Hemijski Fakultet, Beograd

Seminarski Rad iz Fizike

STRUKTURA ATOMA I MODELI

Profesor: Jablan DOJ^ILOVI]Student: Ru`ica PAVI] neo 70048Beograd, Oktobar 2007Sadr`aj:

1. Uvod2. Struktura Atoma3. Daltonov Model4. Tompsonov Model5. Radefordov Model6. Borov Model6.1 Borovi Postulati6.2 Borov model atoma7. Kvantno-Mehani~ki Model7.1 Princip Neodre|enosti8. Zaklju~ak9. Literatura

1. UVOD:

Razvoj teorije o strukturi atoma po~eo je jo{ oko 400 g.p.n.e. kada su Demokrit i Leukip do{li do predpostavki o atomima i njihovoj strukturi, {to se kasnije pokazalo kao ta~no, bar neke od njihovih predpostavki.

Postojalo je 5 stavova atomista Anti~ke Gr~ke:

1. Sva materija se sastoji iz atoma koji su toliko mali da se ne mogu videti. Ovi atomi se ne mogu dalje deliti na sitnije delova;

2. Izme|u atoma postoji prazan prostor;3. Atomi su potpuno ~vrsti;4. Atomi su homogeni, bez unutra{nje strukture;5. Atomi se razlikuju po veli~ini, obliku i te`ini;

U prvoj fazi istra`ivanja strukturu materije prou~avani su omota~ atoma (atomska fizika) i njegovo jezgro (nuklearna fizika), tako da izme|u te dve oblasti nije postojala o{tra granica. Bitnije doga|aje razvoja modela atoma dali su:

- Dalton, 1805. kada daje atomsku strukturu materije;- Goldstien, 1866. otkriva ”kanalne zrake” (kasnije nazvani

protoni);- J. J. Thompson, 1897. otkriva elektron;- Tompsonov model atoma ”puding od {ljiva”;- E.Raderford, 1913. otkriva atomsko jezgro i daje planetarni

model atoma;- Telesno-Mehani~ki model atoma;- Hajzenbergov princip neodre|enosti iz 1925. god;- [redinger daje ”telesno-mehani~ki” model 1926. god;- Dirak integri{e predhodna 2 modela 1926. god;- ^edvik otkriva neutron1932. god;

2. STRUKTURA ATOMA:

Atomi se sastoje iz jezgra i omota~a.

U omota~u se nalaze elektroni koji se kre}u po ta~no odre|enim orbitama.

Osnovne karakteristike atomskog jezgra su masa, koli~ina naelektrisanja, redni broj i spin (obrtaj).

Masa jezgra je pribli`no jednaka ukupnoj masi nukleona u njegovom sastavu. Mase mirovanja protona i neutrona su pribli`no jednake(mp=1,673x10-27kg; mn=1,675x10-31kg;)Masa mirovanja elektrona iznosi: me=9,108x10-31kg;

Atomsko jezgro poseduje koli~inu naelektrisanja Ze, gde je:2 – redni broj hemijskog elementa;Z – koli~ina naelektrisanja protona;

Broj protona u jezgru je jednak rednom broju.

Proton je pozitivno naelektrisana ~estica i po apsolutnoj vrednosti odgovara koli~ini naelektrisanja elektrona. Neutron je elektri~no neutralan.

Redni broj se ~esto naziva i atomski broj jezgra, a ukupan broj protona (Z) i neutrona (N) naziva se maseni broj jezgra: A=Z+N

Broj protona u jezgru je jednak broju elektrona u omota~u, pa je atom neutralna ~estica.

3. DALTONOV MODEL:

Prvi model atoma dao je John Dalton (1766-1844).

On je ponovo formulisao atomsku teoriju koja se sastojala od nekoliko stavova koji su bili sli~ni predhodnim, ali je oti{ao dalje.

