Chemie Fyzika

Periodická tabulka s vyhledáváním

Vyhledávání dat látek podle chemického vzorce

Molekulová hmotnost, molekulová hmotnost a kalkulačka elementární kompozice

Převodník frekvence

Atomy, jádra a částice

– hmota tvořena molekulami, molekuly vázané stavy atomů

– voda = molekula vody = jeden atom kyslíku a dva atomy vodíku (H20)

– 92 různých atomů (43. prvek technicium vytvořen uměle)

– každý atom má jádro, kolem kterého obíhají elektrony

– velikost atomu  je cca jedna desetimiliontina milimetru – jádro je stotisíckrát menší

Velikost atomu je tedy podobností jako je tomu u 1 metru, který je  desetimilióntinou zemského kvadrantu (vzdálenost pólu od rovníku)

GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ VELIKOSTI ATOMU

– jádro obsahuje protony a neutrony nazývané také nukleony

ELEKTRICKÝ NÁBOJ:

  • protonu    = +1
  • elektronu = -1
  • neutronu  = 0

– poček elektronů v atomu se rovná počtu protonů v jádře (atom je elektricky neutrální)

– z atomů můžeme vyrazit neutron nebo více neutronů (ionizace) takový atom, již nezůstane neultráním, ale stane se kladným (iont)

– nejmenší hmotnost = atom vodíku (jeden proton a jeden elektron)

ATOMY (HELIUM, DEUTERIUM, TRITIUM, HELIUM)

– jaderná fyzika – studium jádra atomů (střílení elektronů, nebo jiných projektilů na atomová jádra, za účelem zjištění jejich struktur)

– proton obsahuje 3 kvarky (d, u, u) d = down , u = up

– neutron obsahuje 3 kvarky (d, d, u)

– tvar, či strukturu kvarku elektronu nikdo nikdy neviděl

– protony a neutrony = volné částice

– když stáhneme elektron z atomu vodíku, zbyde nám samotný proton

– osamělé neutrony zanikají (cca do deseti minut)

– kvarky se nikdy nevyskytují samostatně = jsou uvězněny v protonech a neutronech

gluony svazují kvarky

– důsledkem působení gluonů je možnost vzniku atomového jádra, neboť umožňuje vytvoření vazby mezi protonem a neutronem v atomovém jádře

– vazba v atomu je způsobena elektroamgnetickými silami – fotony zajišťují vazbu elektronů k jádrům

– značná část hmoty protonu, či neutronu spočívá ve formě energie gluonů

– energie fotonů elektrického pole atomu je velmi malá

– elektrony a kvarky = elementární částice (žádná struktura zatím nebyla zjištěna)

– jeví se jako body, narozdíl od protonů a neutronů, které lze změřit

Prvním experimentem, který přinesl poznatky o vnitřní struktuře atomu, byl proslulý pokus E. Rutherforda z roku 1911. Tenká zlatá fólie byla ostřelována rychle letícími kladnými částicemi. Většina částic prolétla prakticky beze změny směru, ale některé se od původního směru více nebo méně odchýlily. Nepatrný počet částic se dokonce vracel zpět. Z toho Rutherford usoudil, že v atomu musíme rozlišovat mezi dvěma částmi. Téměř celá hmota atomu je soustředěna ve velmi malé oblasti s kladným nábojem (jádro), oblast kolem jádra má záporný náboj a zanedbatelnou hmotnost (elektronový obal). Většina objemu atomu je “prázdná”, podobně jako je prázdná většina meziplanetárního prostoru.

Rozměry atomu jsou nepatrné, přibližně 10-10 m, tedy jedna desetimilióntina milimetru. Jádro atomu je však ještě mnohem menší – jeho “průměr” je ještě asi stotisíckrát menší, kolem 10-15 m. Pro představu: kdybychom zvětšili atom tak, aby jeho průměr byl 100 metrů, atomové jádro by představovalo drobounkou kuličku velikosti zrnka máku.

JádroJádra atomů jsou složena ze dvou druhů elementárních částic, protonů a neutronů. Společně tyto částice nazýváme nukleony. Nejjednodušším atomem je atom vodíku, jehož jádro je tvořeno protonem a kolem jádra obíhá jediný elektron. Složitější atomy mají v jádře větší počet protonů a neutronů, počet obíhajících elektronů se rovná počtu protonů v jádře. Složení jádra atomu můžeme popsat třemi čísly: protonovým Z, neutronovým N a nukleonovým A. K zápisu chemické značky určitého prvku X se používají:

  • protonové (atomové) číslo Z – je rovno počtu protonů v jádře, udává také počet elektronů obíhajících kolem jádra
  • nukleonové (hmotnostní) číslo A – je rovno počtu nukleonů v jádře, tj. A = Z + N

V roce 1967 fyzikové zjistili, že protony a neutrony se při srážkách s elektrony chovají jako skupina menších částic. Existenci těchto částic, které se zatím nepodařilo izolovat, předpověděl R. Feynman a Murray Gell-Mann je nazval KVARKY. Označení “kvark” převzal z románu Jamese Joyce “Smuteční hostina na počest Finnegana”, kde se toto nesrozumitelné slovo objevilo v jediné (!) větě. Dosud je známo šest kvarků, které dostaly jména up (u), down (d), strange (s), charm (c), top (t) a bottom (b). V češtině mají kvarky jména horní (u), dolní (d), podivný (s), půvabný (c), vrcholný (t) a spodní (b). Kvarkům se přiřazuje “vůně” a “barva” – jsou to však jen abstraktní názvy, které nemají nic společného se skutečnou vůní a barvou.
KvarkyNejlehčí kvarky up (u) a down (d) jsou stavebními kameny nukleonů. Kvarky se nikdy nevyskytují jednotlivě, ale vždy ve trojicích. Proton tvořen dvěma kvarky typu u, které mají náboj +2/3e a jedním kvarkem typu d s nábojem -1/3e, takže výsledný náboj protonu je +e. Neutron je tvořen jedním kvarkem u a dvěma kvarky d, proto je jeho výsledný náboj nulový.


Poznámka:
V chemických značkách se protonové a nukleonové číslo obvykle zapisuje vlevo od značky prvku X. V našem textu budeme z technických důvodů zapisovat nukleonové číslo A vpravo nahoře a protonové číslo Z vlevo dole: ZXA

Příklad:
Z chemické značky atomu železa 26Fe56 zjistíme, že v jeho jádře je 26 protonů (a v obalu 26 elektronů), součet počtu protonů a neutronů je 56, v jádře je tedy 30 neutronů.

Chemicky je prvek určen protonovým číslem Z, které udává pořadí prvku v Mendělejevově periodické tabulce prvků. Všechny atomy téhož prvku mají stejné chemické vlastnosti. Atomy téhož prvku se však mohou lišit počtem neutronů v jádře. Takto odlišné atomy se nazývají izotopy, které mají sice stejné chemické vlastnosti, ale mohou se velmi výrazně lišit svými fyzikálními vlastnostmi. Mají například různou hmotnost, některé izotopy mohou být stabilní a jiné radioaktivní apod. Jednotlivé izotopy téhož prvku se dají rozlišit nebo oddělit jen fyzikálními metodami, například působením elektrického nebo magnetického pole v hmotnostním spektrografu.

Příklad:
Vodík (Z = 1) má tři izotopy: vodík 1H1 (“lehký”), deuterium 1H2 (“těžký”) a tritium 1H3 (“supertěžký”). Všechny mají v jádře jeden proton, liší se počtem neutronů. V přírodě se vyskytují prakticky pouze izotopy “lehkého” vodíku 1H1, zbývající dva izotopy představují jen asi 0,02 %.

Izotopy vodíku


Základní pojmy

  • chemický prvek – látka, jejíž atomy mají v jádře stejný počet Z protonů. Atomy prvku se přitom mohou lišit počtem A nukleonů v jádře – prvek je směs izotopů
    6C12 6C12 6C14 6C11 6C13 6C12 6C12 6C14 6C11 6C12
  • nuklid – látka, jejíž atomy mají jádra se shodným složením, všechna tedy mají stejné protonové číslo Z a stejné nukleonové číslo A – nuklid je tvořen jediným izotopem
    6C12 6C12 6C12 6C12 6C12 6C12 6C12 6C12 6C12 6C12
  • izotopy – různé nuklidy téhož prvku, mají stejné protonové číslo Z, ale liší se nukleonovými čísly A1 a A2
    6C12 6C12 6C12 6C12 6C12 6C12 6C12        6C14 6C14 6C14 6C14 6C14 6C14 6C14
  • atomová hmotnostní konstanta mu – 1/12 hmotnosti izotopu 6C12 (mu = 1,66.10-27 kg)
  • relativní atomová hmotnost Ar – bezrozměrné číslo, které udává, kolikrát je hmotnost atomu větší než 1/12 hmotnosti izotopu 6C12
  • skutečná hmotnost atomu m – v kilogramech, určíme ji ze vztahu m = Ar.mu

Částice a interakce | Leptony

První skupinou jsou leptony, tvoří je šestice částic a šestice antičástic. Původní název pochází z řeckého leptos, což znamená lehký. Smysl tohoto názvu je ale již jen historický, nejtěžší částice z této skupiny, tauon, má téměř dvojnásobně větší hmotnost než proton. Do této skupiny patří elektrony (elektron, mion a tauon) a jejich neutrina (elektronové, mionové a tauonové). Všechny tyto částice mají i v nejvytříbenějších experimentech bodovou strukturu, takže se zdá, že jde opravdu o elementární, dále nedělitelné částice. Zatímco elektrony interagují elektromagnetickouslabou interakcí, neutrina interagují jen slabou interakcí, proto je pro ně látka velmi průhledná, například sluneční neutrina projdou bez problémů celou zeměkoulí.

Neutrina jsou věrní souputníci elektronů. Pokud při slabé interakci vznikne lepton, musí se také objevit příslušná částice, tedy antilepton. Při vzniku pozitronu (antičástice k elektronu) vznikne ještě elektronové neutrino, naopak při vzniku elektronu (například při beta rozpadu) se objeví elektronové antineutrino. U ostatních elektronů je tomu obdobně. S těžkým elektronem (mionem) vzniká mionové antineutrino a s tauonem se vynoří tauonové antineutrino. Neutrina mají velmi malou hmotnost a šíří se téměř rychlostí světla. Jejich hmotnost vzniká superpozicí tzv. hmotových stavů, které mají přesně definovanou hmotnost. Neutrina mají bodovou strukturu, poloviční spin a nulový elektrický náboj. Jejich malá hmotnost způsobuje tzv. oscilace neutrin. Při pozorování se mění pravděpodobnost detekce od elektronového přes mionové až po tauonové neutrino. Neutrina se proto chovají jako duchové – umí procházet zdí a přeměňovat se jedno v druhé.

Leptony

Umělecká představa leptonů. Kresba: André-Pierre Olivier.

Objev neutrin souvisí s objevem radioaktivity. Už na počátku 20. století bylo zjevné, že něco není v pořádku. Elektrony vylétávající z rozpadajících se jader měly spojitou energii. Podle teorie by ale měly mít jen některé hodnoty energie odpovídající příslušným kvantovým přechodům v jádře. V roce 1930 navrhl rakousko-německo-americký fyzik Wolfgang Pauli, že by spolu s elektronem měla vznikat ještě velmi malá neutrální částice, která by odnášela část energie, a tím by se problémy se zákonem zachování energie vyřešily. V roce 1932 objevil anglický fyzik James Chadwick neutron, ale tato částice byla příliš hmotná na to, aby problémy vyřešila. V roce 1933 navrhuje italský fyzik Enrico Fermi, aby se hledaná částice jmenovala neutrino, což v italštině znamená „malý neutron“. Na objev neutrina si ale lidstvo muselo počkat až do roku 1956, kdy od Pauliho návrhu uplynulo 26 let, tedy více než čtvrt století. Neutrino nakonec polapili američtí fyzikové Frederick ReinesClyde Cowan v toku částic z jaderné elektrárny v Savannah River v Jižní Karolíně. Tehdy se zrodila neutrinová fyzika a spolu s ní neutrinová astronomie.

