Kémiai alapismeretek 2. hét

Thomson kísérlet Millikan

Rutherford kísérlet A fény hullámtermészete

Kémiai alapismeretek 2. hét

Fény részecsketermészete Bohr modell (részecske) Atomok hullámmodellje

Horváth Attila Pécsi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Kémia Intézet, Szervetlen Kémiai Tanszék

2012. február 14.

1/15

c 2011/2012 II. félév, Horváth Attila

Kvantumszámok


Rutherford kísérlet

I

XIX sz. vége, XX. sz. eleje az atomfizika korszaka. Dalton atomhipotézisének megdöntése.

I

1821 Katódsugárzás felfedezése. Jelenség:

A fény hullámtermészete Fény részecsketermészete Bohr modell (részecske)

vákum pumpa

Atomok hullámmodellje

alacsony nyomású gáz

Kvantumszámok

−

I

2/15

sötét

színes fény

+

A katódsugárzás rejtély maradt Thomson kísérletéig.


Thomson kísérlet

Thomson kísérlet (1897)

Millikan


vákuum pumpa lumineszcenciás ernyő

− −

+

Bohr modell (részecske)

+

3/15

I

Katódsugár független a töltő gáztól, az elektródok minőségétől.

I

A sugárban levő negatív töltésű részecskét Thomson elektronnak nevezte.

I

Az e− az atom része.

I

A katódsugarakat a mágneses mező is eltéríti, így meghatározható az e− tömeg/töltés aránya. (5,686×10−12 kg/C)


Fény részecsketermészete

Atomok hullámmodellje Kvantumszámok

Millikan kísérlet (1909)



····· + •

ablak

−

Fény részecsketermészete Bohr modell (részecske) Atomok hullámmodellje Kvantumszámok

I I I I I I

4/15

apró negatív töltésű olajcseppek keletkeznek szabadesés megakadályozása: feszültség kapcsolása csepp tömeg/töltés arányának kiszámítása ismerve a csepp tömegét, a töltés számítható. Sorozat mérésekből megállapítható két olajcsepp közti legkisebb töltéskülönbség. (1,602×10−19 C) me =me /e×e=5,686×10−12 kg/C×1,602×10−19 C= 9,109×10−31 kg



Rutherford kísérlet (1906)


5/15

I

Becquerel (1896) radioaktivitás felfedezése.

Fény részecsketermészete

I

α-, β-, γ sugarak (mágneses mezőben szeparálhatóak).


I

Rutherford (1903) α-sugárzás: He2+ , β-sugárzás: nagy sebességű elektronok, γ-sugárzás: nagy energiájú elektromágneses sugárzás. Áthatoló képesség: γ>β>α

I

Az atomok oszthatatlanságáról alkotott kép véglegesen megdőlt!

I

1906-1911 Rutherford-féle atommodell megszületése. (Geiger, Marsden)


Atomok hullámmodellje Kvantumszámok



α-sugár forrás

mozgatható mikroszkóp

A fény hullámtermészete Fény részecsketermészete

•


Pb tömb

Atomok hullámmodellje

Pb lemez ZnS ernyő

I I

I

6/15

Au fólia

Tapasztalat: Minden 8000-dik α részecske elhajlott a sugárzás irányától! Rutherford (1911): Az atom tömegének 99,95%-a az atommagban koncentrálódik (10−15 m). datom =10−10 m. e− -k a mag körül keringenek a Coulomb erő hatására. Az elmélet nem teljes, hiszen az elektronoknak sugárzást kellene kibocsátaniuk, így fokozatosan elvesztenék energiájukat és be kellene csapódniuk a magba!


Kvantumszámok



I

Rutherford (1919) N+α ütközésekor H-mag keletkezik, amit protonnak nevezünk.

I

1930 Bothe és Becker Be+α ismeretlen sugárzás (töltés nélkül).

I

1932 Chadwick ez a sugárzás a neutron sugárzás. A neutron az atommag másik fő alkotórésze.

A fény hullámtermészete Fény részecsketermészete Bohr modell (részecske) Atomok hullámmodellje Kvantumszámok

Részecske elektron proton neutron

7/15

tömeg (kg) 9,110×10−31 1,673×10−27 1,675×10−27


töltés (C) -1,602×10−19 +1,602×10−19 0

I

Rendszám (A): Az atomban levő protonok száma.

I

Tömegszám (Z): Az atomban levő protonok és neutronok számanak az összege.

I

Jelölés:

I

Izotóp: Azonos rendszámú, de különböző tömegszámú elemek.

8/15

Millikan


23 Na 11

I

Egy elemnek a természetben több stabil izotópja is lehet. Pl.: 11 H, 21 H, 31 H.

I

Mennyiségi jellemzésre a relatív tömegeket érdemes használni.

I

Anyagmennyiség: Az a mennyiség, amely annyi egységet tartalmaz, mint amennyi atom van 12g nuklidban. NA =6,022×1023

I

12 C

Relatív atomtömeg (Ar ): Természetes nuklidösszetételű elem 1 atomjának tömege a tiszta 12 C atomtömegének 1/12-éhez viszonyítva. Pl.: (Ar (O)=15,999)


Thomson kísérlet

Fény részecsketermészete Bohr modell (részecske) Atomok hullámmodellje Kvantumszámok



I

9/15

Relatív molekulatömeg (Mr ): Természetes nuklidösszetételű vegyület 1 molekulájának tömege a tiszta 12 C atomtömegének 1/12-éhez viszonyítva. Pl.: (Ar (H2 O)=18,016)

I

Moláris tömeg (M, g/mol(!!): Az adott anyag egységnyi anyagmennyiségének a tömege.

