2.2 Sljedeća jedinica Izotopi i izobari
2.1

Građa atoma

Moći ću:
  • navesti svojstva subatomskih čestica u atomu
  • analizirati tijek i zaključke Ruthefordovog pokusa
  • upotrijebiti protonski i nukleonski broj u određivanju broja subatomskih čestica i vrste atoma

Uvod

Slikovito rečeno, naš planet i mi samo smo nastali iz zvjezdane prašine.
Ugljik u našem tijelu, silicij u stijenama, kisik u zraku i vodi,
željezo u konstrukcijama mostova i nebodera
nastali su kao posljedice eksplozije zvijezda.
Tako su nastali i ostali prirodni kemijski elementi koje poznajemo.

Uvod

Naš planet, pa i mi sami nastali smo, slikovito rečeno, iz zvjezdane prašine. Naime, ugljik u našem tijelu, silicij u stijenama, kisik u zraku i u vodi, željezo u konstrukcijama mostova i nebodera diljem svijeta, kao i ostali prirodni kemijski elementi koje poznajemo, nastali su kao posljedica eksplozije zvijezda.

Fotografija prikazuje zvijezde u Svemiru. Zvijezde su najrasprostranjenija nebeska tijela u Svemiru.
Zvijezde su najrasprostranjenija nebeska tijela u Svemiru.

Kemijski elementi su tvari koje se sastoje od samo jedne vrste atoma.

Do danas je poznato 118 kemijskih elemenata.
91 element se može pronaći u prirodi, a 27 elemenata je dobiveno u znanstvenim laboratorijima.

Richard Feynman (1918-1988.) je jedan od najvećih fizičara 20.stoljeća i američki nobelovac.
On je napisao knjigu ˝Šest lakih komada˝.
U toj knjizi je postavio ovo pitanje:
„Kada bi u nekoj kataklizmi sve znanje bilo uništeno
i kada bi budućim generacijama mogli ostaviti samo jednu rečenicu,
koja bi rečenica s najmanje riječi sadržavala najviše informacija?“

Poznati nobelovac je zaključio
da bi rečenica s najviše informacija bila hipoteza o atomu.
Ta rečenica u slobodnom prijevodu glasi:
˝Atomi su osnovne građevne jedinice većine tvari.˝

Kemijski elementi su tvari koje se sastoje od samo jedne vrste atoma.

Do danas je poznato 118 kemijskih elemenata, od kojih se 91 pronalazi u prirodi. Preostalih 27 elemenata dobiveno je u znanstvenim laboratorijima.

Jedan od najvećih fizičara 20. stoljeća američki je nobelovac Richard Feynman (1918. – 1988.). On je u svojoj knjizi „Šest lakih komada“ postavio pitanje:

„Kada bi u nekoj kataklizmi sve znanje bilo uništeno i kada bi budućim generacijama mogli ostaviti samo jednu rečenicu, koja bi rečenica s najmanje riječi sadržavala najviše informacija?“

Poznati nobelovac zaključio je da je to hipoteza o atomu, odnosno rečenica, u slobodnom prijevodu: Atomi su osnovne građevne jedinice većine tvari.

Atom tijekom povijesti

Propitivanjem teorija i unaprijeđivanjem eksperimentalnih postupaka, znanstvenici su sve više stjecali znanja o atomu.

Razvojem eksperimentalne fizike otkriveno je da se atomi
ne sastoje samo od protona, neutrona i elektrona.
Otkriven je velik broj čestica koje se dijele u četiri osnovne skupine:
1.kvanti polja (fotoni)
2.leptoni
3.barioni
4.mezoni
Teoretski fizičari pretpostavljaju da će se u budućnosti
eksperimentalno potvrditi veliki broj novih čestica.

Građa atoma

Atom je neutralna čestica koja se sastoji od
pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijenog elektronskog omotača.

Krajem 19. stoljeća i početkom 20. stoljeća došlo se do spoznaje da je
atom izgrađen od subatomskih čestica: protona, elektrona i neutrona.

