Definicje

Na początku trzeba wyjaśnić parę pojęć, które niektórym osobom mogą się wydać oczywiste, przydatnych w tym temacie:

Atom - jest zdefiniowany jako najmniejsza, niepodzielna cząstka danej substancji zachowująca wszystkie właściwości charakterystyczne dla tej substancji. Wszystkie atomy złożone są z dużego jądra i okrążającej je chmury elektronowej. Jądro ma ładunek dodatni i , pomimo małych rozmiarów, skupia w sobie większość masy całego układu. Elektrony są dużo mniejsze od protonów i neutronowo (składników jądra) i posiadają sumaryczny ładunek elektryczny ujemny. Właściwości substancji, jaką budują atomy danego pierwiastka, zależne są w dużej mierze od liczby protonów w jądrze atomowym. Atom jest elektrycznie obojętny, gdy ładunek ujemny elektronów znosi się z ładunkiem dodatnim jądra. Nie zawsze tak jest. Czasem liczba ładunków danego rodzaju jest różna od ładunków drugiego rodzaju i wówczas atomy stanowią jony.

Proton - ciężka cząstka elementarna, o dodatnim ładunku elektrycznym i masie 1,6726*10-27kg; składnik jądra atomowego.

Elektron - trwała cząstka elementarna o ujemnym ładunku elektrycznym 1,602*10-19C i masie spoczynkowej 9,109*10-31kg, jeden z podstawowych składników atomu, które krążą wokół jądra wytwarzając wokół chmurę elektronową.

Neutron - ciężka, elektrycznie obojętna cząstka elementarna o masie 1,6748*10-27kg; składnik jądra atomowego; swobodny - nietrwały, rozpada się na proton z emisją negatonu i antyneutrina.

Jądro atomowe - centralna część atomu skupiająca całą jego masę, o rozmiarach ok. 20 tys. razy mniejszych od rozmiarów atomu; złożone z nukleonów (protonów i neutronów) powiązanych siłami, stanowi układ nietrwały (ok. 300 jąder) lub nietrwały (ok. 1500 jąder), ulegający rozpadowi promieniotwórczemu; gł. wielkości charakteryzujące - liczba masowa i liczba atomowa.

Historia atomu

Wraz z rozwojem człowieka rozwijała się nauka, dzięki której odkrywano coraz więcej. Negowano wcześniejsze teorie lub je potwierdzano. Dlatego teraz przedstawię najważniejsze szczegóły z historii budowy atomu:

1. Na pomysł istnienia niepodzielnych cząstek materii wpadł jako pierwszy grecki filozof Demokryt ok. 400 lat przed Naszą Erą. W jego modelu świat był kombinacja próżni i wielkiej ilości mikroskopijnych cząstek materii, dość zróżnicowanych pod względem wielkości i kształtu. To on wprowadził do nauki pojęcie atomu.

2. Rozwój chemii w wieku XVIII i XIX zapoczątkował odkrycie nowych, nieznanych dotąd pierwiastków. Doprowadziło to do sformułowania teorii atomistycznej przez angielskiego fizyka Johna Daltona (rok 1805.) W tym naiwnym jeszcze modelu atom stanowił sztywną, niepodzielna kulkę, a znane substancje były zbiorami takich kulek. Dalton uważał, że łączenie się danych substancji polega na mikroskopowym łączeniu się tworzących je, niepodzielnych cząstek. Atomy w teorii Daltona zachowywały własności fizyczne przy reakcjach chemicznych, co zgadzało się w ówczesnymi obserwacjami. Ponadto dla każdego pierwiastka atomy nie różniły się między sobą, a atomy odmiennych pierwiastków były rozróżnialne na podstawie masy i zachowania przy przemianach fizycznych i chemicznych. Jedynym problemem były zaobserwowane ładunki dodatnie i ujemne podczas przemian. Ich obecność przemawiała za bardziej skomplikowaną budową atomu.

3. Istnienie elektronu (pojedynczego ładunku ujemnego) zostało przewidziane w 1874 roku przez Irlandczyka George'a Stoney'a. Podjął się on oszacowania elementarnej jednostki elektryczności, występującej w procesie elektrolizy. Wartość ładunku elementarnego, obliczona przez Stoneya, była wprawdzie około 20 razy mniejsza od obecnie przyjmowanej, ale teoretyczne podwaliny umożliwiły późniejsz3e odkrycie cząstki. Stoney wprowadził też sam termin "elektron". W 1898 roku Joseph "J.J." Thompson wyznaczył dalsze własności cząstki i w późniejszych latach przy okazji zmodyfikował model budowy atomu. Jego model to tzw. "ciasto z rodzynkami", przy czym rolę ciasta pełni tu rozłożony dość równomiernie ładunek dodatni, a rodzynki to ładunki ujemne - elektrony. Model ten tłumaczył przez pewien czas dość dobrze wyniki doświadczeń.

4. Ernest Rutherford (fizyk pochodzący z Nowej Zelandii) zaproponował w roku 1911 pierwszy jądrowy model budowy atomu, w którym większość masy i ładunek dodatni skupione są w bardzo niewielkiej przestrzeni w centrum atomu, a elektrony krążą w dość znacznej odległości od tego centrum (jądra atomowego.) Model ten nie wyjaśniał, dlaczego w swym ruchu obrotowym, elektrony nie wytracają prędkości i nie spadają w rezultacie na jądro.

