STRUKTURA ATOMA. Dalton (1803) Tomson (1904) Raderford (1911) Bor (1913) Šredinger (1926)

Transcript

1 Dalton (803) Tomson (904) Raderford (9) Bor (93) Šredinger (96)

2 OTKRIĆA OSNOVNIH SASTOJAKA ATOMA Do početka XX veka važila je Daltonova atomska teorija o nedeljivosti atoma. Karjem XIX i početkom XX veka došlo se do otkrića subatomskih čestica. ELEKTRON Tomson odredio specifično naelektrisanje elektrona e =,76 0 C kg m Miliken odredio naelektrisanje elektrona e =, C PROTON m e = 9, kg Masa elektrona Bor (93) Dalton (803) Šredinger (96) Tomson je otkrio da je vodonikov jon najmanja čestica sa pozitivnim naelektrisanjem i da je verovatno prisutna u svim vrstama atoma. Ova čestica dobila je naziv proton (od grčke reči protos prvi). Tomson (904) Raderford (9)

3 OTKRIĆA OSNOVNIH SASTOJAKA ATOMA Nakon otkrića elektrona i protona: Tomsonov model atoma Pozitivno naelektrisanje je ravnomerno raspoređeneo po celoj zapremini atoma i neutralisano je elektronima utopljenim u moru pozitivnog elektriciteta. Dalton (803) Tomson (904) Raderford (9) Bor (93) Šredinger (96)

4 OTKRIĆA OSNOVNIH SASTOJAKA ATOMA Raderfordov ogled: bombardovanje listića metala α česticama ( 4 He + ) U slučaju ravnomerno raspoređenog pozitivnog i negativnog naelektrisanja, α čestice bi imale skoro pravolinijsku putanju uz malo skretanje pri prolazu korz listić metala Dalton (803) Eksperiment je pkazao da pored α čestica koje ne menjaju pravac ili malo skreću, postoji i mali broj onih koje skreću pod uglom > 90 o. Bor (93) Tomson (904) Raderford (9) Rutherford.exe Pozitivno naelektrisanje je skoncentrisano na malom prostoru atoma jezgro atoma. Elektroni kruže oko jezgra. Šredinger (96) Raderfordov model atoma Planetarni model atoma

5 OTKRIĆA OSNOVNIH SASTOJAKA ATOMA NEUTRON Čedvik je 93. otkrio čestice koje su nenaelektrisane i imaju masu približno jednaku masi protona. Dobile su naziv neutron. Elektroni Jezgro atoma (protoni i neutroni) ~0 4 m ~0 0 m Atom je složena čestica i sastoji se iz elektrona, protona i neutrona. Čestica Simbol Masa, kg Naelektrisanje, C Proton p, , nukleoni Neutron n, Elektron e 9,09 0 3,60 0 9

6 IZOTOPI Z N A Atomski broj (redni broj) broj protona u jezgru Broj neutrona u jezgru Maseni broj broj protona i neutrona u jezgru A = Z + N Nuklearni simbol elementa X A Z X Hemijski element se sastoji od atoma istog atomskog broja, Z. Z određuje položaj elementa u Periodnom sistemu elemenata i predstavlja broj protona, odnosno elektrona.

7 IZOTOPI Nuklearni simbol izotopa vodonika protijuma, deuterijuma i tricijuma Različiti maseni broj = IZOTOPI vodonika H H 3 H Jednaki atomski broj = vodonik = H

8 IZOTOPI IZOTOPI atomi koji sadrže isti broj protona, a različit broj neutrona. razlikuju se po masi, ali imaju ista hemijska svojstva. IZOTOPI HELIJUMA 3 4 He He Broj protona = Z = Broj neutrona = A Z = Broj protona = Z = Broj neutrona = A Z =

9 IZOTOPI Još neki primeri izotopa Element Izotopi vodonika Izotopi kiseonika Izotopi urana Simbol Atomski broj (Z) Maseni broj (A) Zastupljenost (%) H 99,985 D 0,05 T 3 nepostojan (radioaktivan) 6 O ,759 7 O 8 7 0,037 8 O 8 8 0,04 34 U , U , U ,745

10 IZOTOPI 9 C 0 6 C 6 C 6 C 3 6 C 4 6 C 5 6 C C Jedini stabilni izotopi Nestabilni izotopi se vremenom spontano raspadaju RADIOAKTIVNOST Dolazi do transmutacije elemenata (pretvaranja jedne atomske vrste u drugu) i gubitka mase koja se pretvara u energiju Praćeno oslobađanjem: α čestica (He + ), β čestica (elektroni), γ zraka (elektromagnetno zračenje malih λ ).