Svojstva navedenih čestica su:

Proton, (p+), stabilna je subatomska čestica mase 1,673 × 10-27 kg, ima pozitivan elementarni naboj + 1,602 × 10-19 C, a nabojni broj mu je +1. Ime joj je dao E. Rutherford 1920. godine.

Neutron, (n), je neutralna subatomska čestica mase 1,675 × 10-27 kg. Nabojni broj neutrona je 0. Otkrio ga je 1932. godine J. Chadwick.

Elektron, (e), kao subatomsku česticu otkrio je 1897. godine J. J. Thomson. Masa elektrona iznosi 9,109 × 10-31 kg i ima negativan elementarni naboj – 1,602 × 10-19 C. Nabojni broj elektrona je -1.

Razvojem eksperimentalne fizike otkriven je velik broj čestica koje se uz protone, neutrone i elektrone nalaze u atomima. Dijelimo ih u četiri osnovne skupine: kvanti polja (fotoni), leptoni, barioni i mezoni. Teorijski fizičari pretpostavljaju da će se u budućnosti eksperimentalno potvrditi veliki broj novih čestica.

Građa atoma


Prisjetite se što ste u osnovnoj školi učili o građi atoma (vidite jedinicu 3.1 Građa atoma u DOS-u Kemija 7).


 

Atom je neutralna čestica koja se sastoji od pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijenog elektronskog omotača.

Krajem 19. stoljeća i početkom 20. stoljeća došlo se do spoznaje da je atom izgrađen od subatomskih čestica: protona, elektrona i neutrona.

Svojstva navedenih čestica su:

Proton, (p+), stabilna je subatomska čestica mase 1,673 × 10-27 kg, ima pozitivan elementarni naboj + 1,602 × 10-19 C, a nabojni broj mu je +1. Ime joj je dao E. Rutherford 1920. godine.

Neutron, (n), je neutralna subatomska čestica mase 1,675 × 10-27 kg. Nabojni broj neutrona je 0. Otkrio ga je 1932. godine J. Chadwick.

Elektron, (e), kao subatomsku česticu otkrio je 1897. godine J. J. Thomson. Masa elektrona iznosi 9,109 × 10-31 kg i ima negativan elementarni naboj – 1,602 × 10-19 C. Nabojni broj elektrona je -1.

 

Fotografija prikazuje shematski prikaz građe atoma. Atom je u središnjem dijelu prikazan kao svjetloplava kugla. Uvećano, atomska jezgra se sastoji od protona (crvene kuglice) i neutrona (žute kuglice). Elektoni su prikazani kao bijele kugle koje su razmještene oko atoma i osjetno su manje u odnosu na atom.
Shematski prikaz građe atoma

Elementarni se naboj označava slovom e. Vrijednost elementarnog naboja utvrđena je eksperimentalnim putem.

 

z = \dfrac{Q}{e}

z = nabojni broj

Q = električni naboj

e = elementarni naboj, e= 1,602 × 10-19 C

Nabojni broj električki nabijene čestice određen je omjerom naboja te čestice, Q, i elementarnog naboja, e, a označuje se slovom z.

Rutherfordov pokus

Početkom dvadesetog stoljeća dokazano je
da atomi nisu nedjeljive čestice.
Nakon tog otkrića, počelo se intenzivnije proučavati građu atoma.
Osnovne spoznaje o građi atoma dao je Ernest Rutherford.
Tijekom 1909. sa svojim suradnicima je načinio niz pokusa.
U tim pokusima je istraživao prolazak α-čestica (jezgre helijevih atoma)
kroz vrlo tanak listić zlata.
Najveći broj α-čestica čestica je prošao kroz listić zlata.
Dio α-čestica je skrenuo s pravocrtnog puta.
Neke α-čestice su se vratile natrag.
To vraćanje α-čestica je iznenadilo istraživače.

Elementarni se naboj označava slovom e. Vrijednost elementarnog naboja utvrđena je eksperimentalnim putem.

 

z = \dfrac{Q}{e}

z      =     nabojni broj

Q    =      električni naboj

e    =     elementarni naboj,       e= 1,602 × 10-19 C

Nabojni broj električki nabijene čestice određen je omjerom naboja te čestice, Q, i elementarnog naboja, e, a označuje se slovom z.

