Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

Platón (i.e. 427-347), Arisztotelész (=i.e. 387- 322): Végtelenségig darabolhatók „Idealizált végső alkotó” = őselem + hozzájuk kapcsolódó tulajdonságok: Tűz- meleg, száraz; Víz – hideg, nedves; levegő – meleg, nedves; föld – hideg, száraz Ezek megfelelő arányú keverékeként bármely anyag előállítható. (Megj: ezek megjelenése a horoszkópokban, jellemrajzban)

Van tovább már nem osztható alkotórész mindenféle anyaghoz. Mozgásuk, alakjuk, anyaguk meghatározó. ATOM = oszthatatlan rész (Demokritosz i.e. 460 -370.)

Alkímia feladata a megfelelő keverési arányok kiderítése, alkalmazása. (pl. aranycsinálás) Eredmény: sokféle új anyag, vegyület és reakció, vegyülési szabály megismerése Kémiailag tiszta anyagok előállítása, megismerése Lehet, hogy mégis van legkisebb alkotórész? (XVIII. század)

Az atom fogalmának felelevenítése, általánossá válása a XIX. sz. első felében (Dalton, Avogadro) A kinetikus elmélet alapjainak lerakása, a kémia gyors fejlődése. A periódusos rendszer – Dimitrij I. Mengyelejev (1834 – 1907) Jelenségek melyek arra utalnak, hogy az atom nem lehet oszthatatlan:  Kémiai reakciók – mi a vegyérték?  Fény és anyag viszonya (elnyelés és kibocsátás) – színkép, hőmérsékleti sugárzás, elektromágneses hullámok stb.  Elektromosság, töltés és anyag viszonya (galvánelem, elektrolízis) – az elektron felfedezése (J. J. Thomson 1897)  Radioaktivitás (Becquerel 1896)  stb.

Atommodellek 1. Oszthatatlan részecske 2. Thomson- modell az elektron felfedezése után („ mazsolás puding”): + töltésű masszában elszórt elektronok 3. Rutherford modell: (híres szórási kísérlete után- 1911) – „naprendszer- atom” 4. Bohr- modell: Rutherford modell módosítása a kvantum hipotézis felhasználásával 5. Kvantummechanikai modell (elektronhullám)

II. A kvantumfizika alapjai – fény és anyag kettős természete Kiindulási alap: a fény természetéről alkotott kép változása - részecske áramlás vagy hullámok terjedése Terjedése egyértelműen hullám jelenség (elhajlás és interferencia)- kapcsolata az elektromágneses hullámokkal (Maxwell) Problémák : fény keletkezése – hőmérsékleti sugárzás és vonalas színkép Fény elnyelődés – fényelektromos hatás Hőmérsékleti sugárzás: az anyagot alkotó részecskék rendezetlen hőmozgásuk (ionizációjuk) következtében elektromágneses hullámokat bocsájtanak ki (lásd: izzó testek sugárzása)  A kisugárzott energia mennyisége a hőmérséklet negyedik hatványával arányos  A teljes színképben sugároznak, de eltérő mértékben, a jellemző hullámhossz fordítottan arányos a hőmérséklettel Értelmezés: Max Planck (1901)

kvantum hipotézis

A testek csak meghatározott adagokban, energiakvantumokban tudnak energiát (fényt) kisugározni ahol f a fény frekvenciája, h = 6,67 * 10-34 Js (Planck állandó) E  hf Fényelektromos hatás: (fotoeffektus) Ha egy fém felületét látható vagy UV fénnyel világítjuk meg, a fémből elektronok szabadulnak ki. (fotocella)  A kilépő elektronok energiája nem függ a megvilágítás erősségétől, csak a fény színétől (frekvenciájától). Megfelelő frekvencia esetén, egy a fémre jellemző küszöbérték felett, mindig van elektron kilépés.  A megvilágítás erősségétől a kilépő elektronok száma függ Értelmezés: Einstein (1905) összekapcsolása a kvantum hipotézissel h  f - Wki  Eelektron ahol Wki a fémre jellemző kilépési munka; Eelektron a kilépő elektron mozgási energiája A fény kvantum neve = foton A fényhez ( fotonhoz) energiájával arányos tömeg is kapcsolható: E = mc2 E Ami fényt (energiát) sugároz ki, annak csökken a tömege: 2  m c Az elektromágneses hullámok kettős természetűek:  Kibocsájtás és elnyelődés esetén részecskeként viselkednek (kvantum)  Terjedésük közben hullámként viselkednek (A hullámtermészet annál kevésbé „szembetűnő”, minél nagyobb a frekvencia) (Magyarban: rádióhullámok, röntgensugárzás … ) További következmény (1920 -30-as évek): Az anyagnak is van hullámtermészete! Luis de Broglie: a v sebességű, m tömegű testhez rendelt hullámhossz  

m  c2 h A modern kvantumelmélet – atomelmélet megszületése (Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Dirac, Neumann) illetve a frekvencia f 

h mv

III.

Az atom szerkezete: Bohr-féle atommodell

Előzmény: A XIX. század végére nyilvánvalóvá vált (elektrolízis, radioaktivitás, röntgensugárzás), hogy az atom nem oszthatatlan részecske, szerkezete van. A XX. század első évtizedeiben fény derült az atom szerkezetére.

atom

Rutherford szórási kísérlete: pozitív töltésű -részecskékkel bombázott egy igen vékony aranyfóliát. Az  -részecskék tekintélyes része akadálytalanul áthaladt a fólián, bizonyos hányaduk viszont eltérült az aranyatomok pozitív töltésű tartományának hatására. Az eltérülés annál nagyobb, minél közelebb halad az  -részecske e tartományhoz. Egyes részecskék pedig visszapattantak a fóliáról.

