1. ΑΤΟΜΙΚΑ
ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ
Ενέργεια του ηλεκτρονίου στο
άτομο του υδρογόνου
Διακριτές ενεργειακές στάθμες
Μηχανισμός παραγωγής και
απορρόφησης φωτονίων
Ακτίνες Χ
2. Συστατικά της ύλης:
Δημόκριτος – Λεύκιππος:
η ύλη αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια, τα οποία δεν μπορούν
να διαιρούνται απεριόριστα και γι' αυτό ονομάστηκαν ά-τομα
(δηλαδή άτμητα).
Επίκουρος:
με βάση τις ατομικές αντιλήψεις του Δημόκριτου περιγράφει,
την πίεση που ασκούν τα αέρια,
τη διάχυση των οσμών και
το σχήμα των κρυστάλλων.
Πλάτωνας – Αριστοτέλης:
καταπολεμούν την ατομική θεωρία η οποία έπεσε σε αφάνεια μέχρι
το 19ο αιώνα…
Dalton:
επανέφερε την ατομική θεωρία, για να εξηγήσει τους νόμους της
Χημείας που ανακάλυψε πειραματικά.
5. Τελικά έχει δομή…
Thomson: ανακάλυψη του ηλεκτρονίου → το
άτομο έχει εσωτερική δομή και επομένως δεν
είναι άτμητο!
Πρότυπο του Thomson:
το άτομο αποτελείται από μια σφαίρα θετικού
φορτίου, ομοιόμορφα κατανεμημένου, μέσα
στο οποίο είναι ενσωματωμένα τα ηλεκτρόνια
(σταφιδόψωμο – plum pudding model).
8. Βελτιωμένο πρότυπο:
Rutherford:
Πείραμα: μια δέσμη θετικά φορτισμένων σωματίων α
κατευθύνεται σε λεπτό μεταλλικό φύλλο χρυσού.
Σύμφωνα με το πρότυπο του Thomson, η δέσμη των σωματίων α
δε θα πρέπει να αποκλίνει σημαντικά για τους εξής λόγους:
α. Το ολικό ηλεκτρικό φορτίο του ατόμου είναι μηδέν και
επομένως δεν ασκείται ηλεκτρική δύναμη στα σωμάτια α, όσο
αυτά βρίσκονται στο εξωτερικό του ατόμου.
β. Επειδή το θετικό ηλεκτρικό φορτίο είναι ομοιόμορφα
κατανεμημένο, δεν μπορεί να ασκεί σημαντική απωστική δύναμη
στα σωμάτια α, όσο αυτά βρίσκονται στο εσωτερικό του ατόμου.
γ. Η σύγκρουση των σωματίων α με το ηλεκτρόνια δεν επηρεάζει
σημαντικά την κίνησή τους, γιατί τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ
μικρότερη μάζα.
10. Παρατήρηση και ερμηνεία του
πειράματος του Rutherford
Παρατήρηση: Τα περισσότερα από τα σωμάτια α διέρχονται μέσα
από το στόχο σχεδόν ανεπηρέαστα, σαν να κινούνται μέσα σε
σχεδόν κενό χώρο, αρκετά αποκλίνουν σε διάφορες γωνίες, λίγα
όμως αποκλίνουν κατά 180°.
Ερμηνεία: Το άτομο αποτελείται από μία πολύ μικρή περιοχή στην
οποία είναι συγκεντρωμένο όλο το θετικό φορτίο και σχεδόν όλη
η μάζα του ατόμου (πυρήνας). Ο πυρήνας περιβάλλεται από
ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινούνται γύρω από τον
πυρήνα σε κυκλικές τροχιές (αν ήταν ακίνητα, θα έπεφταν πάνω
στον πυρήνα εξαιτίας της ηλεκτρικής έλξης που δέχονται από
αυτόν).
