Elektronová konfigurace atomů
Elektronová konfigurace atomů (1/9) · 8:47

Historie chápání atomu Hank Green z kanálu Crash Course nás provede historickým úvodem k chápání struktury atomu - od Démokrita až k Heisenbergovi!

Navazuje na Atomy a prvky.
Jak si představujete atom? Něco takového, nebo takového, nebo jeden z těchto? Pokud o atomech víte dost na to, abyste si představili něco takovéhoto, pak víte o atomové teorii víc, než věděli vědci před pouhými sto lety. A teda o hodně víc než si mysleli, že vědí, před 2500 lety. Tehdy přišel řecký filosof Leukippos a jeho žák Démokritos s nápadem, že se hmota skládá z maličkých částic. Jak je to napadlo, to nevíme. Ale částice pro ně nebyly nic zvláštního. Prostě si řekli, že když něco budete půlit dost dlouho, nakonec dostanete něco, co už rozpůlit nemůžete. Tyto částice pojmenovali "atomos", tedy nedělitelné. Podle nich bylo železo z částic železa, hlína z částic hlíny, a sýr z částic sýra. A atomy hmoty měly stejné vlastnosti jako hmota, kterou tvořily. Takže atomy železa měly být tvrdé a spojené háčky, atomy hlíny zase měkčí, spojené kulovými klouby, a atomy sýra měkoučké a chutné. Což dává docela smysl, pokud ovšem nemáte elektronový mikroskop nebo katodové trubice (CRT) nebo poznatky generací vědců před vámi. Protože to, jak vypadá atomová teorie teď, je výsledkem stovek či tisíců různých teorií. Některé modely, jako Leukippův, byly spíš výstřely do prázdna. Časem vznikaly pečlivými pokusy další modely. Ale jako vždy každý z vědců stavěl na poznatcích těch před ním. V posledních týdnech jsme mluvili o jemných detailech v chemii. V tom budeme také pokračovat, až budeme mluvit o jaderné a organické chemii. Ale ještě předtím bych chtěl objasnit, jak jsme přišli na to, co víme o atomu dnes, a že o něm ještě nevíme úplně všechno. Historie atomové teorie Mohlo by se zdát, že když Leukkipos a Démokritos přišli s pojmem atomů, někdo další v té myšlence bude jednoduše pokračovat. Ale to se nestalo. Výraznější vývoj v atomové teorii přišel až po 2300 letech. Už jsem zmiňoval například Francouze Antoina Lavoisiera. Ten formuloval zákon o zachování hmoty, podle něhož se hmotnost hmoty nemění, i když se změní její tvar či forma. A měli byste si pamatovat Jamese Daltona, který stanovil, že prvky existují jako samostatné balíčky hmoty. Díky těmto myslitelům jsme v 19. století lépe rozuměli obecnému chování atomů. Daší otázkou bylo: proč? Proč se atomy chovají tak, jak se chovají? To vedlo ke zkoumání struktury atomů. V 70. letech 19. století začali vědci dělat experimenty s výbojkami. To jsou plynem naplněné trubice s elektrodami na koncích. Když jimi prochází proud, vydávají světlo. Tedy vlastně neonové zářivky. Protože původně světlo produkovala záporná elektroda neboli katoda, říkalo se mu katodové záření, a mělo záporný náboj. Ale roku 1886 fyzik Eugen Goldstein zjistil, že i kladná elektroda vydává světlo, tedy vlastně paprsek v opačném směru. Hmota tedy musí mít i kladný náboj. Goldstein úplně nechápal, co vlastně objevil. Vědci tehdy ještě ani nevěděli, co může za záporný náboj v záření. Anglický fyzik J. J. Thompson pak posunul výzkum s výbojkami vpřed. Měřením tepla vydávaného katodovým zářením a toho, jak lze paprsky ohýbat například pomocí magnetů, byl schopen odhadnout hmotnost záření. To bylo tisíckrát lehčí než vodík, nejmenší tehdy známá část hmoty. Usoudil, že katodové záření nejsou ani paprsky, ani vlny, nýbrž velmi malé a lehké záporně nabité částice. Pojmenoval je korpuskule. My jim říkáme elektrony. Takže i když jsme nevěděli, jakou mají formu, věděli jsme, že složky hmoty jsou jak kladné, tak záporné. Další otázkou bylo: Jak jsou v atomu uspořádány? Thompson věděl, že celý atom je elektricky neutrální, představil si tedy záporné elektrony náhodně rozložené v kladně nabité matici. Jako Angličan přirovnal Thompson svůj model ke známému anglickému dezertu, pudinku s rozinkami. Pudink je matice a ovoce plovoucí v něm jsou elektrony. Dodnes se Thompsonovu modelu říká pudinkový model. Pohyb jednoho elektronu