Az anyag atomos szerkezete Műszaki fizika alapjai Az anyag atomos szerkezete Atommodellek Dr. Giczi Ferenc Széchenyi István Egyetem, Fizika és Kémia Tanszék Győr, Egyetem tér 1.

Az atomfogalom kialakulása Minden anyag parányi, tovább már nem osztható részecskékből áll. (Demokritosz, i.e. 5 sz.) Állandó súlyviszonyok törvénye: egy kémiai vegyületben a vegyületet alkotó elemek tömegeinek aránya állandó. (Dalton 1803)

Az atomtömeg Dalton a molekulát felépítő atomok relatív tömegére is következtetett. Mai gyakorlatunk szerint az atomok vagy molekulák tömegét a 12 tömegszámú semleges szénatom tömegének 1/12 részéhez, mint egységhez hasonlítjuk. Az ilyen egységben kifejezett atom vagy molekulatömeget nevezzük relatív atomtömegnek ill. relatív molekulatömegnek. u = 1,660540210-27 kg Pl.: H – 1,00797 O – 15,9994 S – 32,064

Az atomfogalom kialakulása Valamely elem vagy vegyület 1 mólja annyi gramm tömegű, amennyi az illető anyag relatív atomtömege, ill. relatív molekulatömege. Fontos felismerés: 1 mól anyagban lévő atomok ill. molekulák száma:

Az atomfogalom kialakulása Kinetikus gázelmélet: A molekulák és az atomok mint különálló részecskék létezésének újabb bizonyítéka. A gáznyomás a szabadon mozgó molekuláktól származó impulzus átadás. A gázmolekulák méretének nagyságrendje 1,5…2·10-10 m.

Az atomfogalom kialakulása Brown-féle mozgás: A gázba apró füstrészecskéket juttatunk és mikroszkóp alatt követjük az útjukat. A füstrészecskék zegzugos mozgása a gázmolekulákkal történő véletlenszerű ütközések következménye.

Az elektromosság „atomos” szerkezete Az elektrolízis Faraday törvényei (1833): Az elektrolízis során az elektródokon kiváló anyagok mennyisége az elektroliton áthaladt töltés mennyiségével arányos. k – elektrokémiai egyenérték, anyagtól függő állandó  

Az elektromosság „atomos” szerkezete Helmholtz-féle következtetés (1881): Tapasztalat szerint 1 mólnyi 1 vegyértékű anyag kiválasztásához 96500 C töltés szükséges. Az elektromosság is meghatározott elemi részecskékből áll.  

Az elemi töltés meghatározása Millikan módszerével (1909.) Olajcseppek töltésének meghatározása Olajcseppek töltése egy elemi töltés egész számú többszöröseként fejezhető ki. (Az olajcsepp emelkedésekor)  

Az atomok oszthatósága Dalton nyomán: Az atomelmélet legtöbb követője az atomokat oszthatatlan és változatlan részecskéknek, azaz egymásba semmiképpen át nem alakítható és kisebb részekre nem bontható egységeknek tekintette. Prout hipotézise (1815): A hidrogén relatív atomtömege közel 1, sok elem relatív atomtömege jó közelítéssel egész szám, Az összes atom hidrogén atomokból épül fel. Pl.: H – 1,00797 O – 15,9994 S – 32,064

Az atomok oszthatósága Az elemek periódusos rendszere (1869): A növekvő relatív atomtömeg szerint felsorakoztatott elemek bizonyos kémiai és fizikai sajátságai (pl. az atomtérfogat) periodikusan ismétlődnek. Az elemek periódusos rendszerbeli sorszáma a rendszám. Mengyelejev: Az atomok kisebb alkotórészekből épülnek fel, valamilyen törvényszerűen ismétlődő csoportosulás szerint.  

A gázkisülések kísérleti vizsgálata A gázkisülést jellegzetes fényjelenség kíséri, A kibocsátott fény színe a gáz anyagi minőségétől függ, A gáz nyomásának csökkentésével a kisülést kísérő fényjelenség eltűnik.  

Katódsugarak Ez a részecske 1836-szor könnyebb, mint a hidrogénatom és negatív töltésű. ELEKTRON A katódsugarat alkotó részecskék tulajdonságai nem függnek sem a katód anyagától, sem a csőben lévő kisnyomású gáz minőségétől. A katódsugarak részecskéi az eddig oszthatatlannak tartott atomokból származnak.  

Thomson-féle atommodell (1904.) elektronok Az egészében véve semleges atom pozitív töltése egyenletesen oszlik el a kinetikus gázelméletnek megfelelő kb. 10-10 m átmérőjű gömbben.  