Dalton je otkrio da se sva materija sastoji od sitnih ~estica – atoma. Tvrdio je da se oni ne mogu dalje deliti, niti pretvoriti u atome drugih elemenata. On je mislio da su svi atomi istog elementa me|usobno identi~ni u pogledu mase, veli~ine i drugih osobina (tada se nije znalo za izotope). Predpostavio je i da se atomi jednog elementa razlikuju po masi i drugim osobinama od atoma nekog drugog elementa, kao i da atomi nemaju unutra{nju strukturu.

Dalton je dao i hemijsku kombinaciju sjedinjavanja atoma razli~itih elemenata i to da se atomi jedine u odnosu prostih celih brojeva.

4. TOMPSONOV MODEL:

Prva ideja o rasporedu naelektrisanja u atoma javlja se u radovima Tompsona iz 1898. god. Po tom modelu atom je shva}en kao prostorno pozitivno naelektrisana sfera u kojoj su elektroni tako raspore|eni da je atom kao celina neutralna ~estica. Koriste}i

ovakav model, zna~enje atoma moglo se objasniti ubrzanim kretanjem elektrona oko ravnote`nih polo`aja tj. oscilovanjem koje bi dovelo do pojave kontinualnog elektromagnetnog zra~enja. Me|utim, eksperimenti su dali sasvim drugu vrstu spektre, da je neslaganje bilo o~igledno.

Tompsonov model je nazvan ”puding od {ljiva”

5. RADEFORDOV MODEL:

Radeford je serijom eksperimenata po~etkom XX veka produbio ispitivanja sa ciljem da prou~i strukturu atoma. Zato je iskoristio L-~estice za koje je ve} tada znao da predstavljaju dvostruko jonizovane atome helijuma. Naime, L-~estice je koristio kao projektile koje je slao na tanak listi} metala (zlata i platine). Posle usmeravanja sistemom dijafragmi dobijen je snop L-~estica koje se kre}u paralelno X-osi sa pribli`no jednakim brzinama. Udaraju}i u metu, ve}ina tih ~estica prolazi nesmotreno, kao da je listi} za njih ”prozra~an”, ali pokazalo se da se izvestan broj ~estica pojavio na uglovima ve}im od pomenutog, pa ~ak i ve}im od 90º.

Takve eksperimentalne rezultate trebalo je objasniti sa Tompsonovim modelom atoma koji je bio pogodan za obja{njenje kod malih skretanja L-~estica, ali se nije moglo objasniti veliko skretanje.

Zbog toga je Radeford 1911. god. predpostavio da se atom sastoji od si}u{nog jezgra koje nosi skoro celu masu atoma i pozitivno naelektrisanje koje je jednako ukupnom naelektrisanju koje nose elektroni koji se oko njega kre}u kao sastavni delovi neutralnog atoma.

Tra`e}i obja{njenje za napred opisani eksperiment, tj. za rasejavanje L-~estica na ve}e uglove, polazi od predpostavke da je takvo skretanje uslovljeno interakcijom izme|u pozitivno naelektrisanih projektila i pozitivno naelektrisanog atomskog jezgra, kada one prolaze vrlo blizu takvog jezgra.

Takvu predpostavku je uveo na osnovu eksperimentalne ~injenice

da samo jedna od oko 10000 L-~estica skrene za ugao ve}i od π/2, pri prolazu kroz tanak listi} zlata. Zato je Radeford predpostavio da se takvo skretanje vr{i u jednom sudaru sa jezgrom.

One L-~estice koje prolaze pored jezgra na velikim rastojanjima trpe mala ili nikakva skretanja. Pri tome je bitno da se uticaj elektrona koji se kre}u oko jezgra u atomu mo`e zanemariti. Radefordov model se naziva PLANETARNI MODEL ATOMA, po kome se atom sastoje od pozitivnog jezgra i elektrona koje sadr`i atom a koji se kre}u po odgovaraju}im kru`nim putanjama.