je sice náhodný, jejich celková distribuce nikoli. Další velký krok udělal Novozélanďan Ernest Rutherford roku 1909. Provedl pokus s velmi tenkým plátem zlata a clonou potaženou sulfidem zinečnatým. Ostřeloval plát zlata alfa částicemi, o kterých vlastně nevěděl nic než to, že vznikají při rozpadu radia, jsou kladně nabité, a že jsou velmi malé. Očekával, že bez odrazu proletí skrz plát, což byla mnohokrát pravda. Některé alfa částice se ale odrazily pod různými úhly, někdy i přímo nazpět. Jediné vysvětlení je, že kladný náboj, tedy náboj schopný odrazit alfa částici, musí být soustředěn ve velmi malé oblasti zvané jádro (nukleus). Protože většina alfa částic prošla skrz atom přímo, Rutherford správně usoudil, že atom je z většiny prázdný prostor. Později také zjistil, že dusík ostřelovaný alfa částicemi produkuje ionty vodíku. Správně odhadl, že tyto kladně nabité ionty jsou samy základními částicemi. Protony. Tím se začínáme blížit realitě. Tito chemici tedy docela dobře věděli, jaká je struktura atomu, a jen potřebovali zjistit, co přesně dělají elektrony. Na scénu vstupuje Niels Bohr. V roce 1911, kdy Rutherford zveřejnil výsledky pokusu s plátem zlata, Bohr přijel do Anglie studovat s Rutherfordem. Jako fyzika ho zajímal i matematický model Maxe Plancka a Alberta Einsteina vysvětlující chování elektromagnetické energie. A časem si uvědomil možnost aplikace matematických principů na model atomu. Jeho analýza pokusu s plátem zlata a výpočty založené na poměru částic, které prošly skrz, částečně vychýlených částic, a těch odražených nazpět, mu umožnily předpovědět pravděpodobný výskyt elektronů v atomu. Bohrův model, někdy nazývaný planetární, stále zná většina lidí, nejspíš i Vy. Znázorňuje elektrony v orbitech (drahách) okolo malého jádra uprostřed. Každá dráha může mít daný počet elektronů, který souvisí s energetickými hladinami a orbitaly v moderním modelu atomu. A ačkoliv má určitě chyby, je Bohrův model v mnoha ohledech blízký skutečnosti. Ale jako všichni, které jsem dosud zmínil, Bohr měl zároveň pravdu a taky byl dost mimo. Problémem byly ty otravné elektrony. Byl to německý teoretický fyzik Werner Heisenberg, který všem ukázal, jak je tento elektronový problém velký a ohromující. Zároveň ale pomohl tento problém rozmotat. Díky svým matematickým dovednostem zjstil, že je nemožné s určitostí znát jak hybnost elektronu či jiné elementární částice, tak jejich pozici. A čím víc víte o jedné z těchto proměnných, tím těžší je změřit tu druhou. Takže pokud nemůžete změřit hybnost či pozici elektronu, nemůžete ani říct, že se elektrony pohybují po kruhových orbitech. Heisenberg a nová vlna fyziků a chemiků tak navrhli novu teorii, kvantovou teorii. Podle ní nejsou elektrony částice ani vlny. Mají vlastnosti obou a ani jednoho. Rozmístění elektronů okolo jádra tak může být popsáno jen pomocí pravděpodobnosti. Čili existují oblasti, kde elektron najdeme pravděpodobněji než jinde. Těmto oblastem říkáme orbitaly. Víte, ty stejné orbitaly, o nichž jsme už mluvili, značíme je s, d, p, či f, a které tvoří sigma a pí vazby. To jsou věci, které Heisenbergova teorie předpovídá. A takové je moderní chápání atomu. Protože je kvantový model založený na pravděpodobnosti, atomy kreslíme jako oblak, kde intenzita barvy neznázorňuje elektrony, ale pravděpodobnost jejich výskytu v dané pozici. Tomuto oblaku se říká atomový obal. A teď to víte. Všichni zmínění i spousta dalších pomohli dát dohromady toto současné a podle mě docela elegantní chápání atomové teorie. Po 2500 letech, ačkoliv atomy nevidíme, víme jak vypadají a fungují, díky příspěvkům dlouhé řady vědců do této fantastické skládačky. Ale také je důležité uznat, že stále nemusíme mít úplnou pravdu. Thompsonovi současníci si byli jistí, že pudinkový model je správný. za Nielse Bohra vědci věřili, že planetární model je správný. A dnes sebevědomě věříme ve správnost kvantového modelu. Ale nemusí být úplně správný, a teď je řada na vás. Jediný způsob, jak si můžeme být jistí, je dál se ptát a provádět pokusy.
video