grove: Tüzelőanyag-elem(!)

Évszámok a középiskolás elektrokémiához és magyar vonatkozások 1859. G. Planté: Ólomakkumulátor 1867. G. Leclanché: Leclanché-elem 1874-78. Josiah W. Gibbs: Az elektromotoros erő és a reakció szabadentalpiája közötti összefüggés 1884-87. Svante A. Arrhenius: Az elektrolitikus disszociáció elmélete 1889. Hermann Walter Nernst: A Nernst-egyenlet 1894. F.Kohlrausch, A. Heydweiler: A víz disszociációállandója 1897. Bugarszky István: A Gibbs-Helmholtzféle felfogás igazolása 1903. Szily Pál: Mesterséges pufferoldatok 1909. S.P.L. Sörensen: pH 1829. J.N. Brönstedt: Sav-bázis elmélet

Néhány további magyar vonatkozás 1930. Erdey-Grúz Tibor és Max Volmer: Az elektródreakciók kinetikájának elmélete, Erdey-Grúz – Volmer egyenlet 1835. J. Horiuti és M. Polányi: Az átlépési tényező értelmezése 1938. Szebellédy L. és Somogyi Z.: Coulombmetriás titrálás 1941. Szent-Györgyi A.: Fehérjék elektromos vezetése 1961. Pungor E.: Ionszelektív membránelektródok kifejlesztése 1991. L. Curtiss és Z. Nagy: Az átlépési tényező és hőmérséklet-függésének kvantummechanikai kiszámítása

Néhány további érdekesség az újabb felfedezések közül 1979. A.F. Diaz: Vezető polimerek elektroszintézise 1987. A.G. McDiarmid, A.J. Heeger Elektromosan vezető polimerek felhasználása elektrokémiai áram-forrásokban 1986. R. Sonnenfeld, P.K. Hansma: Pásztázó szonda mikroszkópia, azaz pásztázó alagút mikroszkóp (STM) - az atomok is láthatók! 1990-92. T.R. Cataldi, S.R. Snyder és H.S. White: Erőmérő atommikroszkópia, azaz pásztázó erőmérő atommikroszkóp (scanning force microscope: SFM), vagy másnéven atomerő-mikroszkóp (atomic force microscope: AFM) 1992. H. Néher: Elektrokémiai mérés egyetlen élő sejtben!

A pásztázó alagút(áram)mikroszkóp (Scanning Tunneling Microscopy, STM)

Az STM működése Az STM az a nyolcvanas években kifejlesztett technika, amely lehetővé teszi, hogy szilárd felületekről addig soha nem látott felbontással készítsünk képeket. Az STM működésének alapja egy úgynevezett alagútáram, amely akkor folyik, ha egy hegyes tű legalább 1 nanométer távolságra megközelít egy elektromosan vezető felületet. A hegyes tűt egy piezoelektromos rúd végére szereljük, így parányi elmozdulása elektronikusan vezérelhető. Mialatt végigpásztázza a felületet, az STM elektronikája mindig úgy mozdítja el, hogy az alagútáram, (és így tulajdonképpen a felület és a tű távolsága) állandó maradjon. Ez a mozgás (tehát a felület pontos lekövetése), rögzíthető és ábrázolható úgy, mint a felület domborzati képe. Ideális esetben az egyes atomok felülete egymástól megkülönböztethető, és láthatóvá tehető. ( http://www.supernova.hu/bolygo/ds1/stm1.htm )

Az STM-mel lehet látni az atomokat…

… és játszani is lehet velük:

Pásztázó atomerő mikroszkóp: SFM vagy másképpen AFM 1986: Binning, Quate és Gerber Az atomok közötti vonzó és taszító erők meghatározásán alapul. A mintának nem kell elektromos vezetőnek lennie (az STM esetében viszont igen!). Már létezik az STM/AFM kombinációja is (alagútáramot vagy kölcsönhatási erőt mér). Fénykép készült már pl. a DNS kettős hélixéről is!

Plazmidról (gyűrű alakú DNS darab baktériumokban és egyes élesztőgombákban) SFM-mel készült felvétel