Az atommag felfedezése Rutherford kísérlet A legtöbb alfa részecske a lemezen való áthaladáskor alig térül el, de igen kis számban megfigyelhetők nagyszögű, sőt 1800-os eltérülések is. „Ez volt a leghihetetlenebb esemény az egész életemben. Csaknem annyira hihetetlen volt, mint az, hogy 15 hüvelykes lövedékkel selyempapírra lövök, s a lövedék visszapattanva engem talál el.” (Rutherford)  

Következtetések Az atom teljes pozitív töltése és tömegének túlnyomó része az atom sugarához képest kicsi (kb. 10-15 m sugarú) atommagban összpontosul. Az elektronok a magtól kb. 10-10 m távolságban helyezkednek el. Az elektronoknak kör vagy ellipszis pályán kell keringeni az atommag körül. BOLYGÓ-MODELL A mag elemi pozitív töltéseinek száma megegyezik az adott kémiai elem rendszámával. A mag elemi pozitív töltéseinek száma az atom semleges volta miatt megegyezik az atom elektronjainak számával.  

A Rutherford-féle atommodell (bolygó modell) hiányosságai Mi tartja össze a pozitív töltésű atommagot? Elektrodinamikailag nem stabil. Az elektronnak spirális pályán az atommagba kell zuhannia 10-8 s alatt. Az összeomló atom folytonos színképet bocsátana ki.  

Emissziós színképvonalak  

Elnyelési színképvonalak  

A hidrogéngáz vonalas színképe A színképvonalak sorozata jellemző a fényt kisugárzó gáz anyagi minőségére. (színképelemzés, abszorpciós, emissziós)  

A hidrogéngáz vonalas színképe Matematikai összefüggéseket kerestek a hullámhosszak között. Balmer-féle értelmezés (1885) Rydberg-állandó Feladat: Számítsuk ki a hidrogén színképvonalainak hullámhosszát!  

A hidrogéngáz vonalas színképe m n 1 2 3 4 5 122 103 656 97 486 1875 95 434 1281 4050 6 94 410 1094 2624 7456 7 93 397 1005 2165 4651 8 389 954 1944 3739 9 92 383 923 1817 3295 10 380 901 1736 3038 11 377 886 1680 2871 12 375 875 1640 2757 13 373 866 1611 2674 14 372 860 1588 2611 15 371 854 1570 2563 16 91 370 850 1555 2525 17 847 1543 2494 18 369 844 1534 2469 19 841 1526 2448 20 368 839 1519 2430 21 837 1513 2415 22 836 1508 2402 23 367 834 1504 2391 24 833 1500 2382 25 832 1496 2373 26 831 1493 2366 Később más sorozatokat is találtak a hidrogén színképében Lyman-sorozat (1906) n=1 Balmer-sorozat (1885) n=2 Paschen-sorozat (1908) n=3 Brackett-sorozat (1922) n=4 Pfund-sorozat (1924) n=5  

A Bohr-féle posztulátumok Az atom elektronjai a mechanikailag lehetséges pályák közül csak egyes meghatározott stacionárius pályákon keringhetnek. Amíg e pályákon tartózkodnak az atom nem sugároz ki fényt, így az energiája változatlan. Fénykibocsátás csak akkor következik be, amikor egy elektron valamely stacionárius pályáról ugrásszerűen egy másikra megy át. Miért? ….csak! Miért? ….csak! hf  

Az atom energia vagy nívósémája gerjesztett állapotok alapállapot A Bohr-modell alapján érthetővé válik a vonalas színképek keletkezése.  

A hidrogénatom Bohr-féle elmélete A hidrogén atom M tömegű és e töltésű magból és egyetlen m tömegű és –e töltésű elektronból áll. A magot nyugvónak tekintjük és feltesszük, hogy a mag körül az elektron r sugarú körpályán állandó v sebességgel kering. Mozgásegyenlet Bohr-féle kvantumfeltétel 0=8,854∙10-12 As/Vm

A hidrogénatom Bohr-féle elmélete Pályasugár E3 Kerületi sebesség E2 E1  

A hidrogénatom Bohr-féle elmélete Az elektron összes energiája Feladat: Számítsuk ki az En együtthatóját! Feladat: Számítsuk ki a hidrogén E1,……E4 energiáit! Az elektron energiája a pályát jellemző kvantumszám függvénye. A negatív előjel mutatja, hogy az elektron a mag környezetében kötött állapotban van. Ilyen nagyságú energiát kell közölni az elektronnal, hogy kötött állapota megszűnjék. (ionizációs energia)  

A hidrogénatom Bohr-féle elmélete  

A Bohr-Sommerfeld-féle atommodell Lehetséges ellipszispályák Tengelyviszonyok Fél nagytengely l=0, 1, 2, 3, …, n-1 mellékkvantumszám n=1, 2, 3, ….. főkvantumszám  

Vége