© Dio Kos 2004

Η δομή του ατόμου.Ι. Τα κλασικά

πρότυπα.

Επιμέλεια: Διογένης Κοσμόπουλος2ο ΓΕΛ Αργυρούπολης.

Από τον Δημόκριτο μέχρι το σύγχρονο κβαντικό άτομο.

© Dio Kos 2004

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

© Dio Kos 2004

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

© Dio Kos 2004

Τα κλασικά πρότυπα του ατόμουΤο πείραμα του Thomson (1897)

qe/me=σταθερόγια κάθε μέταλλο.

© Dio Kos 2004

Το πρότυπο του Thomson (1904)

αρνητικάηλεκτρόνια

θετικά φορτισμένη ύλη.

Το σταφιδόψωμο

ουδέτερο άτομο

© Dio Kos 2004

Τα κλασικά πρότυπα του ατόμου.

ö éëì ö éëì

Το πείραμα του Rutherford (1910)

πέτασμα film

φύλο Au

Υποθετικός σκεδασμός στο πρότυπο Tomson

πηγή ακτίνων a

Σκεδασμός στο πρότυπο Rutherford

© Dio Kos 2004

Το πρότυπο του Rutherford (1911)

ηλεκτρόνιο

πυρήνας

Το πλανητικό

πρότυποτου πυρηνικού

ατόμου.

© Dio Kos 2004

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.

© Dio Kos 2004

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.

© Dio Kos 2004

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 .

© Dio Kos 2004

Η σωματιδιακή-κβαντική φύση του φωτός.

fhΕφωτονίου συχνότηταενέργεια φωτονίου

Η ακτινοβολία εκπέμπεται ασυνεχώς σε διακριτές "δέσμες" ενέργειας

τα κβάντα φωτός ή φωτόνια.

σταθερά Planck

Μαx Planck(1900)

seV10136,4sJ10626,6h 1534

© Dio Kos 2004

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.

fhΕφωτονίου κυματικόμέγεθος

σωματιδιακόμέγεθος

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.

© Dio Kos 2004

Οι δυνατές συχνότητες των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Ôï ï ñáôü öùò êáëýðôåé ì üí ï ì éá ì éêñÞ ðåñéï ÷Þ ì çêþí êýì áôï ò ôùí çëåêôñï ì áãíçôéêþí êõì Üôùí ðåñßðï õ áðü 400nm Ýùò 750nm.

ë 10 -13 10 -12 10 -11 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 --4 10 -3 10 -2 10 -1 1 10 m

ï ñá ôü ö þ ò

ë 400 450 500 550 600 650 700 nm

õð åñéþ äåòáêôßí åò ã

áêôßí åò ×

ñáäéï -êýì áôá

ÔV

õð Ýñõèñåò

ì éêñï êýì áôá

© Dio Kos 2004

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 διακρίνονταιστα συνεχή, στα γραμμικά και στα απορροφήσεως.

© Dio Kos 2004

Συνεχές φάσμα λαμπτήρα πυράκτωσης.

λαμπτήρας πυράκτωσης

σχισμή

πρίσμα

700nm400nm

© Dio Kos 2004

Γραμμικό φάσμα ατόμων υδρογόνου .

434nm 486nm 656nm410nm

σχισμή

πρίσμα

λυχνία υδρογόνου

Τα γραμμικά φάσματα απεικονίζουν μόνο ορισμένες συχνότητες

© Dio Kos 2004

Γραμμικά φάσματα ατόμων .

Η

He

Νa

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.

© Dio Kos 2004

Φάσμα απορρόφησης ατόμων υδρογόνου.

434nm 486nm 656nm410nm

σχισμή αέριο υδρογόνο

πρίσμα

λαμπτήρας πυράκτωσης

Νόμος του KirchoffΤα στοιχεία απορροφούν μόνο τις συχνότητες

που μπορούν να εκπέμπουν.

© Dio Kos 2004

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.

© Dio Kos 2004

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.

ΚL M N

n=1

n=2

n=3

n=4

n=

© Dio Kos 2004

2π

hnrυm

• 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=-2,1810-18J,

Στροφορμή ηλεκτρονίου

Ενέργεια ηλεκτρονίου21

n n

EΕ

1η μηχανική συνθήκη του Bohr. 2/3

© Dio Kos 2004

E = 0

Οι στάθμες ενέργειας ατόμου υδρογόνου στο πρότυπο Βohr.

2

1n n

EΕ

ενέργεια

E1

J102,18Ε 18

1

E4

E2

E3

-2,1810-18J

1η μηχανική συνθήκη του Bohr. 3/3

© Dio Kos 2004

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 n2.

Η ενέργεια που απορροφάται είναι ίση με την διαφορά των ενεργειών της αρχικής και της τελικής στιβάδας μετάβασης.

Εαπορροφάται = Ετ-Εα

© Dio Kos 2004

θεμελιώδης κατάσταση

E = 0

E4

E2

E3

E1

ενέργεια

Διέγερση ατόμου υδρογόνου στο πρότυπο Βohr. διεγερμένες

καταστάσεις

διέγερση

-2,1810-18J

Η ενέργεια διέγερσης είναι ίση με την διαφορά των ενεργειών των δύο στιβάδων.

J102,184

3ΔΕ

Ε4

3ΔΕ

Ε4

ΕΔΕ

ΕΕΔΕ

18

1

11

12

© Dio Kos 2004

ιοντισμός

E = 0

E4

E2

E3

E1

ενέργεια

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 = 2,1810-18J

θεμελιώδης κατάσταση

-2,1810-18J

© Dio Kos 2004

2η (οπτική) συνθήκη του Bohr (1/2).

Tο άτομο δεν εκπέμπει ακτινοβολία όταν το ηλεκτρόνιοκινείται στην ίδια στιβάδα.

Tο άτομο εκπέμπει ακτινοβολία μόνο όταν ηλεκτρόνια μεταπηδήσουν από στιβάδα μεγάλης ενέργειας σε στιβάδα χαμηλότερης ενέργειας..

© Dio Kos 2004

n = 1

n = 2

n = 3

e-

2η (οπτική) συνθήκη του Bohr (2/2).

Πυρήνας

φωτόνιο

n = 4Για κάθε ένα “άλμα” ηλεκτρονίου από στιβάδα nα μεγάλης ενέργειας Εα , σε στιβάδα ητ χαμηλότερης ενέργειας Ετ, εκπέμπεται ένα φωτόνιο.

hfhfEφ

Η συχνότητα του φωτονίου είναι:

© Dio Kos 2004

E1

E2

E3

E4

E5

E6

Ενέ

ργε

ια

A B C D E

Lyman (UV)

UV

656 nm

486 nm

434 nm

410 nm

ιοντισμός

Οι αποδιεγέρσεις στο άτομο του υδρογόνουστο πρότυπο Bohr.

A B C D Balmerορατή

περιοχή

IR

A B C Paschen

© Dio Kos 2004

Ερμηνεία του γραμμικού φάσματος εκπομπής και απορρόφησης των ατόμων υδρογόνου.

434 486 656 nm410

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 :

h

ΕΕf τα

434 486 656 nm410

λαμπτήρας πυράκτωσης

© Dio Kos 2004

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).