Podcast o Atómové modely a kvantová fyzika

Kapitoly

Atóm ako puding?

Zlatá fólia a planetárny model

Kvantový skok Nielsa Bohra

Moderný pohľad na atóm

Záhada kovu a svetla

Einstein a fotóny

Využitie v praxi a záver

Přepis

Šimon: …počkaj, takže úplne vážne, prvá seriózna predstava o atóme bola, že je to nejaký... slivkový puding? To je neuveriteľné.

Nina: Presne tak! Volá sa to Thomsonov model atómu. A predtým, než sa k nemu dostaneme, poďme na chvíľu privítať našich poslucháčov. Počúvate Studyfi Podcast.

Šimon: Dobre, tak späť k pudingu. Ako niekto prišiel na takýto nápad?

Nina: No, v roku 1897 Joseph John Thomson objavil elektrón. Zistil, že je to záporne nabitá častica, oveľa menšia ako atóm. Ale atóm ako celok je neutrálny.

Šimon: Takže musel nájsť miesto aj pre kladný náboj, aby sa to vyrovnalo. Chápem.

Nina: Presne. A tak si predstavil atóm ako guľu z kladne nabitej hmoty — ten puding — v ktorej sú rovnomerne rozmiestnené záporné elektróny. Ako tie hrozienka alebo slivky.

Šimon: Dobre, toto si určite zapamätám na skúšku. Najchutnejší model atómu.

Nina: Tento chutný model ale nevydržal dlho. V roku 1911 prišiel Ernest Rutherford so slávnym experimentom.

Šimon: To je ten so zlatou fóliou, však?

Nina: Áno. Ostreľoval veľmi tenkú zlatú fóliu alfa časticami, čo sú vlastne kladne nabité jadrá hélia. Podľa pudingového modelu mali všetky preletieť priamo skrz.

Šimon: Ale nepreleteli, že?

Nina: Väčšina áno. Ale niektoré sa odrazili pod veľkými uhlami, niektoré dokonca úplne späť! Bolo to, akoby si strelil z kanóna do papierovej vreckovky a guľka by sa odrazila naspäť k tebe.

Šimon: Wow. A čo to znamenalo?

Nina: Znamenalo to, že kladný náboj a takmer celá hmotnosť atómu musia byť sústredené v maličkom, extrémne hustom centre. Nazval ho jadro. Elektróny okolo neho obiehajú ako planéty okolo Slnka.

Šimon: Takže... planetárny model. To znie už oveľa vedeckejšie ako puding.

Nina: Určite. Ale aj tento model mal háčik. Podľa klasickej fyziky by elektrón, ktorý obieha okolo jadra, musel neustále vyžarovať energiu. Tým by ju strácal, spomaľoval a po špirále by sa veľmi rýchlo zrútil do jadra.

Šimon: Čiže atómy by podľa toho nemohli byť stabilné. Ale evidentne sú.

Nina: Presne tak. A tu prichádza na scénu Niels Bohr v roku 1913. Využil základy kvantovej teórie od Maxa Plancka a povedal niečo revolučné.

Šimon: A to bolo?

Nina: Povedal, že elektrón sa môže pohybovať okolo jadra len po presne stanovených dráhach, takzvaných stacionárnych stavoch. A pokiaľ je na jednej z týchto dráh, nevyžaruje žiadnu energiu.

Šimon: Takže je stabilný. A energiu vyžiari, len keď preskočí z jednej dráhy na druhú?

Nina: Presne! Keď preskočí na nižšiu dráhu, vyžiari fotón. Keď prijme fotón, preskočí na vyššiu. To dokonale vysvetlilo emisné a absorpčné spektrá prvkov.

Šimon: Takže sme to vyriešili, máme Boha. Teda... Bohrov model.

Nina: Skoro. Bol to obrovský krok, ale stále to bol plochý, planetárny model. Posledný kúsok skladačky priniesli v roku 1926 Erwin Schrödinger a Werner Heisenberg.

Šimon: A tí prišli s čím? Ešte menšími planétami?

Nina: Nie. Prišli s myšlienkou, že elektróny majú nielen časticové, ale aj vlnové vlastnosti. Už sa nehovorí o presných dráhach.

Šimon: Počkaj, akože nie sú dráhy? Kde potom ten elektrón je?

Nina: No, to je tá zložitá časť. Namiesto dráhy hovoríme o orbitáli. Je to vlastne len oblasť priestoru okolo jadra, kde je najvyššia pravdepodobnosť, že elektrón nájdeme. Už to nie je planéta, je to skôr... pravdepodobnostný mrak.

Šimon: Takže od pudingu, cez slnečnú sústavu až po nejaký pravdepodobnostný mrak. Fyzika je teda poriadna jazda. Poďme sa pozrieť, čo nás čaká ďalej.

Šimon: A to nás plynule privádza k našej poslednej téme – fotoelektrický jav! Znie to dosť vedecky.

Nina: Ale je to super! Predstav si, že svietiš na kovovú platňu a ona začne uvoľňovať elektróny. Ale je v tom háčik.

Šimon: Aký?

Nina: Zoberme si zinok. UV žiarenie z neho elektróny uvoľní. Ale ak dáš medzi zdroj a platňu sklo, nestane sa nič. Sklo UV svetlo nepustí.

Šimon: Takže nezáleží na tom, ako silno svietim?

Nina: Presne! Nezáleží na intenzite, ale na frekvencii svetla. Každý kov má svoju hraničnú frekvenciu. Ak je frekvencia svetla nižšia, elektróny sa neuvoľnia.

Šimon: Kto na toto prišiel? To musel byť génius.

Nina: Bol ním Albert Einstein v roku 1905. Povedal, že svetlo sa správa ako prúd častíc – fotónov. Sú to také malé energetické balíčky.

Šimon: Ako guľky z energie!

Nina: Presne tak! Jeden fotón odovzdá celú svoju energiu jednému elektrónu. Časť sa spotrebuje na jeho „vytrhnutie“ z kovu a zvyšok je jeho kinetická energia.

Šimon: A kde všade to využívame?

Nina: Všade okolo nás! Vo fotobunkách, napríklad pri automatických dverách, vo fotoaparátoch, fotodiódach alebo fotorezistoroch.

Šimon: Takže, aby sme to zhrnuli: svetlo sa niekedy správa ako častica, kľúčová je jeho frekvencia, nie intenzita, a vďaka tomu funguje kopa modernej techniky. Skvelé zakončenie! Ďakujem ti, Nina.

Nina: Aj ja ďakujem, Šimon. A ďakujeme aj vám, naši poslucháči!

Šimon: Majte sa krásne!