Elektronový obal (atomová fyzika)

při zkoumání el. obalu napomáhá spektroskopie (Balmer, 1885 - spektrum vodíku)
Bohr (1913) - poprvé popsal zákonitosti mezi stavbou vodíku a jeho spektrem
Při přechodu atomu z energetického stavu E_n do stavu E_m (E_n>E_m) atom vyzáří foton s frekvencí f:
hf=E_n-E_m


Energie atomů je kvantována:

experimentální ověření - Franck-Hertzův pokus (1912-14)

elektrony jsou mezi K a M urychlovány
brzdné napětí U´ mezi M a A brání elektronům s menší energií než eU´ doletět na A

pozorovány velké poklesy anodového proudu I_A pro U=n5 V
vysvětlení - pro Hg: E₂-E₁=5 eV
E_e<5eV => srážky elektronů s atomy Hg jsou pružné, elektron doletí k A
E_e5eV => elektron předá energii atomu Hg => Hg přejde do excitovaného stavu, vyzáří přijatou energii ve formě záření; elektron nedoletí k A => poklesne anodový proud I_A

Vysvětlení, proč je energie elektronů kvantována:
Uvažujeme-li pohyb částice vázaný na úsečku délky L a vlnovou povahu částice, pak na úsečce vzniká stojatá vlna
n=1
n=2
n=3
...
Částice se nachází jen v určitých stavech charakterizovaných celým číslem n.
L=nλ_n/2
λ_n=2L/n
v=h/(mλ)
E=½mv²=½mh²/(mλ_n)²=n²h²/(8mL²)


Modely atomů

1) Pudinkový (Thomsonův) model
koule pudinku představuje kladný náboj atomu, rozinky představují elektrony
vyvrácen objevem jádra (Rutherford 1911)

2) Planetární (Rutherfordův) model
analogie pohybu elektronu kolem jádra s pohybem planet ve sluneční soustavě
rozpor s pozorováním

3) Bohrův model
elektrony obíhají jen po určitých kruhových drahách, energii přijímají nebo vyzařují jen přechodem z jedné dráhy na druhou
ověření Franck-Hertzovým pokusem
platí uspokojivě jen pro vodík
poloměr atomu vodíku: r_n=r₁n²
rychlost elektronu: v_n=v₁/n
energie atomu: E_n=E₁/n², E₁=-13,6eV

4) Sommerfeldův (slupkový) model
elektrony obíhají po eliptických drahách, které se stáčí
stav elektronu je určen 3 kvantovými čísly
hlavní kvantové číslo n
- určuje energii a velikost elektron. orbitalu
n=1,2,3,...
vedlejší kvantové číslo l
- určuje tvar orbitalu
l=0,1,2,...,n-1
magnetické kvantové číslo m
- určuje orientaci elektron. orbitalu v prostoru
m=0,±1,±2,...,±l
hlavnímu kv. číslu n odpovídá n² kvantových stavů
spinové kvantové číslo s
- určuje orientaci elektronu
s=±½
celkem hlavnímu kv. číslu n odpovídá 2n² kvantových stavů

5) Schrödingerův (kvantový) model
kvantová čísla n,l,m vychází z řešení tzv. Schrödingerových rovnic

6) Diracův model
z řešení Schrödingerových rovnic vychází i spinové číslo

Periodická soustava
2 zákony, které nemají v makrosvětě obdobu:
1) Princip nerozlišitelnosti částic
- všechny elektrony jsou zcela stejné, nelze je rozlišit (narozdíl od kvant. stavů, které jsou rozlišeny kvant. čísly)
2) Pauliho vylučovací princip (z r. 1924)
- v daném systému nemohou současně existovat dva elektrony v témž kvantovém stavu ( se stejnými hodnotami n,l,m,s)
- platí pro fermiony(např. elektrony, neutrony, protony), neplatí pro bosony (např. fotony)

Lasery
atomy při přechodu z vyššího (excitovaného) stavu E₂ do nižšího stavu E₁ mohou vyzářit foton: hf₂₁=E₂-E₁
absorpce fotonu - elektron přejde do excitovaného stavu spontánní emise - náhodný přechod

luminiscence - spontánní emise - nekoherentní světlo (např. zářivky, obrazovky, světlušky)

buzení atomu:
a) interakcí s částicí
b) vysokou teplotou
c) ozářením

Stimulovaná emise (popsal Einstein 1916)

foton s frekvencí f_mn dopadne na atom v excitovaném stavu, přiměje ho k přechodu do nižšího stavu za vyzáření dalšího fotonu - oba mají stejnou frekvenci a fázi, jsou koherentní
celý proces se může lavinovitě opakovat

metastabilní hadiny - excitované energetické hladiny, v nichž atomy setrvávají relativně dlouho (řádově 10^-8s)

He-Ne laser

sráža He a elektronu => metastabilní hladina E₃
srážka He (ve stavu E₃) s Ne (E₀) => atomy Ne do stavu E₂ (více obsazená než E₁)
při přechodu NE z E₂ do E₁ se vyzáří foton o vln. délce 633 nm (červené světlo) a spustí stimulovanou emisi dalších fotonů
opakovanými odrazy na zrcadlech vzniká koherentní svazek laserového světla