I

Relatív atomtömeg és a tömegszám közti különbség!!! (Izotóparány, viszonyszám)



Thomson kísérlet

I

Hullámtermészet: Adott közegben áthaladó periodikus változás.

I

Alapvető tul.: reflexió, refrakció, diffrakció, interferencia

I

Hullámhossz (λ, m): Két azonos állapotú hely legkisebb távolsága.

I

Frekvencia (ν, 1/s v. Hz): Egy adott helyen egységnyi idő alatt áthaladt hullámok száma.

I

Hullámszám (v, 1/m): Adott távolságon belül hány hullám található. → v= λ1 .

I

fény: ν= λc , ahol c a fénysebesség.

I

Newton a XVIII. sz.-ban feltételezte, hogy a fény részecskékből áll.

I

Young (1801) a fény diffraktálható.

10/15


Millikan

Rutherford kísérlet A fény hullámtermészete Fény részecsketermészete Bohr modell (részecske) Atomok hullámmodellje Kvantumszámok



I

Planck (1900) forró testek hőmérsékleti sugárzásának magyarázatához: az energia kvantálódik.

I

Rezgő atomoknak csak bizonyos energiáik lehetnek E=nhν , ahol n: egész szám, h Planck állandó, ν frekvencia.

I

Einstein: hν energia fotonok formájában távozik E=hν , ahol ν a kisugárzott fény frekvenciája.

I

Fotoelektromos effektus magyarázata, Einstein (1905) (Nobel díj 1921)

I

Fény duális természetű!!

11/15



Thomson kísérlet

I I

I I

Miért stabilak az atomok? (Rutherford modell hibája) H-atom spektruma: Vonalas szerkezetű (λ=410, 434, 486, 656 nm (ibolya, kék, zöld, vörös)). 1 1 − n12 . Balmer (1885): λ1 =1,097×107 m 22 Bohr posztulátumok (1913) (Nobel díj 1922): Az e− -k csak meghatározott sugarú körpályákon keringhetnek a mag körül. 2 Két energiaszint közti különbség (foton formájában elnyelődik, vagy kibocsátódik): hν=E1 -E2 . 1

I

Főkvantumszám megszületése.

I

Sommerfeld: Bohr-modell továbbfejlesztése, ellipszis pályák bevezetése. (mellékkvantumszám megszületése)

I

Újabb továbbfejlesztés: mágneses kvantumszám, spinkvantumszám.

12/15


Millikan



I

I

I I

I

13/15

De Broglie (1923): a részecskék is lehetnek h . (1929 Nobel díj) hullámtermészetűek: λ= mv e−

Thomson (1927): interferencia kristályokon (Nobel díj 1937) (elektronmikroszkóp). h Heisenberg-féle bizonytalansági elv: ∆p∆x=m∆v∆x≥ 4π Schrödinger (1926): hullámmechanikai atommodell (1933 Nobel díj) 2 h2 ∂ Ψ ∂2 Ψ ∂2 Ψ − 2 + + 2 + Epot Ψ = EΨ 8Π m ∂x2 ∂y2 ∂z Egzakt megoldás csak H-szerű atomokra, egyébként csak közelítőleg, numerikus eljárásokkal.




I

Ψ hullámfüggvény megoldásainak jellemzői: Az atomban kötött elektronra diszkrét energiaértékek és minden energiához egy Ψ(x,y,z) hullámfgv. tartozik, mely meghatározza az atomi pályát. (degenerált állapot: egy energiához több Ψ tartozik) 2 A diszkrét megoldások 3 db egész számmal jellemezhetőek (klasszikus leírás): n, l, m. 3 Relativisztikus leíráshoz kell a spinkvantumszám is (2 kül. érték). 4 |Ψ|2 : az elektron térbeli eloszlásának tartózkodási valószínűsége. 1

I

Főkvantumszám: Megadja az e− atommagtól való távolságát és energiáját. Jele: n=1,2,....

I

Héj: Azonos főkvantumszámú e− -k összesége.

14/15



I

I

I

Mellékkvantumszám: Megadja az atompályák , azaz a térbeli elektroneloszlás alakját. Jele: l= 0, 1,. . . ,(n-1). Egyéb jelölés: s, p, d, f, . . . Alhéj: Egy adott főkvantumszámhoz tartozó azonos mellékkvantumszámú pályák összesége. Mágneseskvantumszám: Egy kiválasztott irányhoz viszonyítva adja meg a pályának helyzetét. Külső mágneses tér hatására az azonos energiájú pályák között energiakülönbség jöhet létre. Jele: m=-l, . . . , +l.

I

Spinkvantumszám: Az elektron sajátimpulzusmomentuma. Jele: ms =± 12 .

I

Atompályák alakja: s-pályák gömbszimmetrikusak, p-pályák "piskóta"-alakúak (px , py , pz ), d-pályák "duplapiskóta"- és "cumi"-alakúak (dxy , dxz , dyz , dx2 −y2 , dz2 ). Az e− tartózkodási valószínűsége > 99%. (Rajzok!!)

15/15




Kémiai alapismeretek 2. hét

Recommend Documents