Atomovová a jaderná fyzika

Z čeho se skládá látka kolem nás? Co zapříčiňuje její vlastnosti?

Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda.gymjs.net) vytvořil V. Pospíšil (gdermog@seznam.cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme

do vaší budoucnosti

Modely atomu

Demokritos460 – 370 př.n.l.

Myšlenka, že látka není spojitá, má strukturu a skládá se z atomů pochází z antiky. Propagovali ji filozofové jako Demokritos, Epikuros a další.

Pierre Gassendi1592 – 1655

Isaac Newton1643 – 1727

Na antický atomismus navazovali mnozí filozofové a fyzikové novověku, např. francouzský matematik a astronom Pierre Gassendi nebo Isaac Newton. Pro

své domněnky však neměli jediný důkaz.

Modely atomu

V devatenáctém století nastupuje atomismus chemický. Francouzský chemik J. Proust při

studiu redukčně-oxidačních reakcí zjistil, že látky se slučují jen v určitých hmotnostních poměrech.

Joseph L. Proust1754 – 1826

John Dalton1766 – 1844

Anglický chemik J. Dalton dále zjistil, že některé chemické prvky se mohou

slučovat i ve více poměrech.

O C CO

O C CO2O

Obě tyto zákonitosti (Zákon stálých poměrů slučovacích, Zákon násobných poměrů slučovacích) lze vysvětlit tak, že prvky se

skládají z atomů a sloučeniny z molekul – spojení několika atomů.

Modely atomu

Joseph L. Gay-Lussac1778 – 1850

Amadeo Avogadro1776 – 1856

Hypotézu atomů potvrdily i další objevy. Francouzský fyzik J. L. Gay-Lussac přišel na další zákon chemického slučování. Zjistil, že slučují-li se některé plyny, vstupují

do reakce vždy jejich stejné nebo násobné objemy. To se dá vysvětlit tak, že ve stejných objemech různých plynů

je stejný počet atomů.

Ve zbylých případech se objem plynů mění – např. při slučování jednoho dílu chloru a jednoho dílu vodíku vznikají dva díly chlorovodíku. Tuto nejasnost vysvětlil italský fyzik a chemik

Avogadro zákonem který říká, že ve stejných objemech různých plynů je při stejném tlaku a teplotě vždy stejný počet molekul. Přitom předpokládal, že některé prvky v plynném

stavu nejsou jednoatomové, ale jsou tvořeny molekulami (např. H2 či Cl2, které pak dají vzniknout dvěma molekulám HCl).

Objev elektronu

Joseph J. Thompson1856 - 1940

J. J. Thompson roku 1897 vysvětlil katodové paprsky pomocí proudu nabitých částic, jakýchsi „částeček

elektřiny“. Pro tyto částice se ujal název elektron. Ze zakřivení drah elektronů v magnetickém poli určil

Thompson měrný náboj elektronu, tj. veličinu e/me .

Robert Millikan1868 - 1953

Americký fyzik R. Millikan prováděl v roce 1910 řadu pokusů k určení

hodnoty elektrického náboje elektronu, tzv. elementárního náboje. Spolu s

hodnotou e/m pak bylo možné usoudit na hmotnost elektronu.

J. J. Thompson je pokládán za objevitele první elementární částice, elektronu. Spolu s Millikanem určili

základní vlastnosti této částice – náboj a hmotnost.

kgm

Ceq

e

e

31

19

10110.9

10602.1

Objev elektronu

Katodové paprsky

Měření e/m

Millikanův experiment

FeFg

Olejové kapičky

Nabité desky

Millikanův experiment

Objev atomového jádra

Ernest Rutherford1871 - 1937

Poznatek, že elektrony vyletují z atomů vyvrátil odvěkou představu o nedělitelnosti a nastolil otázku jejich

struktury. J. J. Thompson se domníval, že kladný náboj je rovnoměrně rozložen v celém objemu atomu a

elektrony v něm vězí jako rozinky v pudinku. Odtud název „Pudinkový model atomu“

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Tuto hypotézu vyvrátili roku 1911 E. Rutherford a jeho

spolupracovníci ve slavném experimentu rozptylu záření α

na tenké zlaté fólii.

Objev atomového jádra

Proud α částic

Tenká zlatá fólie

Rozptýlené α částice

Scintilátor

Lehce rozbíhavý kužel

Předpověď výsledku Rutherfordova pokusu, kdyby platila Thompsonova rozinková teorie stavby atomu.