Rutherfordov pokus

Nakon što je početkom dvadesetog stoljeća dokazano da atomi nisu nedjeljive čestice (otkriće radioaktivnosti) počelo se intenzivnije proučavati građu atoma.

Osnovne spoznaje o građi atoma dao je Ernest Rutherford. Tijekom 1909. godine on je sa svojim suradnicima načinio niz pokusa istražujući prolazak α-čestica (jezgre helijevih atoma) kroz vrlo tanki listić zlata. Najveći je broj α-čestica prošao kroz taj listić, dio njih je skrenuo s pravocrtnog puta, a poneke α-čestice su se, na veliko iznenađenje istraživača, vratile natrag.

Ftografija prikazuje Rutherfordov eksperiment.
Rutherfordov pokus

Temeljem tog pokusa Rutherford je izradio fizički model atoma.
Rutherford je zaključio da su naboj i masa atoma
koncentrirani u njegovom središtu.
Do tog zaključka je došao zbog odbijanja
malog broja α-čestica od listić zlata
i otklona pojedinih α-čestica od pravocrtne putanje.
Središte atoma je kasnije nazvano jezgrom.
Najveći broj α-čestica je bez prepreka prošao kroz listić zlata.
Rutherford je zaključio da je atom najvećim dijelom prazan prostor.
Pretpostavio je da se u tom prostoru samo nalaze male,
negativno nabijene čestice, zanemarive mase.

Zahvaljujući (i) Ruthefordu, danas znamo da je atom sastavljen od
pozitivno nabijene jezgre i elektronskog omotača u kojem se gibaju negativno nabijeni elektroni.

Iako je masa atoma gotovo jednaka masi atomske jezgre,
jezgra zauzima jako mali dio volumena atoma.
Promjer jezgre iznosi od 10–15 m do 10–14 m.
Približan promjer atoma je 10–10 m.

Protonski i nukleonski broj

Broj protona u jezgri atoma naziva se
protonskim brojem i označuje slovom, Z.
Budući da je atom neutralna čestica,
broj protona i elektrona u atomu je jednak.
Uz broj protona u atomu, protonski broj označava i broj elektrona.

Z = N(p+) = N(e)

Osim protonskim brojem, Z, atom je određen i nukleonskim brojem, A.
Nukleonski broj, A, jednak je ukupnom broju nukleona (protona i neutron) u jezgri.

A= N(p+) + N(n)

Protonski broj, Z, piše se uz simbol kemijskog elementa, kao lijevi donji indeks, a nukleonski broj, A, kao lijevi gornji indeks.

Temeljem tog pokusa Rutherford je izradio fizički model atoma. Odbijanje malog broja α-čestica od listića zlata i otklon pojedinih α-čestica od pravocrtne putanje Rutheforda je navelo na zaključak da su naboj i masa atoma koncentrirani u njegovom središtu. To je središte kasnije nazvano jezgrom atoma.

S obzirom da je najveći broj α-čestica bez prepreka prošao kroz listić zlata, zaključio je da je atom najvećim dijelom prazan prostor. U tom se prostoru, pretpostavio je, nalaze samo male, negativno nabijene čestice zanemarive mase.

Zahvaljujući (i) Ruthefordu danas znamo da je atom sastavljen od pozitivno nabijene jezgre i elektronskog omotača u kojem se gibaju negativno nabijeni elektroni.

Iako je masa atoma gotovo jednaka masi atomske jezgre, jezgra zauzima jako mali dio volumena atoma. Naime, promjer jezgre iznosi od 10-15 m do 10-14 m, dok je približan promjer atoma 10-10 m.

Protonski i nukleonski broj

Broj protona u jezgri atoma naziva se protonskim brojem i označuje slovom, Z. Budući da je atom neutralna čestica, broj protona i elektrona u atomu je jednak. Stoga, uz broj protona u atomu, protonski broj označava i broj elektrona.

 

Z = N(\textrm{p}^+) = N(\textrm{e}^-)

 

Osim protonskim brojem, Z, atom je određen i nukleonskim brojem, A. Nukleonski broj, A, jednak je ukupnom broju nukleona (protona i neutrona) u jezgri.

