Δομή Ατόμου

Slide 1

Η δομή του ατόμου. Ι. Τα κλασικά πρότυπα. Επιμέλεια: Διογένης Κοσμόπουλος 2ο ΓΕΛ Αργυρούπολης. Από τον Δημόκριτο μέχρι το σύγχρονο κβαντικό άτομο....

Slide 2

Η χρονική εξέλιξη της δομής του ατόμου. ~450 π.Χ ~1800 μ.Χ 1904 μ.Χ 1911 μ.Χ 1913 μ.Χ 1926 μ.Χ Σε διάρκεια 125 χρόνων η εικόνα του ατόμου έχει αλλάξει δραστικά. Από το πρότυπο της απλής συμπαγής σφαίρας , καταλήξαμε σε ένα πρότυπο που κυριαρχεί η αβεβαιότητα και η πιθανότητα. ατομική θεωρία Δημόκριτου ατομική θεωρία Dalton πρότυπο Tomson πρότυπο Bohr πρότυπο Rutherford πρότυπο Schrodinger

Slide 3

Οι πρώτες ατομικές θεωρίες Δημόκριτος (~450 π.Χ.) Dalton (~1800 μ.Χ.) Η ύλη δεν είναι συνεχής αλλά αποτελείται από τα μικροσκοπικά σωματίδια αποκαλούμενα άτομα. Τα άτομα είναι συμπαγή και δεν τέμνονται (άτομο  α-τομή) Το συμπαγές πρότυπο

Slide 4

Τα κλασικά πρότυπα του ατόμου Το πείραμα του Thomson (1897) qe/me=σταθερό για κάθε μέταλλο.

Slide 5

Το πρότυπο του Thomson (1904) αρνητικά ηλεκτρόνια θετικά φορτισμένη ύλη. Το σταφιδόψωμο ουδέτερο άτομο

Slide 6

Τα κλασικά πρότυπα του ατόμου. Το πείραμα του Rutherford (1910) πέτασμα film φύλο Au Υποθετικός σκεδασμός στο πρότυπο Tomson πηγή ακτίνων a Σκεδασμός στο πρότυπο Rutherford

Slide 7

Το πρότυπο του Rutherford (1911) ηλεκτρόνιο πυρήνας Το πλανητικό πρότυπο του πυρηνικού ατόμου.

Slide 8

Οι αδυναμίες του προτύπου του Rutherfond Οι τυχαίες τροχιές των ηλεκτρονίων δεν μπορούν να ερμηνεύσουν τις συγκεκριμένες ιδιότητες των ατόμων των στοιχείων. Είναι σε αντίθεση με την «ηλεκτρομαγνητική θεωρία», όπου κάθε ηλεκτρόνιο που επιταχύνεται (λόγω κυκλικής κίνησης) εκπέμπει ενέργεια με μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (ακτινοβολίες) συνεχούς φάσματος, ενώ ταυτόχρονα κινείται σπειροειδώς προς τον πυρήνα μέχρι καταστροφής του ατόμου.

Slide 9

Η συνέχιση της διερεύνησης της δομής του ατόμου Κλειδί στην παραπέρα διερεύνηση της δομής του ατόμου είναι η ερμηνεία της φύσης του φωτός και ιδιαίτερα του μηχανισμού που εκπέμπει ακτινοβολία η ύλη.

Slide 10

Η διατύπωση της ερώτησης κατ' αυτό τον τρόπο, απεικονίζει τον αιτιοκρατικό τρόπο σκέψης που συνεπάγει ότι κάτι δεν μπορεί να είναι συγχρόνως δύο τελείως διαφορετικά πράγματα. Τι είναι όμως το φως; και όμως… η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση είναι ότι οι γνώσεις μας για το φως είναι τα αποτελέσματα των πειραμάτων, όπου μερικά πειράματα δείχνουν ότι το φως συμπεριφέρεται σαν κύμα και άλλα αποκαλύπτουν ότι το φως είναι ένα ρεύμα σωματιδίων .