A mérési eredményekből arra lehetett következtetni, hogy az atom pozitív töltése 10-14m sugarú gömbön belül van jelen. Az atomnak ezt a pozitív töltésű, nagy tömegű és igen kis átmérőjű alkotórészét nevezzük atommagnak. Az atommagban van az atom tömegének 99,98 %-a. Rutherford modellje: atom = pozitív töltésű atommag + körülötte keringő elektronok Az elektron burokban az elem rendszámával egyezőszámú elektron van. Problémája: Rutherford modelljében az atommag körül keringenek az elektronok úgy, ahogy a Nap körül a bolygók. Az elektronokat az atommag elektrosztatikus vonzása tartja a mag körül. Az atom sugarán a külső elektron keringési sugarát értjük, ez 10-10 m nagyságrendű! Ez az atommodell lényeges előrelépés Thomson modelljéhez képest, de van egy komoly fogyatékossága: nem lehet stabil. Az állandóan keringő (tehát gyorsuló) elektronok energiát sugároznak ki, ezért előbb utóbb bele kellene zuhanniuk a magba. Ez pedig ellentmondásban van az atomok könnyen megfigyelhető stabilitásával. Megoldás: Bohr (1913): A kvantumhipotézis bevezetése Az elektronok az atomon belül csak jól meghatározott energiájú állapotban lehetnek, alapállapotban nem sugároznak (kvantált naprendszer) A kémiában tanult modell ennek a hullámmechanika által tökéletesített változata:  Az elektronok pontos helye nem meghatározható, elektron felhő  az elektronburok szerkezete meghatározott kvantum számokkal jellemezhető, (fő, mellék, mágneses)  a periódusos rendszer értelmezhető az elektronburok feltöltődésével. (a belépő elektronok a lehető legkisebb energiájú állapotra törekszenek + Pauli -elv)  Az elektronburok szerkezete meghatározza az illető elem kémiai tulajdonságait, illetve sok fizikai jellemzőjét is. (Legkülső, betöltetlen héj a vegyértékhéj.) Fizikai szempontból lényeges, hogy az atomok energia felvétele / leadása (fény elnyelése és kibocsátása) és így a színképek keletkezése is értelmezhető. Gerjesztett atom: Valamely elektron nem a lehetséges legkisebb energiájú állapotban van.Gerjesztés létrejöhet pl. fényelnyeléssel, nagyfeszültség, magas hőmérséklet hatására stb. A gerjesztett atom rövid idő múlva a felvett energiát elektromágneses hullámok formájában

kisugározza. Az elnyelt illetve kisugárzott energia megegyezik a két állapot energiájának különbségével. Mivel ez a különbség mindig azonos, ezért a kisugárzott (elnyelt) fény színe állandó, az atomra jellemző. E  h  f Következmény:  A testek színe állandó  Magyarázható a vonalas színkép szerkezete.  A színkép valóban szolgálhat az anyagi összetétel megállapítására. Folytonos színkép létrejötte: nagyszámú atom eltérő módon gerjesztődik pl. magas hőmérsékleten Lézer: monokromatikus, koherens fény – létrehozása 1962. A kibocsájtó anyag atomjait „összehangolják”, azonos módon gerjesztődnek és lényegében egyszerre nyerik vissza alapállapotukat. Lézer alkalmazásával kapcsolatban megemlítendő a holográfia, melynek kidolgozásáért Gábor Dénes (Bp. 1900 – London 1979) 1971-ben Nobel Díjat kapott. Az általa még az 1946 -52 között kidolgozott elmélet a lézer 1962-ben való megalkotása után vált alkalmazhatóvá. A hullámmechanikai atommodellben (Bohr –féle modell továbbfejlesztése) az atomon belül az elektronok állapotát kvantumszámokkal jellemezzük: - Főkvantumszám, jele: n Lehetséges értékei: n = 1,2,3,4,… - Mellékkvantumszám, jele: l Lehetséges értékei: l = 0,1,2,….n-1 Elnevezések: l = 0→s állapot l = 1→p állapot l = 2→d állapot l = 3→f állapot - Mágneses kvantumszám, jele: m A mellékkvantumszám lehetséges értékei: m = 0,±1,±2,….±l (Vagyis adott l mellékkvantumszám esetén 2l+1 értéket vehet fel.) - Spinkvantumszám, jele: s Ez a kvantumszám szemléletesen az elektronnak, mint egy kis pörgettyűnek a forgásirányáról ad számot. Lehetséges értékei: s = ±1/2 Az alábbi táblázat a kvantumszámok lehetséges kombinációit mutatja az n=4 főkvantumszámú állapotig bezárólag. n 1 2 3 l 0 0 1 0 1 2 m 0 0 -1 0 1 0 -1 0 1 -2 -1 0 1 2 s ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 4 0 1 2 3 0 -1 0 1 -2 -1 0 1 2 -3 -2 -1 0 1 2 3 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 ±1/2 A táblázatból kiolvasható, hogy az n = 1 főkvantumszámú állapothoz 2 elektronállapot n = 2 főkvantumszámú állapothoz 8 elektronállapot n = 3 főkvantumszámú állapothoz 16 elektronállapot n = 4 főkvantumszámú állapothoz 32 elektronállapot tartozik. Általában az n főkvantumszámú állapothoz 2∙n2 elektronállapot tartozik. Ez alapján értelmezhető a periódusos rendszer felépítése.

Elektronpályák.