ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1

ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Διαίρεση ύλης με διατήρηση της χημικής ιδιοσύστασης της : μόρια. Τεμαχισμός μορίων καταστροφή της χημικής ιδιοσυγκρασίας : άτομα. Χημικές ενώσεις : συνδυασμός ατόμων Ατομικό βάρος (1/12 μάζας του 12 C, πριν το 1960 : 1/16 μάζας του 16 Ο) Μοριακό βάρος Γραμμομόριο, mole ή mol (ίδιος αριθμός μορίων σε 12g 12 C) Αριθμός Avogadro ή σταθερά Avogadro (N A ) : 6,022x10 23 mol -1 Οι μάζες των ατόμων προσδιορίζονται σε ατομικές μονάδες μάζας (atomic mass unit), u, amu ή Dalton 1 amu 12C = 1/12 της μάζας του 12 C = (1g ) /(N A mol) = 1,66 x 10-24 g που αντιστοιχεί με ενέργεια 931,494 Mev/c 2 2

Συγκρότηση ατόμων (1) Πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια. Νουκλεόνια (πρωτόνια, νετρόνια) Ηλεκτρονικοί φλοιοί ή στοιβάδες (ηλεκτρόνια) Απλή σχηματική παρουσίαση της βασικής δομής ενός πυρήνα, ενός ατόμου και ενός μορίου. 3

Βασικά χαρακτηριστικά των κύριων υπο-ατομικών σωματιδίων Ηλεκτρόνια (e - ) είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια (-1,6x10-19 Cb), με μάζα 0,00549 amu ή 9,109x10-31 kg ή 0,511 ΜeV. Πρωτόνια (p + ) είναι θετικά φορτισμένα σωματίδια με ίσο αλλά αντίθετο φορτίο από εκείνο των ηλεκτρονίων, (1,6x10-19 Cb), με μάζα 1,00728 amu ή 1,6724 x 10-27 kg ή 938,27 MeV. Νετρόνια (n) είναι μη φορτισμένα σωματίδια, με μάζα 1,00867 amu ή 1,6747 x 10-27 kg ή 939,23 MeV Διαφοροποίηση των ατόμων με βάση την σύσταση του πυρήνα τους και τον αριθμό και την διάταξη των ηλεκτρονίων. Ηλεκτρική ουδετερότητα Συγκρότηση ατόμων (2) Η διάμετρος του πυρήνα είναι περίπου 10-14 m, ενώ η διάμετρος του ατόμου 10-10 m. 4

Ατομικός αριθμός (Ζ) Μαζικός αριθμός (Α) Συμβολισμός Ατόμου: Ταξινόμηση πυρήνων Συγκρότηση ατόμων (3) Ισότοποι πυρήνες (ίδιος αριθμός πρωτονίων) Ισότονοι πυρήνες (ίδιος αριθμός νετρονίων) Ισοβαρείς πυρήνες (ίδιος αριθμός νουκλεονίων). (Χρησιμοποιείται συνήθως) Στοιχεία: μίγματα ισοτόπων (ίδιος ατομικός αριθμός και διαφορετικός μαζικός αριθμός) 5

Ισότοπα : Ίδιες χημικές και βιολογικές ιδιότητες Διαχωρισμός με Φασματοσκοπία Μάζας (διαφορετικές μόνο οι φυσικές ιδιότητες που εξαρτώνται από την μάζα) Ισότοπα : α) σταθερά και β) ασταθή (ραδιενεργά) Ισότοπα (σταθερά ή ραδιενεργά) ενός στοιχείου : νουκλίδια με καθορισμένο ατομικό αριθμό, αριθμό νετρονίων και ενεργειακό επίπεδο πυρήνα, 125 Ι # 131 Ι, 99m Tc # 99 Τc. Ισοβαρείς: 14 6C, 14 7Ν Ισότονοι: 14 6C, 15 7Ν Συγκρότηση ατόμων (4) Ισομερή ραδιονουκλίδια ο πυρήνας παραμένει σε διεγερμένη κατάσταση για μετρήσιμο χρόνο: (τ > 10-9 sec), συνήθη ραδιονουκλίδια (τ < 10-13 sec). Η ισομερής κατάσταση συμβολίζεται με το "m" δηλαδή μετασταθής. 99m Tc (T 1/2 = 6,02 hr) είναι ισομερές του 99 Τc (T 1/2 = 2,12x10 5 yr) Οι πυρήνες 124 Sb (T 1/2 = 60,2 d), 124m 1Sb (T 1/2 = 93 sec), 124m 2Sb (T 1/2 = 21 min) είναι ισομερείς μεταξύ τους. Εκπομπή γ-ακτινοβολίας από τις μετασταθείς καταστάσεις σε ένα ή περισσότερα στάδια. 6