Rutherfordův pokus

Atom se skládá z malého, kladně nabitého jádra, ve kterém je soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu, zabírá však minimální zlomek jeho celkového objemu. Kladný náboj jádra a záporný náboj elektronového obalu se navzájem ruší.

Planetární model atomu

V návaznosti na Rutherfordův pokus byl atom popisován pomocí planetárního modelu. Jádro zde

fungovalo jako slunce, kolem nějž po kruhových orbitách létaly

elektrony. Jejich přitažlivost ovšem nebyla dána gravitační interakcí,

nýbrž elektromagnetickou.

Dle klasické elektrodynamiky nabitá částice, která se pohybuje se

zrychlením, vyzařuje elektromagnetické vlny a ztrácí tak energii. Klasická fyzika tedy předpovídala, že elektrony musí

velmi rychle ztratit pohybovou energii a spadnout na jádro (v čase cca 10-7 s). Tento paradox nebylo možno vysvětlit

bez pomocí kvantové teorie.

Bohrův model atomu

Niels Bohr1885 - 1962

Dánský fyzik Niels Bohr v roce 1913 použil závěrů kvantové mechaniky, že částici lze popsat jako vlnu. V jeho modelu atomu se elektrony mohou držet vždy na přesně daných kruhových orbitech, a to na takových, kde mohou vytvořit stojaté vlnu. Tam, kde by výsledná interference byla destruktivní se elektrony nalézat nemohou. Proto není možné, aby po spirále spadly na jádro a atom zůstává stabilní.

Stojatá vlna na kruhovém orbitu

Destruktivní interference na kruhovém orbitu

Bohrův model atomu

Na základě Bohrova modelu bylo možné vysvětlit, proč se spektra,

která emitují vybuzené atomy, skládají z diskrétních čar. Na každém orbitu má elektron

specifickou energii. Při přechodu mezi orbity ji musí pohltit nebo

vyzářit ve formě fotonu. A jelikož jsou orbity diskrétní, rozdíly

energií mezi nimi jsou přesně dané.

Elektrony při přechody mezi orbity (hladinami) vyzařují nebo přijímají

vždy stejné a přesně dané množství energie. V příslušných spektrech

jsou pak jen určité diskrétní barvy.

Bohrův model atomu

Niels Bohr1885 - 1962

Problémy:

• Nedokázal vysvětlit chemickou vazbu

• Odporoval Heisenbergovu principu neurčitosti

• Nedokázal vysvětlit rozštěpení energetických hladin v magnetickém poli

Pozorování atomových spekter

2

6.13

n

eVEn

n=1n=2

UV Lymanova série

Optická Balmerova série

Rozštěpení energetických hladin v mg. poli

Spektrum vodíku pozorované v silném magnetickém poli.

Běžné spektrum sodíku.

Řešení Schrödingerovy rovnice pro atom

r

e

zyxmti

2

02

2

2

2

2

22

4

1

2

Erwin Rudolf Josef Alexander

Schrödinger

1887 - 1961 tzyx ,,,

Vyřešilo se

Existují funkce Ψ, řešící Schrödingerovu rovnici, kterých je

v souladu s Bohrovou teorií diskrétní počet. Oproti Bohrově

teorií je jich však více a mohou být charakterizovány tzv. kvantovými

čísly.

Kvantová čísla atomu vodíku

Symbol Název Dovolené hodnotyn Hlavní kvantové číslo 1, 2, 3, … *)

l Orbitální kvantové číslo 0, 1, 2, … , n-1

m Magnetické kvantové č. -l, … +l

tzyxnlm ,,,

*) Každá s funkcí Ψnlm odpovídá jednomu povolenému stavu elektronu v obalu (orbitalu). Za běžných podmínek se všechny funkce se stejným n navenek projevují stejně a dohromady odpovídají jednomu orbitu v Bohrově modelu atomu.

Částice popsaná vlnovou funkcí již vyhovuje Heisenbergovým relacím neurčitosti, neboť |Ψ|2 udává pouze pravděpodobnost výskytu částice, nikoliv přesnou polohu a hybnost.

Řešení Schrödingerovy rovnice pro atom v mg. poli

Br

e

zyxmt

i 2

02

2

2

2

2

2

4

1

2

1

Každý další jev se v principu dá vyřešit přidáním příslušného členu do Schrödingerovy rovnice a nalezením vyhovujících Ψ.