11 IZOTOPI Stabilnost jezgra zavisi od odnosa broja protona i neutrona. za lakša jezgra (do Z = 0) optimalno je Z = N za teža jezgra optimalno je Z < N (N =,5Z) Pojas stabilnosti jezgara atoma

12 SPEKTAR ELEKTROMAGNETNOG ZRAČENJA Elektromagnetno zračenje je talasne prirode c λ ν = c λ = ν Porast energije Vidljiva oblast Porast energije Porast talasne dužine

13 OSNOVNE POSTAVKE KVANTNE TEORIJE Spektar zračenja crnog tela Maks Plank kvantna priroda zračenja Intenzitet emitovanog zračenja Ultarljubičasta katastrofa Talasna dužina, nm h = 6, Js Energija koju zrači atom koji osciluje je diskontinualna. Emituje se u kvantima energije. Energija kvanta zavisi od frekvencije E = h ν Energija koja se emituje može biti samo celobrojni umnožak kvanta E = n h ν n =,, 3,... Plankova konstanta

14 OSNOVNE POSTAVKE KVANTNE TEORIJE Elektron Upadna svetlost Evakuisana posuda Pločica od fotoosetljiviog metala Albert Ajnštajn fotoelektrični efekat Za ν < ν o nema emisije elektrona Broj emitovanih elektrona intenzitetu svetlosti Kinetička energija elektrona ν Ajnštajnova pretpostavka: svetlost se emituje u česticama energije (fotoni) E = h ν Anoda Galvanometar 700 nm 550 nm v max =, m/s 440 nm v max = 6, 0 5 m/s Nema emitovanih elektrona Metal

15 OSNOVNE POSTAVKE KVANTNE TEORIJE Albert Ajnštajn Ajnšatajnova pretpostavka: fotoelektrični efekat svetlost se emituje u česticama energije (fotoni) E = h ν mv E h ν = E i + = E i + E i izlazni rad elektrona k E k kinetička energija elektrona Energija potrebna da se izbaci elektron (E k = 0) E = E i = h ν o E k = hν E i Sa porastom ν (opada λ) raste i kinetička energija e. ν < ν o 700 nm 550 nm v max =, m/s 440 nm v max = 6, 0 5 m/s Nema emitovanih elektrona Metal

16 ATOMSKI SPEKTRI KONTINUALNI SPEKTRI Porast energije Vidljiva oblast Intenzitet emitovanog zracenja Porast energije Porast talasne dužine Talasna dužina, nm Talasna dužina Supstance u gasovitom stanju daju LINIJSKE SPEKTRE Talasna dužina

17 ATOMSKI SPEKTRI Uski prorez Uzani snop svetlosti Cev sa pobuđenim H gasom Sočivo Prizma Ekran

18 SPEKTAR ATOMA VODONIKA u vidljivoj oblasti spektra Zavisnost talasnih dužina linija u atomskom spektru vodonika opisuje: Ridbergova jednačina = R λ n R Ridbergova konstanta n ceo nroj n > Poreklo spektralnih linija u atomskom spektru vodonika razrešio je Nils Bor postavljajući kvantno mehanički model atoma.

19 BOROV MODEL ATOMA VODONIKA PRVI BOROV POSTULAT Elektron se oko jezgra kreće po kružnoj putanji orbiti, pri čemu ne emituje i ne apsorbuje energiju. Orbita najbliža jezgru stacionarno energetsko stanje elektrona. Prvi kvantni uslov (mv)(rπ) = nh Impuls elektrona Dužina orbite Celobrojni umnožak Plankove konstante h ħ = Borova jedinica mvr = nħ π

20 BOROV MODEL ATOMA VODONIKA Izjednačavanjem centripetalne i Kulonove sile elektrostatičkog privlačenja uz korišćenje mvr = nħ Bor je dobio: Za n = ħ r n = n me k r ħ = 5, 9 pm me k = Poluprečnik bilo koje orbite proton r 4 = 6r r 3 = 9r r = 4r r r n = n r kvantni broj glavni kvantni broj

21 BOROV MODEL ATOMA VODONIKA Energija elektrona je jednaka zbiru kinetičke (kruženje elektrona oko jezgra) i potencijalne energije (položaj elektrona u odnosu na jezgro). Bor je dobio da je: E n = Rhc n Energija ektrona na bilo kojoj orbiti R konstanta proporcionalnosti R = R =, m Za n = E =, J Energija potrebna da se atom jonizuje (energija potrebna da se ukloni e sa prve orbite) ENERGIJA JONIZACIJE (E i ) Za mol H E i (H) = E =, J 6,0 0 3 mol = 3 kj mol

22 BOROV MODEL ATOMA VODONIKA Energija E 6 = E /36 E 5 = E /0 E 4 = E /6 E 3 = E /9 =,4 0 9 J E = E /4 = 5, J Kvantni broj E n = E n Za n E 0 E =,8 0 8 J Osnovno stanje e

23 BOROV MODEL ATOMA VODONIKA DRUGI BOROV POSTULAT Elektron može da apsorbuje ili emituje energiju samo ako je ispunjen drugi kvantni uslov: ΔE = hν E 3 E = ΔE = hν E 3 E = = 46 ( 38) = = 8 kj mol apsorpcija emisija E 3 E = ΔE = hν Emituje se zračenje karakteristično za dati prelaz

