E-učionica za učenje fizike

Arhiva za kategoriju ‘Struktura atoma’

Frank Hercov eksperiment

***Nobelova nagrada za fiziku 1925 godine  za otkriće zakona sudara elektrona sa atomima***

Značaj: Frank Hercov eksperiment je potvrdio da atomi mogu da se pobude samo predajom tačno određene količine energije, koja je jednaka razlici energija dva nivoa u atomu, uz odgovarajući kvantni prelaz u atomu.

Aparatura: U stakleni balon iz koga je uklonjen vazduh ugrađene su tri elektrode: katoda, rešetka i anoda. U balonu se nalazi živina para pod pritiskom od 133Pa. Sa usijane katode ( koja se zagreva ) polaze elektroni koji se ubrzavaju između anode i katode  naponom U, koji može da se menja. Rešetka se nalazi na relativno manjem naponu u odnosu na anodu (oko 0,5V). U eksperimentu je merena jačina anodne struje  elektrona I, koji polaze sa katode, sudaraju se sa atomima žive i stižu na anodu, a u zavisnosti od promene napona U.

Rezultati: Na osnovu rezultata merenja dobijen je grafik I=f(U) koji ima nekoliko maksimuma na međusobnim rastojanjima od 4,9 V.

Objašnjenje: Za vrednosti napona manje od 4,9 V elektroni se između anode i katode sudaraju sa atomima žive pri čemu praktično ne menjaju svoju kinetičku energiju zbog svoje male mase u odnosu na masu žive. Sa porastom električnog napona u tom intervalu, raste i broj elektrona koji stižu sa anode na katodu, što pokazuje i povećanje struje. Pri elastičnim sudarima sa elektronima atomi žive ostaju u osnovnom, nepobuđenom stanju. Kada napon dostigne vrednost od 4,9 V jačina struje je maksimalna. Dalje povećavanje električnog napona ima za posledicu smanjenje električne struje. Ovo se objašnjava time što svi elektroni koji imaju energiju od 4,9 eV predaju svoju energiju prilikom neelastičnih sudara atomima žive. Tada atomi žive prelaze iz osnovnog u prvo pobuđeno stanje. Isto se dešava i kada elektroni dobiju energiju od 2·4,9 eV = 9,8 eV. Tada elektroni u dva neelastična sudara ( sa dva atoma žive ) predaju svoju energiju atomima žive. Isto obrazloženje važi i za energiju elektrona od 14,7 eV kada imamo tri neelastična sudara elektrona sa atomima žive.

Predata energija elektrona pri neelastičnom sudaru sa atomom odvija se u skladu sa kvantnim zakonima:

FHerz_formula

Elektron predaje svu svoju energiju atomima žive u neelastičnom sudaru i ta energija je jednaka razlici energetskih nivoa između kojih se vrši prelaz

Spektar atoma vodonika

Spektar atoma vodonika se objašnjava – kvantnim prelazima.

Emisioni spektar atoma vodonika

spektar av1 copy

Demonstracija: propuštanjem svetlosti vodonikove lampe kroz prizmu dobija se spektar atoma vodonika na zaklonu, slika:chemwiki.ucdavis.edu

Kada se svetlost vodonikove lampe propusti kroz prizmu na zaklonu se  dobija vidljivi deo  spektra atoma vodonika, kao na slici:

exp_linije

Eksperimentalno dobijene emisione spektralne linije atoma vodonika, slika: chemwiki.ucdavis.edu

Tanke linije predstavljaju emisioni spektar – linije nastaju pri tačno određenim frekvencijama zračenja – odnosno na tačno određenim talasnim dužinama. Kada elektron u atomu prelazi sa višeg na niži energetski nivo emituje se foton (čestica svetlosti) tačno određene energije (frekvencije i talasne dužine) – što proizvodi karakterističan spektar.

