úvod
Predstav si, že dostaneš zabalený darček a nesmieš ho otvoriť. Aj tak sa dá veľa zistiť: zatrasieš ním a počuješ, či vnútri niečo hrká, potiažkaš ho, prešmátraš papier. Z výsledkov si nakreslíš, čo asi vnútri je. Presne tak vedci skúmali atóm. Atóm je taký malý, že desať miliónov atómov za sebou by meralo asi milimeter. Nikto ho nemohol otvoriť a pozrieť sa dnu. Vedci preto vymýšľali pokusy, a keď sa výsledok nezhodoval s doterajšou predstavou, nakreslili novú. Takej zjednodušenej predstave sa hovorí model. Model nie je fotografia atómu. Je to obrázok, ktorý vysvetľuje, čo sme pozorovali. V tejto lekcii prejdeš piatimi najdôležitejšími modelmi atómu a pochopíš, prečo každý nahradil ten predošlý.
teória
Démokritos: nedeliteľné častice
Asi pred 2 400 rokmi premýšľal grécky filozof Démokritos spolu so svojím učiteľom Leukippom, čo by sa stalo, keby sme kameň delili stále na menšie a menšie kúsky. Usúdil, že raz prídeme k častici, ktorá sa už rozdeliť nedá. Nazval ju atomos, čo po grécky znamená nedeliteľný. Podľa neho sú všetky látky z atómov, ktoré sa líšia tvarom a veľkosťou a medzi nimi je prázdno. Bola to len myšlienka bez pokusu a väčšina vzdelancov vtedy dala prednosť Aristotelovi, ktorý veril, že látky sa dajú deliť donekonečna. Na atómy sa potom takmer dvetisíc rokov zabudlo.
teória
Dalton: atómy ako guľôčky
Na začiatku 19. storočia sa k atómom vrátil anglický učiteľ John Dalton. V roku 1808 opísal model, v ktorom sú atómy malé plné guľôčky. Atómy toho istého prvku sú podľa neho rovnaké a majú rovnakú hmotnosť, atómy rôznych prvkov sa líšia. Pri chemickej reakcii sa atómy nevytvárajú ani nezanikajú, len sa inak spájajú. Tým Dalton vysvetlil, prečo sa pri reakcii nemení celková hmotnosť, ako ukazuje lekcia Zákon zachovania hmotnosti, a prečo sa prvky v zlúčeninách spájajú vždy v rovnakých pomeroch. Dalton zostavil aj prvú tabuľku relatívnych hmotností atómov.
teória
Thomson: elektrón a pudingový model
V roku 1897 skúmal anglický fyzik Joseph John Thomson zvláštne lúče v sklenenej trubici, z ktorej odčerpal vzduch. Zistil, že sú to prúdy drobných záporne nabitých častíc, ktoré sú oveľa ľahšie ako najľahší atóm. Objavil elektrón. Elektróny vychádzali z kovov aj z plynov, takže musia byť súčasťou všetkých atómov. Atóm sa teda dá rozdeliť a nie je to plná guľôčka.
Atóm je však ako celok bez náboja. Okrem záporných elektrónov musí obsahovať aj rovnako veľký kladný náboj. Thomson v roku 1904 navrhol pudingový model: atóm je guľa rovnomerne vyplnená kladným nábojom a elektróny sú v nej rozmiestnené ako hrozienka v pudingu alebo v koláči.
teória
Rutherford: atóm je takmer prázdny
O pár rokov neskôr sa novozélandský fyzik Ernest Rutherford rozhodol pudingový model vyskúšať. Jeho spolupracovníci Hans Geiger a Ernest Marsden ostreľovali veľmi tenkú zlatú fóliu časticami alfa, ktoré vyletujú z rádioaktívnych látok. Sú kladne nabité a asi štyrikrát ťažšie ako atóm vodíka. Okolo fólie bolo tienidlo, na ktorom každá dopadajúca častica vyvolala drobný záblesk.
Podľa pudingového modelu mali všetky častice prejsť fóliou takmer rovno. Väčšina naozaj prešla. Niektoré sa však odklonili a niekoľko sa dokonca odrazilo späť. Rutherford neskôr povedal, že to bolo také neuveriteľné, ako keby vystrelil delostreleckú strelu do hodvábneho papiera a ona sa odrazila späť na neho.
V roku 1911 výsledok vysvetlil. Atóm je takmer celý prázdny, preto väčšina častíc prejde. V strede atómu je malé, ťažké a kladne nabité jadro, v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Častica, ktorá preletí tesne okolo jadra, sa od neho odpudí a odkloní. Častica, ktorá letí priamo na jadro, sa odrazí späť. Okolo jadra sa pohybujú elektróny. Keby bol atóm veľký ako futbalový štadión, jadro by v jeho strede bolo ako zrnko piesku.
vyskúšaj si
Rutherfordov pokus
- takmer rovno
- 0
- odklonené
- 0
- odrazené späť
- 0
V simulácii je jadro zväčšené. V skutočných pokusoch sa späť odrazila len veľmi malá časť častíc, rádovo jedna z tisícov.
