Stavba atomu

Obsah

Atom je z chemického pohledu nejmenší částice hmoty. Fyzikálními metodami jej ale lze rozštěpit na menší částice. Pro nás budou zajímavé pouze protony a neutrony nacházející se v jádře a elektrony, které se nalézají v elektronovém obalu a jsou odpovědné za vznik chemických vazeb.

Atomové jádro

Atomové je jádro je malá, ale velmi hmotná část atomu. V jádru nalézáme protony a neutrony. Počet protonů označujeme jako protonové (atomové) číslo (Z) a je také jedinečným identifikátorem chemického prvku, píšeme ho jako dolní index před značku prvku – ₆C, ₇N. Celkový počet protonů a neutronů (nukleonů) se označuje jako nukleonové číslo (A) , píšeme ho jako horní index před značku prvku – $^{12}_{\ \ 6}$C, $^{13}_{\ \ 6}$C, $^{14}_{\ \ 7}$N, $^{15}_{\ \ 7}$N.

Prvek – látka skládající se z atomů se stejným protonovým číslem.

Nuklid – látka skládající se z atomů se stejným protonovým a nukleonovým číslem.

Izotopy – atomy prvku s rúzným počtem neutronů, např. $^{12}_{\ \ 6}$C, $^{13}_{\ \ 6}$C, $^{14}_{\ \ 7}$N, $^{15}_{\ \ 7}$N.

Radionuklid (radioizotop) – nuklid s nestabilním jádrem. Samovolně se stabilizuje radioaktivním rozpadem.

Jaderný izomer – metastabilní stav jádra, jeden nebo více nukleonů jsou v excitovaném stavu. Stabilizace probíhá buď vyzářením fotonu nebo vnitřní konverzí, kdy se energie z jádra použije k ionizaci atomu. Označuje se písmenem m za nukleonovým číslem, např. ^99mTc.[6]

Relativní atomová hmotnost – je dána hmotnostním poměrem atomových hmotností jednotlivých izotopů prvku., např. chlor, který se v přírodě vyskytuje ve formě dvou izotopů: ³⁵Cl, jehož zastoupení je 75,53 % a ³⁷Cl, kterého je 24,47 %. Pak platí:

A_r(Cl) = w(³⁵Cl)A(³⁵Cl) + w(³⁷Cl)A(³⁷Cl) = 0,7553 . 34,97 + 0,2447 . 36,97 = 35,45

Stabilita atomových jader

Na stabilitu atomového jádra má vliv velikost vazebné energie jádra a poměr mezi počtem protonů a neutronů. U lehkých jader je tento poměr zhruba 1:1, se vzrůstajícím protonovým číslem dochází ke zvyšování přebytku neutronů oproti protonům. Nejvíce stabilních jader má protonové i neutronové číslo sudé, např. $^{12}_{\ \ 6}$C nebo $^{16}_{\ \ 8}$O. Naopak velmi vzácné jsou jádra s lichými počty protonů a neutronů, známe pouze čtyři: $^1_1$H, $^6_3$Li, $^{10}_{\ \ 5}$B a $^{14}_{\ \ 7}$N.

Radioaktivní přeměny

Pokud je v jádru nadbytek protonů, jádro se zpravidla samovolně přemění na stabilnější.

α-rozpad – je charakteristický pro těžší jádra, dochází k uvolnění α-částice, tzn. $^4_2$He²⁺, vzniklé jádro má pak protonové číslo nižší o dva a nukleonové o čtyři než původní jádro.

$$^{226}_{\ \ 88}\textrm{Ra} \rightarrow {^{222}_{\ \ 86}}\textrm{Rn} + {^{4}_{2}}\textrm{He}$$

V případě nadbytku neutronů může dojít k rozpadu neutronu na proton a elektron – částici β^– ($^{\ \ \ 0}_{-1}$e^–) a vzniklé jádro bude mít protonové číslo rovno Z+1 a nukleonové nezměněné.

$$^{32}_{15}\textrm{P} \rightarrow {^{32}_{16}}\textrm{S} + {^{\ \ \ 0}_{-1}}\textrm{e}$$

V případě nadbytku protonů může dojít k rozpadu protonu na neutron a pozitron – β⁺ ($^{\ \ \ 0}_{+1}$e⁺). Vzniklé jádro bude mít nezměněné nukleonové číslo a protonové číslo bude Z-1.

$$^{11}_{\ \ 6}\textrm{C} \rightarrow {^{11}_{\ \ 5}}\textrm{B} + {^{\ \ \ 0}_{+1}}\textrm{e}$$

Nadbytek protonů v jádře může být kompenzován i elektronovým záchytem, kdy proton zachytí elektron a vznikne neutron a elektronové neutrino (ν_e).

$${^{1}_{1}}\textrm{p} + {^{\ \ \ 0}_{-1}}\textrm{e}^- \rightarrow {^{1}_{0}}\textrm{n} + \nu_\textrm{e}$$

Vzniklé jádro bude mít protonové číslo rovno Z-1 a nukleonové nezměněné

$$^{7}_{4}\textrm{Be} + {^{\ \ \ 0}_{-1}}\textrm{e} \rightarrow {^{7}_{3}}\textrm{Li}$$

Vzhledem k tomu, že elektrony potřebné k záchytu pochází z elektronového obalu, je poločas reakce závislý na chemickém stavu atomu. Pokud budou elektrony ovlivněny elektronegativním ligandem, budou dále od jádra a pravděpodobnost záchytu se sníží. To lze pozorovat na sérii sloučenin s kyslíkovými ligandy:[7]

Sloučenina/ion	T_1/2 [dny]
[Be(H₂O)₄]²⁺	53,69
Be(OH)₂	53,42
BeO	54,23

Poločas rozpadu

Poločas rozpadu je charakteristika nestabilních jader, udává za jak dlouhou dobu dojde k rozpadu poloviny jader přítomných v systému. Jedná se o pravděpodobnostní veličinu. Jeho velikost se pohybuje od zlomků sekundy až po milióny let.

$$\frac{dN}{dt}=-\lambda N
\\
N(t) = N_0e^{-\lambda t}
\\
t_{\frac{1}{2}} = \frac{\ln 2}{\lambda} = \tau\ln 2$$

N – počet částic; N₀ – počet částic v čase 0; λ – rozpadová konstanta; τ – doba života jádra

Hodnota poločasu rozpadu se pohybuje od 10^-23 s do více než 10²² let pro izotop ¹²⁴Xe.

Elektronový obal

Obsahuje elektrony vázané k atomovému jádru. Tvoří asi 0,01 % hmotnosti atomu, ale zabírá většinu jeho objemu. Poloměr elektronového obalu je řádově 10^-10 m = Å. V elektronovém obalu se pohybují elektrony, což jsou částice se záporným nábojem a hmotností zhruba 1/1800 hmotnosti protonu. Počet elektronů v neutrálním atomu je shodný s počtem protonů. Bližší info je zde.

Rydbergovy atomu

Jako Rydbergovy atomy se označují atomy s elektrony excitovanými na hladiny s velice vysokou hodnotou hlavního kvantového čísla. Jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919), který se zabýval studiem vnitřní struktury atomů.

Elektronový orbital Rydbergova atomu vodík s n=12. Zdroj: Berndthaller/Commons

Tyto atomy lze připravit nárazem elektronu (electron impact) nebo interakcí s proudem iontů. Asi nejčastějším způsobem je excitace působením LASERu.