Njegov model govori da je u centru ”sunce”-jezgro a oko njega, po orbitama, kru`e ”planete”-elektroni. Ulogu gravitacione sile kod atoma ima elektri~na privla~na sila izme|u elektrona i jezgra.

Ni ovaj model nije bez svojih nedostataka. Naime, pored zna~ajnog uspeha u obja{njavanju rezultata Radefordovog eksperimenta, pojavile su se te{ko}e oko stabilnosti atoma kao celine. Kretanje elektrona se su{tinski razlikuje od kretanja planeta zato {to za kretanje elektrona ne va`i zakon klasi~ne mehanike, ve} zakoni kvantne mehanike. Sa stanovi{ta klasi~ne fizike, ovakav atom, u kome elementi kao naelektrisane ~estice kru`e oko jezgra, morao bi da zra~i energiju u vidu elektromagnetnih talasa. Zra~e}i energiju, elektron bi se postepeno pribli`avao jezgru po spirali i najzad pao u jezgro. To se fakti~ki ne de{ava, pa se to trebalo objasniti.

6. BOROV MODEL:

6.1 BOROVI POSTULATI:

Nils Bor je inspirisan nemogu}nosti Radeforda da doka`e stabilnost atoma, uveo slede}e predpostavke:

1. Elektron kru`i oko jezgra atoma pod uticajem Kulonove sile interakcije, pokoravaju}i se zakonima klasi~ne fizike

2. Elektroni se kre}u po ta~no odre|enim, dopu{tenim putanjama tj. orbitama. Umesto beskona~no mnogo orbita mogu}e su samo one za koje orbitalni mehani~ki moment

jednak celom broju kvanta: h/2π:

gde je:

n (glavni kvantni broj) = 1,2,3…7.h (Plankova konstanta) ( h )L = mrv gde je:m = masa elektronar = radijus orbitev = brzina elektrona

3. Nasuprot ubrzanom kretanju po dozvoljenoj orbiti, elektron ne zra~i energiju u obliku elektromagnetnih talasa ({to se o~ekuje po klasi~nim predstavama). To zna~i da u takvom stanju ukupna energija elektrona mora biti konstantna. Takvo stanje atoma naziva se STACIONARNO. Najni`e od tih putanja je osnovno ili normalno stanje atoma.

4. Atom zra~i ili apsorbuje kvant elektromagnetnog zra~enja pri prelazu elektrona sa jedne na drugu orbitu, tj. sa jednog na drugi energetski nivo. Tada je kvant jednak razlici energije jednog i drugog nivoa: hV=E2-E1 Svaki element mo`e da apsorbuje, odnosno emituje ta~no odre|enu koli~inu energije karakteristi~nu za taj elemenat. Ovi Borovi postulati su me{avina kvantne i klasi~ne fizike.

6.2 BOROV MODEL ATOMA:

Na osnovu svojih postulata, Bor je razvio slede}u prostu teoriju spektra atoma vodonika i atoma sli~nih vodoniku. Naime, elektron koji kru`i oko jezgra po orbiti ima brzinu koja je odre|ena na osnovu

jednakosti Kulonove privla~ne sile izme|u jezgra i elektrona i centrifugalne sile samog elektrona. Naime, kao uslov uzima se da je Fg = Fcf, odnosno:

1/4πEo x Ze²/r² = mV²/r gde je Z redni broj datog elementa.

Ako tome dodamo matemati~ki izraz Borovog postulata za orbitalni mehani~ki moment, mogu se dobiti jedna~ine za radijus odgovaraju}ih orbita i brzine kretanja elektrona u njima. Ako se oslobodimo brzine koriste}i predhodne jedna~ine mo`emo da izra~unamo radijus orbite:

r = n² x Eh²/πme²

Ova relacija pokazuje da se radijus orbite menja u skokovima, odnosno da se radijusi odnose kao kvadrati glavnog kvantnog broja n:

r1:r2:r3… = n1²:n2²:n3²…

Brzina elektrona na datoj orbiti mo`e se izra~unati pomo}u istih jedna~ina, ako se elimini{e radijus r, pa se dobije:

V = 1/n x e²/2Eoh

Ova jedna~ina nam pokazuje da je brzina elektrona obrnuto srazmerna kvantnom broju n {to zna~i da su brzine elektrona manje kada se elektroni nalaze na vi{im orbitama. Nedostaci Borovog modela atoma su u tome {to je pokazao dobre rezultate samo kod atoma vodonika, a kod atoma sa vi{e od jednog elektrona nije dao dobre rezultate.

7. KVANTNO MEHANI^KI MODEL:

Kvantno-Mehani~ki model govori o verovatno}i nala`enja elektrona.

Jedan od najva`nijih principa talasne mehanike je uspe{no povezivanje telesnih i ~esti~nih osobina elementarnih ~estica.

Francuski fizi~ar Luj De Brogi je smatrao da sve elementarne ~estice poseduju i talasne i ~esti~ne osobine, odnosno da talasna du`ina njihovog kretanja zavisi od momenta kretanja – p:

p = h/λ

h = Plankova konstantaλ = talasna du`ina

Iz ove jedna~ine uvi|amo da se pove}anjem momenta kretanja, talasne du`ine kretanja ~estica smanjuje. Sama relacija je eksperimentalno potvr|ena difrakcijom elektrona. S obzirom da je kineti~ka energija ~estice Ek proporcionalna

kvadratu njenog momenta p, Ek = p²/2w, o~igledno je da }e se

talasna du`ina kretanja ~estice smanjivati sa pove}anjem njene Ek i obrnuto.

7.1 PRINCIP NEODRE\ENOSTI:

Druga va`na tvrdnja kvantne mehanike je nemogu}nost preciznog istovremenog odre|ivanja polo`aja i merenje elektrona, poznat pod imenom princip neodre|enosti. Dat je od strane Varnera Hajzenberga, nema~kog fizi~ara, 1926. god u obliku relacije:

gde je p moment kretanja elektrona, x polo`aj elektrona a = h/2π x (1,52x10-34JS)

Ukoliko preciznije odredimo moment p elektrona, utoliko s manjom precizno{}u mo`emo odrediti njegov polo`aj i obrnuto. Drugim re~ima, princip neodre|enosti ukazuje na nemogu}nost simulativnih ta~nih merenja fizi~kih veli~ina.

Najva`nija posledica ovog principa je prakti~na nemogu}nost odre|ivanja precizne putanje (orbite) oko jezgra.

Na osnovu ovoga, definisali smo orbite kao prostor oko jezgra a tamo gde je najve}a verovatno}a nala`enja elektrona, ona iznosi oko 90%.

Zaklju~ak:

Bilo je bitno da se sazna struktura atoma da bi se lakse razjasnile mnoge pojave u prirodi kojima uzroci nisu bili poznati.

Zahvaljuju}i sve savremenijim i boljim modelima uspeli smo da prika`emo od ~ega se sastoji materija, njenu prirodu i prelazak iz jednog oblika u drugi.

Postoje jo{ mnoga pitanja na koja treba odgovoriti tek na osnovu budu}ih istra`ivanja.

Literatura:

- M.Arsin. – M.]uk. – S.Milojevi} – M.Milonadovic – J.Puri} – Z.Radivojevi}– D.Radivojevi} – M.Savkovi} – P.Todorovi} – Z.Topalovi}; (1989.god.) Fizika za vi{e {kole; Beograd;

- Dr. S.Trifunovi} – Dr. T.Sabo; (2004. god.) Op{ta hemija; Beograd;

- M.Raspopovi} – D.Kapor – M.Skrinjar; (2000.god.) Fizika za IV razred gimnazuje; Beograd;

- Lj.Ristovski – N.Buri}; (2000.god.) Fizika; Beograd;

- internet