Hemission1

Emisione spektralne linije atoma vodonika i vrednosti talasnih dužina, slika: intro.chem.okstate.edu

Serije spektralnih linija koje nastaju kod vodonika su: Lajmanova (prelaz elektrona na prvi nivo), Balmerova (prelaz elektrona na drugi nivo), Pašenova (prelaz elektrona na treći nivo), Brektova (prelaz elektrona na četvrti nivo) i Pfundova (prelaz elektrona na peti nivo). Jedino Balmerova serija spada u oblast vidljivog dela spektra.

serije-spektra1

Spektralne serije kod atoma vodonika, slika: chemweb.ucc.ie

Spektralne serije sa vrednostima odgovarajućih talasnih dužina emitovanog zračenja date su na sledećoj slici:

spektralne-linije-1

Spektralne serije i vrednosti talasnih dužina atoma vodonika. U zagradama su navedene godine kada su otkrivene, slika: en.wikipedia.org

Ridbergova formula za talasnu dužinu:

ridbergovaformula-2

pri čemu je m>n.

Za n=1 govorimo o Lajmanovoj seriji, m=2,3,4…

Za n=2 govorimo o Balmerovoj seriji, m=3, 4, 5,… itd.

Ridbergova konstanta

R=10967758  1/m

Apsorpcione i emisione linije spektra

Emisioni (ili apsorpcioni) spektar je za svaki atom drugačiji – pa se može smatrati za „ličnu kartu atoma“ ali i više od toga jer otkriva informacije o uslovima koji vladaju u sistemu i oko njega.

Apsorpcioni spektar nastaje kada atom apsorbuje energiju fotona (zato što elektron prelazi sa nižeg na viši energijski nivo). Emisioni spektar nastaje kada atom emituje foton (zato što elektron prelazi sa višeg na niži energetski nivo). Svaki spektar je okarakterisan odgovarajućom spektralnom linijom. Za isti atom (npr. isti gas)  se uvek dobija isti položaj apsorpcionih ili spektralnih linija (pogledaj sliku).

Spektralna linija nastaje emisijom (ili apsorpcijom) unutar sistema (atoma) i upravo zbog toga mora da karakteriše i sam taj sistem – atom, ali i uslove u sistemu koji su prisutni u toku emisije (ili apsorpcije). Interakcije koje utiču na atom (npr. spoljašnje električno, magnetno, gravitaciono polje) utiču i na oblik spektralne linije. Zato je u obliku spektralne linije zapisano sve o uslovima koji su vladali u sistemu u trenutku nastanka linije.

apsorpcione-i-emisione-lini

Apsorpcioni i emisioni spektar paralelno pored odgovarajućih apsorpcionih i emisionih linija u spektru atoma vodonika, slika: http://www.astronomynotes.com

Ponovite gradivo uz objašnjenje spektralne emisije vodonika i helijuma na Engleskom jeziku:

Nivoi energije u atomu

Energija atoma je kvantovana. To znači da atom može imati samo određene diskretne vrednosti energije. Diskretne vrednosti energija E1, E2,….En se nazivaju energijski nivoi atoma.

Energija atoma je obrnuto srazmerna kvadratu glavnog kvantnog broja. Glavni kvantni broj je prirodan bron n koji prebrojava energijske nivoe: n=1,2,3,…

Atom vodonika

Vezani elektron u atomu vodonika može da ima jednu iz diskretnog niza mogućih energija, što zavisi od toga na kojoj se „orbiti“ nalazi.

Ako je n=1 govorimo o osnovnom energijskom nivou, čija energija iznosi E1=-13,6ev. Znak minus znači da je elektron u vezanom stanju u atomu.

Vrednosti energija po nivoima možemo izračunati kada 13,6ev podelimo sa kvadratom odgovarajćeg kvantnog broja. Formula je:

formula

Tako dobijamo vrednosti energija: E2=-3,40ev, E3=-1,51ev i tako dalje. Znak minus (odnosno negativne vrednosti energije) ukazuju da je elektron vezan u atomu.

Kada elektron dostigne vrednost energije od E=0 ev može biti emitovan kao fotoelektron. Zapravo, u „beskonačnosti“ vrednosti energije postaju pozitivne i elektron postaje slobodan. To stanje nazivamo kontinum.