Στους ελαφριούς πυρήνες: n/p = 1 Σταθερότητα Πυρήνων Αύξηση του αριθμού πρωτονίων n/p > 1 και Μέγιστη τιμή : 1.6 Ισότοπα του ουρανίου n/p : 1,58, Α > 2Ζ Περίσσεια νετρονίων : μείωση απωστικών δυνάμεων στον πυρήνα Τοποθέτηση των νουκλεονίων σε φλοιούς (προκαλεί πυρηνική σταθερότητα σε συμπληρωμένους φλοιούς) Πυρήνας του ηλίου ( 4 2He) ή σωματίδιο άλφα (α): εξαιρετικά μεγάλη σταθερότητα (αποβάλλεται συχνά στις διασπάσεις) 7

Θεμελιώδη Σωματίδια (1) Λεπτόνια (ελαφρά σωματίδια όπως φωτόνια, νετρίνο, ηλεκτρόνιο, ποζιτρόνιο, μ-μεσόνια), Μεσόνια (μέσης μάζας σωματίδια όπως π-, n-,p-,ω-, και κ-μεσόνια), Βαρυόνια (βαρέα σωματίδια όπως το πρωτόνιο, νετρόνιο, υπερόνια). Ποζιτρόνιο (β + ή e + ): Eχει την ίδια μάζα με το ηλεκτρόνιο, αλλά φέρει θετικό φορτίο. Νεγκατρόνιο (β - ): Είναι μη τροχιακό ηλεκτρόνιο κινούμενο με μεγάλη ταχύτητα. Νετρίνο (ν): Είναι πολύ μικρό σωματίδιο με άνυσμα spin παράλληλο του ανύσματος της ορμής του, χωρίς φορτίο και πρακτικά χωρίς μάζα (λιγότερη από 1/2000 της μάζας του ηλεκτρονίου). Αντινετρίνο ( - ν). 'Εχει τα ίδια χαρακτηριστικά με το νετρίνο αλλά αντίθετο σε φορά Spin. μ Μεσόνια (μ + και μ - ): Είναι θετικά ή αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, μάζας 207 φορές μεγαλύτερης της μάζας του ηλεκτρονίου. Παράγονται έμμεσα κατά την αλληλεπίδραση σωματιδίων μεγάλης ενέργειας με την ύλη 8

Θεμελιώδη Σωματίδια (2) π- Μεσόνια (π +, π - και π ο ): Είναι θετικά, αρνητικά ή ουδέτερα σωματίδια με μάζα 273 φορές μεγαλύτερη από την μάζα του ηλεκτρονίου. Δημιουργούνται μετά από βομβαρδισμό της ύλης με μεγάλης ενέργειας πρωτόνια ή φωτόνια. κ- Μεσόνια: Είναι θετικά, αρνητικά ή ουδέτερα φορτισμένα σωματίδια, μάζας 1000 φορές μεγαλύτερης του ηλεκτρονίου. Διασπώνται σε μ- και π-μεσόνια. Υπερόνια: Είναι θετικά, αρνητικά ή ουδέτερα φορτισμένα σωματίδια, μάζας 2000 φορές μεγαλύτερης του ηλεκτρονίου. Διασπώνται σε πρωτόνια και π-μεσόνια. Αντιπρωτόνιο: Αυτό έχει την ίδια μάζα με το πρωτόνιο, αλλά είναι αρνητικά φορτισμένο. Η διάρκεια ζωής του είναι πολύ μικρή, επειδή, όταν φτάσει στο ίδιο ενεργειακό επίπεδο με τα πρωτόνια αλληλεπιδρά με αυτά, οπότε και τα δύο εξαφανίζονται ακαριαία με ταυτόχρονη εκπομπή φωτονίων (εξαϋλωση). 9

Θεμελιώδη Σωματίδια (3) Σωματίδια Αντιϋλης : Αντιπρωτόνια, ποζιτρόνια, αντινετρίνα, μ + -μεσόνια, π- μεσόνια. κ.ά. Αντιάτομα, που σχηματίζονται από αντιπρωτόνια, αντινετρόνια και θετικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Γενικά σε κάθε στοιχειώδες σωματίδιο αντιστοιχεί ένα αντισωματίδιο με την ίδια μάζα ηρεμίας, αλλά με αντίθετο φορτίο, μαγνητική ροπή, spin ή άλλη χαρακτηριστική φυσική σταθερά. 10

Θεωρίες για την δομή των ατόμων Πρότυπο Rutherford (1871-1937) (νόμος του Coulomb) F = e(ze) /r 2 = Ze 2 /r 2 Δεν εξηγεί την ευστάθεια των ατόμων, που σύμφωνα με τις κλασσικές αντιλήψεις, θα έπρεπε να εκπέμπουν διαρκώς ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αφού περιέχουν φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια) που κινούνται σε τροχιά. Εκπομπή της ακτινοβολίας επιβράδυνση των ηλεκτρονίων και τελικά πτώση τους στον πυρήνα μετά από διαγραφή ελικοειδούς τροχιάς. Πρότυπο Bohr Κβαντικοί Αριθμοί Συσχέτιση ενέργειας ενέργειας κβαντικών αριθμών Διέγερση Ιονισμός ατόμων 11

Παραγωγή Ακτίνων Χ (1) Ιονισμός ηλεκτρονιακό κενό συμπλήρωση με e από υψηλότερη στοιβάδα. (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, μηχανισμός εσωτερικής μετατροπής) Η διαφορά της ενέργειας μεταξύ των δύο τροχιών (αρχικής-τελικής) ελευθερώνεται υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Χ, παραγωγή ακτίνων Χ διαφορετικής ενέργειας Παραγωγή ακτίνων-χ : προσβολή του επιθυμητού μετάλλου με ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας εφαρμογές : ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός μετάλλων σε κράματα 12

Παραγωγή Ακτίνων Χ (2) Είναι χαρακτηριστικές για κάθε άτομο. Ακτινοβολία Κ α και Κ β (διαφορά), 80%-20%. Ακτινοβολία L α και L β (διαφορά). Ενέργεια Σύνδεσης e σε φλοιό = - Ενέργεια Απομάκρυνσης 13

Σύγχρονες Θεωρίες για την Δομή του Ατόμου (1) Αύξηση του Ατομικού Αριθμού η ενέργεια σύνδεσης των ηλεκτρονίων και Ακτίνα Φλοιών και αύξηση των αλληλεπιδράσεων Αποδεκτές συνθήκες Bohr: α) ύπαρξη διακεκριμένων σταθμών (φλοιών) ενέργειας και β)εκπομπή φωτονίου κατά την μετακίνηση ηλεκτρονίου από υψηλότερη στάθμη ενέργειας σε μικρότερη. 14

Σύγχρονες Θεωρίες για την Δομή του Ατόμου (2) Sommerfeld A. (1868-1951) : εισαγωγή κβαντικών αριθμών, ελλειπτικές τροχιές των e α) Ο κύριος κβαντικός αριθμός (η), ταυτίζεται ο ίδιος με εκείνο της θεωρίας του Bohr, καθορίζει την ενέργεια του ηλεκτρονίου στους φλοιούς και μπορεί να έχει τιμές η= 1,2,3,...,n και β) ο δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός (l) καθορίζει την στροφορμή του ηλεκτρονίου κατά την περιφορά του γύρω από τον πυρήνα. Η τροχιακή στροφορμή έχει διάνυσμα κάθετο στο επίπεδο της τροχιάς του ηλεκτρονίου, φορά καθοριζόμενη από τον δεξιόστροφο κοχλία και μέτρο το οποίο είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του h/2π. Ο δευτερεύων κβαντικός αριθμός μπορεί να παίρνει τιμές l=0,1,2,3,...,n-1. - υποφλοιοί και οι διαδοχικοί υποφλοιοί για l=0,1,2,3,4,5 συμβολίζονται αντίστοιχα με s,p,d,f,g,h. Σχηματική παρουσίαση τεσσάρων τροχιών με τον ίδιο κβαντικό αριθμό, n=4. Όλες οι τροχιές έχουν τον ίδιο μεγάλο ημιάξονα, άρα και τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται σε αυτές έχουν την ίδια ενέργεια. 15

