BUDOWA ATOMU

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Egipt, Asyria

→ miedź, brąz, żelazo, szkło, ceramika, barwienie tkanin

starożytna Grecja
Tales z Miletu (VII wiek p.n.e.)

→ pramaterią jest woda

Heraklit (V wiek p.n.e.)

→ pramateria to ogień

Empedokles (490-430 p.n.e.)

→ cztery elementy: ziemia, powietrze, woda, ogień

Demokryt (460-371 p.n.e.)

→ atomistyczna struktura materii

Arystoteles (384-322 p.n.e.)

→ poglądy Empedoklesa + właściwości materii

(ciepło, zimno, suchość, wilgotność)

Egipt – Aleksandria

→ akademia i biblioteka - do 47 r. n.e.

Arabowie

→ w Egipcie (VII w.), w Hiszpanii (VIII w.)

alchemia

→

kamień filozoficzny

Avicenna (980-1037)

Albertus Magnus (1193-1280)

Paracelsus (1493-1541)

Michał Sędziwój (1556-1636)

Robert Boyle (1627-1691)

→ pierwiastek chemiczny

M. Łomonosow (1711-1765) i A. Lavoisier (1743-1794)

John Dalton (1766-1844)

→ wskrzesił demokrytejski termin atomos

A. Avogadro (1776-1856), M. Faraday (1791-1867), D. Mendelejew (1834-1907),
M. Curie-Skłodowska (1867-1934), E. Rutherford (1871-1937), ... ... ... ???

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Pierwiastki chemiczne

p.n.e.

Sb Sn Zn Pb Hg S Ag C Au Fe Cu

(11)*

do XVII w.

As (1250 r.)

P (1669 r.)

(2)

XVIII w.

N Cl Cr Co Y Mn Mo

(14)

Ni Pt Te O U H

W

XIX w.

(m.in.)

Na Ca Al Si F Cs Ba B Bi I (58)

Ra Po Ac ...

XX w.

At Eu Fr Hf Lu Re Tc

( ? ... )

transuranowce

XXI w. ???

Berkeley

(USA)

Darmstadt (Niemcy)
Dubna

(Rosja)

* w zależności od źródła literaturowego podane wartości mogą się różnić

(IUPAC)

104

rutherfordium Rf

108

hassium

Hs

105

dubnium

Db

109

meitnerium

Mt

106

seaborgium

Sg

110

darmstadtium Ds

107

bohrium

Bh

111

roentgenium

Rg

…

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Prawo zachowania masy

→

M. Łomonosow (1760 r.)

→

A. Lavoisier (1785 r.)

Suma mas substratów reakcji chemicznej
jest równa sumie mas produktów tej reakcji

Prawo zachowania materii (prawo zachowania masy i energii)

Każdej reakcji chemicznej towarzyszy efekt energetyczny,
Który powoduje pewne zmiany masy reagującego układu
zgodnie z podaną przez Einsteina (1905 r.) zależnością
między energią E a masą m:

E = m · c

2

c = 3 · 10

8

m/s

W układach izolowanych suma masy i energii
jest wielkością stałą:

Σ

(m + E/c

2

) = const

Albert Einstein

(1879-1955)

Nagroda Nobla w 1921 r.

Prawo stosunków stałych

→

J.L. Proust (1799 r.)

W określonym związku chemicznym pierwiastki są połączone zawsze w tym samym
stosunku wagowym (niezależnie od pochodzenia związku i metody jego otrzymania)

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Prawo stosunków wielokrotnych

→

J. Dalton (1803 r.)

Jeżeli dwa pierwiastki tworzą więcej niż jeden związek chemiczny,
to ilości wagowe jednego z pierwiastków w tych związkach przypa-
dające na tę samą ilość wagową drugiego, mają się do siebie jak
proste liczby całkowite

Np. azot tworzy pięć tlenków: N

2

O

5

, NO

2

, N

2

O

3

, NO, N

2

O

W każdym z nich na 28 części wagowych azotu przypada
odpowiednio: 80, 64, 48, 32 i 16 części wagowych tlenu.
Stosunek ilości wagowych tlenu przypadających na stałą ilość
wagową azotu (28 części wagowych) wynosi jak:

5 : 4 : 3 : 2 :1

W analogiczny sposób udowodnić słuszność powyższego prawa

na przykładzie tlenków manganu i germanu

(zad. 39 i 40 ze skryptu „Obliczenia z chemii ogólnej”

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Johann Wolfgang Döberainer (1780-1849) Ö triady (rok 1817)

[w szeregu trzech pierwiastków o podobnych właściwościach chemicznych

masa atomowa pierwiastka środkowego jest w przybliżeniu

średnią arytmetyczną mas atomowych dwóch pozostałych]

Ca

40,1

Cl

35,5

Sr

88,7

Br

81,2

Ba

137,3

I

126,9

PRAWO OKRESOWOŚCI

(periodyczne powtarzanie się właściwości chemicznych i częściowo fizycznych)

John Alexander Newlands (1838-1898) Ö prawo oktaw (rok 1865)

[po uszeregowaniu pierwiastków według rosnących mas atomowych,

co ósmy z nich jest analogiem pierwszego]

np. właściwości Li, Na, K, ...

Uwaga ! Nie znano wówczas gazów szlachetnych,

które odkrył W. Ramsay w latach 1894-98.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Dmitrij Mendelejew (1834-1907) Ö układ okresowy

→ kryterium: masy atomowe,

(rok 1869)

→ grupy, okresy,

→ pozostawił w tablicy puste miejsca przewidując

dalsze odkrycia pierwiastków,

Tablica ułożona przez D. Mendelejewa (63 pierwiastki)

ekabor

Ø

skand (1879 r.)

ekaglin

Ø

gal (1875 r.)

ekakrzem

Ø

german (1886 r.)

(Tablica Mendelejewa jest wciąż uzupełniana)

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

BADANIA NAD BUDOWĄ ATOMU

Joseph John Thomson

(1856-1940)

Nagroda Nobla w 1906 r.

anoda

katoda

pole elektryczne
lub magnetyczne

ekran
fluory-
zujący

Doświadczenie Thomsona

/odchylenie promieni katodowych

/

ELEKTRON

odkryty przez J.J. Thomsona w 1897 r.

ład. elektryczny -1
m

e

= 9,11· 10

-31

kg

e = 1,6 · 10

-19

C

Model atomu Thomsona

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Henri Antoine Becquerel (1852-1908) odkrył w 1896 r.

zjawisko promieniotwórczości rudy uranowej.

Nagroda Nobla w 1903 r.

Maria Skłodowska-Curie (1867-1934)

Nagroda Nobla w 1903 r. i 1911 r.
Pierre Curie (1859-1906)

Nagroda Nobla w 1903 r.
izolują z rudy uranowej w 1898 r.
RAD i POLON

ZJAWISKO PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Oba te pierwiastki wysyłają promieniowanie, które w polu magnetycznym
lub elektrycznym ulega rozszczepieniu na trzy różne promieniowania
składowe oznaczone

α, β i γ.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

promieniowanie

α składa się z cząstek materialnych oznaczonych

symbolem

α, a więc jąder helu; zasięg jego działania jest niewielki;

w polu elektrycznym oraz magnetycznym ulega odchyleniu w kie-
runku bieguna ujemnego.

promieniowanie

β składa się z elektronów wyrzucanych z jądra

z dużymi (choć niejednakowymi) prędkościami; jego zasięg jest
większy niż promieniowania

α; cząstki te niosą ładunek ujemny,

zatem w polu elektrycznym oraz magnetycznym odchylają się
przeciwnie aniżeli cząstki

α,

promieniowanie

γ jest to promieniowanie elektromagnetyczne

o bardzo małej długości fali; towarzyszy promieniowaniu

α i β;

nie ulega odchyleniu w polu elektrycznym ani magnetycznym.