5. Niels Bohr, genialny duński fizyk, zaproponował rozszerzenie modelu Rutherforda. Według niego elektrony mogą się poruszać wokół jądra jedynie po ściśle określonych orbitach wraz z odpowiadającymi im odpowiednimi energiami. Zjawisko to wyjaśniła dopiero mechanika kwantowa, według której pochłanianie i emisja energii elektronu w atomie może odbywać się jedynie skokowo, poprzez emisja i absorpcję pewnej określonej ilości (kwantu) energii.

6. Ernest Rutherford wykazał istnienie ładunków dodatnich (protonów) w jądrze atomu w roku 1919.

7. Kolejne modele wyjaśniły budowę jądra atomowego. W roku 1921 sformułowano zaczątki teorii sił jądrowych - sil utrzymujących jądro atomowe jako całość, mimo odpychania się poszczególnych protonów w jądrze (James Chadwick, E.S. Bieler.) Kilka lat później Wolfgang Pauli odkrył prawo, według którego żadne dwa elektrony w atomie nie mogły znaleźć się na tym samym poziomie energii (tzw. Zakaz Pauliego.)

8. James Chadwick wykazał, że obok dodatnio naładowanych protonów w jądrze atomowym występują neutrony - podobne do protonów ciężkie cząstki o ładunku elektrycznym zerowym (1931 rok.) Niemal w tym samym czasie równania teoretyczne Paula Diraca wskazały na istnienie tak zwanych antycząstek - pozytonów (elektronów o ładunku dodatnim.)

9. Znano już elektrony, protony, neutrony, antycząstki, miony oraz neutrina (małe, wysokoenergetyczne cząstki o niewykrywalnej masie.) W 1938 roku pojawia się zagadnienie trwałości protonu i neutronu. E.C.G. Stuckelberg zwrócił uwagę świata fizyki na fakt, że cząstki te nie rozdają się spontanicznie na elektrony, pozytony i neutrina, choć rozpad taki jest jak najbardziej możliwy i spełnia wszelkie niezbędne prawa zachowania. Nie mogąc zrozumieć natury zjawiska, Stuckelberg wysunął przypuszczenie, że dla cząstek tych obowiązują nowe, nieznane jeszcze prawa zachowania.

10. W 1941 roku formalnie zaczęto protony i neutrony uznawać za dwa stany tej samej cząstki - nukleonu. Nazwę tę wprowadzili C. Moller i Abraham Pais.

11. lata 1950-1960 -aż do dziś: odkrycie wewnętrznej struktury nukleonów, cząstki te nie są już elementarne, ale składają się z kwarków. Eksperymenty z rozpraszaniem wiązki elektronów na jądrach atomowych wykazały istnienie złożonej budowy protonów i neutronów. Odkrycie poszczególnych sześciu kwarków, rozwój teorii. Obecnie: poszukiwanie bozonu Higgsa - hipotetycznej, ale zgodnej z wieloma założeniami teoretycznymi cząstki nadającej innym cząstkom elementarnym masę.

Obliczenia

Obliczanie prędkości elektronu na orbicie
Model atomu Bohra wykorzystuje prawa fizyki klasycznej (ruch po okręgu) i wprowadza założenie, które nie mieści się w fizyce klasycznej.
Zakładamy, że atom wodoru (model Bohra) składa się z protonu i elektronu.
Proton i elektron mają ładunek o przeciwnych znakach ale o tej samej wartości (bezwzględnej).
Masa protonu jest przeszło 1800 razy większa niż masa elektronu.

Zakładamy, że elektron obiega proton (jądro atomu wodoru) po orbicie kołowej o promieniu r mierzonym ze środka protonu.

Ruch elektronu wokół jądra odbywa się pod wpływem siły wzajemnego oddziaływania elektrycznego protonu i elektronu. Proton i elektron mają ładunki przeciwnych znaków więc przyciągają się.

Rozmiary ładunków są zerowe. Wtedy możemy wykorzystać prawo określające oddziaływania między ładunkami - prawo Coulomba.

Do ruchu ciała po okręgu potrzebna jest siła skierowana do środka okręgu, inaczej nazywamy ją siłą dośrodkową. W atomie wodoru źródłem siły dośrodkowej jest siła elektrycznego oddziaływania protonu i elektronu (siła Coulomba).

Do dalszych rozważań bierzemy pod uwagę wyłącznie siłę działającą na elektron, a pomijamy siłę działającą na proton. Możemy tak uczynić, ponieważ masa protonu jest około 1800 razy większa niż masa elektronu.

Jedno równanie (na siłę dośrodkową) nie pozwala na obliczenie dwóch nieznanych wielkości - promienia orbity (rozmiarów atomu) i wartości prędkości elektronu na orbicie.

Niels Bohr zaproponował, by wartość momentu pędu (iloczyn promienia orbity elektronu i pędu tego elektronu) był skwantowany, czyli żeby przyjmował tylko pewne, ściśle określone wartości. W ruchu ciała po okręgu moment pędu równy jest iloczynowi masy ciała, prędkości ciała i promienia orbity.

Niels Bohr założył, że moment pędu elektronu równy jest całkowitej dodatniej wielokrotności iloczynu stałej Plancka h podzielonej przez 2 pi. Moment pędu elektronu w atomie nie może być równy zero ponieważ elektron w atomie nie może spoczywać (podobnie jak w układzie Ziemia i Księżyc nie może spoczywać Księżyc).

Rachunki


Na podstawie tych obliczeń i zakładając, że atom wygląda tak jak to sobie wyobraził Bohr, obliczyliśmy prędkość elektronów na orbicie

Podziękowania

Za pomoc przy realizacji tego bloga dziękuję
-polskim twórcom Wikipedii
-twórcom http://fizyka.biz niezwykle przydatnej stronie nt. fizyki