Vystreľ spolu aspoň 100 častíc alfa. Potom sa objavia otázky k výsledku pokusu (zatiaľ 0).
Vystreľ na fóliu najprv jednu časticu, potom dvadsať a nakoniec sto. Sleduj počítadlá: koľko častíc prešlo takmer rovno, koľko sa odklonilo a koľko sa odrazilo späť. Potom prepni model na puding a vystreľ ďalšie častice. Uvidíš, že v pudingovom modeli by sa žiadna neodrazila. Po sto výstreloch sa objavia otázky k pokusu.
Prečo zlyhal pudingový model? Častica alfa je asi 7 300-krát ťažšia ako elektrón, a tak ju elektróny prakticky neodklonia, podobne ako guľka neodbočí od zrniek prachu. Kladný náboj Thomsonovho atómu je rozprestretý v celom objeme, jeho elektrické pole je slabé a časticu alfa by odklonil najviac o zlomok stupňa. Geiger a Marsden však v roku 1909 zistili, že od platinovej doštičky sa späť odrazila asi 1 častica alfa z 8 000, pri tenkej zlatej fólii ešte menej. Taký veľký odklon spôsobí len veľmi silné pole, teda kladný náboj sústredený v nepatrne malom priestore.
Z počtu odklonených častíc Rutherford odhadol, že jadro je asi 10 000-krát až 100 000-krát menšie ako celý atóm a nesie viac ako 99,9 % jeho hmotnosti. V simulácii je jadro zväčšené, aby sa odrazy dali vidieť. V záložke pre SŠ si vyskúšaš aj hliníkovú fóliu, ktorej jadrá majú menší náboj (Z = 13), a rýchlejšie častice alfa. Pred výstrelom si vždy tipni, čo sa zmení.
Kladné častice jadra Rutherford v roku 1920 pomenoval protóny. Hmotnosť jadier však vychádzala väčšia, ako by zodpovedalo samotným protónom. Chýbajúcu časticu bez náboja objavil v roku 1932 James Chadwick a nazval ju neutrón. Za tento objav dostal Nobelovu cenu za fyziku.
teória
Bohr: elektróny na dráhach
Rutherfordov model mal jednu vážnu chybu. Elektrón, ktorý krúži okolo jadra, by mal podľa fyziky tých čias neustále vyžarovať energiu, spomaľovať sa a po špirále spadnúť do jadra. Atómy sú však stále. Dánsky fyzik Niels Bohr v roku 1913 navrhol, že elektróny sa môžu pohybovať len po niektorých dovolených dráhach v určitých vzdialenostiach od jadra. Na dovolenej dráhe elektrón energiu nestráca. Dráhy sa zoskupujú do vrstiev, ktoré sa označujú písmenami K, L, M, N od jadra smerom von alebo číslami 1, 2, 3, 4. Čím ďalej je vrstva od jadra, tým väčšiu energiu v nej má elektrón.
Keď elektrón dostane energiu, napríklad v plameni, preskočí na vzdialenejšiu dráhu. Keď sa vráti späť, uvoľní energiu ako svetlo presne určenej farby. Preto soli rôznych kovov farbia plameň rôznymi farbami, ako uvidíš v pokuse Plameňové skúšky. Podobne svietia aj fluoreskujúce látky v pokuse Fluorescencia.
Bohrov model s vrstvami používame v škole dodnes, lebo je jednoduchý a dobre vysvetľuje, koľko elektrónov má atóm v ktorej vrstve. Do vrstvy K sa zmestia 2 elektróny, do vrstvy L 8. Ako sa vrstvy plnia, ukazuje lekcia Elektrónový obal atómu. Dnešní vedci si elektróny predstavujú ešte inak, ako oblaky v okolí jadra, ktoré sa volajú orbitály.
Bohr vysvetlil čiarové spektrum vodíka. Zohriaty vodík nevyžaruje všetky farby ako žiarovka, ale len niekoľko presných čiar, vo viditeľnej oblasti červenú, modrozelenú a dve fialové. Každá čiara zodpovedá preskoku elektrónu medzi dvoma dovolenými dráhami a energia svetla sa rovná rozdielu ich energií. Bohr dokázal tieto čiary vypočítať, za čo dostal v roku 1922 Nobelovu cenu za fyziku.
Pri atómoch s viacerými elektrónmi však Bohrov model zlyhal. Elektrón sa navyše správa aj ako vlna a presnú dráhu nemá. Erwin Schrödinger v roku 1926 opísal elektróny vlnovou rovnicou a namiesto dráh dnes hovoríme o orbitáloch, oblastiach, v ktorých sa elektrón vyskytuje s najväčšou pravdepodobnosťou. Tento kvantovomechanický model podrobne rozoberá lekcia Orbitály a kvantové čísla. Bohrove vrstvy však v ňom zostali ako hlavné kvantové číslo n.
