Elektronový obal (atomová fyzika)
pøi zkoumání el. obalu napomáhá spektroskopie
(Balmer, 1885 - spektrum vodíku)
Bohr (1913) - poprvé popsal zákonitosti mezi stavbou vodíku a jeho spektrem
Pøi pøechodu atomu z energetického stavu En do stavu Em (En>Em)
atom vyzáøí foton s frekvencí f:
hf=En-Em
Energie atomù je kvantována:
experimentální ovìøení - Franck-Hertzùv pokus (1912-14)
elektrony jsou mezi K a M urychlovány
brzdné napìtí U´ mezi M a A brání elektronùm s mení energií ne eU´ doletìt na A
pozorovány velké poklesy anodového proudu IA pro U=n5 V
vysvìtlení - pro Hg: E2-E1=5 eV
Ee<5eV => sráky elektronù s atomy Hg jsou pruné, elektron doletí k A
Ee5eV => elektron pøedá energii atomu Hg =>
Hg pøejde do excitovaného stavu, vyzáøí pøijatou energii ve formì záøení;
elektron nedoletí k A => poklesne anodový proud IA
Vysvìtlení, proè je energie elektronù kvantována:
Uvaujeme-li pohyb èástice vázaný na úseèku délky L a vlnovou povahu èástice, pak na úseèce vzniká stojatá vlna
n=1
n=2
n=3
...
Èástice se nachází jen v urèitých stavech charakterizovaných celým èíslem n.
L=nλn/2
λn=2L/n
v=h/(mλ)
E=½mv2=½mh2/(mλn)2=n2h2/(8mL2)
Modely atomù
1) Pudinkový (Thomsonùv) model
koule pudinku pøedstavuje kladný náboj atomu,
rozinky pøedstavují elektrony
vyvrácen objevem jádra (Rutherford 1911)
2) Planetární (Rutherfordùv) model
analogie pohybu elektronu kolem jádra s pohybem planet ve sluneèní soustavì
rozpor s pozorováním
3) Bohrùv model
elektrony obíhají jen po urèitých kruhových drahách,
energii pøijímají nebo vyzaøují jen pøechodem z jedné dráhy na druhou
ovìøení Franck-Hertzovým pokusem
platí uspokojivì jen pro vodík
polomìr atomu vodíku: rn=r1n²
rychlost elektronu: vn=v1/n
energie atomu: En=E1/n²,
E1=-13,6eV
4) Sommerfeldùv (slupkový) model
elektrony obíhají po eliptických drahách, které se stáèí
stav elektronu je urèen 3 kvantovými èísly
hlavní kvantové èíslo n
- urèuje energii a velikost elektron. orbitalu
n=1,2,3,...
vedlejí kvantové èíslo l
- urèuje tvar orbitalu
l=0,1,2,...,n-1
magnetické kvantové èíslo m
- urèuje orientaci elektron. orbitalu v prostoru
m=0,±1,±2,...,±l
hlavnímu kv. èíslu n odpovídá n2 kvantových stavù
spinové kvantové èíslo s
- urèuje orientaci elektronu
s=±½
celkem hlavnímu kv. èíslu n odpovídá 2n2 kvantových stavù
5) Schrödingerùv (kvantový) model
kvantová èísla n,l,m vychází z øeení tzv. Schrödingerových rovnic
6) Diracùv model
z øeení Schrödingerových rovnic vychází i spinové èíslo
Periodická soustava
2 zákony, které nemají v makrosvìtì obdobu:
1) Princip nerozliitelnosti èástic
- vechny elektrony jsou zcela stejné, nelze je rozliit
(narozdíl od kvant. stavù, které jsou rozlieny kvant. èísly)
2) Pauliho vyluèovací princip (z r. 1924)
- v daném systému nemohou souèasnì existovat dva elektrony v tém kvantovém stavu ( se stejnými hodnotami n,l,m,s)
- platí pro fermiony(napø. elektrony, neutrony, protony), neplatí pro bosony (napø. fotony)
Lasery
atomy pøi pøechodu z vyího (excitovaného) stavu E2 do niího stavu E1 mohou vyzáøit foton:
hf21=E2-E1
absorpce fotonu - elektron pøejde do excitovaného stavu
spontánní emise - náhodný pøechod
luminiscence - spontánní emise
- nekoherentní svìtlo (napø. záøivky, obrazovky, svìtluky)
buzení atomu:
a) interakcí s èásticí
b) vysokou teplotou
c) ozáøením
Stimulovaná emise
(popsal Einstein 1916)
foton s frekvencí fmn dopadne na atom v excitovaném stavu,
pøimìje ho k pøechodu do niího stavu za vyzáøení dalího fotonu
- oba mají stejnou frekvenci a fázi, jsou koherentní
celý proces se mùe lavinovitì opakovat
metastabilní hadiny
- excitované energetické hladiny, v nich atomy setrvávají relativnì dlouho
(øádovì 10-8s)
He-Ne laser
sráa He a elektronu => metastabilní hladina E3
sráka He (ve stavu E3) s Ne (E0)
=> atomy Ne do stavu E2 (více obsazená ne E1)
pøi pøechodu NE z E2 do E1 se vyzáøí foton o vln. délce 633 nm (èervené svìtlo)
a spustí stimulovanou emisi dalích fotonù
opakovanými odrazy na zrcadlech vzniká koherentní svazek laserového svìtla