Modely atomu

Demokritos460 – 370 př.n.l.

Myšlenka, že látka není spojitá, má strukturu a skládá se z atomů pochází z antiky. Propagovali ji filozofové jako Demokritos, Epikuros a další.

Pierre Gassendi1592 – 1655

Isaac Newton1643 – 1727

Na antický atomismus navazovali mnozí filozofové a fyzikové novověku, např. francouzský matematik a astronom Pierre Gassendi nebo Isaac Newton. Pro

své domněnky však neměli jediný důkaz.

Modely atomu

V devatenáctém století nastupuje atomismus chemický. Francouzský chemik J. Proust při

studiu redukčně-oxidačních reakcí zjistil, že látky se slučují jen v určitých hmotnostních poměrech.

Joseph L. Proust1754 – 1826

John Dalton1766 – 1844

Anglický chemik J. Dalton dále zjistil, že některé chemické prvky se mohou

slučovat i ve více poměrech.

O C CO

O C CO2O

Obě tyto zákonitosti (Zákon stálých poměrů slučovacích, Zákon násobných poměrů slučovacích) lze vysvětlit tak, že prvky se

skládají z atomů a sloučeniny z molekul – spojení několika atomů.

Modely atomu

Joseph L. Gay-Lussac1778 – 1850

Amadeo Avogadro1776 – 1856

Hypotézu atomů potvrdily i další objevy. Francouzský fyzik J. L. Gay-Lussac přišel na další zákon chemického slučování. Zjistil, že slučují-li se některé plyny, vstupují

do reakce vždy jejich stejné nebo násobné objemy. To se dá vysvětlit tak, že ve stejných objemech různých plynů

je stejný počet atomů.

Ve zbylých případech se objem plynů mění – např. při slučování jednoho dílu chloru a jednoho dílu vodíku vznikají dva díly chlorovodíku. Tuto nejasnost vysvětlil italský fyzik a chemik

Avogadro zákonem který říká, že ve stejných objemech různých plynů je při stejném tlaku a teplotě vždy stejný počet molekul. Přitom předpokládal, že některé prvky v plynném

stavu nejsou jednoatomové, ale jsou tvořeny molekulami (např. H2 či Cl2, které pak dají vzniknout dvěma molekulám HCl).

Objev elektronu

Katodové paprsky

Objev elektronu

Joseph J. Thompson1856 - 1940

J. J. Thompson roku 1897 vysvětlil katodové paprsky pomocí proudu nabitých částic, jakýchsi „částeček

elektřiny“. Pro tyto částice se ujal název elektron. Ze zakřivení drah elektronů v magnetickém poli určil

Thompson měrný náboj elektronu, tj. veličinu e/me .

Robert Millikan1868 - 1953

Americký fyzik R. Millikan prováděl v roce 1910 řadu pokusů k určení

hodnoty elektrického náboje elektronu, tzv. elementárního náboje. Spolu s

hodnotou e/m pak bylo možné usoudit na hmotnost elektronu.

J. J. Thompson je pokládán za objevitele první elementární částice, elektronu. Spolu s Millikanem určili

základní vlastnosti této částice – náboj a hmotnost.

kgm

Ceq

e

e

31

19

10110.9

10602.1

Měření e/m

e-

R

B

Uv

BR

m

qBvq

R

vmF

...

2

m

UqvUqmvEk

..2.

2

1 2 22.

.2

BR

U

m

q

Měření e/m

Millikanův experiment

FeFg

Olejové kapičky

Nabité desky

Millikanův experiment

Objev atomového jádra

Ernest Rutherford1871 - 1937

Poznatek, že elektrony vyletují z atomů vyvrátil odvěkou představu o nedělitelnosti a nastolil otázku jejich

struktury. J. J. Thompson se domníval, že kladný náboj je rovnoměrně rozložen v celém objemu atomu a

elektrony v něm vězí jako rozinky v pudingu.

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Tuto hypotézu vyvrátili roku 1911 E. Rutherford a jeho

spolupracovníci ve slavném experimentu rozptylu záření α

na tenké zlaté fólii.

Objev atomového jádra

Proud α částic

Tenká zlatá fólie

Rozptýlené α částice

Scintilátor

Lehce rozbíhavý kužel

Předpověď výsledku Rutherfordova pokusu, kdyby platila Thompsonova rozinková teorie stavby atomu.

Rutherfordův pokus

Atom se skládá z malého, kladně nabitého jádra, ve kterém je soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu, zabírá však

minimální zlomek jeho celkového objemu. Kladný náboj jádra a záporný náboj

elektronového obalu se navzájem ruší.

Planetární model atomu

V návaznosti na Rutherfordův pokus byl atom popisován pomocí planetárního modelu. Jádro zde

fungovalo jako slunce, kolem nějž po kruhových orbitách létaly

elektrony. Jejich přitažlivost ovšem nebyla dána gravitační interakcí,

nýbrž elektromagnetickou.

Dle klasické elektrodynamiky nabitá částice, která se pohybuje se

zrychlením, vyzařuje elektromagnetické vlny a ztrácí tak energii. Klasická fyzika tedy předpovídala, že elektrony musí

velmi rychle ztratit pohybovou energii a spadnout na jádro. Tento paradox nebylo možno vysvětlit bez pomocí

kvantové teorie.

Bohrův model atomu

Niels Bohr1885 - 1962

Dánský fyzik Niels Bohr v roce 1913 použil závěrů kvantové mechaniky, že částici lze popsat jako vlnu. V jeho modelu atomu se elektrony mohou držet vždy na přesně

daných kruhových orbitech, a to na takových, kde mohou vytvořit stojaté vlnu. Tam, kde by výsledná interference byla destruktivní se elektrony nalézat nemohou. Proto

není možné, aby po spirále spadly na jádro a atom zůstává stabilní.

Stojatá vlna na kruhovém orbitu

Destruktivní interference na kruhovém orbitu

Bohrův model atomu

Na základě Bohrova modelu bylo možné vysvětlit, proč se spektra,

která emitují vybuzené atomy, skládají z diskrétních čar. Na každém orbitu má elektron

specifickou energii. Při přechodu mezi orbity ji musí pohltit nebo

vyzářit ve formě fotonu. A jelikož jsou orbity diskrétní, rozdíly

energií mezi nimi jsou přesně dané.

Elektrony při přechody mezi orbity (hladinami) vyzařují nebo přijímají

vždy stejné a přesně dané množství energie. V příslušných spektrech

jsou pak jen určité diskrétní barvy.