A = N(\textrm{p}^+) + N(\textrm{n})

 

Protonski broj, Z, piše se uz simbol kemijskog elementa, kao lijevi donji indeks, a nukleonski broj, A, kao lijevi gornji indeks.

Shematski prikaz zapisa protonskog i nukelonskog broja .Nukleonski broje je označenslovom A, ptotonski broj je označen slovom Z.
Shematski prikaz zapisa protonskog i nukelonskog broja

Svi atomi istog protonskog broja čine kemijski element.

Riješite zadatke:
 
1. Koliki je naboj jezgre, QN, atoma natrija iskazan u coulombima?
Q_\textrm{N}(\ce{Na}) = \:?

 

2. Koliko iznosi naboj jezgre atoma bakra izražen u coulombima?
Q_{\textrm{N}}(\ce{Cu}) = \:?

Rješenja zadataka:
1.  zadatak

\begin{align} &Q_{\textrm{N}}\ce{(Na)} = Z\ce{(Na)} \cdot {\text{e}}\\ \\ &Q_{\textrm{N}}\ce{(Na)} = \pu{11 \cdot 1,602\times 10^{–19} \: C}\\ \\ &Q_{\textrm{N}}\ce{(Na)} = \pu{ 17,622\times 10^{–19} C \: = \: 1,762 \times 10^{–18} C} \end{align}

 

2. zadatak

Q_{\textrm{N}}\ce{(Cu)} = \pu{4,646 \times 10^{–18} C}

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Atomi A, B, C, D, E građeni su od sljedećih subatomskih čestica:
 

Tablica podataka
\ce{24p^{+}, \textrm{30n}, 24e^{–}} \ce{13p^{+}, \textrm{14n}, 13e^{–}} \ce{26p^{+}, \textrm{28n}, 26e^{–}} \ce{10p^{+}, \textrm{11n}, 10e^{–}} \ce{10p^{+}, \textrm{12n}, 10e^{–}}
A B C  D E


 

a) Koji atom ima najveći protonski broj?
b) Koji atomi pripadaju istom kemijskom elementu?
i
c) Koji atomi imaju isti nukleonski broj? 
i

 

Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Odredite ukupan broj protona, elektrona i neutrona u molekuli etanola, \ce{C_2H_5OH} , ako je građena od atoma \ce{^1H} , \ce{^{12}C} i \ce{^{16}O} .

N(p+) = 
N(e) = 
N(n) = 
Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Veličina i masa atoma

Atomi su vrlo sitne čestice, malog polumjera (ra ) i vrlo male mase (ma).
Primjerice, tako je polumjer atoma vodika, r_\textrm{a}\ce{(H)} , 37,3 pm, a polumjer atoma cezija, r_\textrm{a}\ce{(Cs)} , je 265,5 pm.

 

\pu{1 pm} = \pu{e-12 m}
r_\textrm{a}\text{(H)} =\pu{ 37,3e-12 m}
r_\textrm{a}\text{(H)} =\pu{ 0,000 000 000 0373 m}

 

Prilikom očitavanja tako napisanih brojeva lako je pogriješiti. Zbog toga ih pišemo u obliku znanstvenog zapisa. Znanstvenim zapisom broj pišemo kao umnožak decimalnog broja manjeg od 10 i odgovarajuće potencije broja 10.

 

r_\textrm{a}\ce{(H)} = \pu{3,73e-11 m}

r_\textrm{a}\ce{(Cs)} =\pu{0,000 000 000 2655 m}

r_\textrm{a}\ce{(Cs)} = \pu{2,655e-10 m}

 

Osim malih polumjera i mase atoma su vrlo male. Primjerice, masa atoma vodika je:

m_\textrm{a}\ce{(H)} = \pu{0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 673 \: kg } , odnosno m_\textrm{a}\ce{(H)} = \pu{1,673e-27 kg} .

Masa atoma cezija je:

m_\textrm{a}\ce{(Cs)} = \pu{0,000 000 000 000 000 000 000 000 2207 \: kg} , odnosno

m_\textrm{a}\ce{(Cs)} = \pu{2,207e-25 kg} .

