Jak se hledá jádro atomu
Nejprve začali lidé myšlenkovým experimentem – řecký filozof Démokritos uvažoval, že když dělíme hmotu na kousky, ty zase na menší kousky a tak dále, musíme narazit na částečku, která už nejde dělit. Podle toho ji také nazval a-tomos (ne-dělitelný). Představoval si atomy jako částečky různých tvarů, které se liší barvou, tvrdostí atd. a vlastnosti různých látek vysvětloval tím, že částečky svým tvarem do sebe různě zapadají.
Demokritova představa atomů
Na dlouhou dobu upadlo toto vysvětlení v zapomnění. Až anglický fyzik a chemik John Dalton na přelomu 18. a 19. století zveřejnil první vědeckou atomovou teorii. Podle něho je tolik druhů různých nedělitelných atomů, kolik je prvků. Dokonce sestavil první tabulku prvků, ještě před Mendělejevem..
V roce 1897 anglický fyzik Thomson zjistil, že z atomů vyletují elektricky záporně nabité částice. Nazval je elektrony a vyslovil myšlenku, že atomy nejsou nejmenší částice hmoty; to se později potvrdilo. V roce 1903 vytvořil model atomu, který měl tvar koule s kladným nábojem, v níž jsou rozmístěny záporné elektrony. (Atom je tedy kladně nabitý pudink, v němž jsou rozptýleny záporné rozinky.)
Thompsonův model atomul
Přírodovědci jsou velmi nedůvěřiví a proto hledali důkaz o správnosti Thomsonova modelu. Ale jak na to? V roce 1909, tedy právě před 100 lety, při šel se zajímavým návrhem Ernest Rutherford. Podstatou experimentu bylo ostřelování tenoučké zlaté fólie kladnými částicemi alfa (tj. jádry helia). Pokud by byla Thomsonova představa správná, procházely by částice alfa fólií prakticky bez odchylek, protože kladné a záporné náboje jsou v atomu rozptýleny rovnoměrně. Rutherford požádal své studenty Hanse Geigera a Ernesta Marsdena, aby návrh realizovali a provedli důkladné měření. Výsledek pokusu by překvapivý: naprostá většina částic alfa prošla fólií bez odchylky, ale některé částice se působením elektrických sil značně odchylovaly od původního směru. Našly se dokonce částice, které se vracely zpět ke zdroji záření! Na základě výsledků měření došel Rutherford k závěru, že atom je z převážné části „prázdný“ (nevychylující částice). Kladný náboj atomu je soustředěn do nepatrného prostoru – atomového jádra. Rutherfordův „planetární model atomu“ se podstatně lišil od modelu Thomsonova: kolem nepatrného kladného jádra krouží záporné elektrony.
Rutherfordův planetární model atomu
Brzy se však ukázalo, že taková představa struktury atomu odporuje teorii. Kroužící elektrony by díky neustálému vyzařování energie téměř okamžitě po spirálových drahách spadly do jádra a zanikly v něm. Skutečnost je však jiná, atomy jsou naopak velmi stabilní. Dánský fyzik Niels Bohr přišel v roce 1913 s myšlenkou, že v mikroskopickém světě atomů neplatí fyzikální a elektrodynamické zákony tak, jak je známe z našeho světa. Vytvořil kvantově mechanický model atomu. Kvantová teorie učí, že energie se nemůže vyzařovat nebo pohlcovat plynule, ale jen po určitých dávkách – kvantech. Elektrony tedy krouží jen v přesně vymezených vzdálenostech po drahách, v nichž nevyzařují žádnou energii. V každé takové stabilní dráze může být jen určitý počet elektronů.
Bohrův kvantově mechanický model atomu
Tento model zdokonalil v roce 1915 německý fyzik A. Sommerfeld. Elektrony se podle něj pohybují kolem jádra nejen po kruhových, ale i eliptických drahách. Každý elektron je charakterizován čtyřmi kvantovými čísly (hlavní, vedlejší, magnetické a spin), pro která platí známý Pauliho vylučovací princip: žádné dva elektrony nemohou být ve stejném stavu, tedy mít všechna kvantová čísla stejná. Elektrony si stejně jako ostatní fyzikové představoval jako nepatrné kuličky. I když byl Sommerfeldův model později překonán, stále slouží jako názorné schématické zobrazení stavby atomu.