(πλανητικό μοντέλο του ατόμου)
13. Ατομικά φάσματα
Γραμμικό φάσμα εκπομπής: Όταν εφαρμόσουμε
ορισμένη τάση σε γυάλινο σωλήνα που περιέχει
αέριο σε χαμηλή πίεση τότε θα παρατηρήσουμε ότι
το αέριο εκπέμπει φως. Αν το φως αυτό αναλυθεί
περνώντας μέσα από ένα πρίσμα, τότε θα
παρατηρήσουμε μια σειρά από φωτεινές γραμμές.
Κάθε γραμμή αντιστοιχεί σε ένα διαφορετικό μήκος
κύματος ή χρώμα.
Τα μήκη κύματος που περιέχει το γραμμικό φάσμα
εκπομπής είναι χαρακτηριστικά του στοιχείου που
εκπέμπει το φως. Δεν υπάρχουν δύο διαφορετικά
στοιχεία που να έχουν το ίδιο φάσμα εκπομπής.
(δακτυλικό αποτύπωμα)
15. Ατομικά φάσματα
Γραμμικό φάσμα απορρόφησης: Αν ανάμεσα σε
πηγή λευκού φωτός και ένα πρίσμα τοποθετηθεί
γυάλινο δοχείο που περιέχει κάποιο αέριο, τότε θα
παρατηρήσουμε ότι η χρωματιστή ταινία (συνεχές
φάσμα του λευκού φωτός) διακόπτεται από
σκοτεινές γραμμές.
Οι σκοτεινές γραμμές εμφανίζονται σε εκείνες
ακριβώς τις συχνότητες στις οποίες εμφανίζονται οι
φωτεινές γραμμές του φάσματος εκπομπής του
ίδιου αερίου!
17. Συνοπτικά:
α. Το φάσμα εκπομπής ή απορρόφησης ενός αερίου αποτελείται από ορισμένες
φασματικές γραμμές που είναι χαρακτηριστικές του αερίου. Κάθε γραμμή
αντιστοιχεί σε ορισμένη συχνότητα (ή μήκος κύματος).
β. Κάθε γραμμή του φάσματος απορρόφησης του αερίου συμπίπτει με μια γραμμή
του φάσματος εκπομπής του. Δηλαδή κάθε αέριο απορροφά μόνο εκείνες τις
ακτινοβολίες τις οποίες μπορεί να εκπέμπει.
Το μοντέλο του Rutherford αδυνατεί να εξηγήσει τα γραμμικά φάσματα των
αερίων γιατί: το ηλεκτρόνιο περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλική
τροχιά, η κατεύθυνση της ταχύτητάς του συνεχώς μεταβάλλεται και επομένως το
ηλεκτρόνιο έχει επιτάχυνση, άρα σύμφωνα με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία, το
ηλεκτρόνιο εκπέμπει ακτινοβολία, δηλαδή ενέργεια. Η ενέργειά του θα πρέπει να
μειώνεται συνεχώς με συνέπεια να κινείται σε σπειροειδή τροχιά με διαρκώς
μειούμενη ακτίνα και με διαρκώς μεταβαλλόμενη συχνότητα μέχρι να πέσει στον
πυρήνα…
Η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας θα πρέπει να είναι ίση με τη
συχνότητα περιφοράς του ηλεκτρονίου, η οποία μεταβάλλεται συνεχώς, δηλαδή
σύμφωνα με το μοντέλο του Rutherford:
τα άτομα θα έπρεπε να εκπέμπουν συνεχές φάσμα και όχι γραμμικό!
18. Το πρότυπο του Bohr για το
υδρογόνο
Παραδοχές:
α. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου περιφέρεται γύρω από
τον πυρήνα υπό την επίδραση της δύναμης Coulomb.
β. Το ηλεκτρόνιο μπορεί να κινείται μόνο σε ορισμένες τροχιές
επιτρεπόμενες τροχιές.