Slide 11

Η σωματιδιακή-κβαντική φύση του φωτός. συχνότητα ενέργεια φωτονίου Η ακτινοβολία εκπέμπεται ασυνεχώς σε διακριτές "δέσμες" ενέργειας τα κβάντα φωτός ή φωτόνια. σταθερά Planck Μαx Planck (1900)

Slide 12

Το φως έχει διπλή φύση. Όλα τα φαινόμενα που συνδέονται με το φως δεν μπορούν να εξηγηθούν μόνο από την κυματική ή μόνο η σωματιδιακή φύση του φωτός. Το φως έχει διπλή υπόσταση όπου συνυπάρχουν και οι δύο φύσεις του, χωρίς η μία φύση του φωτός να αναιρεί την άλλη. Η εξίσωση της ενέργειας του φωτονίου από μόνη της εμπεριέχει και την σωματιδιακή φύση που φαίνεται στο μέγεθος «ενέργεια Ε φωτονίου» και την κυματική φύση που φαίνεται στο μέγεθος «συχνότητα f του φωτονίου», μέγεθος κατ’ εξοχήν κυματικό.

Slide 13

Ανάλυση φωτός - φάσματα. Μία ακτίνα φωτός μπορεί να περιέχει κύμα μίας μόνο συχνότητας οπότε ονομάζεται μονοχρωματική ακτίνα φωτός ή κύματα πολλών συχνοτήτων οπότε ονομάζεται πολυχρωματική (σύνθετη) ακτίνα φωτός. Ανάλυση φωτός είναι η διαδικασία που επιτυγχάνει τον διαχωρισμό μιας πολυχρωματικής ακτίνας φωτός και φάσμα του φωτός είναι η απεικόνιση του αποτελέσματος της ανάλυσης. Τα φάσματα διακρίνονται στα συνεχή, στα γραμμικά και στα απορροφήσεως.

Slide 14

Συνεχές φάσμα λαμπτήρα πυράκτωσης.

Slide 15

Γραμμικό φάσμα ατόμων υδρογόνου . Τα γραμμικά φάσματα απεικονίζουν μόνο ορισμένες συχνότητες

Slide 16

Γραμμικά φάσματα ατόμων . Είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι τα γραμμικά φάσματα διαφορετικών στοιχείων είναι διαφορετικά μεταξύ τους δηλαδή το γραμμικό φάσμα του κάθε στοιχείου είναι χαρακτηριστικό του είδους του στοιχείου και αποτελεί ταυτότητα για το στοιχείο αυτό.

Slide 17

Φάσμα απορρόφησης ατόμων υδρογόνου. σχισμή αέριο υδρογόνο πρίσμα λαμπτήρας πυράκτωσης Νόμος του Kirchoff Τα στοιχεία απορροφούν μόνο τις συχνότητες που μπορούν να εκπέμπουν.

Slide 18

Το πρότυπο του Bohr (το 1ο κβαντισμένο άτομο) Ο Bohr διατύπωσε δύο συνθήκες που σκιαγραφούν ένα νέο πρότυπο του ατόμου. Οι δύο συνθήκες είναι γνωστές ως μηχανική και οπτική συνθήκη. Οι συνθήκες αυτές αντιβαίνουν σε θεωρίες της φυσικής και γι’ αυτό χαρακτηρίστηκαν αυθαίρετες. Οι συνθήκες έγιναν δεκτές, γιατί μπόρεσαν και εξήγησαν το γραμμικό φάσμα εκπομπής και απορρόφησης του υδρογόνου.

Slide 19

1η μηχανική συνθήκη του Bohr. 1/3 Τα ηλεκτρόνια των ατόμων έχουν την δυνατότητα να κινούνται μόνο σε αυστηρά καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρο από τον πυρήνα με καθορισμένη (κβαντισμένη) ενέργεια. Κάθε επιτρεπόμενη τροχιά που ονομάζεται στιβάδα ή φλοιός, συμβολίζεται με τα κεφαλαία γράμματα Κ, L, Μ, N, … και αντιστοιχεί στην τιμή ενός ακέραιου αριθμού n (n=1,2,3…) που ονομάζεται πρώτος ή κύριος κβαντικός αριθμός.

