Struktura atomu
Přihlásit se
Struktura atomu (3/10) · 21:05

Úvod do atomu Atomy, protony, neutrony a elektrony.

Ve většině oborů musíte nejprve získat pokročilou znalost věcí, abyste mohli začít řešit otázky zajímavé z filozofického hlediska. V chemii ale začínáte hned uprostřed dění s tou filozoficky nejzajímavější částí, a to sice s konceptem atomu. A teorie atomu, jak o ní mnoho filozofů v minulosti filozofovalo, je zhruba taková: Říkali: "Hej, víš co?" Kdybych začal... třeba s jablkem, třeba s jablkem, a pořád a pořád bych ho krájel na menší a menší části... Raději to nakreslím- jablíčko připomínající ovoce a nikoli srdíčko. Zhruba takhle. Tady máte jablíčko, a to byste krájeli na menší a menší části. Nakonec byste dostali kousíček tak malý, že by to už dál nešlo. Jsem si jistý, že některý z filozofů to takhle opravdu zkoušel. A co cítili bylo nejspíš: Kdyby ten nůž byl trochu ostřejší, mohl bych ho krájet znovu a znovu. Takže tohle je zcela filozofická myšlenka, která není o moc odlišná od konceptu atomu, jak ho známe dnes. Je to opravdu jenom abstraktní myšlenka, která nám umožňuje popsat mnoho pozorovaných jevů, které vidíme ve vesmíru. Nicméně.. tito filozofové řekli, že v jistém bodě bude ta část jablka tak malá, že už krájet dále nepůjde. A té části říkali atom. A nemusí to být zrovna jablko, říkali, že toto platí pro kteroukoliv substanci, látku, prvek, se kterým se setkáte ve vesmíru. Slovo atom je řecky nedělitelný. Nedělitelný nebo nerozdělitelný. Nedělitelný. Teď ovšem víme, že atom je vlastně dělitelný a, i když to není triviální věc, není to nejmenší forma hmoty, kterou známe. Teď už víme, že atom se skládá z jíných fundamentálních částic. Nechte mě to napsat. Takže -máme neutron. A během chvilky nakreslím, jak všechny drží pospolu a také strukturu atomu. Máme neutron. Máme proton. A máme elektrony. Elektrony. S tímto jste se již určitě setkali, když se podíváte na stará videa o atomech. Uvidíte kresby, co vypadají zhruba takhle. Pokusím se jednu nakreslit. No. Takže budete mít něco takového. A potom budete mít tyhle "věci", co obíhají kolem, které vypadají zhruba takhle. Jejich oběžné dráhy vypadají zhruba takto. A možná takto. A princip těchto jaderných kreseb - a jsem si jistý, že jsou takové kresby stále v některých vládních obranných laboratořích - je, že jádro (nukleus) je nakresleno uprostřed atomu. Jádro je uprostřed atomu. A my víme, že jádro má neutrony a protony. Neutrony a protony. Později budeme i mluvit o tom, které prvky mají kolik neutronů a protonů. Sice teď budu používat slovo obíhat, ale asi během dvou minut si řekneme, že toto slovo je nesprávné, stejně jako představa toho, co elektron dělá, tj. že obíhá. Ale ta stará teorie je, že máte tyto elektrony které obíhají okolo jádra podobně jako planety, které obíhají kolem hvězd jako Země okolo Slunce, nebo Měsíc okolo Země. A bylo dokázáno, že tato teorie je ve skutečnosti mylná. A až budeme mluvit o kvantové mechanice, zjistíme, proč to nefunguje, zjistíme rozpory, které vyplouvají na povrch, když se pokusíme si představit elektron jako planetu obíhající okolo Slunce. Tato původní koncepce je ovšem nejpopulárnější způsob, jakým se dnes veřejnost dívá na atom. Řekl jsem, že atom je filozoficky zajímavý. Proč je filozoficky zajímavý? Protože to, co nyní považujeme jako správný pohled na atom opravdu rozmazává hranici naší fyzické reality a všechno ve světě je jen informace, protože neexistuje něco jako opravdová hmota, nebo opravdové částice, jak je definujeme v našem všedním životě. Protože pro mě je částice něco jako zrnko písku. Můžu to zvednout a dotknout se toho. Ale vlna, jako třeba zvuková, může být pouze změna energie za určitou časovou jednotku. Ale my se naučíme, hlavně u kvantové mechaniky, že všechno se to začíná zamotávat, jak se dostáváme do měřítek a velikostí atomů. Nicméně. Řekl jsem, že toto je špatný pohled na věc. Co je tedy správný pohled? Vychází najevo... Tohle je obrázek... No, ne přímo obrázek, spíš znázornění. Položil jsem velmi zajímavou otázku. Jak můžete mít obrázek atomu, když velikost vlnové délky světla, hlavně viditelného spektra, je o mnoho větší než velikost atomu. Vše ostatní, co pozorujeme v našem životě, je odražené světlo. Ale když se jedná o atom, je světlo, které vidíme, přlíliš hrubé a nepřesné, aby nám umožnilo atom vidět. Nicméně toto je zobrazení heliového atomu. Heliový atom má dva protony a dva neutrony. Nebo alespoň tento heliový atom má dva protony a dva neutrony. A způsob, kterým je zde znázorněno jádro - přímo tady, tyto červené mohou být protony a neutrony budou teda fialové. Fialová na mě působí víc jako neutrální barva. A tyto sedí uprostřed atomu. A ta "mlha" okolo jsou dva elektrony helia, nebo spíše dva elektrony, které má tento atom. Tento atom může elektrony získat nebo ztratit. Ale toto jsou ty dva elektrony. Ale jak mohou tyto elektrony být takovou mlhou nahromaděnou okolo atomu? A v tomto bodě se dostáváme k tomu, co je filozoficky zajímavé. Dráhu elektronu kolem jádra nemůžeme popsat tou tradiční myšlenkou o oběžné dráze, se kterou počítáme, když se podíváme na planety nebo když si představíme věci ve větším měřítku. Ukazuje se, že nemůžeme přesně určit směr a rychlost elektronu nebo místo, ve kterém se nachází v nějakém konkrétním čase. Vše, co můžeme určit, je pravděpodobnost toho, kde se nejspíš může nacházet. A způsob, kterým se to zde značí, je, že černá je větší pravděpodobnost tzn. že elektron najdete pravděpodobněji zde nežli třeba zde. Elektron ale může být všude. Může být i tady, i když je tu úplně bílo, s velmi nízkou pravděpodobností samozřejmě. A toto místo, kde elektron pravděpodobně je, se nazývá orbital. Orbital. Neplést s orbitou (oběžnou dráhou). Orbital. Oběžná dráha je něco takového. Jako když Venuše obíhá okolo Slunce, Je pro nás tedy velice jednoduché si to fyzicky představit. Kdežto orbital je ve skutečnostečnosti pravděpodobnostní funkce v matematice, která nám říká, kde nejspíše najdeme elektron. O tom budeme hovořit více až budeme mluvit o kvantové mechanice, ale rozhodně to nepatří do úvodu do lekcí chemie. Je to ale zajímavé, že? Chování elektronu je natolik bizarní, že mu ani nemůžete říkat částice.... Říká se mu částice, ale není částicí ve smyslu částice, se kterou se setkáváme v běžném životě. Je to něco, o čem ani nemůžete říct, kde to je. Může to být kdekoliv v této mlze. V budoucnosti se naučíme, že jsou různé tvary těchto mlh, jak přidáváme více a více elektronů do atomu. Ve mně to ale vyvolává filozofické otázky typu: co hmota vlastně je, a jak jsou věci ve skutečnosti skutečné? Nebo jak jsou reálné, tedy podle toho jak popisujeme realitu? No, nechci na Vás vybalit přespříliš filozovické otázky.... Ale pojmy jako elektron a proton jsou definovány nábojem. O tom jsme již mluvili, když jsme se učili o Coulombově zákoně. Můžete si tento zákon zopakovat ve fyzikálních lekcích. Myšlenkou je, že elektron má negativní, záporný náboj a proton, někdy se zapisuje takto, má pozitivní, kladný náboj. A neutron nemá žádný náboj. Takže to je to, co bylo zavádějící na původním modelu atomu. Řekli, dobře, tak tyhle částice mají pozitivní náboj. Řekněme, že toto jsou dva neutrony a dva protony. Řekněme, že to je heliový atom. Budeme mít tedy nějaké pozitivní náboje zde a negativní náboje zde. Opačné náboje se přitahují. Pokud mají tyto věci dostatečnou rychlost, pohybovali by se okolo tohoto, stejně jako planeta okolo Slunce. Nyní se však učíme, i když to je z části pravda, že čím dále je elektron od jádra, tím více má potenciální energie. Bude se tedy chtít pohybovat směrem k jádru, ale kvůli všem těm principům mechaniky a kvantové mechaniky nebude prostě jen tak obíhat kolem jádra jako třeba kometa kolem Slunce, ve skutečnosti je elektron trochu částice, ale trochu vlna (jako světlo), takže má pouze tu funkci pravděpodobnosti. Ale čím vzdálenější orbital, tím více má potenciální energie. Tím se budeme hodně zabývat v následujících videích. Jak poznáte, co je to prvek? Hodně jsem mluvil o filozofii, ale jak mám vědět, že tenhle atom je helium? Podle počtu jeho neutronů? Nebo snad jeho protonů? Nebo je to podle počtu jeho elektronů? Odpověď zní, podle počtu jeho protonů. Pokud znáte počet protonů v prvku, poznáte, který prvek to je. A počet protonů je definován jako protonové číslo. Dobrá. Řekněme, že něco má čtyři protony. Jak víme, co to je? Pokud jste si to nezapamatovali, můžete si to vyhledat v periodické tabulce prvků, se kterou se budeme v lekcích často setkávat. A pokud tedy řekneme, že má tento prvek čtyři protony, víme, že to je beryllium. Přesně zde. A protonové číslo vidíme zde. A to je doslova počet protonů. To je to, co odlišuje jeden atom od druhého. Pokud má prvek patnáct protonů, je to fosfor. A pokud má zničehonic sedm protonů, jedná se o dusík. Pokud osm tak se jedná o kyslík. A to je to, co definuje prvek. V budoucnosti budeme mluvit o tom, co se děje s nábojem a tak dále. Nebo co se stane, když odeberete či přidáte elektrony. To ovšem nemění druh prvku. A podobně, pokud změníte počet neutronů, také to nezmění druh prvku. To ovšem vyvolává zcela jasnou otázku, kolik máme neutronů a elektronů? Pokud je náboj atomu neutrální, znamená to, že má stejný počet elektronů. Řekněme, že máme uhlík C. Atomové číslo je 6. a řekněme že jeho nukleonové číslo je 12. Co to znamená? Ještě dodám, že tato částice je elektroneutrální - nemá žádný náboj. Je to neutrální atom. Protonové číslo uhlíku je 6. To nám říká, kolik přesně protonů má. Pokud bych tedy měl zde nakreslit model a já nejsem moc přesný... nakreslím šest -- dva, tři, čtyři, pět, šest protonů v jádru. A hmotnost těchto protonů, každý proton váží tolik, kolik odpovídá jedné atomové hmotnostní konstantě. Budeme se více zabývat, jak souvisí s kilogramy. Je to velmi malá část kilogramu. Je to zhruba 1.6 krát 10 na mínus 27 kilogramu. Řekněme tedy, že každý z těchto odpovídá jedné atomové hmotnostní konstantě, která odpovídá zhruba, tedy to co si myslím, 1.67 krát deset na mínus 27 kilogramů. To je velmi malé číslo. Toto je naprosto nemožné si představit. Tedy alespoň pro mě. Toto mi říká celkovou hmotnost uhlíkového atomu, tohoto uhlíkového atomu. Pro každý uhlíkový atom je tato hmotnost však jiná. A toto je vlasně hmotnost všech protonů plus hmotnost všech neutronů. Váha každého protonu odpovídá jedné atomové hmotnostní konstantě, stejně jako váha každého neutronu odpovídá jedné atomové hmotnostní konstantě, Toto je tedy celkový počet protonů plus počet neutronů. V tomto případě máme šest protonů, takže také musíme mít šest neutronů. Šest neutronů plus šest protonů. A kde jsou elektrony? No, řekl jsem, že je atom neutrální, čili jeden proton má stejně velký kladný náboj jako má elektron, jenže ten je záporný. Takže toto je neutrální atom, a má šest protonů a také má šest elektronů. Nakreslím to. Řekli jsme, že zde má šest neutronů. Jeden, dva, tři, čtyři, pět, šest. Takže toto zde je jádro a teď bychom nakreslili elektrony, no mohl bych je nakreslit jako skvrnu, ale pokud si to chceme lépe představit, řeněme, že je v pořádku, že bude obíhat 6 elektronů. Jedna, dvě, tři, čtyři, pět, šest. A budou se pohybovat okolo tímto nepředvídatelným způsobem, který bychom museli popsat pravděpodobnostní funkcí. Ta opravdu zajímavá věc na tom je, že většina hmotnosti atomu leží přesně tady. Možná jste si všimli, že když se lidé zajímají o hmotnost atomu, tedy o atomovou hmotnost, že ignorují elektrony! A to proto, že hmotnost protonu, jednoho protonu je rovná hmotnosti 1 836 elektronů! Takže při pomyšlení na celkovou váhu atomu se nemusí brát váha elektronů v potaz. Ve skutečnosti jde jenom o hmotnost jádra, která se počítá... Tady vidíte periodickou tabulku prvků a můžete říct, OK, mají tam protonové číslo. Protonové číslo kyslíku je osm, má tedy 8 protonů. Atomové číslo křemíku je 14. Má 14 protonů. A copak máme tady? U uhlíku.. U uhlíku mají napsáno 12.0107. Toto je relativní atomová hmotnost uhlíku. Napíšu to. Relativní atomová hmotnost uhlíku. Relativní atomová hmotnost uhlíku je 12,0107. A co to znamená? To znamená, že uhlík má 6 protonů a ten zbytek, těch zbývajících 6,0107 neutronů - počkat on má 6 a něco neutronu? Ne. Znamená to, že když zprůměrujete všechny různé verze uhlíku na této planetě dostanete toto číslo neutronů, založené na počtu různých typů uhlíku. Toto je průměr, který dostanete. Z toho vychází, že jsou dvě základní formy uhlíku. První z ních je uhlík -12. Ten vypadá takto. Tady máme šest protonů a tady šest neutronů. A pak další izotop uhlíku. Izotop je stejný prvek s rozdílným počtem neutronů. Další izotop uhlíku je uhlík-14, který je na této planetě daleko vzácnější. Nevíme, kolik ho je ve vesmíru, ale na naší planetě je ho dost málo. Pokud byste toto zprůměrovali, nedostali byste uhlík-13 s relativní atomovou hmotností uhlíku 13, ale tento uhlík-12 na Zemi převažuje, a proto je relativní atomová hmotnost nižší. Takto tedy vypadá skoro všechen uhlík, na který narazíte. Je tu i malá troška toho druhého. Takže pokud je podle tohoto zvážíte, průměr je toto. Takže většina uhlíku, kterou najdete, pokud byste ho někde našli, v průměru by jeho hmotnost byla 12,0107. Myšlenka izotopu je ale zajímavá. Pamatujte si, když měníte neutrony, neměníte tu podstatu, ten prvek! Získáte tím pouze jiný izotop a jinou verzi prvku. Takže obě tyto verze uhlíku jsou izotopy. Toto video bych chtěl zakončit tím, co je podle mě nejvíce zajímavé na atomech. A je to i ta filozoficky nejzajímavější část. Je to relativní velikost. Takže pokud máme tyto elektrony, které zastupují minimum hmotnosti atomu, jsou pouhou 1/2000 hmotnosti atomu. A dokonce elektrony, kterým můžeme sotva říkat částice, protože o nich ani nemůžeme říct, kde jsou a jak rychle se pohybují. Mají pouze pravděpodobnostní funkci . Většinu atomu tvoří jeho jádro. A toto je ta zajímavá věc. Pokud byste se podívali na atom, pokud byste si řekli "toto je můj atom". Řekněme, že já mám dva atomy, které jsou spolu spojené. A chci říct: Kolik z tohoto vlastně je opravdová věc? A když říkám "věc" je to velmi abstraktní pojem, vzhledem k tomu, že se bavíme o jádru. Protože jádro je to místo, kde je většina hmotnosti, všechna ta hmota. Jádro atomu je ale hrozně hrozně malá část celkového atomu. Je to těžké popsat, protože elektron může být naprosto kdekoliv, ale pokud považujete za objem atomu oblast, ve které se bude elektron nacházet v 90 % případů, potom jádro je, teda alespoň z mého pohledu, 1/10 000 objemu atomu! Když se nad tím zamyslíte, a na něco se podíváte, svojí ruku, nebo zeď nebo váš počítač, 99,999 % z toho je volný prostor. Nic to není. Je to vakuum. Pokud byste měli super malé - no řekněme částice nebo něco takového - téměř všechny by prošly skrz. V této chvíli již stojíme na pomezí reality a tážeme se na její pravost. Co tam je, když - a toto je fakt, žádná teorie - něco rozkrájíte na základní stavební kameny, dostanete se na atomickou úroveň, většina prostoru je pouhé vakuum... Pokud byste se dokázali na tuto úroveň zmenšit, prošli byste tím. Na tomto obrázku hélia píší, že tato vzdálenost je jeden femtometr. Souhlas? Jeden femtometr. Toto je velikost jádra heliového atomu. Jeden femtometr. Toto je jeden angström. Ten odpovídá 100 000 femtometrům. Jenom abyste si to představili, jeden angström je 1 krát 10 na mínus 10 metrů. Atom má tedy zhruba velikost jednoho angströmu. V případě helia je tedy jádro ještě menší část. Je to 1/100 000. Pokud byste měli kapalné helium, které by muselo být velmi chladné, většina z něj není nic. Pokud se podíváte na železnou trubku, tak většina z ní je prázdný prostor. A to ještě nemluvíme o tom, že uprostřed jádra je možná také nějaký prázdný prostor, k tomu se dostaneme. Pro mě je to ovšem velmi znepokojivé si představit, že vše kolem nás není ve skutečnosti tak jednolité. Všechno je to skoro jenom prázdný prostor, i když působí plně, díky způsobu odrazu světla a různým silám, které nás odpuzují. Ale není tu toho moc, na co si šáhnout. Všechno kolem nás je skoro jen prázdný prostor. Myslím, že jsem právě řekl slovo prázdný prostor, takže uvolním prostor a nechám další úžasné věci až do dalšího videa.
video