A kémia fejlődésének rövid története (kronológiai áttekintés) – V.

Az előadások a következő témára: "A kémia fejlődésének rövid története (kronológiai áttekintés) – V."— Előadás másolata:

1 A kémia fejlődésének rövid története (kronológiai áttekintés) – V.
A KÉMIA TÖRTÉNETE 5. 2008. márc. 10. A kémia fejlődésének rövid története (kronológiai áttekintés) – V. Az anyag szerkezetéről alkotott elképzelések változása, az atommodellek fejlődése

2 Henri Becquerel és a radioaktivitás: 1/698-701; 8/145-149 http://hu
1896: "Chance Favors the Prepared Mind”: Henri Becquerel ( ) az előző évben fölfedezett Röntgen-sugárzás tanulmányozása közben véletlenül észleli a RÁDIOAKTÍV SUGÁRZÁST (a papírba csomagolt uránérc megvilágítás nélkül is nyomot hagy a fotólemezen!) Szerencsére a témát egy Lengyelországból frissen emigrált diákjának Marie Curie (Maria Sklodowska) adja ki további kutatásra, aki férjéval Pierre Curie-vel dolgozik rajta (Becquerel-lel megosztva kapnak eredményeikért fizikai Nobel-díjat 1903-ban) → Radioaktivitás: az atomok nem oszthatatlanok, egyes atomok bomlásuk és más atomokká való átalakulásuk közben (alkímia?!...) folyamatosan nagy mennyiségű energiát sugároznak ki anélkül, hogy tömegük mérhető módon csökkenne (valójában csak Albert Einstein később felfedezett E=mxc2 képlete alapján igen hatékonyan alakítják a tömeget energiává…)

3 http://www. mezgazd-koszeg. sulinet

4 A Curie házaspár hosszú évek fáradságos munkájával izolál két radioaktív elemet (rádium és polónium). 1902-ben 8 tonna uránszurokércből von ki kis laboratóriumi edényeiben 0,1 g tiszta rádium-kloridot, amiből sikerül annak az atomtömegét meghatározni! → Marie Curie a világon eddig egyedüliként kémiai Nobel-díjat is kap 1911-ben. Férje a radioaktivitás okozta betegség tüneteit mutatta, de 1906-ban végül egy kocsi ütötte el egy párizsi utcán és meghalt. Fénykép: (2008.márc. 9.)

5 Marie Curie, 1914: megalapítja a Párizsi Egyetem Rádium Intézetét, de a férje halála után egy nős fizikussal folytatott kapcsolata miatt sose választják a Francia Tudományos Akadémia tagjává(…). Fénykép: 1922-től az Orvostudományi Akadémia tagja, s a radioaktív anyagok kémiájával és orvosi alkalmazásuk lehetőségeivel foglalkozott. Leukémiában hal meg, s jegyzetei (még szakácskönyvei is!) jelenleg is annyira radioaktívak, hogy védőöltözetet kell viselni annak, aki látni akarja… 1995-ben hamvait a párizsi Pantheonba viszik (első nő, aki munkája miatt ebben a megtiszteltetésben részesül!)

6 Joseph John (J. J.) Thomson ( ) az elektron felfedezője 1/ Skót származású fizikus 1897-ben a Cambridge-i Egyetem Cavandish Laboratóriumában fedezi fel az elektront a katódsugárzás vizsgálata közben →1906: Nobel-díj 1906: Thomson-féle atommodell Fia, Sir George Paget Thomson később azért kapott szintén Nobel-díjat, mert bebizonyította az elektron hullámtermészetét. Sir J. J. Thomson az International Esperanto Science Association alelnöke volt és a Westminster Apátságban temették el.

7 J. J. Thomson kísérletei 2007. 03. 03. http://en. wikipedia. org. wiki
Az üvegből készült katódsugárcsőben a vákuum által elválasztott elektródokra nagyfeszültséget kapcsolva izzó fényjelenség lép fel (amit a katódról kilépő elektronok okoznak). Thomson bebizonyította, hogy a negatív töltés elválaszthatatlan a sugaraktól (mágneses mezőben eltérítve őket az eredeti irányban alig észlelt töltést). Második kísérletében kimutatta, hogy a sugarak töltött részecskékből állnak, hiszen mágneses mezőben elhajlottak. Harmadik kísérletében megmérte az elektron töltés/tömeg arányát, ami 3 nagyságrenddel nagyobb volt a protonénál. Az elektron abszolút töltését végül Robert Millikan határozta meg híres olaj-csepp kísérletével 1909-ben.