Pieter Zeeman 1865 - 1943

V silném magnetickém poli se některé energetické hladiny v atomovém obalu rozštěpí. Tento jev objevil holandský fyzik Pieter Zeeman. Zeeman tento jev vysvětlil jako inter-akci mezi magnetickým polem a magnetickým dipólovým momentem (souvisí s orbitál-ním momentem).

Potenciál mg. dipólu v magnetickém poli

Zjednodušený výklad Zeemanova jevu

I

Magnetický moment elektronu

Vnější magnetické pole

Vnější mg. pole interaguje s orbitálním mg. polem elektronu a nutí jej zaujmout jinou „dráhu“ s jinou energií.

Rozštěpení energetických hladin v mg. poli

Spektrum vodíku pozorované v silném magnetickém poli.

Běžné spektrum sodíku.

A co tohle?

Situace bez magnetického pole – spin elektronu

Každá částice mikrosvěta má kromě vlastností, jež mají analogii v makrosvětě (poloha, hybnost) i vlastnosti, jež analogii nemají. Jednou takovou vlastností je spin, který zapříčiňuje, že většina elementárních částic má vlastní magnetický dipólový moment. Spin je do jisté míry analogie k rotaci, na rozdíl od koule ale „rotaci“ elektronu nelze zastavit, zrychlit ani zpomalit. Jeho pole může být orientováno pouze dvěmi směry, což odpovídá „rotaci“ vlevo a vpravo, jeho velikost je však základní fyzikální konstantou.

Nabitá rotující koule má mg. dipólový moment, protože náboje na jejím povrchu tvoří proudové smyčky.

Spin

Elektron považujeme za bezrozměrnou (bodovou) částici, je u něj však možné pozorovat vlastní magnetické pole podobné, jako má rotující koule. Proto je možné přiřadit elektronu vlastní moment hybnosti. Tato veličina se nazývá spin. Shodnost s momentem hybnosti rotující koule je však velice povrchní.

Moment hybnosti

p

r

prL

L

L

Spin

Spin je čistě kvantová veličina. Pro kvantové veličiny platí některá na první pohled nepochopitelná omezení – jako například nemožnost měření některých veličin současně. To je obsahem tvrzení Heisenbergova principu neurčitosti.

Hybnost a polohu částice (kvanta) nelze současně určit s libovolnou přesností. Určíme-li přesně polohu, neznáme hybnost částice vůbec – a naopak. Nepřesnosti v určení hybnosti a polohy jsou spolu svázány následujícími vztahy:

2/

2/

2/

hpz

hpy

hpx

z

y

x

Měříme-li x-ovou složku polohy objektu přesně, jde nepřesnost měření x-ové

složky hybnosti k nekonečnu a naopak. Nelze tedy měřit x-ové složky polohy a hybnosti částice současně. To samé

platí i pro další složky polohy a hybnosti.

Spin

Existují i další veličiny, které nelze měřit současně, například:

• X-ové složky polohy a hybnosti

• X-ové složky polohy a momentu hybnosti

• X-ové složky hybnosti a momentu hybnosti

• Další odpovídající si složky těchto vektorových veličin

• Libovolné dvě různé složky momentu hybnosti

• Libovolné dvě složky spinu

Je možné přesně určit jednu složku momentu hybnosti a jeho velikost, další dvě složky zůstávají z principu neurčitelné.

Spin je čistě kvantová veličina. Pro kvantové veličiny platí některá na první pohled nepochopitelná omezení – jako například nemožnost měření některých veličin současně. To je obsahem tvrzení Heisenbergova principu neurčitosti.

Spin

Je možné přesně určit jednu složku momentu hybnosti a jeho velikost, další dvě složky zůstávají z principu neurčitelné.

z

x

y

Z-ová složka momentu hybnosti (Lz)

Velikost momentu hybnosti

2222zyx LLLL

Kužel, který „opisuje“ moment hybnosti se známou hodnotou z-ové souřadnice a

velikosti.

Spin

Jak z-ová složka momentu hybnosti, tak velikost hybnosti jsou kvantované – mohou

nabývat pouze diskrétních hodnot.

z

x

y

z

x

2

2

0

Spin

z

x2

6L

2

0

Počet možných hodnot délky orbitálního momentu hybnosti a jeho z-ové složky udávají již známá

kvantová čísla:

• l …. orbitální kvantové číslo (0, 1, … , n-1) určuje počet možných délek momentu hybnosti

• m … magnetické kvantové číslo ( -l, … +l ) určuje počet možných z-ových složek momentu hybnosti

Pozn. : délky i velikosti složek kvantových momentů hybnosti se měří v jednotkách

l = 2 (tj. )

m = -2, -1, 0, 1, 2

2h

2

Spin

z

x

y

Spin elektronu má pouze jednu hodnotu velikosti a dvě možné hodnoty z-ové

souřadnice.