Atom ne emituje elektromagnetno zračenje sve dok se elektron nalazi na jednom od mogućih diskretnih energijskih nivoa. Zato se ova stanja atoma nazivaju stacionarna (postojana) stanja.

nivoi

Stacionarni energijski nivoi u atomu, slika: quakeoutq.es.tl

a_level_physics_notes_energy_levels_of_atoms_html_1c9c9318

Energijski nivoi kod atoma vodonika sa vrednostima energija. Glavni kavantni broj n prebrojava nivoe, slika: http://www.regentsprep.org

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Borov model atoma vodonika – java aplet za lakše i očiglednije učenje:

http://www.walter-fendt.de/ph14yu/bohrh_yu.htm

Pogledajte objašnjenje dijagrama energijskih nivoa za atom vodonika i za atom žive na Engleskom jeziku:

Raderfordov eksperiment

Raderford je 1911 godine uradio eksperiment koji je dao odlučujući doprinos formiranju modela strukture atoma.

Rasejavanje α-čestica kroz tanke listiće zlata

Iz radioaktivnog izvora koji je smešten u olovnoj kaseti, snop α-čestica se usmerava ka tankom listiću od zlata. Posle prolaska kroz listić snop i rasejane α-čestice izazivaju svetlucanje na fluorescentnom zaklonu.

Razultati ekserimenta

Najveći broj α-čestica iz snopa stiže do ekrana bez skretanja ili skreće pod vrlo malim uglom. Tek poneka čestica se vrati unazad.

rutherford_expt

Zaključci na osnovu rezultata:

  • ako najveći broj α-čestica prolazi bez skretanja kroz listić zlata onda je najveći deo prostora koji atom zauzima prazan;
  • kako veoma mali broj α-čestica skreće sa pravca kretanja po prolasku kroz listić, a još manji broj se kraće unazad, najverovatnije da su celokupna masa atoma i njegovo pozitivno naelektrisanje koncentrisani u vrlo malom delu prostora koji zauzima atom.
  • elektron čija je masa mnogo manja od mase α-čestice ne predstavlja prepreku prolasku α-čestice kroz atom

Na osnovu toga je pretpostavljeno: Ukupna masa atoma i njegovo pozitivno naelektrisanje nalaze se u centru atoma i koncentrisani su u veoma malom prostoru a oko tog centra se kreću elektroni.

Planetni model atoma

Elektroni se kreću po zatvorenim putanjama oko jezgra, što podseća na kretanje planeta oko Sunca. Kretanje planeta je uslovljeno gravitacionim delovanjem Sunca a kretanje elektrona električnim delovanjem jezgra.

nuclear

Kako objasniti stabilnost atoma?

Elektroni kruže oko jezgra i posle nekog vremena (10 exp(-10)s) trebalo bi da upadnu u jezgro (zbog gubitka energije usled zračenja i prema predvidjanju klasične fizike), ali se to ne dogadja. Odgovor daje kvantna fizika (fizika kojom se opisuje mikro svet) a suština je u postojanju stacionarnih stanja.

Elektroni se u atomima nalaze u posebnim stacionarnim stanjima, kojima odgovaraju strogo određene energije, energijiski nivoi, koji se ne menjaju bez spoljašnjih uticaja. Dok  se elektron nalazi u stacionarnim stanjima atom ne emituje niti apsorbuje elektromagnetno zračenje (prvi Borov postulat).

Naučna simulacija Raderfordovog rasejanja (eksperimenta)

Ako ste još u dilemi – kako je Raderford otkrio strukturu atoma kada nije mogao da ga vidi, simulirajte eksperiment koji je dokazao da atom mora da ima malo jezgro:

Радерфордово (Rutherford) расејање скриншот

Pogledajte animaciju i objašnjenje Raderfordovog eksperimenta na Engleskom jeziku:

Izgled strukture atoma i objašnjenje na Engleskom jeziku pogledajte na:

Oblak oznaka

%d bloggers like this: