Az anyagszerkezet alapjai Az atomok felépítése

Alapfogalmak, adatok Cl Atom építőkövei: Proton Neutron Elektron mneutron  mproton  2000 melektron mproton = 1,67 x 10-27 kg, melektron =9,11 x 10-31 kg qproton = -qelektron = 1,6 x 10-19 C atommag tömegszám: 35 rendszám: 17 Cl

Rendszám: protonok száma Tömegszám: protonok + neutronok száma Atomtömeg / móltömeg egység: 12C izotóp 1/12 része mol: anyagmennyiség egysége 1 mol = 6 ·1023 db molekula / atom Avogadro szám 1 mol = moltömegnyi anyag (gramm)

Az atom szerkezete A kvantummechanika alapgondolatai: No, you're not going to be able to understand it. You see, my physics students don't understand it either. That is because I don't understand it. Nobody does. Richard Feynman A kvantummechanika alapgondolatai: Az elektron (anyag) kettős természete: de-Broglie, részecske - hullám =h/mv h = 6,63·10-34 Js: (Planck állandó) Bizonyíték: interferencia, elektronsugarak diffrakciója Ni kristályon Alkalmazás: pl. elektronmikroszkóp

Az elektron energia-állapotai kvantáltak Az elektronok (és más mikro-részek) csak adott energia-szinteket foglalhatnak el. Heisenberg-féle határozatlansági reláció x px  h/2 Egy mikrorészecske (elektron) helybizonytalansága és impulzusbizonytalansága nem csökkenthető egyszerre minden határon túl Ha pl. egy elektron energiáját nagyon pontosan megmérem, a helyét ugyanakkor csak korlátozott pontossággal ismerhetem meg. W3 – W0 = h = hc/ foton kibocsátás

Schrödinger egyenlet Megoldása egy függvénysorozat, Az elektron állapotát (helyzetét és energiáját) egy hullámegyenlet írja le. Megoldása egy függvénysorozat, Sajátérték: → energiaszintek Sajátfüggvény: → elektron megtalálási valószínűsége

Képünk az atomról, a mikrovilágról Nincs kézzelfogható modell Nincs hely, pontos méret, helyette megtalálási valószínűség, töltéssűrűség Nem folytonos az energia, hanem kvantált Egyszerre részecske és hullám Károlyházi Frigyes: Igaz varázslat (Gondolat zsebkönyvek 1976)

Elektronkonfiguráció A mag erőterében levő elektronok állapotát adja meg. Jellemzés: kvantumszámok Főkvantumszám, n: a magtól való távolság, elektronhéj száma potenciális energia durva értéke n: 1, 2, 3, 4,... stb. jelölés: K, L, M, Mellékkvantumszám, l: a pálya alakja maximális értéke l = n-1, 0, 1, 2, 3… jelölés: s, p, d, f

Az 1s és 2s pályák alakja A px, py, pz pályák alakja Mágneses kvantumszám, m: a pályák külső mágneses térhez viszonyított iránya, lehetséges értéke: m= -l ... 0 ...+l Spin kvantumszám, s: az elektron saját impulzusmomentuma lehetséges értéke: s= +-1/2 A px, py, pz pályák alakja

A 3d pályák

H atom: alapállapotban 1s elektron, gerjesztve magasabb energiaszintek További atomok: Fokozatosan betöltik a magasabb szinteket Energiaminimum elv Pauli elv: egy rendszeren belül nem lehet két elektron ugyanabban a kvantumállapotban http://www.shef.ac.uk/chemistry/orbitron/ http://www.orbitals.com/orb/ov.htm

A periódusos rendszer Mengyelejev: rendezési elv: Atomtömeg és kémiai – fizikai tulajdonságok Rendszám: protonok száma Később magyarázat atomszerkezeti alapon: Periodicitás oka: azonos külső elektronhéj Külső elektronok főkvantumszáma = periódus száma Legkülső pályán lévő elektronok száma = főcsoport (oszlop) száma Mellékkvantumszám szerint: s, p, d, f mező

Mengyelejev (1871): az elemeket relatív atomtömegük növekvő sorrendjében felírva egy táblázatot készített, amelyben egymás alatt a hasonló fizikai és kémiai tulajdonságú elemek kerültek A periodicitás oka később lett érthető az atomszerkezet megismerése révén

Atomok, ionok mérete Egy perióduson belül: mag vonzás nő, elektronok taszítása nő Oszlopon belül: új elektronhéj Pozitív ion: elektron taszítás csökken, legkülső elektronhéj megszűnik Negatív ion: elektron taszítás nő

Elektronaffinítás Ionizációs energia Az az energia, amely ahhoz kell, hogy egy semleges atomból egyszeresen negatív ion keletkezzen Ionizációs energia Az az energia, amely ahhoz kell, hogy egy semleges atomból egyszeresen pozitív ion keletkezzen

A fény és az atom kölcsönhatása

A spektroszkópia alapjai Alapelv: Az energia-állapotok kvantáltak Az energia szintrendszer jellemző az atomra, molekulára E = h = hc/ Vizsgálható energiaátmenetek: Külső elektronhéj: UV, látható Belső elektronhéjak: UV, RTG Atommag: gamma Molekulák rezgési, forgási állapota: IR, mikro hullám

Abszorpciós fotometria Minta átvilágítása (fehér) fénnyel Az a hullámhossz nyelődik el, amelyik energiája pont elég egy elektron gerjesztéséhez Áteresztett fény elemzése Hullámhossz  anyagi minőség Intenzitás  anyagmennyiség Emissziós fotometria Minta termikus gerjesztése Elektron magasabb energiaszinten Alapállapotba vissza, közben foton emisszió Kibocsátott fény elemzése Hullámhossz  anyagi minőség Intenzitás  anyagmennyiség