2

3S

2

1zS

Směr osy z je možno zvolit libovolný a pro volný elektron jsou všechny směry stejné. Pokud se

ovšem elektron nachází v (homogenním) magnetickém poli, je vhodné volit směr z souhlasný

se směrem intenzity pole.

Spin

Magnetický moment elektronu

Vlastní moment hybnosti elektronu (spin) může vůči orbitálnímu

magnetickému poli nabýt pouze dvou orientací. Energetická hladina se tak rozštěpí na dvě blízké podhladiny.

Spin

Kvantová čísla atomu vodíku

Symbol Název Dovolené hodnotyn Hlavní kvantové číslo 1, 2, 3, …

l Orbitální kvantové číslo 0, 1, 2, … , n-1

m Magnetické kvantové č. -l, … +l

s Spin +1/2 , -1/2

tzyxnlms ,,, Každá s funkcí Ψnlms odpovídá jednomu povolenému stavu elektronu v obalu (orbitalu). Za běžných podmínek se všechny funkce se stejným n navenek projevují stejně a dohromady odpovídají jednomu orbitu v Bohrově modelu atomu.

Wolfgang Pauli

1900 - 1958

Pauliho vylučovací princip – což je další ze základních principů kvantové mechaniky – říká, že dvě částice s poločíselným spinem nemohou být zároveň v jednom kvantovém stavu. V elektronovém obalu je proto každý stav obsazen nejvýše jedním elektronem – díky čemuž mají různé atomy různé chemické vlastnosti.

Objev neutronu

H He

H

H

He

1x m

1x q

2x m

1x q

3x m

1x q

3x m

2x q

4x m

2x q

Částice tvořící jádro vodíku bylo nazváno proton. Záhy se ale ukázalo, že vodíku jsou tři varianty, další dvě jsou cca a 2x a 3x těžší, a že další prvek (dvojnásobný náboj) má čtyřnásobnou hmotnost. Později se ukázalo, že existuje i varianta s pouze trojnásobnou hmotností. Z jakých dalších částic se tedy jádra skládají? Nachází se v nich kromě protonu ještě další částice, která nemá náboj, je ale stejně těžká?

Objev neutronu

James Chadwick(1891-1974)

1920 – předpověď existence neutronu 1932 – objev neutronu (Chadwick)

Toto záření bylo původně považováno za gamma (stejně pronikavé, neutrální), nicméně se našly rozdílné vlastnosti – například nevybíjelo

elektroskopy (absence fotoefektu).

Atomové jádro

Proton

Neutron

Elektron MeV511.0m0

MeV56.939m0

MeV27.938m0

Částice tvořící atomy byly ve třicátých letech byly považovány za elementární.

NAZ X

chemická značka prvku

počet nukleonů (protony + neutrony)

počet protonů počet neutronů

1

1

1 1NAZ X 2

2

2 2NAZ X

izotopy Z1 = Z2 stejný počet protonů

izotony N1 = N2 stejný počet neutronů

izobary A1 = A2 stejný počet nukleonů

izomery vše = různé E hladiny

Tabulka nuklidů

Z

N

NAZ X

Tabulka nuklidů – údolí stability

Hmotnost a vazebná energie jádra

Každá jednotlivá částice v jádře má svoji klidovou energii E = m0c2. Stejně tak má klidovou energii jádro. Tyto energie (a tedy hmotnosti) si ale nejsou rovny.

pnHe mmm 22

Úbytek hmotnosti je dán vazebnou energií – tedy energií, která byla uvolněna při

„svázání“ částic jádra dohromady.

Evolné částice svázané částice

úbytek energie

Hmotnost a vazebná energie jádra

Každá jednotlivá částice v jádře má svoji klidovou energii E = m0c2. Stejně tak má klidovou energii jádro. Tyto energie (a tedy hmotnosti) si ale nejsou rovny.

pnHe mmm 22

Úbytek hmotnosti je dán vazebnou energií – tedy energií, která byla uvolněna při

„svázání“ částic jádra dohromady.

volné částice částice interagují vázané částice

2mcE

Hmotnost a vazebná energie jádra

Hmotnost atomu, hmotnost jádra a součet hmotností nukleonů se liší. Pro jednoduchost byla zavedena univerzální jednotka, založena na hmotnosti běžného izotopu uhlíku :

kg

MeVcu

CMu

27

2

126

1066.1

481.931

12

)(

relativní atomová hmotnostní jednotka

2),( cmZAZmXM eeAZ

hmotnost jádra hmotnost elektronů

vazebná energie elektronového

obalu0?e 0e

Hmotnost a vazebná energie jádra

V tabulkách jsou hmotnosti obvykle udávány v MeVc-2 nebo v násobcích u – tzv. relativní hmotnosti :

Proton

Neutron

Elektron u-40 10899 5.485MeV511.0m

u665 1.008MeV56.939m0

u276 1.007MeV27.938m0

2)(),( cmZAmZAZm np hmotnost protonů

hmotnost neutronů

vazebná energie jádra

2)(),( cmZAmZAZm np Vazebná energie jádra

Hmotnost a vazebná energie jádra

Vazebná energie jádra je až na znaménko rovna práci, kterou je potřeba vynaložit na rozsekání jádra na jednotlivé nukleony. Na toto je třeba práci vždy vynaložit! Jiná situace nastává, když rozsekáme jádro ne na nukleony, ale jen na několik menších částí, nebo když několik lehčích jader spojíme, pak můžeme práci i získat. Pro popis těchto jevů je dobré zavést ještě jednu veličinu, a to vazebnou energii na 1 nukleon:

2)(),( cmZAmZAZm np

AV

Hmotnost a vazebná energie jádra

Fúze viz přednáška Ing. Svobody

Energie z hvězd.

Jaderné štěpení

Všechny prvky od uranu výš se štěpí samovolně – rozpadají se na menší jádra. Systém má po rozpadu nižší energii než před ním, přebytek energie se vyzáří ve formě fotonů a předá se úlomkům jako kinetická energie. Pravděpodobnost štěpení můžeme výrazně zvýšit přidáním neutronu do jádra.

energie1021

23692

23592

10

2

2

1

1 nkYYUUn A

ZAZ

Základní, nejjednodušeji realizovatelná štěpná reakce. Vstupní neutron musí být pomalý, reakce pak má vysokou pravděpodobnost, že proběhne.

Stejně snadno probíhají štěpné reakce s izotopy a , ty jsou však vzácné.P23994 U233

92Pro další štěpné reakce, například na , je třeba použít rychlé neutrony a reakce U238

92

jsou mnohem méně pravděpodobné.

Rychlé neutrony – energie > 1 eV

Pomalé neutrony – energie < 1 eV.

Tepelné neutrony – nejpravděpodobnější energie kolem 0.025 eV. rychlost m/s

hu

sto

ta p

ravd

.

rozdělení rychlostí v plynech

Rychlost, energie a teplota spolu

souvisí přes tzv. Maxwell-

Boltzmannovo rozdělení.

Jaderné štěpení

Štěpení běžnějšího uranu 238 rychlými neutrony je technicky mnohem obtížnější než štěpení 235U.

U23892

U23592

účinný průřez (pravděpodobnost) štěpeníúč

inný

prů

řez

reak

ce (

barn

)

energie nalétávajícího neutronu (eV)

tepe

lné

ne

utro

ny

Jaderné štěpení

t

x

pohlcení neutronu

oscilace

~10-14 s ~10-20 s ~10-17 s ~10-14 s

~10-12 s

~1 min

rozp

ad

jádr

a

vzdalování

odštěpků

n

n

okamžité neutrony

deexcitace

zastavení odštěpků

n

zpožděné neutrony

časový diagram štěpné reakce

Jaderné štěpení

řetězová reakce Sch

éma

zobr

azuj

e id

eáln

í př

ípad

. V

e sk

uteč

nost

i se

mno

ho n

eutr

onů

ztra

tí –

ule

tí z

rea

kční

zón

y ne

bo z

inte

ragu

je ji

ným

způ

sobe

m.

Jaderné štěpení

Počet zužitkovaných neutronů pro další štěpení lze vyjádřit číslem:

utekabsorbstepenipalivo PPkPP kde Ppalivo je pravděpodobnost, že emitovaný neutron zasáhne jádro uranu, Pstepeni pravděpodobnost, ze v takovém případě dojde k štěpné reakci a k je průměrný počet neutronů emitovaných při jedné reakci (2 až 3). Pabsorb je pak pravděpodobnost toho, že se neutron chytí v něčem jiném, než v palivu a Putek je pravděpodobnost opuštění aktivní zóny.