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Gustoća jezgre atoma iznosi \pu{2 \times 10^{17}kg m-3} . Iskažite tu vrijednost u gramima po kubičnom centimetru.

Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Izračunajte duljinu srebrnog lančića, ako je broj atoma srebra
\pu{1,50 \times 10^{9}} , a polumjer atoma srebra 144,5 pm.
(Rezultat iskažite na jednu decimalu.)

Odgovor:

Duljina srebrnog lančića iznosi
cm.
Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Koliko je puta volumen atoma cirkonija veći od volumena atoma platine? Polumjer atoma cirkonija je 159 pm, a polumjer atoma platine je 137,3 pm.

(Rezultat iskažite na dvije decimale.)

Volumen atoma cirkonija veći je od volumena atoma platine

puta.

Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Izračunajte volumen atoma srebra, ako je polumjer atoma srebra r_\textrm{a}\ce{(Ag)} =\pu{ 144,5 \: pm} .
Rezultat iskažite na tri decimale.

V(Ag) =
× 10–23 cm3
Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Završetak

Osmislite i uključite se u istraživački miniprojekt.
Podijelite se u skupine.
Istražite povijesni razvoj ideje o građi atoma.
Pretražite mrežne stranice po ključnim pojmovima:
atom,razvoj spoznaja o građi atoma,
suvremene teorije o građi atoma
i sl.
Unutar skupine načinite mentalnu mapu u alatu Xmind .
Na taj način usustavite ključne pojmove
povezane s razvojem ideje o građi atoma.
Ključni pojmovi koje treba usustaviti su:
jezgra, električni omotač, elektron,
proton,neutron,nukleoni,nabojni broj: -1, nabojni broj: +1 itd.

Svoje uratke predstavite suučenicima u razredu.
Izaberite najkreativniju i najbolje usustavljenu mentalnu mapu.
Ne zaboravite istražiti i umetnuti u mentalnu mapu i
neke zanimljivosti iz života i rada Ruđera Boškovića.


Na temelju istraživačkog miniprojekta, radom u skupinama, istražite povijesni razvoj ideje o građi atoma. Pretražite mrežne stranice po ključnim pojmovima, npr. atom, razvoj spoznaja o građi atoma, suvremene teorije građe atoma i sl. Unutar skupine u alatu Xmind načinite mentalnu mapu i na taj način usustavite ključne pojmove povezane s razvojem ideje o građi atoma (jezgra, elektronski omotač, elektron, proton, neutron, nukleoni, nabojni broj: -1, nabojni broj: +1, itd.)

 

Svoje uratke predstavite suučenicima u razredu. Izaberite najkreativniju i najbolje usustavljenu mentalnu mapu. Ne zaboravite istražiti i umetnuti u mentalnu mapu i neke zanimljivosti iz života i rada Ruđera Boškovića.


 

Na kraju…

Riješite interaktivni kviz!

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Tvorcem ideje o atomu smatra se:

Netočno
Točno

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Smatrao je da su atomi točke, čestice bez dimenzija. Među točkama djeluju privlačne i odbojne sile, pri čemu na malim udaljenostima prevladavaju odbojne, a na većim udaljenostima privlačne sile između kojih se uspostavlja ravnoteža. Bio je genijalan i svestran um svoga vremena. On je:

Netočno
Točno

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Koliki je broj atoma srebra koji stane na duljinu od 25,0 cm ako je polumjer atoma srebra 144,5 pm.

Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Nadopunite tvrdnje o atomu elementa protonskog broja 48 i nukleonskog broja 110:

Ime elementa:
N(p+) =
N(e) =
N(n) =
Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Izračunajte broj neutrona u jezgrama atoma: a) ^{48}\ce{Ti} , b) ^{197}\ce{Au} , c) ^{208}\ce{Pb} .

Broj neutrona u jezgri navedenih atoma je:

a)  
,
b)  
,
c)  
.
Netočno
Točno

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Koliko nukleona ima atom rubidija, Rb s nukleonskim brojem 85.

Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?