Για τις τροχιές αυτές : L=n·ћ=n·(h/2π), (για n=1,2,3…)
όπου το μέτρο της στροφορμής του ηλεκτρονίου δίνεται από την
εξίσωση: L=p·r=m·u·r
γ. Όταν το ηλεκτρόνιο κινείται σε ορισμένη επιτρεπόμενη τροχιά,
δεν εκπέμπει ακτινοβολία (σε αντίθεση με την ηλεκτρομαγνητική
θεωρία…)
δ. Όταν το ηλεκτρόνιο μεταπηδήσει από μία επιτρεπόμενη τροχιά
σε άλλη μικρότερης ενέργειας, τότε εκπέμπεται ένα φωτόνιο με
ενέργεια ίση με τη διαφορά μεταξύ της αρχικής και της τελικής
του ενέργειας, δηλαδή ισχύει: Εαρχ-Ετελ=h·f=Eφ
20. Ολική ενέργεια ηλεκτρονίου
(στο άτομο του υδρογόνου!)
Το ηλεκτρόνιο
περιφέρεται γύρω από
τον ακίνητο πυρήνα, ο
οποίος αποτελείται από
ένα πρωτόνιο, υπό την
επίδραση της
ηλεκτρικής ελκτικής
δύναμης (Coulomb)
που του ασκεί και που
παίζει ρόλο
κεντρομόλου δύναμης:
C K
2 2
2
F F
e u
k m
r r
k
u e (1)
mr
=
=
=
21. Ολική ενέργεια ηλεκτρονίου
(στο άτομο του υδρογόνου!)
► Κινητική ενέργεια:
► Δυναμική ενέργεια:
► Ολική ενέργεια:
2(1)
21 e
K mu K k
2 2r
= ⇒ =
2
e
U k
r
= −
2
e
E K U E k
2r
= + ⇒ = −
22. Επιτρεπόμενες τροχιές και
τιμές ενέργειας
Επιτρεπόμενες τροχιές : rn=n2
·r1, (για
n= 1,2,3… κύριος κβαντικός αριθμός) όπου
r1=0,53 10-10
m η μικρότερη ακτίνα
επιτρεπόμενης τροχιάς του ηλεκτρονίου →
ακτίνα του Bohr
Επιτρεπόμενες τιμές ενέργειας : En=E1/n2
, (για
n= 1,2,3… κύριος κβαντικός αριθμός)
όπου Ε1= -13,6eV η ενέργεια του
ηλεκτρονίου όταν κινείται στην τροχιά με την
μικρότερη ακτίνα
23. ΔΙΑΚΡΙΤΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ
Επιτρεπόμενες τιμές ενέργειας
ενεργειακές στάθμες ενεργειακές καταστάσεις
Η ενεργειακή κατάσταση με τη χαμηλότερη
ενέργεια, E1= - 13,6eV θεμελιώδης
κατάσταση.
Ενεργειακές καταστάσεις με υψηλότερη
ενέργεια Ε2 ,Ε3, … διεγερμένες
καταστάσεις.
25. Διέγερση και ιονισμός:
Διέγερση του ατόμου Η μετάβαση ενός ηλεκτρονίου
του ατόμου από μία τροχιά χαμηλής ενέργειας σε άλλη
υψηλότερης ενέργειας.
Η ενέργεια που απαιτείται για τη διέγερση του ατόμου =
ενέργεια διέγερσης.
Ιονισμός του ατόμου Η απομάκρυνση ενός
ηλεκτρονίου του ατόμου σε περιοχή εκτός του
ηλεκτρικού πεδίου του πυρήνα.
Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται, για να
απομακρυνθεί το ηλεκτρόνιο του ατόμου από τη
θεμελιώδη τροχιά σε περιοχή εκτός του ηλεκτρικού
πεδίου του πυρήνα, ονομάζεται ενέργεια ιονισμού.
Για το άτομο του υδρογόνου: Ειονισμού=Ε∞-Ε1=-Ε1=13,6eV
26. Αποδιέγερση
Αποδιέγερση του ατόμου Η μετάβαση
ενός ηλεκτρονίου του ατόμου από μία τροχιά
υψηλότερης ενέργειας σε άλλη χαμηλής
ενέργειας.