Slide 20

Ειδικότερα μόνο για το άτομο του υδρογόνου η στροφορμή και η ενέργεια του ηλεκτρονίου δίνονται από τις σχέσεις: n (1ος κβαντικός αριθμός)=1,2,3… , Ε1=-13,6eV=-2,1810-18J, Στροφορμή ηλεκτρονίου Ενέργεια ηλεκτρονίου 1η μηχανική συνθήκη του Bohr. 2/3

Slide 21

E = 0 Οι στάθμες ενέργειας ατόμου υδρογόνου στο πρότυπο Βohr. ενέργεια E1 E4 E2 E3 -2,1810-18J 1η μηχανική συνθήκη του Bohr. 3/3

Slide 22

Η θεμελιώδης και οι διεγερμένες καταστάσεις στο άτομο του υδρογόνου. Tο άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση έχει την μικρότερη δυνατή ενέργεια όπου το ηλεκτρόνιο είναι στην 1η (n=1) στιβάδα. Tο άτομο είναι δυνατόν να απορροφήσει ενέργεια (διεγερμένη κατάσταση) οπότε το ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε στιβάδα με n2. Η ενέργεια που απορροφάται είναι ίση με την διαφορά των ενεργειών της αρχικής και της τελικής στιβάδας μετάβασης. Εαπορροφάται = Ετ-Εα

Slide 23

θεμελιώδης κατάσταση Διέγερση ατόμου υδρογόνου στο πρότυπο Βohr. -2,1810-18J Η ενέργεια διέγερσης είναι ίση με την διαφορά των ενεργειών των δύο στιβάδων.

Slide 24

ιοντισμός Ιοντισμός ατόμου υδρογόνου στο πρότυπο Βohr. Ενέργεια 1ου ιοντισμού είναι η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να πάρει το άτομο για να χάσει ένα ηλεκτρόνιο. Ε1ου ιοντισμού = Ε-Ε1 Ε1ου ιοντισμού = -Ε1 Ε1ου ιοντισμού = 2,1810-18J θεμελιώδης κατάσταση -2,1810-18J

Slide 25

2η (οπτική) συνθήκη του Bohr (1/2). Tο άτομο δεν εκπέμπει ακτινοβολία όταν το ηλεκτρόνιο κινείται στην ίδια στιβάδα. Tο άτομο εκπέμπει ακτινοβολία μόνο όταν ηλεκτρόνια μεταπηδήσουν από στιβάδα μεγάλης ενέργειας σε στιβάδα χαμηλότερης ενέργειας..

Slide 26

n = 1 n = 2 n = 3 2η (οπτική) συνθήκη του Bohr (2/2). Πυρήνας φωτόνιο n = 4 Για κάθε ένα “άλμα” ηλεκτρονίου από στιβάδα nα μεγάλης ενέργειας Εα , σε στιβάδα ητ χαμηλότερης ενέργειας Ετ, εκπέμπεται ένα φωτόνιο. Η συχνότητα του φωτονίου είναι:

Slide 27

E1 E2 E3 E4 E5 E6 Ενέργεια 656 nm 486 nm 434 nm 410 nm ιοντισμός Οι αποδιεγέρσεις στο άτομο του υδρογόνου στο πρότυπο Bohr. A B C D Balmer ορατή περιοχή

Slide 28

Ερμηνεία του γραμμικού φάσματος εκπομπής και απορρόφησης των ατόμων υδρογόνου. σχισμή πρίσμα λυχνία υδρογόνου Οι ενέργειες των στιβάδων είναι κβαντισμένες (καθορισμένες). Έτσι και οι συχνότητες των εκπεμπόμενων ή απορροφούμενων φωτονίων είναι καθορισμένες αφού είναι ίσες με την τιμή : λαμπτήρας πυράκτωσης

Slide 29

Λειτουργεί μόνο για τα άτομα του υδρογόνου ή τα υδρογονοειδή (μονοηλεκτρονικά) ιόντα π.χ. 2Ηe+, 3Li2+ και έτσι δεν μπόρεσε να ερμηνεύσει το φάσμα των ακτινοβολιών που εκπέμπουν τα πολυηλεκτρονικά άτομα. Οι αδυναμίες του προτύπου του Bohr Δεν έχει την δυνατότητα να εξηγήσει τον χημικό δεσμό. Είναι και αυτό σε αντίθεση με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία (όπως και το πρότυπο του Rutherfond).