Príbeh atómu má aj stopy na našom území. Fyzik Philipp Lenard, ktorý sa narodil v roku 1862 v Prešporku, dnešnej Bratislave, dostal v roku 1905 Nobelovu cenu za výskum katódových lúčov. Už v roku 1903 tvrdil, že atóm je väčšinou prázdny. Neskôr sa však stal jedným z vodcov nacistickej „nemeckej fyziky“, ktorá odmietala prácu židovských vedcov vrátane Einsteina. Rádium, s ktorým Rutherford pracoval, mu v roku 1908 požičala Viedenská akadémia vied a bolo získané zo zvyškov uránovej rudy z Jáchymova v Čechách.
teória
Prečo sa modely menili
| rok | vedec | model | čo vysvetlil | čo nevysvetlil |
|---|---|---|---|---|
| asi 400 pred n. l. | Démokritos | nedeliteľné častice | že látky sa nedajú deliť donekonečna | bola to len myšlienka bez pokusu |
| 1808 | Dalton | plné guľôčky | stále pomery prvkov v zlúčeninách | elektróny a elektrický náboj |
| 1904 | Thomson | puding s elektrónmi | že atóm obsahuje elektróny | odraz častíc alfa |
| 1911 | Rutherford | malé jadro a elektróny okolo | výsledok pokusu so zlatou fóliou | prečo elektrón nespadne do jadra |
| 1913 | Bohr | elektróny na dovolených dráhach | farby plameňa a spektrum vodíka | atómy s viacerými elektrónmi |
Každý model bol svojím spôsobom úspešný. Vysvetlil pozorovania, ktoré boli v jeho dobe známe, a pomohol vymyslieť nové pokusy. Keď nový pokus priniesol výsledok, ktorý model nevedel vysvetliť, vedci ho upravili alebo nahradili. Tak funguje veda dodnes. Ako sa z poznatkov o atómoch zrodila periodická tabuľka, opisuje lekcia História periodickej sústavy.
rozšírenie Ani protón nie je nedeliteľný: kvarky
Elektrón je elementárna častica: podľa všetkého, čo dnes vieme, sa nedá rozdeliť na menšie časti. Protón a neutrón sa v staršej školskej chémii tiež volali elementárne častice, dnes však vieme, že sa skladajú z ešte menších častíc, kvarkov. Protón tvoria dva kvarky u a jeden kvark d, neutrón jeden kvark u a dva kvarky d. Kvarky majú zvláštne náboje: kvark u má náboj +2/3 a kvark d −1/3 náboja protónu. Spočítaj si to: 2/3 + 2/3 − 1/3 = 1 pre protón a 2/3 − 1/3 − 1/3 = 0 pre neutrón.
Samostatný kvark nikto nikdy nezachytil. Sú uväznené v protónoch a neutrónoch a drží ich pri sebe silná interakcia. Ich existenciu dokázali v rokoch 1968 až 1969 pokusy v Stanforde, pri ktorých elektróny s veľkou energiou ostreľovali protóny, podobne ako Rutherford ostreľoval atómy časticami alfa. Elektróny sa od niektorých miest v protóne odrážali, akoby v ňom boli malé tvrdé zrnká. Protón, neutrón a elektrón preto dnes spoločne voláme subatómové častice, teda častice menšie ako atóm. Ak sa ťa niekto spýta na príklad elementárnej častice, istá odpoveď je elektrón.
teória
Časté chyby
- „Staré modely boli hlúpe.“ Každý model dobre vysvetľoval to, čo vedci vo svojej dobe vedeli. Daltonov model dodnes stačí na vysvetlenie zákona zachovania hmotnosti. Modely sa menili, keď pokusy priniesli nové pozorovania.
- „Elektróny obiehajú okolo jadra po kružniciach ako planéty okolo Slnka.“ Takto si to predstavoval Bohr. Podľa kvantovej mechaniky elektrón presnú dráhu nemá, vyskytuje sa v orbitáli, teda v priestore s určitou pravdepodobnosťou.
- „Atóm je vo vnútri plný hmoty.“ Jadro je asi 10 000-krát až 100 000-krát menšie ako atóm. Takmer celý objem atómu je prázdny priestor, v ktorom sa pohybujú elektróny.
- „Model je fotografia atómu.“ Model je zjednodušená predstava, ktorá vysvetľuje pozorovania. Atóm nemá farebné guľôčky ani nakreslené dráhy.
- „Častice alfa sa od fólie odrážali, lebo fólia mala diery a steny.“ Fólia bola súvislá. Väčšina častíc prešla preto, že atómy zlata sú takmer prázdne, a niektoré sa odrazili od malých kladných jadier.
Ako sú elektróny rozdelené do vrstiev, ukazuje lekcia Elektrónový obal atómu. V ďalšej lekcii sa pozrieš bližšie na samotné jadro: z čoho sa skladá, čo sú izotopy a ako vznikajú ióny.