8 http://en.wikipedia.org.wiki.J.J.Thomson 2007. 03. 03.
Az elektronok az atomból származnak, tehát az atom nem oszthatatlan → „plum pudding model” = „mazsoláskalács modell” Az elektronok („korpuszkulák”, ahogy J. J. Thomson hívta őket) forgó gyűrűkként helyezkedtek el az atom pozitív töltésű „levesében”, ill. „felhőjében”. Tehát a modell nem statikus jellegű volt, hanem feltételezte az elektronok mozgását! A Thomson-féle atommodell:

9 Sir Ernest Rutherford (1871-1937) http://hu. wikipedia
Új-Zélandi származású magfizikus Cambridge-ben ösztöndíjas, majd Kanadában kap professzori kinevezést, de aztán visszatér a Cavandish Laboratóriumba. Uránsók bomlását vizsgálva megalkotta a radioaktív bomlási elméletet és csoportosította a radiokatív sugárzásokat. Kémiai Nobel-díjban részesül 1908-ban 1931-ben lovagi rangot kapott. 1937-ben halt meg, a Westminster-apátságban nyugszik, közel Isac Newtonhoz és Lord Kelvinhez.

10 A rádioaktív bomlás vizsgálata 1/703-714
1902: E. Rutherford és Frederick Soddy ( ): a radioaktív sugárzás atomátalakulással jár! 1908: Rutherford és Hans Geiger ( ) Geiger számlálóberendezését használva tanulmányozta az α–sugarak áthatolóképességét vékony fémfóliákon. 1911: A Rutherford-féle atommodell születése; Soddy pedig bevezeti az izotóp fogalmát. A sugárzó izotópokat Rutherford és Soddy a felezési idővel jellemezte. A Rutherford-féle szórási kísérletről, amit Hans Geiger és Ernest Marsden hajtott végre Rutherford javaslatára a következő weboldalon látható egy nagyon jó animáció: (Utolsó látogatás időpontja: márc. 9.)

11 1911: a híres „szórási kísérlet” során Rutherford munkatársai aranyfóliát bombáztak pozitív töltésű α-részecskékkel (He2+) A He2+-ok legnagyobb része akadálytalanul haladt át az atomokon, kisebb részük eltérült az útjából, de 8000-ből 1 egyenesen visszaverődött!

12 Rutherford model 2007. 03. 03. : http://en. wikipedia
1911: Rutherford megalkotta a róla elnevezett atommodellt Eszerint az atomban a pozitív töltés egy igen kicsi térrészben koncentrálódik (atommag, bár ezt a szót Rutherford nem használta!), ami körül pályákon kering a pozitív töltéssel azonos számú elektron. Ezeknek a magba zuhanását a centrifugális erő akadályozná. Az elektronok pályáinak nem tulajdonított szerkezetet, bár utalt Hantaro Nagaoka (1904) „Saturnus-szerű” modelljére. Bár Rutherford modelljénél vannak jobbak, mégis ez vált széles körben használttá az atom és az atomenergia szimbólumaként (pl. IAEA).

13 1913: Rutherford munkatársa, Henry Gwyn-Jeffreys Moseley ( ) megalkotja az „atomszám”, azaz a rendszám fogalmát. Eredményeit a William Henry Bragg ( ) és fia William Lawrence Bragg ( ) által kifejlesztett röntgensugár-spektroszkópiás módszerrel nyerte. Néhány nap alatt kimutatta, hogy az erbium, a túlium, az itterbium és a lutécium valóban új elemek. Meghatározta az elemek pontos sorrendjét és megállapította, hogy a 43-as, 61-es, 72-es, 75-ös és 85-ös elemek még hiányoznak a sorból. Moseley az I. Világháborúban halt meg. 1916: Gilbert Newton Lewis az elemek kémiai kötését az elektronok kölcsönhatásával magyarázta. Rutherford 1919-ben elsőként figyelt meg mesterséges magátalakítást a Wilson-féle ködkamra segítségével: nitrogént bombázott α-részecskékkel, amikor 17 tömegszámú oxigén izotóp és proton keletkezett. Bevezette a proton és a neutron fogalmát. A neutront végül James Chadvick ( ) fedezte fel 1932-ben.

14 Hevesy Gyögy ( ) 1/ ; Budapesten született itt kezdte tanulmányait, amit Berlinben, majd Freiburgban folytatott. Először Haber, aztán Rutherford irányítása mellett dolgozott. 1911-től Rutherford laboratóriumában az urán-238 bomlási termékeit vizsgálta, s a „rádium-D” és az ólom elválasztását kapta feladatul. Kiderült, hogy ugyanazon elem két izotópjáról van szó, amelyek közül az egyik sugárzik, a másik nem, de kémiai viselkedésük azonos!

15 1913: a bécsi Rádium Intézetben Friedrich Adolf Panethtal kidolgozta az izotópnyomjelzés módszerét.
1923-ban növényekben, 1934-ben már állatokban zajló biokémiai folyamatokat tanulmányozott így. Kidolgozta az aktivációs analízis módszerét, amely során radioaktív besugárzással sugárzó izotópok keletkeznek ben pl. a szervezet foszforanyagcseréjét tanulmányozta így P-32 izotóppal. A Tanácsköztársaság bukása után Dániába emigrált, ahol Bohr mellett dolgozott, s Dirk Costerrel fölfedezte a hafniumot (1922). 1943: Kémiai Nobel-díjjal tüntetik ki, de mivel Dániát közben megszállják a németek, így Stockholmba menekül. Ezért Nobel-díját csak 1944-ben vehette át. /1946: Willard Frank Libby ( ) amerikai kémikus kidolgozta a C-14 radioaktív izotópos kormeghatározási módszert./

