Szczypta (al)chemii i nauk

(1)

Szczypta (al)chemii i nauk pokrewnych

... dla humanistów

Wojciech Grochala

Uniwersytet Warszawski

Centrum Nowych Technologii

(2)

Determinizm

Ojcowie nauk ścisłych

Demokryt z Abdery 460–370 BC Leucyp z Miletu

V w. BC

Nic nie dzieje się bez przyczyny, lecz wszystko z jakiejś racji i konieczności

(3)

Atomos vel "niepodzielny"

“Racjonalna” teoria tworzywa

V w. BC

Materia jest zbudowana z małych,

niepodzielnych, niezmiennych

i nieprzenikliwych cząstek, otoczonych próżnią

i różniących się między sobą:

kształtem, położeniem i porządkiem A CO WIEMY DZIŚ?

Wesoły Demokryt i podejrzenia o szaleństwo

(4)

Atomos vel "niepodzielny"

“Racjonalna” teoria tworzywa

V w. BC

Materia jest zbudowana z małych,

niepodzielnych, niezmiennych

i nieprzenikliwych cząstek, otoczonych próżnią

i różniących się między sobą:

kształtem, położeniem i porządkiem A CO WIEMY DZIŚ?

Wesoły Demokryt i podejrzenia o szaleństwo

(5)

Renesans atomów

“A New System of Chem. Phil. ”

John Dalton 1766–1844

Prawo stosunków wielokrotnych (1802)

1808

The elements of oxygen may combine with a certain portion of nitrous gas or with twice that portion, but with no intermediate quantity

symbole atomowe

cząsteczki

WZORY

CHEMICZNE

(6)

Renesans atomów

“A New System of Chem. Phil. ”

1808

(i) Elements are made of extremely small particles called atoms.

(ii) Atoms of a given element are identical in size, mass, and other properties; atoms of different elements differ in size, mass, and other properties.

(iii) Atoms cannot be subdivided, created, or destroyed.

(iv) Atoms of different elements combine in simple whole-number ratios to form

chemical compounds.

(iv) In chemical reactions, atoms are combined, separated, or rearranged.

(7)

Renesans atomów

“A New System of Chem. Phil. ”

1808

(i) Elements are made of extremely small particles called atoms.

(ii) Atoms of a given element are identical in size, mass, and other properties; atoms of different elements differ in size, mass, and other properties.

(iii) Atoms cannot be subdivided, created, or destroyed.

(iv) Atoms of different elements combine in simple whole-number ratios to form

chemical compounds.

(iv) In chemical reactions, atoms are combined, separated, or rearranged.

(8)

Renesans atomów, c.d.

Materia: z atomów wodoru

William Prout 1785–1850

Prawo protyli 1815

the atomic weights that had been measured for the elements known at that time appeared to be whole

multiples of the atomic weight of hydrogen (całkowite wielokrotności)

H: 1 C: 12 N: 14 O: 16

…

Cl: 35.5 (!)

35Cl: ok. ¾

37Cl: ok. ¼

(9)

“Narodziny” cząstek “element. ”

Proton (nienazwany)

Eugen Goldstein 1850–1930

GLIWICE

prom. anodowe (kanałowe) potem: m=1840 m

_e

1886

(10)

“Narodziny” cząstek “element. ”

Elektron

Joseph J. Thomson 1856–1940

1897

prom. katodowe

(11)

“Narodziny” cząstek “element. ”

Elektron

1897

prom. katodowe

(12)

Model atomu Thomsona

“Pudding śliwkowy”

Odkryto już:

elektron (prom. katodowe, 1897) protony (prom. anodowe, 1886)

1904

(13)

Eksperyment ze złotą folią

Popsuli ciociny pudding…

Hans W. Geiger 1882–1945

Ernest Marsden 1889–1970

1909

(14)

1911

Interpretacja eksperymentu

Nowy model!

Ernest Rutherford 1871–1937

(15)

1911

Interpretacja eksperymentu

Nowy model!

(16)

1911

Interpretacja eksperymentu

Nowy model!

(17)

Jak duży jest atom?

“bardzo mały” (Demokryt, Dalton)

He (α)

10

^–10

m

(18)

Ile atomów mieści się…

… na główce od szpilki?

1 mm

=10

^–3

m atom 10

^–10

m

Tomasz z Akwinu (1225–1274)

Summa Theologiae, cz. II, rozdz. LII 3

10

¹⁴

atomów

100,000,000,000,000

(19)

Mikroskop elektronowy

SEM

(20)

Mikroskop elektronowy

SEM

(21)

Mikroskop elektronowy

TEM (HR)

(22)

Manipulacje atomami

STM – AFM (tip)

(23)

Jądro + elektron(y)

Szkoła kopenhaska

• Jak rusza się elektron???

• Czemu nie spada na jądro?

• Dlaczego wzbudzenia są skwantowane?

1911 1913

Niels Bohr 1885–1962

serie Balmera (1885)

(24)

Układy planetarne

Ordnung muss sein

1543

1913

(25)

Rozwój teorii kwantów

Elektron(y)

1911 1913 1924-7

1904

“stara” “nowa”

• Postulaty mech. kwantowej (ex cathedra)

(26)

(In)determinizm

Tragedia grecka…

1926

Ψ 1924-7

“nowa”

• Interpretacja kopenhaska (obserwator)

• Reakcja Einsteina

Werner Heisenberg 1901–1976 Erwin Schrödinger

1887–1961

1927

ZNH

(27)

Ile waży atom wodoru?

p + e = H?

p⁺: 1.67262178 × 10^–27 kg e^–: 9.10938291 × 10^–31 kg

suma: 1.673532718291 × 10^–27 kg vs.

H: 1.007825 amu = 1.673532637049 × 10^–27 kg różnica: 8.1242 × 10^–35 kg (45.58 eV)

vs. I_P = 13.6 eV

(28)

Fizyka & chemia: Układ Okresowy

1911

Antonius van den Broek 1870–1926

Jądro + elektron(y)

HIPOTEZA

numer pierwiastka w Układzie Okresowym (dziś: liczba atomowa) jest taki sam, jak ładunek jądra

Henry G. J.

Moseley 1887–1915

1913

DOWÓD

Prawo Moseleya (x-ray)

(29)

Fizyka & chemia: Układ Okresowy

1911

Antonius van den Broek 1870–1926

Jądro + elektron(y)

HIPOTEZA

numer pierwiastka w Układzie Okresowym (dziś: liczba atomowa) jest taki sam, jak ładunek jądra

Henry G. J.

Moseley 1887–1915

1913

DOWÓD

Prawo Moseleya (x-ray)

(30)

Od protyli do protonów

Znowu Rutherford…!

14

N + α →

¹⁷

O + p ¹⁹¹⁷

• Czemu jądro jest stabilne (+ & +)?

• Dlaczego masa jądra jest większa niż masa protonów?

1920

(31)

Neutron

Znowu Rutherford…!

1931

• Nienaładowane promieniowanie z pewnych reakcji jądrowych

James Chadwick 1891–1974

1932

• Masa cząstki podobna do masy

protonu

(32)

p ⁺ + e ^– = n?

NIE!

p⁺: 1.67262178 × 10^–27 kg e^–: 9.10938291 × 10^–31 kg

suma: 1.673532718291 × 10^–27 kg vs.

n: 1.674927351(74) × 10^–27 kg

różnica: 1.394632709 × 10^–30 kg (7.82 x 10⁵ eV) relativistic electrons (1.4 vs. 0.9 x 10^–27 kg)

Wychwyt elektronu. Gwiazdy neutronowe.

(33)

Izotopy

Isos–topos

• jądra mogą różnić się masą (liczbą neutronów)

(34)

Promieniotwórczość

Fizyka czy chemia jądrowa?

235

U →

²³¹

Th +

⁴

α 1913 prawo

przesunięć

Kazimierz Fajans 1887–1975

&

Frederick Soddy 1877–1956 230

Ac →

²³⁰

Th + β

N

**E* →**

^N

E + γ

(35)

Nowe pierwiastki

Rodzinka Curie

1898 (Po&Ra)

1903&1911 NN (Ph+Ch)

Maria Skłodowska 1867–1934

&

Pierre Curie 1859–1906

(36)

Fusion vs. fission

E=mc ²

FUSION FISSION

(37)

Promieniotwórczość

Współczesna alchemia

chrysopoeia (transmutacja

w złoto)

1941

202

Hg + n →

¹⁹⁹

Au +

⁴

α

(38)

Down the rabbit hole…

Hipoteza kwarków

-wielorakie typy przyzwolenia na podzielność atomu!

-czy neutron, proton, elektron są PODZIELNE?

-z czego "składa się" materia?

1964

proton

Murray Gell-Mann 1929–…

&

George Zweig 1937–…

(39)

Równania fizyki cząstek & chemii

Ordnung muss sein??????

proton(+)

e

elektron(–)

+ +

^Energia



neutron(0)

C + O ₂  CO ₂

(40)

Cząstki “elementarne”

Size matters

„Model standardowy”

(41)