Sommerfeldův vlnově mechanický model atomu
Brzy se totiž ukázalo, že částice mikrosvěta nemůžeme považovat za pouhé miniaturní kuličky. Za určitých okolností se mohou chovat i jako vlnění. Vznikla nová fyzikální teorie – vlnová mechanika a na jejím základě vytvořil v roce 1925 rakouský fyzik E. Schrödinger vlnově mechanický model atomu. Elektrony se totiž chovají i jako částice, i jako vlnění. Vyskytují se v určitých oblastech atomu, ale nemá smyslu uvažovat o jejich úplně přesné poloze. Nejlépe si je tedy představíme jako mráčky nebo zamlžené oblasti kolem jádra atomu. Pomocí Schrödingerovy rovnice se dají vypočítat oblasti, ve kterých se s nejvyšší pravděpodobností elektron vyskytuje. Atomy s více elektrony mají takové elektronové mraky složitější.
Příklady tvarů elektronových oblaků atomu
Když se k sobě přiblíží dva atomy dostatečně blízko, mohou se jejich elektronové mraky prolnout a propojit a tak vzniká molekula. Pauliho vylučovací princip se při tom výrazně uplatní.
Zajímavost: Velikost atomu:
Atom je tak malinký, že na délku jednoho milimetru by se jich vešlo 10 milionů.
Jádro atomu je tak malinké, že na jeden průměr atomu by se jich vešlo 100 tisíc.
Kdyby jádro atomu bylo velké jako zrnko máku a položili jste ho doprostřed fotbalového hřiště, elektrony by ho sledovaly z tribun.
Z tohoto pohledu se nám jeví hmota jako značně děravá!
Otázka pro vás:
O co se to tedy praštíme, když uhodíme do stolu? Vždyť ten stůl z atomů je samý prázdný prostor! (Kdo nejrychleji správně odpoví na tretipol@volny.cz, dostane dárek.)
Tip pro vás:
Nechtěli byste zhotovit do školního fyzikálního kabinetu (nebo jen tak pro pobavení) jednoduchou a přitom užitečnou učební pomůcku? Jestliže ano, pusťte se do výroby „kuličkového“ modelu Rutherfordova pokusu. Částici alfa v něm bude představovat malá plastová nebo ocelová kulička. Elektrostatické odpuzování částic jádrem je znázorněno šikmými stěnami malého kužele. Z kladívkového papíru vystřihněte kruh o poloměru 2,5 cm, prostřihněte ho a vyznačte na kruhu úhel asi 40° od prostřihu. Prostřih přilepte tak, aby splýval s vyznačeným úhlem a vytvořte z kruhu plochý kužel. Na podložku použijte tmavý karton o rozměrech asi 18 x 30 cm. Na jedné kratší straně vytvarujte šikmou startovací rampu a doprostřed pečlivě přilepte kužel – atomové jádro. Tím je model v podstatě hotov a můžete začít s experimentováním. Podrobnosti o sestavě najdete na obrázcích.
Letící částici alfa nahrazuje kulička spouštěná z různých míst rampy. Spustíte-li ji na okraji rampy, kutálí se po přímce. Kulička spuštěná poblíž středu rampy „zasáhne“ stěnu kužele (tj. jádro atomu) a odchýlí se od původního směru. Odchylka je tím větší, čím blíž ke středu kužele kulička směřuje. Při „zásahu“ do středu kužele se dokonce vrací zpět. Prostě – kulička se chová podobně jako částice alfa ve slavném Rutherfordově experimentu. Celou sestavu můžete shora zakrýt, aby byla vidět jen „rampa“, ze které kulička startuje, a cíl, kudy vyběhne, a budete na tom stejně, jako Rutherford, který také do atomu neviděl...
Správná odpověď:
Praštíme se o elektronové slupky atomů na naší ruce a na stole. Atomy jsou sice hodně "děravé",ale elektrony jsou rozmístěny v atomu v tzv. slupkách. V nejvyšší vrchní vrstvě elektrony zajišťují chemické vazby. To způsobuje odpor, který pociťujeme jako pevný materiál.
Gratulujeme a cenu posíláme panu Ladislavu Zbrankovi do Nového Hrozenkova.
Démokritova představa atomů
Thomsonův model atomu
Rutherfordův planetární model atomu
Bohrův kvantově mechanický model atomu
Sommerfeldův kvantově mechanický model atomu
Příklady tvarů elektronových oblaků atomu
Velikost atomu
Velikost atomu
Model Rutherfordova pokusu s detailem vytvoření papírového kužele
Změna směru pohybu závisí na vzdálenosti dráhy částice jádra A: velmi daleko – žádné odchýlení B: daleko – jen mírné odchýlení C: blízko – značné odchýlení D: přímo proti jádru – návrat zpět
Sir Ernest Rutherford (1871 – 1937)