1. ATOM, BUDOWA, ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY

Budowa atomu

Atom zbudowany jest z jądra i poruszających się w przestrzeni wokół jądra elektronów:
- jądro, zawiera nukleony: protony, cząstki o ładunku dodatnim, oznaczane jako p⁺ lub , oraz neutrony, cząstki obojętne, oznaczane jako
- elektrony, cząstki obdarzone ładunkiem ujemnym i poruszające się w przestrzeni wokół jądra. Elektron jest około 1840 razy lżejszy od nukleonu, dlatego ma znikomy wpływ na masę atomu. Oznacza się go jako e^- lub . W atomie liczba elektronów jest zawsze równa liczbie protonów.

Pierwiastek – jest zbiorem atomów o tej samej liczbie atomowej Z.

Atomy większości pierwiastków tworzą izotopy. Są to odmiany danego pierwiastka różniące się liczbą masową A. Atomy należące do jednego izotopu danego pierwiastka (nuklidy) mają taką samą liczbę A i Z.

Masa atomowa – masa średniego składu izotopowego atomów danego pierwiastka, wyrażana w atomowych jednostkach masy u.

u = 1/12 masy atomu węgla ¹²C = 1,66^.10^-27 kg

Promieniotwórczość

Okres połowicznego rozkładu (zaniku), inaczej okres półtrwania (t_1/2) – czas, po którym ulegnie rozpadowi połowa jąder nuklidów promieniotwórczych zawartych w próbce.

Ilość substancji promieniotwórczej, która pozostaje po czasie równym n okresów połowicznego rozpadu wynosi 1/2^n.100% (lub 1/2^n.masa początkowa próbki).

- antyneutrino n - neutrino (cząstki o znikomej masie spoczynkowej, bez ładunku)

W przemianach promieniotwórczych zawsze spełniona jest zależność:

Elektrony w atomie

Określonemu stanowi energetycznemu elektronu w atomie odpowiada zespół następujących liczb kwantowych, które kwantują (porcjują) wielkości fizyczne związane z energią elektronu:

Orbital atomowy to funkcja falowa y z określoną kombinacją liczb kwantowych opisująca stan elektronu w atomie. Kontur orbitalu (potocznie – niepoprawnie! – również nazywany orbitalem) to określona przestrzeń wokół jądra, gdzie jest największe prawdopodobieństwo napotkania elektronu opisywanego przez ten orbital. Orbitalne o takiej samej wartości głównej liczby kwantowej tworzą powłokę (poziom energetyczny). Podpowłoka to zbiór orbitali mających takie same liczby kwantowe n i l – orbitalne te mają taką samą energię, lecz ich kontury są różnie ułożone w przestrzeni.

Typ orbitalu i kształt jego konturu zależy od wartości pobocznej liczby kwantowej l:

Ilość orbitali danego typu (podpowłok) związana jest z wartościami, jakie może przyjmować magnetyczna liczba kwantowa m_l dla danej wartości pobocznej liczby kwantowej l (orbital m_{l –} krotnie zdegenerowany):

gdy l=0, m_l może przyjmować wartość 0, jedna wartość dla m_l – 1 orbital

gdy l=1, m_l może przyjmować wartości -1, 0, 1, trzy wartości dla m_l – 3 orbitale

gdy l=2, m_l może przyjmować wartości -2, -1, 0, 1, 2, pięć wartości dla m_l – 5 orbitali

Dla głównej liczby kwantowej n ilość wszystkich podpowłok jest równa n².

Literowe symbole powłok związane są z wartością liczby n dla danej powłoki:

W powłoce n znajduje się n² wszystkich podpowłok. Na każdej powłoce mogą znajdować się 2 elektrony, czyli na powłoce n może znajdować się maksymalnie 2n² elektronów.

Zasady zapełnienia orbitali:

1. Zasada minimum energii. Elektrony obsadzają orbitale atomowe według wzrastającej ich energii, poczynając od najniższego: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

2. Reguła Hunda: Orbitale o tej samej energii zapełniane są w ten sam sposób, by jak najwięcej było elektronów niesparowanych. Elektrony niesparowane obsadzające daną podpowłokę mają jednakową orientacją spinu.

3. Zakaz Pauliego: Każdy elektron w atomie musi różnić się od pozostałych co najmniej jedną liczbą kwantową. Na danym orbitalu wartości n, l, m_l, S są określone, a tylko m_s może być różne. Dlatego dany orbital może być zajęty maksymalnie przez 2 elektrony o różnych spinach

Elektrony walencyjne – elektrony z ostatniej powłoki elektronowej, ewentualnie z 2 niecałkowicie zapełnionych podpowłok sąsiednich powłok – np. 4s i 3d. Decydują o właściwościach chemicznych atomu i biorą udział w tworzeniu wiązań chemicznych.

Rdzeń atomowy – część atomu pozostała po odrzuceniu elektronów walencyjnych.

Promocja elektronowa – zmiany konfiguracji elektronowej, występuje w przypadku niektórych pierwiastków, polegające np. na przejściu elektronu z podpowłoki ns na podpowłokę (n-1)d, jak w przypadku atomów chromu i miedzi:

Promocja elektronowa występuje dla pierwiastków 6 i 9 grupy.

Zapis konfiguracji elektronowej (na przykładzie siarki):

Stan podstawowy – stan, w którym elektrony zajmują najniższe możliwe poziomy energetyczne.

Stan wzbudzony – stan, w którym elektron (lub elektrony) zaabsorbował kwant energii i znajduje się na wyższym poziomie energetycznym.

Promienie atomowe i jonowe

Największe promienie atomowe mają w danym okresie atomy litowców, najmniejsze fluorowców. W obrębie grupy promień atomowy rośnie. Dla wszystkich pierwiastków: promień anionu > promień atomu > promień kationu.

Energia jonizacji E_j – ilość energii, jaką trzeba dostarczyć, by oderwać elektron od atomu.

Powinowactwo elektronowe E_p – ilość energii, jaką uzyskuje się przy przyłączeniu elektronu do obojętnego atomu.

Elektroujemność – tendencja atomów danego pierwiastka do przyciągania elektronów.

Bloki w układzie okresowym

Atomy pierwiastków należących do jednej grupy mają taką samą liczbę elektronów walencyjnych.

Atomy pierwiastków należących do jednego okresu mają jednakową liczbę powłok elektronowych, zgodną z numerem okresu.

Atomy pierwiastków należących do jednego bloku mają podobną konfigurację elektronowych powłok walencyjnych.

Blok s obejmuje grupę 1 i 2 oraz wodór i hel. Elektrony walencyjne tych pierwiastków opisywane są orbitalem ns, gdzie n to numer okresu, do jakiego należy dany pierwiastek.

Blok p obejmuje pierwiastki z grup 13 ÷ 18 (bez helu), których elektrony walencyjne opisywane są orbitalami ns i np.

Blok d obejmuje grupy 3 ÷ 12. W tym bloku elektrony walencyjne opisywane są orbitalami ns i (n-1)d.

Blok f należą do niego lantanowce i aktynowce.

Pytania kontrolne

Sprawdź swoje wiadomości rozwiązując test z budowy atomu i promieniotwórczości