Δομή του ατόμου, ιστορική αναδρομή, ατομικά πρότυπα

1. Η δομή του ατόμου.
Ι. Τα κλασικά πρότυπα.
Από τον Δημόκριτο μέχρι το σύγχρονο κβαντικό άτομο.

2. Η χρονική εξέλιξη της δομής του ατόμου.
~450
π.Χ
~1800
μ.Χ
1904
μ.Χ
1911
μ.Χ
1913
μ.Χ
1926
μ.Χ
Σε διάρκεια 125 χρόνων η εικόνα του
ατόμου έχει αλλάξει δραστικά.
Από το πρότυπο της απλής
συμπαγής σφαίρας , καταλήξαμε σε
ένα πρότυπο που κυριαρχεί η
αβεβαιότητα και η πιθανότητα.
ατομική
θεωρία
Δημόκριτου
ατομική
θεωρία
Dalton
πρότυπο
Tomson
πρότυπο
Bohr
πρότυπο
Rutherford
πρότυπο
Schrodinger

3. Οι πρώτες ατομικές θεωρίες
Δημόκριτος (~450 π.Χ.)
Dalton (~1800 μ.Χ.)
 Η ύλη δεν είναι συνεχής αλλά
αποτελείται από τα μικροσκοπικά
σωματίδια αποκαλούμενα άτομα.
 Τα άτομα είναι συμπαγή και δεν
τέμνονται (άτομο  α-τομή)
Το συμπαγές
πρότυπο

4. Τα κλασικά πρότυπα του ατόμου
Το πείραμα του Thomson (1897)
qe/me=σταθερό
για κάθε μέταλλο.

5. Το πρότυπο
του Thomson (1904)
αρνητικά
ηλεκτρόνια
θετικά
φορτισμένη
ύλη.
Το σταφιδόψωμο
ουδέτερο
άτομο

6. Τα κλασικά πρότυπα του ατόμου.
öé
ëì öé
ëì
Το πείραμα του Rutherford (1910)
πέτασμα film
φύλο Au
Υποθετικός σκεδασμός
στο πρότυπο Tomson
πηγή ακτίνων a
Σκεδασμός στο
πρότυπο Rutherford

7. Το πρότυπο
του Rutherford (1911)
ηλεκτρόνιο
πυρήνας
Το
πλανητικό
πρότυπο
του πυρηνικού
ατόμου.

8. Οι αδυναμίες του προτύπου του Rutherfond
• Οι τυχαίες τροχιές των ηλεκτρονίων δεν μπορούν να
ερμηνεύσουν τις συγκεκριμένες ιδιότητες των ατόμων των
στοιχείων.
• Είναι σε αντίθεση με την
«ηλεκτρομαγνητική θεωρία», όπου
κάθε ηλεκτρόνιο που επιταχύνεται
(λόγω κυκλικής κίνησης) εκπέμπει
ενέργεια με μορφή
ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων
(ακτινοβολίες) συνεχούς φάσματος,
ενώ ταυτόχρονα κινείται
σπειροειδώς προς τον πυρήνα μέχρι
καταστροφής του ατόμου.

9. Η συνέχιση της διερεύνησης
της δομής του ατόμου
Κλειδί στην παραπέρα διερεύνηση της δομής του ατόμου
είναι η ερμηνεία της φύσης του φωτός
και ιδιαίτερα
του μηχανισμού που εκπέμπει ακτινοβολία η ύλη.

10. Η διατύπωση της ερώτησης κατ' αυτό τον τρόπο, απεικονίζει
τον αιτιοκρατικό τρόπο σκέψης που συνεπάγει ότι κάτι δεν
μπορεί να είναι συγχρόνως δύο τελείως διαφορετικά πράγματα.
Τι είναι όμως το φως;
και όμως…
η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση είναι ότι οι γνώσεις μας για
το φως είναι τα αποτελέσματα των πειραμάτων, όπου μερικά
πειράματα δείχνουν ότι το φως συμπεριφέρεται σαν κύμα και
άλλα αποκαλύπτουν ότι το φως είναι ένα ρεύμα σωματιδίων .

11. Η σωματιδιακή-κβαντική φύση του φωτός.
f
h
Εφωτονίου 
 συχνότητα
ενέργεια
φωτονίου
Η ακτινοβολία εκπέμπεται ασυνεχώς
σε διακριτές "δέσμες" ενέργειας
τα κβάντα φωτός ή φωτόνια.
σταθερά
Planck
Μαx Planck
(1900)
s
eV
10
136
,
4
s
J
10
626
,
6
h 15
34





 


12. Το φως έχει διπλή φύση.
Όλα τα φαινόμενα που συνδέονται με το φως δεν μπορούν να
εξηγηθούν μόνο από την κυματική ή μόνο η σωματιδιακή φύση
του φωτός.
Το φως έχει διπλή υπόσταση όπου συνυπάρχουν και οι δύο φύσεις
του, χωρίς η μία φύση του φωτός να αναιρεί την άλλη.
f
h
Εφωτονίου 
 κυματικό
μέγεθος
σωματιδιακό
μέγεθος
Η εξίσωση της ενέργειας του φωτονίου από μόνη της
εμπεριέχει και την σωματιδιακή φύση που φαίνεται στο μέγεθος
«ενέργεια Ε φωτονίου» και την κυματική φύση που φαίνεται στο
μέγεθος «συχνότητα f του φωτονίου», μέγεθος κατ’ εξοχήν
κυματικό.

13. Οι δυνατές συχνότητες των
ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων
Ôï ï ñáôü öù ò êáëýðôåé ì üí ï ì é
á ì é
êñÞ ðåñé
ï ÷Þ ì çêþ í êýì áôï ò ôù í
çëåêôñï ì áãí çôé
êþ í êõì Üôù í ðåñß
ðï õ áðü 400nm Ýù ò 750nm.
ë 10-13
10-12
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10--4
10-3
10-2
10-1
1 10 m
ï ñáôü öþ ò
ë 400 450 500 550 600 650 700 nm
õðåñé
þ äåò
áêôß
í åò ã
áêôß
í åò ×
ñáäé
ï -
êýì áôá
ÔV
õðÝñõèñåò
ì é
êñï êýì áôá

14. Ανάλυση φωτός - φάσματα.
Μία ακτίνα φωτός μπορεί να περιέχει κύμα μίας μόνο συχνότητας
οπότε ονομάζεται μονοχρωματική ακτίνα φωτός ή
κύματα πολλών συχνοτήτων οπότε ονομάζεται
πολυχρωματική (σύνθετη) ακτίνα φωτός.
Ανάλυση φωτός είναι η διαδικασία που επιτυγχάνει
τον διαχωρισμό μιας πολυχρωματικής ακτίνας φωτός και φάσμα του
φωτός είναι η απεικόνιση του αποτελέσματος της ανάλυσης.
Τα φάσματα διακρίνονται
στα συνεχή, στα γραμμικά και στα απορροφήσεως.

15. Συνεχές φάσμα λαμπτήρα πυράκτωσης.
λαμπτήρας
πυράκτωσης
σχισμή
πρίσμα
700nm
400nm

16. Γραμμικό φάσμα ατόμων υδρογόνου .
434nm 486nm 656nm
410nm
σχισμή
πρίσμα
λυχνία
υδρογόνου
Τα γραμμικά φάσματα απεικονίζουν
μόνο ορισμένες συχνότητες

17. Γραμμικά φάσματα ατόμων .
Η
He
Νa
Είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι τα γραμμικά φάσματα
διαφορετικών στοιχείων είναι διαφορετικά μεταξύ τους
δηλαδή το γραμμικό φάσμα του κάθε στοιχείου
είναι χαρακτηριστικό του είδους του στοιχείου
και αποτελεί ταυτότητα για το στοιχείο αυτό.

18. Φάσμα απορρόφησης ατόμων υδρογόνου.
434nm 486nm 656nm
410nm
σχισμή αέριο
υδρογόνο
πρίσμα
λαμπτήρας
πυράκτωσης
Νόμος του Kirchoff
Τα στοιχεία απορροφούν μόνο τις συχνότητες
που μπορούν να εκπέμπουν.

19. Το πρότυπο του Bohr
(το 1ο κβαντισμένο άτομο)
• Ο Bohr διατύπωσε δύο συνθήκες που σκιαγραφούν
ένα νέο πρότυπο του ατόμου.
• Οι δύο συνθήκες είναι γνωστές ως μηχανική και
οπτική συνθήκη.
• Οι συνθήκες αυτές αντιβαίνουν σε θεωρίες της
φυσικής και γι’ αυτό χαρακτηρίστηκαν αυθαίρετες.
• Οι συνθήκες έγιναν δεκτές, γιατί μπόρεσαν και
εξήγησαν το γραμμικό φάσμα εκπομπής και
απορρόφησης του υδρογόνου.

20. 1η μηχανική συνθήκη του Bohr. 1/3
• Τα ηλεκτρόνια των ατόμων έχουν την δυνατότητα να κινούνται
μόνο σε αυστηρά καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρο από τον
πυρήνα με καθορισμένη (κβαντισμένη) ενέργεια.
• Κάθε επιτρεπόμενη τροχιά που
ονομάζεται στιβάδα ή φλοιός,
συμβολίζεται με τα κεφαλαία
γράμματα Κ, L, Μ, N, … και
αντιστοιχεί στην τιμή ενός
ακέραιου αριθμού n (n=1,2,3…)
που ονομάζεται πρώτος ή κύριος
κβαντικός αριθμός.
Κ
L
M
N
n=1
n=2
n=3
n=4
n=

21. 2π
h
n
r
υ
m 



• Ειδικότερα μόνο για το άτομο του υδρογόνου η
στροφορμή και η ενέργεια του ηλεκτρονίου
δίνονται από τις σχέσεις:
n (1ος κβαντικός αριθμός)=1,2,3… , Ε1=-13,6eV=-2,1810-18J,
Στροφορμή ηλεκτρονίου
Ενέργεια ηλεκτρονίου
2
1
n
n
E
Ε 
1η μηχανική συνθήκη του Bohr. 2/3

22. E = 0
Οι στάθμες ενέργειας
ατόμου υδρογόνου
στο πρότυπο Βohr.
2
1
n
n
E
Ε 
ενέργεια
E1
J
10
2,18
Ε 18
1




E4
E2
E3
-2,1810-18J
1η μηχανική συνθήκη του Bohr. 3/3

23. Η θεμελιώδης και οι διεγερμένες καταστάσεις
στο άτομο του υδρογόνου.
Tο άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση έχει την μικρότερη
δυνατή ενέργεια όπου το ηλεκτρόνιο είναι στην 1η (n=1) στιβάδα.
Tο άτομο είναι δυνατόν να απορροφήσει ενέργεια (διεγερμένη
κατάσταση) οπότε το ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε στιβάδα με n2.
Η ενέργεια που απορροφάται είναι ίση με την διαφορά των
ενεργειών της αρχικής και της τελικής στιβάδας μετάβασης.
Εαπορροφάται = Ετ-Εα

24. θεμελιώδης
κατάσταση
E = 0
E4
E2
E3
E1
ενέργεια
Διέγερση
ατόμου υδρογόνου
στο πρότυπο Βohr.
διεγερμένες
καταστάσεις
διέγερση
-2,1810-18J
Η ενέργεια διέγερσης είναι ίση με
την διαφορά των ενεργειών των δύο
στιβάδων.
J
10
2,18
4
3
ΔΕ
Ε
4
3
ΔΕ
Ε
4
Ε
ΔΕ
Ε
Ε
ΔΕ
18
1
1
1
1
2















25. ιοντισμός
E = 0
E4
E2
E3
E1
ενέργεια
Ιοντισμός
ατόμου υδρογόνου
στο πρότυπο Βohr.
Ενέργεια 1ου ιοντισμού είναι η
ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να πάρει
το άτομο για να χάσει ένα ηλεκτρόνιο.
Ε1ου ιοντισμού = Ε-Ε1
Ε1ου ιοντισμού = -Ε1
Ε1ου ιοντισμού = 2,1810-18J
θεμελιώδης
κατάσταση
-2,1810-18J

26. 2η (οπτική) συνθήκη του Bohr (1/2).
Tο άτομο δεν εκπέμπει ακτινοβολία όταν το ηλεκτρόνιο
κινείται στην ίδια στιβάδα.
Tο άτομο εκπέμπει ακτινοβολία μόνο όταν ηλεκτρόνια
μεταπηδήσουν από στιβάδα μεγάλης ενέργειας σε στιβάδα
χαμηλότερης ενέργειας..

27. n = 1
n = 2
n = 3
e-
2η (οπτική) συνθήκη του Bohr (2/2).
Πυρήνας
φωτόνιο
n = 4
Για κάθε ένα “άλμα”
ηλεκτρονίου από στιβάδα
nα μεγάλης ενέργειας Εα ,
σε στιβάδα ητ χαμηλότερης
ενέργειας Ετ, εκπέμπεται
ένα φωτόνιο.
h
f
h
f
Eφ





















Η συχνότητα του
φωτονίου είναι:

28. E1
E2
E3
E4
E5
E6
Ενέργεια
A B C D E
Lyman (UV)
UV
656 nm
486 nm
434 nm
410 nm
ιοντισμός
Οι αποδιεγέρσεις στο άτομο του υδρογόνου
στο πρότυπο Bohr.
A B C D
Balmer
ορατή
περιοχή
IR
A B C
Paschen

29. Ερμηνεία του γραμμικού φάσματος
εκπομπής και απορρόφησης των ατόμων υδρογόνου.
434 486 656 nm
410
σχισμή πρίσμα
λυχνία υδρογόνου
Οι ενέργειες των στιβάδων
είναι κβαντισμένες
(καθορισμένες).
Έτσι και οι συχνότητες
των εκπεμπόμενων ή
απορροφούμενων
φωτονίων είναι
καθορισμένες αφού είναι
ίσες με την τιμή :
h
Ε
Ε
f τ
α 

434 486 656 nm
410
λαμπτήρας πυράκτωσης

30. Λειτουργεί μόνο για τα άτομα του υδρογόνου ή τα υδρογονοειδή
(μονοηλεκτρονικά) ιόντα π.χ. 2Ηe+, 3Li2+ και έτσι δεν μπόρεσε να
ερμηνεύσει το φάσμα των ακτινοβολιών που εκπέμπουν τα
πολυηλεκτρονικά άτομα.
Οι αδυναμίες του προτύπου του Bohr
Δεν έχει την δυνατότητα να εξηγήσει τον χημικό δεσμό.
Είναι και αυτό σε αντίθεση με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία
(όπως και το πρότυπο του Rutherfond).