Struktura atomu – atomové jádro, elektronový obal, radioaktivita a modely atomu

Struktura atomu – atomové jádro, elektronový obal, radioaktivita a modely atomu

Atom

Atom – základní stavební částice, skládá se z kladně nabitého atomového jádra a záporně nabitého elektronového obalu. V jádře se nacházejí protony – částice s kladným nábojem, a neutrony – částice bez náboje. V obalu se nacházejí elektrony – částice se záporným nábojem.

Atomové jádro

Atomové jádro – malý útvar, protony a neutrony jsou poutány přitažlivými silami.

• Počet protonů se označuje jako protonové číslo Z, je stejné pro všechny atomy téhož prvku. Označuje rovněž celkový počet elektronů v obalu. Udává pořadí prvku v PSP, např. 8O.
• Počet neutronů v jádře se označuje neutronové číslo N.
• Součet protonů a neutronů, čili počet nukleonů, udává nukleonové číslo A, např. 16O.

Nuklid – látka tvořená stejnými atomy, které se neliší A ani Z.

Izotop – látka tvořená atomy se stejným Z, ale odlišným A, např. izotopy chloru: 35Cl, 37Cl.

Radioizotop – látka, jehož jádro se samovolně rozpadá na jádra jiných prvků, přičemž vzniká záření. Rozlišujeme umělý a přírodní radioizotop.

Elektronový obal

Elektronový obal – je tvořen elektrony, proto má záporný náboj. Velikost tohoto záporného náboje určuje počet přítomných elektronů. Počet elektronů v obalu je shodný s počtem protonů v jádře.

Prostor s největší pravděpodobností výskytu elektronu se nazývá orbital. Jednotlivé orbitaly se liší svojí velikostí, tvarem a prostorovou orientací.

Typy orbitalů

• orbital s – má tvar koule,
• orbital p – tvar prostorové osmičky,
• orbitaly d, f – složitější prostorové útvary.

Kvantová čísla

Kvantová čísla – používají se k jednoznačnému určení stavu elektronu. Existují 4 kvantová čísla.

• Hlavní kvantové číslo n – vyjadřuje velikost orbitalu a tím i energii elektronu. Určuje příslušnost elektronu do jedné ze 7 energetických vrstev (označují se písmeny K, L, …, P, Q).
• Magnetické kvantové číslo m – vyjadřuje prostorovou orientaci orbitalu a současně určuje i celkový počet orbitalů daného typu. Nabývá hodnot –1 do +1.
• Spinové kvantové číslo s – udává rotační impuls (spin), nabývá hodnot +1/2, -1/2. Dva elektrony s opačnou hodnotou spinu vytvářejí v témže orbitalu elektronový pár.

Prvek, nuklid a izotop

Prvek – látka složená z atomů o stejném protonovém čísle. Každý prvek má svůj název a svou značku. Prvky jsou zapsány v periodické soustavě prvků (PSP).

NUKLID – látka tvořená stejnými atomy, které se neliší A ani Z.

IZOTOP – látka tvořená atomy se stejným Z, ale odlišným A, např. izotopy chloru: 35Cl, 37Cl. Jednotlivé izotopy daného prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se pouze vlastnostmi fyzikálními.

Radioizotop – látka, jehož jádro se samovolně rozpadá na jádra jiných prvků, přičemž vzniká záření. Rozlišujeme umělý a přírodní radioizotop.

Radioaktivita

Radioaktivita – atomová jádra některých nuklidů nejsou stálá. Příliš těžká jádra přírodních prvků se samovolně rozpadají a vznikají tak nová stálejší jádra. Rozpad doprovází vyzařování energie. Tomuto ději se říká radioaktivita.

Radioaktivní nuklidy vyzařují tyto druhy záření:

Záření α

Záření α – rychle letící jádra atomů helia. Nesou dva kladné elementární náboje a jejich nukleonové číslo je 4. Vzhledem ke své poměrně velké velikosti není příliš pronikavé, ale má silné ionizační schopnosti. Toto záření je možno zachytávat tenkými foliemi.

Záření β−

Záření β− – je tvořeno proudem elektronů, rychlostí se blíží rychlosti světla, je pronikavější než záření α.

Dochází k reakci:

n⁰ → p⁺ + e⁻
neutron → proton + elektron

Záření β+

Záření β+ – tvořeno proudem pozitronů (částice podobná elektronu, ale má kladný náboj. Není to však proton).

Reakce:

p⁺ → n⁰ + e⁺
proton → neutron + pozitron

Záření γ

Záření γ – je elektromagnetické vlnění. Podobá se rentgenovému záření, má však kratší vlnovou délku. Je proto neobyčejně pronikavé, doprovází nejčastěji záření β. Záření nemění složení jádra a nezpůsobí tedy jeho přeměnu v jádro jiné.

Poločas rozpadu

S radioaktivitou souvisí rovněž pojem poločas rozpadu – což je doba, po které intenzita záření poklesne na polovinu. Má hodnotu od zlomku sekundy až po miliony let.

Základní typy jaderných reakcí

Základní typy jaderných reakcí, při kterých dochází k uvolňování energie:

Štěpné reakce

Štěpné reakce – těžké jádro zasažené neutronem se rozštěpí na dvě menší jádra a uvolňuje se přitom velké množství energie. Uvolněné neutrony mohou štěpit další jádra → řetězová reakce. Např. štěpení uranu. Kontrolovaný průběh jaderných reakcí umožňují jaderné reaktory.

Termonukleární reakce

Termonukleární reakce – ze dvou lehčích jader vzniká jádro těžší a uvolňuje se přitom velké množství energie. Tato reakce může začít probíhat až při extrémně vysokých teplotách. Např. syntéza vodíku a deuteria za vzniku helia na Slunci. Termonukleární reakce jsou mohutným zdrojem zářivé energie Slunce a hvězd.

Transmutace jader

Transmutace jader – bombardováním určitých jader částicemi o dostatečné energii vzniká nové jádro s protonovým a nukleonovým číslem jen o málo odlišným od jádra původního.

Modely atomů

1. Modely jádra atomů

• kapkový – vysvětluje štěpení jader vazebnou energií,
• sloupkový – vysvětluje radioaktivitu.

2. Modely elektronového obalu

a) Mechanicky materialistické

• 1897 – J. Thomson – statický model atomu,
• 1911 – E. Rutherford – planetární model,
• 1913 – N. Bohr – kvantový model.

b) Vlnově-mechanické

• 1923 – L. Broglie – vlnově-mechanický model.

Planetární model

Planetární model – planetární model atomu, podle kterého kolem jádra obíhají elektrony po určitých dráhách jako planety kolem Slunce.

Kvantový model

Kvantový model – elektrony mohou obíhat kolem jádra po určitých dráhách s konstantní energií. Ke změně energie může dojít pouze po určitých dávkách – kvantech.

Vlnově-mechanický model atomu

Vlnově-mechanický model atomu vycházel z teorie nazývané vlnová (kvantová) mechanika. Teorie předpokládá, že elektrony se pohybují kolem jádra nikoli po přesně vymezených dráhách, ale v určitém trojrozměrném prostoru, v němž lze polohu elektronu určit jen s jistou pravděpodobností.