4-otkrice strukture atoma

9. OTKRIĆE STRUKTURE ATOMA
•Demokrit-atomi-nedjeljiv
•Daltonova atomska teorija i Avogadrova hipoteza o molekulama -
do sredine 19. stoljeća
•Daltonovi potulati
•Atomska jezgra i elektronski omotač
•promjer atoma 10 4 veći od promjera jezgre
•u jezgri sva masa atoma
•masa elektrona 1/2000 mase protona
promjer
masa
ATOM
atomska jezgra
10 -14 m
99.95 % mase
atoma
elektronski
omotač
10 -10 m
zanemariva
1

9.1 Struktura materije-elektron
• H. Davy, J.J. Berzelius i M. Faraday - kemijski spojevi mogu
razložiti na elemente utjecajem električne struje
• za dobivanje 1.008 g vodika H 2
mora upotrijebiti količina struje od
96500 kulona (C)
1 C = 1 A × s
• 1,008 g vodika sadrži 6,022·10 23 atoma za koju je vezana ista
količina struje od 96485 C
• svaki pojedini atom vodika vezana tačno određena količina
struje 96485 C
−19
= 1.602· 10
23
6,022· 10
• 1891. Stoney elementarna jedinica struje - elektronom.
2

9.1 Struktura materije-elektron
•J.J.Thomson 1897. g.
•Otkriće elektrona i njegovog ponašanja omogućeno je otkrićem katodne
cijevi (Braunova , 1887)
•Katoda - negativno nabijena elektroda
•Anoda - pozitivno nabijena elektroda
•katodne zrake
•Braunova
(Crooksova) cijev
•J.J.Thomson odredio je brzinu kretanja katodnih zraka i odnos
između naboja i njihove mase, e/m , tzv. specifični naboj
•Plinovi su izolatori
•Kada se iz cijevi ukloni plin struja teče
•Negativno nabijene čestice (elektroni) emitiraju se sa katode i putuju prema
pozitivnoj anodi-katodne zrake
•Rupa na anodi omogućava prolaz elektronima kroz nju
3

•Kraj cijevi premazan fluorescentnim materijalom (ZnS), koji pokazuje emisiju
svjetla kada elektroni padnu na njega
•Kondenzatorske ploče i magnet omogućavaju djelovanje električnog i
magnetnog polja na zrake
•Električnim poljem (E) uravnotežava se magnetno polje (B)
•B×e×v = E×e → v = E / B= 5 x 10 7 m/s (1/6 brzine svjetlosti)
•Ako je napon u katodnoj cijevi U, elektron u električnom polju ima
energiju eU koja se pretvara u kinetičku energiju:
•eU = m v 2 /2 → e/m = v 2 / 2U Specifični naboj: naboj po jedinici mase
•5 x 10 7 m/s (1/6 brzine svjetlosti); napon se mjeri voltmetrom
•Thomson: bez obzira na plin u cijevi i bez obzira na materijal katode
e / m e = 1.7589 x 10 8 C / g
•elektrolizom vode : za 1.008 g vodika potrebno 96485 C
•e / m H = 95718 C / g
•masa elektrona je 1837 puta manja od mase vodika
•Millikan je eksperimentom s uljnim kapljicama odredio naboj elektrona
•e = 1.6 x 10 -19 C te je m e = 9.1 x 10 -31 kg
4

9.2 Otkriće rendgenskih zraka i radioaktivnosti
• neophodno za otkriće protona
• Röntgen 1895 otkrio je nevidljive zrake u Crooksovoj cijevi koje
izazivaju flurescenciju, prolaze kroz materiju, zacrne fotografsku
ploču, izbijaju nabijeni elektroskop, a magnet ih ne otklanja
• nazvao ih je X-zrakama ili rendgenskim zrakama (x-nepoznanica)
• valna duljina 0.01 do 1 nm
• porijeklo x-zraka
•Nastaju u rendgenskoj cijevi
•Nasuprot katode nalazi se antikatoda (bakar)
•Sudarom elektrona visoke energije s antikatodom nastaju rendgenske
zrake koje se šire u prostor s antikatode
5

• H. Becquerel (1896.) - uranove rude i spojevi zrače
• Marie i Pierr Curie (1898.) izolirali polonij i radij
• Pojavu isijavanje zraka M. Curie nazvala je radioaktivnošću
• Ernest Rutherford otkrio je da se u radioaktivnom zračenju nalaze α i
β zrake , a P. Villard γ-zrake
• Ispitivanja radioaktivnog zračenja u magnetnom polju (otklon)
• α - zrake pozitivno nabijene (He) (Rutheford) (čestice)
• β - zrake negativno nabijene (struja elektrona) (čestice)
• γ - ne otklanjaju se u magnetnom polju, identične su rendgenskim
zrakama, ali kraće valne duljine (0.001 do 0.1 nm) (EM valovi)
• x-zrake 0.01 do 1 nm (EM valovi)
6