24 BOROV MODEL ATOMA VODONIKA DRUGI BOROV POSTULAT Elektron može da apsorbuje ili emituje energiju samo ako je ispunjen drugi kvantni uslov: Apsorbovna energija /mol Emitovana energija /mol Osnovno stanje Pobuđeno stanje Osnovno stanje

25 BOROV MODEL ATOMA VODONIKA Bor je izveo jednačinu: ΔE I = R n k n p ΔE = (hc)/λ λ = R n k n p Ukoliko se posmatraju nivoi n k = i n p > dobija se Ridbergova jednačina λ = R n n > R = R =, m

26 BOROV MODEL ATOMA VODONIKA λ = R n k n p Pašen Breket Pfund 8 kj mol 46 kj mol Lajmanova serija n k = i n p > Balmerova n k = i n p > λ λ R = n p R = n p Balmer 38 kj mol Pašenova serija n k = 3i n p >3 λ R 3 = n p Lajman 3 kj mol Breketova serija n k = 4i n p >4 λ = R 4 n p Pfundova serija n k = 5i n p >6 λ R 5 = n p

27 KVANTNI BROJEVI Prvi ili glavni kvantni broj, n Određuje glavni energetski nivo i udaljenost od jezgra. E Rhc = r n = n r n Vrednosti glavnog kvantnog broja n =,, 3,... Elektroni sa istom vrednošću n su u istoj elektronskoj ljusci. n Elektronska ljuska K L M N O P Q Maks. broj elektrona

28 Drugi ili orbitalni kvantni broj, l Nedostaci Borovog modela atoma: elektroni istog glavnog energetskog nivoa imaju isti sadržaj energije, elektronske orbite su kružnog oblika. Zomerfeld je uveo drugi kvantni broj kao objašnjenje cepanja spektralnih linija. Drugi ili azimutski kvantni broj, k,sa vrednostima od do n. Za n = 4, k =,, 3, 4 k = n kružna putanja k < n eliptična putanja Definiše oblik putanje elektrona i broj energetskih podnivoa.

29 Drugi ili orbitalni kvantni broj, l Definiše oblik putanje elektrona i broj energetskih podnivoa. Oznaka k je zamenjena oznakom l, a naziv je promenjen u orbitalni kvantni broj. Vrednosti orbitalnog kvantnog broja: l = 0,,,..., (n ) za n =, l = 0 za n =, l = 0 ili za n = 3, l = 0, ili za n = 4, l = 0,, ili 3 Svaki nivo, određen glavnim kvantnim brojem n, ima n podnivoa.

30 Drugi ili orbitalni kvantni broj, l Različiti oblici putanja elektrona (različiti orbitalni kvantni brojevi) dobili su posebne nazive. Vrednost, l Oznaka putanje 0 s p d 3 f s sharp (oštra) p principal (glavna) d diffuse (difuzna) f fundamental (osnovna) Oznaka podnivoa za prva 4 glavna kvantna broja n 3 4 l podnivo s s p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f

31 Treći ili magnetni kvantni broj, m l Uveden radi objašnjenja Zemanovog efekta (razdvajanje spektralnih linija pod uticajem spoljašnjeg magnetnog polja). Degenerisani nivoi u njima se nalaze elektroni sa istim sadržajem energije (isti n i l). U magnetnom polju degenerisani nivoi se razdvajaju na pod podnivoe. Magnetni kvantni broj određuje pod podnivoe i pokazuje usmerenost orbite u prostoru. Vrednosti magnetnog kvantnog broja: m l = l, (l ),...,, 0,,..., (l ), l l = Svaki podnivo (određen kvantnim brojem l) ima l + pod podniva.

32 Četvrti ili spinski kvantni broj, m s Objašnjenje pojave dubleta spektralnih linija. Elektron Paralelan spoljašnjem magnetnom polju s =/ ħ Orbitni magnetni momenat Spinski magnetni momenat (spin elektrona) Antiparalelan spoljašnjem magnetnom polju s = / ħ Vrednosti spinskog kvantnog broja: m s = /, /

33 PAULIJEV PRINCIP ISKLJUČENJA Uatomu ne mogu postojati dva elektrona sa jednakim kvantnim brojevima. Prvi energetski nivo n = l = 0 Drugi energetski nivo n = l = m l = 0 m l = l = 0 m l = m l = 0 m l = 0 m s = / m s = + / m s = / m s = + / m s = / m s = + / m s = / m s = + / m s = / m s = + / e 8 e Maksimalan broj elektrona na podnivoima: s, p 6, d 0, f 4.

34 PAULIJEV PRINCIP ISKLJUČENJA Nivo n Broj e Maksimalan broj elektrona na podnivou s p d f Maksimalan broj elektrona na podnivoima: s, p 6, d 0, f 4. Maksimalan broj elektrona na energetskom nivou: n. Nivoi se popunjavaju elektronima po složenijim pravilima. n Ljuska K L M N O P Q Max. broj e