0podkritický stav – reakce má tendenci se zastavit

0kritický stav – reakce

běží a lze ji kontrolovat

0nadkritický stav – rychlost

reakce exponenciálně vzrůstá

Jaderné štěpení

n10

moderace

pohlcování neutronů

reaktorový jed

B105 Cd110

48

Xe13554

Jaderné reaktory v ČR

JE Temelín

JE Dukovany

Výzkumné reaktrory LVR-15 a LVR-0 v ÚJV Řež

Školní reaktor FJFI ČVUT

Školní reaktor FJFI VR-1

Typ: lehkovodní, bazénový

                  

Nominální výkon:

1kW (tepelný), krátkodobě 5kW

Palivo: Typ IRT-4M, obohacení do 20 % uranem 235Rozměry nádob:

vnitřní průměr 2300 mm, výška 4720 mm, tloušťka stěny 15 mm

Stínění :boční: demineralizovaná voda min. 850 mm + těžký beton 950 mm nad aktivní zónou: 3000 mm vrstva demineralizované vody

Provozovatel: FJFI -katedra jaderných reaktorů

Elektrický náboj a hustota jádra

Rozložení náboje v jádru lze zjistit pomocí ostřelování materiálu elektrony.

][ fmr

hust

ota

nábo

je

2 4 6 8

He

MgAu

R

][ fmr

hust

ota

nábo

je

5,0 0,1 5,1 0,2

p

n

Rozložení náboje v protonu a neutronu odpovídá 3 bodovým částicím …

mr

ArR15

0

0

1045.1

31

elektrický poloměr jádra

Použijeme-li elektrický poloměr jako odhad poloměru geometrického, vyjde nám pro hustotu jaderné hmoty:

3173

03

0343

34

103.14

3

kgmr

m

Ar

mA

R

mA

V

m uuu

Pro srovnání – hustota vody je přibližně 1000 kgm-3. Koule z jaderné hmoty o hmotnosti země by měla poloměr cca 200 m. Krabička od zápalek naplněná jadernou hmotou by vážila jako

několik plně naložených nákladních vlaků.

Spin jádra

Jak proton, tak neutron jsou částice, které mají spin ½. Jádro, které se z nich skládá, pak může mít spin různý – to závisí na přesném složení a konfiguraci protonů a neutronů. Závisí na tom, zda je počet protonů a neutronů sudý či lichý a kolik částic jádro obsahuje. Obecně lze říct :

Jádro je licho-liché : sudý počet částic

Spin jádra je celočíselný : I = 1, 2, 3, …

Jádro je sudo-liché nebo licho-sudé : lichý počet částic

Spin jádra je poločíselný : I = ,,, 25

23

21

Jádro je sudo-sudé : sudý počet částic spárované po dvou

Spin jádra je celočíselný : I = 0

Každé jádro s nenulovým spinem má rovněž nenulový magnetický dipólový moment. Pro jádra v základním stavu byl naměřen spin z intervalu <0, 8>. Například

8,7 20483

17671 BiILuI

Spin jádra

Důkaz existence kvantovaného magnetického dipólového momentu jádra (a tedy spinu) podal Stern-Gerlachův experiment.

Otto Stern1888-1969

Walter Gerlach1889 - 1979

Energetické stavy jádra

Stejně jako elektronový obal je i jádro členěno na energetické hladiny. Protony a neutrony mají zvlášť své energetické stavy.

V jádře hrají obrovské vlivy vazby mezi orbitálním magnetickým momentem částic a jejich spinem (v elektronovém obalu jsou tyto efekty velmi malé).

Energetické hladiny jádra jsou proto velmi složité a dají se spočítat jen přibližně.

Elektromagnetické vyzařování atomu

IR, viditelné, UV

E ≈ eV

rentgen

E ≈ keV

gamma

E ≈ GeV

Jaké druhy elektromagnetického záření pohlcují/vyzařují částice v atomu při přechodu mezi hladinami?

Shrnutí

• Starověký atomizmus, chemický atomizmus

• Objev elektronu

• Objev atomového jádra – Rutherfordův pokus

• Bohrův model atomu

• Řešení Schrödingerovy rovnice pro atom vodíku

• Zeemanův jev

• Spin

• Kvantová čísla, Pauliho vylučovací princip

• Objev neutronu

• Atomové jádro, tabulka nuklidů

• Hmotnost a vazebná energie

• Jaderné štěpení

• Náboj a hustota jádra

• Spin jádra, Stern-Gerlachův pokus

• Energetické hladiny jádra