9.3 Jezgra atoma
• Rutherford (1911.) je pokazao da je masa atoma skupljena u čestici
koja je 10 000 puta manja od atoma.
• Pukus s α - zrakama i listićem zlata
• α - zrakama imaju veliku energiju
• Njima je “bombardiran” listić zlata (1000 slojeva)
7

•Ako je atom čvrst po cijelom svom volumenu, ni jedna α- čestica ne
bi prošla kroz metalni listić bez otklona zbog sudara s atomom
•Obratno, većina je prošla
•Masa atoma skupljena je u vrlo malu česticu - jezgru atoma
•α- čestica mala, mala je vjerojatnost sudara s malom jezgrom atoma
•kut otklona α- čestice ukazuje da je jezgra pozitivno nabijena
•uspoređujući broj otklonjenih α- čestica s debljinom listića zlata
•
•odredio je promjer atomske jezgre
•promjer atomske jezgre 10 -12 cm
•promjer atoma 10 -8 cm
9

9.3 Proton
• 1886. Goldstein je otkrio da u Crookesovoj cijevi nastaju i zrake
koje se šire od anode, prolaze kroz katodu probušenu u obliku
kanala (kanalne zrake).
• Kanalne zrake
• pozitivno nabijene čestice
• e/m (specifični naboj) manji nego kod elektrona
• masa im je puno veća od mase elektrona
• odnos e/m varira o prirodi plina u cijevi
• čestice kanalnih zraka imaju pozitivan naboj koji je jednak, ali
suprotan naboju elektrona
• masa čestice jednaka je masi vodika (bez znanja o neutronu)
• zaključilo se da je riječ o atomskoj jezgri vodika koju je
Rutherford nazvao protonom.
• vodikov atom sastoji se od protona kao jezgre i jednog
elektrona
10

9.4 Neutron
•najjednostavniji atom vodika - jedan proton, a atom helija dva
protona
•mase helija i vodika u omjeru 2:1
•Mjerenja pokazivala da je taj omjer 4:1
•1912. Thomson je utvrdio da je neon smjesa atoma različitih
masa (razlikuju se u nečemu, a nije broj protona u jezgri)
•J.Chadwick 1932 g. jezgra atoma sadrži neutrone- električki
neutralne čestice s masom gotovo jednakom masi protona.
9.5 Ruthefordov model atoma
• Atom je sastavljen od pozitivno nabijene jezgre, oko koje brzo kruže
elektroni , kao planeti oko Sunca
• broj elektrona je toliki da neutralizira naboj jezgre
• Jezgra vodikova atoma ima jedan proton
• jezgre ostalih atoma imaju pozitivan naboj koji je višekratnik broja
protona
11

DALTONOVI postulati (1802.) LOSCHMIDT
Avogadrov (Loschmidtov) (1865.)
CHADWIK
neutron (1932.)
AMEDEO AVOGADRO
hipoteza o molekulama (1811.)
THOMPSON
otkriće elektrona (1897.)
1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960
JOSEPH LOUIS GAY-LUSSAC
(spojni volumeni 1805. .)
DAVY, BERZELIUS, FARADAY.
STONE pojam elektron (1891.)
RUTHERFORD
Jezgra atoma i proton (1911.)
12

9.6 Atomski i maseni broj
•atomski broj: Z = N(p + ) = N (e - )
•maseni broj: A = N(p + ) + N(n)
•broj neutrona: N(n) =A-Z
A
Z
X
•kemijski element je skup svih atoma s istim atomskim brojem Z.
9.7 Izotopi
•109 elemenata 206 atoma ????
•razlika u masenom broju A maseni broj: A = N(p + ) + N(n)
•kemijski element: isti Z; različit A
12
C
•izotopi:ista kemijska; različita fizička svojstva (RAZLIKA U MASI)
•Nuklidi-određenog sastava jezgre (atomskog i masenog broja)
•ELEMENT-SMJESA NUKLIDA
13

9.8 Izobari
•Izobari su atomi različitog atomskog broja Z (broj protona) s jednakim
masenim brojem A (protoni+neutroni). (grčki isos = isti, baros = težina)
•različiti kemijski elementi; različita i kemijska i fizička svojstva
Fe
58
Ni
58
26 27
9.8 Određivanje atomskih masa elemenata
•spektrograf masa
•izbiti elektrone, dobiti pozitivno nabijene čestice
•omjer mase i naboja
•magnetno polje
•otklon
14