Η ενέργεια του φωτονίου που εκπέμπεται
κατά την αποδιέγερση του ατόμου = ενέργεια
αποδιέγερσης.
27. Hint!
Είναι χρήσιμο κυρίως για τη συντομία των
πράξεων στις ασκήσεις μας (και όχι μόνο), να
θυμόμαστε την ενέργεια Ε κάθε ενεργειακής
στάθμης αλλά και τις ενεργειακές μεταβολές
κατά τη διέγερση ή την αποδιέγερση του
ηλεκτρονίου, δηλαδή τα ακόλουθα:
Ε1=-13,6eV, E2=-3,4eV, E3=-1,51eV, E4=-0,85eV αλλά και
Ε1,2=10,2eV, E1,3=12,09eV, E1,3=12,75eV,
(E2,3=1,89eV, E2,4=2,55eV, E3,4=0,66eV)
29. 1. Διέγερση με κρούση
Όταν ένα σωματίδιο (π.χ. ηλεκτρόνιο, ιόν ή
άτομο) συγκρουστεί με ένα άτομο
υδρογόνου, το ηλεκτρόνιο του ατόμου μπορεί
να απορροφήσει ικανή ποσότητα ενέργειας
και να μεταπηδήσει σε τροχιά μεγαλύτερης
ενέργειας (διέγερση).
Στη συνέχεια, αποδιεγειρόμενο, εκπέμπει
φωτόνιο (ή φωτόνια)!
31. 2. Διέγερση με απορρόφηση ακτινοβολίας
Όταν το άτομο υδρογόνου απορροφά ένα
φωτόνιο, που έχει τόση ενέργεια όση
ακριβώς απαιτείται, για να μεταπηδήσει σε
τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας.
Στη συνέχεια, αποδιεγειρόμενο, εκπέμπει
φωτόνιο (ή φωτόνια)!
32. Η επιτυχία και η αποτυχία του
πρότυπου του Bohr:
περιγράφει τα γραμμικά φάσματα του
υδρογόνου
μπορεί να επεκταθεί και σε ιόντα που έχουν
μόνο ένα ηλεκτρόνιο, όπως το (He+
), το (Li2+
)
κ.λπ. τα οποία ονομάζονται υδρογονοειδή.
δεν μπορεί να ερμηνεύσει τα γραμμικά
φάσματα των ατόμων που έχουν δύο ή
περισσότερα ηλεκτρόνια.
33. Ακτίνες Χ ή ακτίνες Roentgen
Η πρώτη α/α (1896)! Wilhelm Roentgen
Το χέρι της γυναίκας του *27/3/1845 - † 10/2/1923
38. Παραγωγή ακτινών Χ
→ Οι ακτίνες Χ παράγονται στη λυχνία. Η λυχνία είναι ένας γυάλινος
σωλήνας που είναι εφοδιασμένος με δύο ηλεκτρόδια, την άνοδο
και την κάθοδο.
→ Η κάθοδος θερμαίνεται και εκπέμπει ηλεκτρόνια.
→ Μεταξύ της ανόδου και της καθόδου εφαρμόζεται υψηλή τάση, η
οποία επιταχύνει τα ηλεκτρόνια.
→ Τα ηλεκτρόνια προσπίπτουν στην άνοδο με μεγάλη ταχύτητα. Η
άνοδος εκπέμπει μια πολύ διεισδυτική ακτινοβολία, που
ονομάζεται ακτίνες Χ.
Επομένως: Οι ακτίνες Χ παράγονται, όταν ηλεκτρόνια μεγάλης
ταχύτητας (και ενέργειας), που έχουν επιταχυνθεί από υψηλή
τάση, προσπίπτουν σε μεταλλικό στόχο.
39. Παραγωγή ακτινών Χ
Παρατηρήσεις:
Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της καθόδου
τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων
που εκπέμπονται στη μονάδα του χρόνου (θερμιονική
εκπομπή).