Σύγχρονες Θεωρίες για την Δομή του Ατόμου (3) γ) m l : μαγνητικός κβαντικός αριθμός της τροχιακής στροφορμής και καθορίζει την κατεύθυνση των ηλεκτρονικών τροχιών ως προς το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. δ) m s : μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin και παίρνει τιμές ±1/2, ανάλογα εάν ο προσανατολισμός είναι ομόρροπος (m s = 1/2) ή αντίρροπος (m s = -1/2). Oι τέσσερεις κβαντικοί αριθμοί λαμβάνουν συνοπτικά τις παρακάτω τιμές: Κύριος κβαντικός αριθμός n = 1, 2, 3,...,n Δευτερεύων κβαντικός αριθμός l = 0, 1, 2,...,n-1 Μαγνητικός κβαντικός αριθμός τροχιακής στροφορμής m l = 0, ±1, ±2,...,±l Μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin m s = ± 1/2 16

Σύγχρονες Θεωρίες για την Δομή του Ατόμου (4) Απαγορευτική αρχή του Pauli: δεν είναι δυνατόν, περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια να έχουν την ίδια ενεργειακή κατάσταση σε ένα άτομο, δηλαδή κατάσταση που να χαρακτηρίζεται από την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών. Προσδιορισμός του μέγιστου αριθμού e ανά φλοιό και υποφλοιό. Αρχή κατανομής των e (ελάχιστη ενέργεια). Η σειρά των υποστοιβάδων με βάση την απόστασή τους από τον πυρήνα, και τις σχετικές τους ενέργειες είναι η παρακάτω: 1s<2s<2p<3s<3p <4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s(<4f<5d)<6p<7s(<5f<6d) Μέγιστος Αριθμός e ανά ενεργειακό φλοιό 2n 2 ηλεκτρόνια. 17

Σύγχρονες Θεωρίες για την Δομή του Ατόμου (5) Τοποθέτηση e: μονήρη και σε ζεύγη 7 Ν 1s 2 2s 2 2p 3 11 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 18 Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 26 Fe 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 43Tc 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 6 5s 1 49In 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 1 18

Σύγχρονες Θεωρίες για την Δομή του Ατόμου (6) Θεωρίες : Αδυναμία πλήρους περιγραφής Επιβεβαίωση πειραματικών δεδομένων, μη επαρκής εξήγηση της κίνησης των ηλεκτρονίων Διαχωρισμός ακτινοβολίας και ύλης απόρριψη, εκδηλώσεις της ίδιας οντότητας Κάθε κινούμενο σωματίδιο (ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο, νετρόνιο κ.λπ.) είναι ισοδύναμο με κύμα (υλικό κύμα) που έχει μήκος κύματος λ= h /mυ Κυματική εξίσωση του Schrodinger: συσχετίζει τις συντεταγμένες x,y,z ενός σημείου στο χώρο με την πιθανότητα ψ να βρίσκεται σωματίδιο (μάζας m, ολικής ενέργειας W και δυναμικής ενέργειας U) στο σημείο αυτό. Στη κυματομηχανική η έννοια της τροχιάς (ή φλοιού) αντικαθίσταται από το ηλεκτρονικό νέφος που περιβάλλει τον πυρήνα και στο οποίο είναι κατανεμημένα τα ηλεκτρόνια. 19

Σύγχρονες Θεωρίες για την Δομή του Ατόμου (7) Εξήγηση του μηχανισμού της εκπομπής της ακτινοβολίας κατά την μετακίνηση ενός ηλεκτρονίου από μία επιτρεπόμενη τροχιά σε άλλη, της κίνησης του e στο άτομο του Η (χωρίς παραδοχές) Α) Συμμετρική κατανομή φορτίου γύρω από τον πυρήνα : μη εκπομπή ακτινοβολίας Β) Κατά την μετάβαση ηλεκτρονίου σε άλλη τροχιά, κατανομή του ηλεκτρονιακού νέφους με παραγωγή ηλεκτρικής ροπής που πάλλεται χρονικά : αιτία της εκπομπής ακτινοβολίας Αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg (κβαντομηχανική): το γινόμενο της αβεβαιότητας, Δ χ, ως προς τη θέση σωματιδίου που κινείται προς κάποια κατεύθυνση επί την αβεβαιότητα, Δ ρ, ως προς την ορμή αυτού για την ίδια θέση και προς την ίδια κατεύθυνση, δεν είναι δυνατόν να λάβει τιμή μικρότερη της σταθεράς του Plank, ανεξάρτητα από τα μέσα υπολογισμού που χρησιμοποιούνται. Κυματομηχανική Κβαντομηχανική : πιθανότητα να βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο σε περιοχή γύρω από τον πυρήνα και δεν προσδιορίζουν τροχιά ή θέση 20