16 Niels Henrik David Bohr (1885-1962) 1/871 http://hu. wikipedia
Nobel-díjas (1922) dán fizikus, J. J. Thomson és H. A. Lorentz tanítványa, majd E. Rutherford munkatársa. Mellette dolgozta ki atommodelljét. Testvére, Harald Bohr matematikus és az olimpiai játékokon is pályára lépő futballjátékos. Niels Bohr is szenvedélyes futballjátékos volt, a két testvér sok meccsen játszott együtt…

17 Niels Bohr 1920-tól első igazgatója volt a Koppenhágában újonnan létrehozott Elméleti Fizikai Intézetnek, ami a 1920-as és 1930-as években az elméleti fizikusok fókuszpontjaként szolgált, és a kor legismertebb elméleti fizikusai mind eltöltöttek valamennyi időt nála (pl. Werner Heisenberg, ld. később). Jóindulatú vitában állt Einsteinnel, aki sokkal inkább előnyben részesítette a klasszikus fizika determinizmusát Bohr új valószínűségi fizikájához képest (amihez maga Einstein is hozzájárult). A fénykép 1925 decemberében készült róluk.

18 A Bohr-féle atommodell születése 1/714-719 2007. 03. 03. : http://en
Bohr fölismerte a Rutherford-féle atommodell hiányosságait, miszerint a tetszőleges pályákon mozgó elektronoknak folyamatos energiaveszteség közben bele kellene zuhanni az atommagba. Ráadásul ez folyamatos spektrumot eredményezne, pedig már a XIX. században ismertek voltak a vonalas spektrumok, amelyekre előbb Johann Balmer (1884), majd Johannes Robert Rydberg (1890) írt föl matematikai formulát. Ezekkel a tapasztalati képletekkel a hidrogén színképének vonalai a hullámhossz (ill. hullámszám: ν) függvényében a látható tartományban kiszámíthatóak voltak. A Rydberg-formulában két „term” különbsége szerepelt, ami később Bohr atommodellje alapján nyert fizikai tartalmat (ld. következő dia)

19 (n1 és n2=(n1+1); (n1+2)… pozitív egész számok!)
Ugyanebben az évben Bohr kimutatta, hogy a periódusos rendszer alapja az elektron. A Bohr modell félig kvantumos jellegű, és így posztulátumokra támaszkodik 1913: A Bohr-féle atommodellben az elektronok a pozitívan töltött atommag körül keringenek, mint a bolygók a Nap körül. Ez a modell sikeresen magyarázta a Rydberg-formulát, de csak egyelektronos rendszerekre volt alkalmazható.

20 A Bohr-féle atommodell 2007. 03. 03. : http://hu. wikipedia
az elektronok az atomban csak meghatározott energiamennyiséggel rendelkezhetnek az elektronok két energiaszint közötti átmenet során egy fotont bocsátanak ki illetve nyelnek el az elektronok keringés közben a klasszikus elektrodinamikával ellentétben nem sugároznak az energiaszintek az impulzusmomentum (L) diszkrét értékeitől függenek

21 A Bohr-féle atommodell és utóélete 1/714-719 2007. 03. 03. : http://en
Az elektronokat a Coulomb-erő tartja pályán, ami egyenlő a centripetális erővel. A kvantum-posztulátum: a pálya hossza meg kell hogy egyezzen az elektron de Broglie-féle hullámhosszának (ld. később) egész számú többszörösével. Innen az első energiaszint sugara r= nm, ez a klasszikus Bohr-sugár. Ezek szerint a hidrogén legalacsonyabb energiaszintje -13,6 eV, a második -3,4 eV, a harmadik -1,5 eV stb. Így egy alapállapotban lévő hidrogénatom ionizációs energiája 13,6 eV. A Bohr-féle körpályákat egyetlen adat (a kör sugara) határozta meg. Az elektronhéjakon 2n2 számú elektron tartózkodhat (n=1, 2, …). Ezeket a színképelemzőktől átvett K, L, M stb. elnevezéssel látta el (főkvantumszámok!).

22 1915: Arnold Sommerfeld ( ) ellipszis alakú pályákat is megengedett, s így az enegiaszintek a főhéjakon belül (a szintén a színképelemzőktől átvett elnevezésű) s, p, d, f alhéjakra oszlottak (mellékkvantumszámok!). Gyakorlati haszna: segítette pl. a hafnium fölfedezését, mivel e modell szerint a periódusos rendszer szerkezetét az elektronhéjak kiépülése magyarázza. Így kiderült, hogy a 72. rendszámú elemet nem a ritkaföldfémek, hanem a cirkónium ásványaiban kell keresni, s valóban ott találta meg Hevesy és Coster 1922-ben! A Bohr-Sommerfeld modellt szemléletessége miatt ma is tanítják, bár a kvantummechanikai modell (ld. később) pontosabb leírást ad.