Ładunek elektryczny

Masa

Promieniowanie

0

0

γ

-1

m

e

β

+2

4

α

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

JĄDRO ATOMOWE

84

210

82

206

2

4

Po Pb

+

He

→

ekran

folia metalowa

źródło cząstek

α

Jądro atomowe - dodatnio nała-
dowana centralna część atomu,
w której skupiona jest główna
część masy atomu.

Schemat doświadczenia Rutherforda (1911 r.)

cząstka

α

Ernst Rutherford

(1871-1937)

Nagroda Nobla w 1908 r.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

• w 1913 r. van der Broek ustala, iż liczba dodatnich ładunków

elektrycznych skupionych w jądrze atomowych równa jest liczbie

atomowej pierwiastka;

• w 1919 r. E. Rutherford przeprowadza pierwszą sztuczną przemianę

promieniotwórczą;

• Henry Moseley (1887-1915) prowadził równolegle prace dotyczące

charakterystyki jądra atomowego,
ustala też znaczenie liczby atomowej pierwiastka, wielkości bardziej

dla niego istotnej niż masa atomowa i tym samym potwierdza

słuszność kolejności: K, Ar; Co, Ni i Te, I;
liczba atomowa, czyli liczba protonów w jądrze, która dla obojętnego

atomu jest równa liczbie elektronów)

7

14

2

4

8

17

1

1

N + He

O + p

→

α

proton

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

W 1932 r. angielski uczony, J. Chadwick, zinterpretował

w sposób właściwy to doniesienie stwierdzając, że nowe

cząstki o wielkiej zdolności do przenikania przez materię

to pozbawione ładunku elektrycznego promieniowanie

neutronowe.

4

9

2

4

6

12

0

1

Be + He

C + n

→

α

neutron

Nukleony - wspólne określenie protonu i neutronu, a więc
cząstek będących składnikami jądra atomowego.

proton

ład. elektryczny +1
m

p

= 1,67 · 10

-27

kg

neutron

ład. elektryczny 0
m

n

= 1,67 · 10

-27

kg

W 1930 r. niemieccy uczeni odkryli przenikliwe promieniowanie wysyłane

przez beryl pod działaniem cząstek

α.

James Chadwick

(1891-1974)

Nagroda Nobla w 1935 r.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

za względnie trwałe uważa się jądra, w których:

energii wiązania odpowiada pewna masa (tzw. defekt masy), która jest

wypromieniowana przy tworzeniu się jądra z cząstek elementarnych;

Defekt masy - różnica między sumą mas cząstek elementarnych,

a nieco mniejszą masą powstającego z nich jądra.

np. dla atomu berylu:

M = 9,0122;

atom = 4e + 4p + 5n

to

Δm = 0,041 g = 4,1 · 10

-5

kg

więc

E = m · c

2

= 3,7 · 10

12

J

promień atomu (r

at.

):

~ 10

-10

m

promień jądra atomowego (r

j

):

~ 10

-14

÷10

-15

m

gdzie r

e

= 1,41 · 10

-15

m (promień elektronu)

np. dla

r

at.

= 0,77 · 10

-10

m

więc

r

j

= 3,23 · 10

-15

m

1,6)

1;

Z

Z

A

〈

∈

−

3

A

r

r

e

j

⋅

=

C

12

6

000

24

r

r

j

at.

≈

A - liczba masowa

Z - liczba atomowa

E

A

Z

ATOM, JĄDRO ATOMOWE, ICH ROZMIARY

→ siły jądrowe,

→ energia wiązania jądra,

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

IZOTOPY

H.N. McCoy & W.H. Ross (1907 r.)

A - liczba masowa
Z - liczba atomowa

1

H

99,98% (prot)

16

O

99,76%

2

H

0,015% (deuter)

17

O

0,04%

3

H

elem. (tryt)

18

O

0,2%

• izotopy trwałe, np.

12

C,

13

C,

14

N,

16

O, ...

27

Al,

19

F,

31

P,

59

Co

izotopy trwałe, po 100%

23

Na,

197

Au,

127

I, ...

w przyrodzie (21 pierwiastków)

• naturalne izotopy promieniotwórcze, np.

3

H t

1/2

= 12,46 lat

14

C t

1/2

= 5725 lat

235

U t

1/2

= 8,62 · 10

8

lat

Z

A

E

Izotopy - atomy tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów w jądrze atomowym.
Izobary - atomy różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej.
Nuklid - jądro atomowe o określonej wartości liczby atomowej i liczby masowej.
Nuklidy - atomy poszczególnych izotopów.
Pierwiastek chemiczny - zbiór atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze.

czas połowicznej przemiany (t

1/2

), tj. okres połowicznego rozpadu, okres półtrwania, to

okres czasu, w którym połowa liczby atomów ulega przemianie (aktywność preparatu
promieniotwórczego zawierającego izotop promieniotwórczy zmniejsza się do połowy).

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

rozpad (przemiana)

α - polega na wyrzuceniu z jądra

cząstki

α

α

β

γ

+

-

α

4
2

2

4

-

A

Z-2

1

A

Z

+

E

E

→

α

4
2

222

86

226

88

+

Rn

Ra

→

e

+

E

E

2

A

1

Z

1

A

Z

+

→

ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY

rozpad (przemiana)

β - w tym procesie wyrzucany

jest elektron, który powstał wskutek

przemiany neutronu w proton

promieniowanie

γ - jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego w stan

o niższej energii i nie zmienia się przy tym

liczba masowa, ani liczba porządkowa

ν

→

+

e

+

p

1

1

n

1

0

e

+

Bi

Pb

214

83

214

82

→

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Mapa świata pierwiastków

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Synchrotron w Grenoble

Akcelerator liniowy w Darmstadt

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

n

+

Uuo

Kr

Pb

1

0

293

118

86

36

208

82

→

+

W 1999 r. w laboratorium w Berkeley otrzymano prawdopodobnie trzy

atomy pierwiastka 118, w wyniku fuzji izotopów ołowiu i kryptonu.

Jednak nigdy nie udało się powtórzyć tego eksperymentu.

Od strony teoretycznej ten eksperyment zaplanował

Robert Smolańczuk

z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

L. Lederman, D. Teresi – „Boska cząstka”

„Za pomocą dwunastu cząstek materii możemy zbudować

wszystko, cokolwiek istniało lub istnieje we Wszechświecie.”

Dwie rodziny: 6 kwarków i 6 leptonów.

Proton składa się z trzech kwarków: uud a neutron także z trzech: udd

„Żaden kwark w cząstce wielokwarkowej nie znajduje się w stanie

bezruchu wobec pozostałych. Krążą one wokół wspólnego środka mas.”

Leon M. Lederman

ur. w 1922 r.

Nagroda Nobla

w 1988 r.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

H

a

d

r

o

n

y

+1

0

-1

+1

0

+1

0

0

-1 (+1)

0

-1
-1

0

Ładunek

∞

889

p
n

Proton

Neutron

Bariony

1,2 · 10

–8

5,2 · 10

–8

K

+

K

0

Kaony

8,4 · 10

–17

2,6 · 10

–8

π

0

π

–

(

π

+

)

Piony

Mezony

7,99 · 10

–11

7,4 · 10

–20

1,5 · 10

–10

Σ

+

Σ

0

Σ

¯

Hiperony

sigma

∞
∞

2,2 · 10

–6

∞

γ

e

–

μ

–

ν

e

Foton

Elektron

Mion

Neutrino

elektronowe

Leptony

t

1/2

(s)

Symbol

Nazwa

WAŻNIEJSZE CZĄSTKI ELEMENTARNE

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

MASA ATOMOWA

od 1961 r. skala oparta na węglu

12

C {

12

C 98,89%;

13

C 1,11%}

atom = 6n + 6p + 6e

Jednostka masy atomowej jest to

1

/

12

masy atomu węgla

12

C

j.m.a. = 1 dalton = 1 u = 1,6605 · 10

-24

g

Bezwzględna masa atomu

12

C (wyznaczona eksperymentalnie) wynosi 1,9924 · 10

-23

g

Względną masę atomową pierwiastka obliczyć można dzieląc masę atomu

wyrażoną w gramach (tzw. bezwzględną masę atomową) przez liczbę

1,6605 · 10

-24

g, tj. masę 1 u

Masa atomowa:

Względna masa atomowa jest to liczba określająca ile razy masa atomu
danego pierwiastka jest większa od

1

/

12

masy atomu izotopu węgla

12

C

6

12

C

John Dalton (1766-1844)

Jöns Jackob Berzelius

(1779-1848)

wzorce
J. Dalton

→

wodór

J.J. Berzelius

→

tlen

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

DWOISTA NATURA ŚWIATŁA I ELEKTRONÓW

XVII/XVIII w. I. Newton

- teoria korpuskularna światła

~ 1870 r. J.C. Maxwell

- przewidział powstawanie fal elektromagnetycznych

rozchodzących się z prędkością światła (c = 3 · 10

8

m/s);

1873-88 H. Hertz

- potwierdził eksperymentalnie wszystkie przewidywania

płynące z teorii Maxwella;
światło widzialne stanowi jeden z rodzajów
promieniowania elektromagnetycznego

Promieniowanie elektromagnetyczne

- fala elektromagnetyczna składająca się z

wzajemnie prostopadłych składowych: elektrycznej E i magnetycznej H; oscylują
one w kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali.

„Składowa E”

„Składowa H”

„Fala elektromagnetyczna”

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

fale radiowe

mikrofale

IR

VIS

UV

prom. X

prom.

γ

λ

→ → → → → →

← ← ← ← ← ←

ν

< 10 pm

10 pm

÷ 10 nm

10

÷ 400 nm

400

÷ 800 nm

800 nm

÷ 1 mm

1 mm

÷ 30 cm

30 cm

÷ 30 km

Promieniowanie

γ

Promieniowanie X

Nadfiolet (UV)

Światło widzialne (VIS)

Podczerwień (IR)

Mikrofale

Fale radiowe

λ

Zakres

λ

c

ν

=

ν

- częstość promieniowania;

c

= 3 · 10

8

m/s;

λ

- długość fali

W 1900 r. Max Planck stwierdził, że światło jest emitowane

i pochłaniane przez ciało doskonale czarne nie w sposób ciągły,

lecz porcjami, które nazwał kwantami energii.

E = h ·

ν

h - stała Plancka;

h = 6,6261 · 10

-34

J·s

ν - częstość drgań promieniowania padającego

Max Planck (1858-1947)

Nagroda Nobla w 1918 r.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

/w 1888 r. odkrył go Hallwachs, a w 1902 r. Lenard
podał podstawowe prawa dotyczące tego zjawiska/

zjawisko to polega na emitowaniu elektronów przez
powierzchnię metalu, na którą pada promieniowanie UV

1/ liczba emitowanych elektronów jest proporcjonalna

do natężenia padającego promieniowania;

2/ energia kinetyczna elektronów rośnie wraz

z częstością

ν padającego promieniowania;

3/ dla każdego metalu istnieje

tzw. częstość charakterystyczna

ν

o

taka, że promieniowanie o częstości
niższej niż

ν

o

nie wywołuje

emisji elektronów.

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY

Philipp von Lenard

(1862-1947)

Nagroda Nobla w 1905 r.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

cząstce o masie m i energii E = m · c

2

poruszającej się

z prędkością v przypisuje się falę, zwaną falą de Broglie’a,

której długość jest równa:

/równanie fal/

p

h

v

m

h

λ

=

⋅

=

Louis V. de Broglie

(1892-1987)

Nagroda Nobla w 1929 r.

równanie fal de Broglie’a

/1924 r./

uczy nas, że w przypadku cząstek elementarnych,

np. elektronów, neutronów, protonów, fotonów itp.

niemożliwe jest równoczesne oznaczenie

położenia cząstki i jej pędu

4π

h

Δx

Δp

≥

⋅

Werner K. Heisenberg

(1901-1976)

Nagroda Nobla w 1932 r.

zasada nieoznaczoności

/Heisenberg - 1927 r./