Ο σωλήνας περιέχει αέριο σε πολύ χαμηλή πίεση
(10-7
atm), ώστε να περιορίζονται οι συγκρούσεις των
ηλεκτρονίων με τα μόρια του αερίου.
Επειδή αναπτύσσεται πολύ υψηλή θερμοκρασία στην
άνοδο, το υλικό της ανόδου είναι δύστηκτο μέταλλο και
«ψύχεται» για να μη λιώνει (Coolidge-στρεφόμενη
άνοδος).
40. Παραγωγή ακτινών Χ
Παρατηρήσεις:
Το πιο συνηθισμένο υλικό κατασκευής της ανόδου είναι
το βολφράμιο (74W – Tungsten) ενώ στις λυχνίες τον
μαστογράφων χρησιμοποιούνται το μολυβδαίνιο (42Μο)
και το ρόδιο (45Rh)
Το βολφράμιο χρησιμοποιείται και για την κατασκευή του
σπειράματος της καθόδου με πρόσμειξη 1%-2% θορίου
(90Τh)
Το μεταλλικό περίβλημα είναι εσωτερικά επενδυμένο με
μόλυβδο (82Pb)
Οι λυχνίες ακτίνων Χ έχουν εξαιρετικά μικρή απόδοση,
περίπου 1%. Το υπόλοιπο 99% μετατρέπεται σε
θερμότητα…
41. Φύση των ακτινών Χ
Οι ακτίνες Χ είναι αόρατη ηλεκτρομαγνητική
ακτινοβολία, που έχει μήκη κύματος πολύ
μικρότερα από τα μήκη κύματος των ορατών
ακτινοβολιών.
44. Φάσμα των ακτινών Χ
α. Γραμμικό φάσμα
Τα κινούμενα ηλεκτρόνια συγκρούονται με τα άτομα
του υλικού της ανόδου και τα διεγείρουν. Όταν ένα
ηλεκτρόνιο εσωτερικής στοιβάδας μεταπηδά σε
άλλη επιτρεπόμενη τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας, η
κενή του θέση συμπληρώνεται από ένα ηλεκτρόνιο
του ατόμου που βρίσκεται στις εξωτερικές στοιβάδες
με ταυτόχρονη εκπομπή ενός φωτονίου
καθορισμένης ενέργειας.
Έτσι, το φάσμα του φωτός που εκπέμπει το άτομο θα
αποτελείται από γραμμές που είναι χαρακτηριστικές
του υλικού της ανόδου.
45. Φάσμα των ακτινών Χ
β. Συνεχές φάσμα (ακτινοβολία πέδησης –bremsstrahlung)
Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να επιβραδυνθεί εξαιτίας της
αλληλεπίδρασής του με τα άτομα του στόχου. Όπως έχουμε
αναφέρει, ένα επιταχυνόμενο (ή επιβραδυνόμενο) φορτίο
εκπέμπει ακτινοβολία.
Η απώλεια της κινητικής ενέργειας (Κα-Κτ ) του ηλεκτρονίου θα
είναι ίση με την ενέργεια του φωτονίου h·f που εκπέμπεται,
δηλαδή: το ηλεκτρόνιο μπορεί να χάσει όλη ή οποιοδήποτε
μέρος της ενέργειάς του σε μία κρούση, δηλαδή μπορεί να
ακινητοποιηθεί μετά από μία ή περισσότερες κρούσεις.
Επειδή κατά τις κρούσεις των ηλεκτρονίων με τα άτομα του
στόχου τα ηλεκτρόνια μπορεί να χάσουν οποιοδήποτε μέρος
της ενέργειάς τους, συμπεραίνουμε ότι τα φωτόνια που
εκπέμπονται θα έχουν οποιαδήποτε τιμή ενέργειας, που θα
είναι μικρότερη ή ίση της αρχικής ενέργειας του ηλεκτρονίου.
Επομένως το φάσμα της ακτινοβολίας αυτής θα είναι συνεχές.
46. Απορρόφηση των ακτίνων Χ
Η απορρόφηση της ακτινοβολίας εξαρτάται από
τη φύση του υλικού,
το μήκος κύματος της ακτινοβολίας
και το πάχος του υλικού.
Όσο μεγαλύτερος είναι ο ατομικός αριθμός Ζ των ατόμων του
υλικού που απορροφά την ακτινοβολία τόσο μεγαλύτερη είναι η
απορρόφηση της ακτινοβολίας.
Οι ακτίνες Χ που έχουν μικρά μήκη κύματος είναι περισσότερο
διεισδυτικές και ονομάζονται σκληρές ακτίνες, ενώ οι ακτίνες
που έχουν μεγάλα μήκη κύματος είναι λιγότερο διεισδυτικές και
ονομάζονται μαλακές ακτίνες.
Όσο το πάχος του υλικού είναι μεγαλύτερο τόσο μεγαλύτερη είναι
και η απορρόφηση της ακτινοβολίας μέσα στο υλικό αυτό.
47. Χρήσεις των ακτινών Χ
Στην Ιατρική
α. Ακτινογραφία – Ακτινοσκόπηση
Τα οστά που περιέχουν στοιχεία μεγάλου ατομικού αριθμού
(ασβέστιο, φώσφορος) απορροφούν περισσότερο τις ακτίνες Χ
από ότι οι ιστοί οι οποίοι αποτελούνται από ελαφρότερα στοιχεία
(άνθρακας, οξυγόνο, υδρογόνο, άζωτο και άλλα).
β. Αυτοματοποιημένη αξονική τομογραφία (CT-Computed Tomography)
Η πηγή των ακτίνων Χ παράγει μια αποκλίνουσα δέσμη
(βεντάλια). Οι ακτίνες ανιχνεύονται από μια διάταξη ανιχνευτών
που περιστρέφεται γύρω από το ανθρώπινο σώμα, έτσι
ανιχνεύονται όγκοι ή άλλες ανωμαλίες οι οποίες δεν μπορούν να
παρατηρηθούν στην ακτινογραφία.
48. Χρήσεις των ακτινών Χ
Στη βιομηχανία
Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται στη
βιομηχανία, για να διαπιστωθεί η ύπαρξη
κοιλοτήτων, ραγισμάτων ή άλλων
ελαττωμάτων στο εσωτερικό των μεταλλικών
αντικειμένων.
49. Βιολογικές βλάβες που
προκαλούν οι ακτίνες Χ
Οι ακτίνες Χ προκαλούν βλάβες στους οργανισμούς.
Όταν απορροφηθούν από τους ιστούς, διασπούν τους μοριακούς
δεσμούς και δημιουργούν ενεργές ελεύθερες ρίζες, που με τη σειρά τους
μπορεί να διαταράξουν τη μοριακή δομή των πρωτεϊνών και ειδικά του
γενετικού υλικού (DNA).
Αν το κύτταρο που έχει υποστεί βλάβη από την ακτινοβολία επιβιώσει,
τότε μπορεί να δώσει πολλές γενεές μεταλλαγμένων κυττάρων.
Αν οι αλλαγές στο DNA αφορούν γονίδια που ελέγχουν το ρυθμό
πολλαπλασιασμού των κυττάρων, οι ακτίνες Χ μπορεί να προκαλέσουν
καρκίνο.
Η υπερβολική έκθεση ενός οργανισμού σε ακτινοβολία μπορεί να
προκαλέσει μεταβολές στα γενετικά κύτταρα. Σ' αυτή την περίπτωση,
ενώ ο ίδιος οργανισμός δε θα εμφανίσει κάποια βλάβη, θα επηρεαστούν
οι απόγονοι του.
Η χρήση των ακτίνων Χ για διαγνωστικούς και θεραπευτικούς σκοπούς
πρέπει να γίνεται με προσοχή…