Neutrina k nám přilétají z niter všech hvězd, kde vznikají při termojaderné fúzi. Země je doslova zaplavena slunečními neutriny z naší nejbližší hvězdy (každým centimetrem čtverečním proletí na Zemi 60 miliard slunečních neutrin za sekundu). Dalším zdrojem jsou exploze supernov, kde neutrina odnášejí uvolněnou energii z nitra explodující hvězdy. Na povrch Země dopadají také atmosférická neutrina, která vznikají při interakci kosmického záření s atmosférou. V nitru Země vznikají při radioaktivním rozpadu geoneutrina. Neutrina uměle vytváříme v jaderných elektrárnách a při srážkách částic v urychlovačích. A měl by tu být ještě jeden zajímavý zdroj neutrin – tzv. reliktní neutrina, která se oddělila od zárodečné polévky našeho vesmíru přibližně v jedné sekundě jeho existence. Tato reliktní neutrina ale zatím chytat neumíme. Žijeme tedy v moři neviditelných neutrin, která procházejí bez povšimnutí nejen námi, ale i Zemí a ostatními tělesy ve vesmíru. Pojďme se nyní s rodinou leptonů zevrubně seznámit.

Elektron

J. J. Thomson a katodová trubice s jejíž pomocí objevil elektronElektron je první objevenou elementární částicí. Nalezl ho anglický fyzik John Joseph Thomson 1897 v katodovém záření. Za tento objev dostal Nobelovu cenu v roce 1906. Jeho syn George Paget Thomson prokázal, že elektron má vlnové vlastnosti a Nobelovu cenu získal v roce 1937. Jde o stabilní částici s hmotností me = 9,1×10–31 kg a elektrickým nábojem e = 1,6×10–19 C. Elektron hraje nesmírně důležitou roli v atomární látce. Rozdílné chování různých atomů je způsobeno rozdílnou konfigurací elektronových obalů. Makroskopický pohyb elektronů vnímáme jako elektrický proud. Pohyb elektronů a jejich vlastnosti jsou základem veškerých elektronických (využívají náboj) a spintronických (využívají spin) zařízení. Existenci antičástice k elektronu (pozitronu) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Předpověď učinil v době, kdy byly známy pouze tři elementární částice (elektron, proton a foton). Pozitron byl objeven v roce 1932 Carlem Andersonemkosmickém záření. Anderson určil náboj a hmotnost nově objevené částice ze zakřivení stop (způsobeného magnetickým polem) v mlžné komoře.

Mion

Sekundární spršky kosmického záření obsahují velké množství mionů. Zdroj: ASPERA/Novapix/L.Bret.Tentýž Carl Anderson, který objevil pozitron, objevil za pomoci mlžné komory ve sprškách kosmického záření také těžký elektron neboli mion, a to v roce 1936 – ve stejném roce, kdy obdržel Nobelovu cenu za nalezení pozitronu. Mion se chová velmi podobně jako elektron. Má hmotnost 207 me. Doba života je přibližně 2,2 mikrosekundy. Potom se těžký elektron rozpadá na normální elektron a neutrina: μ → e + ͞νe + νμ. Mion je stejně jako jeho dvojník elektron schopen vytvořit vázaný stav s protonem, tzv. mionium (vodík s mionem v obalu místo elektronu). Miony s relativistickými rychlostmi vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry. Vzhledem ke své krátké době života by neměl mion nikdy dopadnout na zemský povrch. Avšak díky dilataci času žije mion z hlediska pozorovatele na Zemi „déle“ a má dosti času, aby dopadl na povrch Země. Z hlediska mionu se Země „přibližuje“ relativistickou rychlostí a díky kontrakci vzdálenosti letí mion k povrchu Země jen zlomek skutečné vzdálenosti. Vidíme, že z hlediska obou souřadnicových soustav je výsledek stejný, mion dopadne na povrch Země. U hladiny moře je možné detekovat přibližně 1 mion dopadlý na cm2 za minutu. Tyto miony pocházejí ze sekundárních spršek kosmického záření.

Tauon

Dobová fotografie prstence urychlovače SPEAR, na kterém byl objeven tau lepton. Zdroj: SLAC. Tauon je třetí z elektronů, říkáme mu supertěžký elektron. Má náboj stejný jako elektron a hmotnost 3 484 me, to je téměř dvojnásobek klidové hmotnosti protonu. Jde o nestabilní částici s dobou života 0,3 pikosekundy. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina. V přírodě se dnes běžně nevyskytuje, lze ho připravit uměle v urychlovačích. V raných horkých fázích vesmíru byly všechny tři formy elektronu rovnoměrně zastoupeny. Tato rovnováha se narušila až tehdy, když průměrná energie částic ve vesmíru klesla pod klidovou energii tauonu, což znemožnilo jeho samovolný vznik. Ve vesmíru se tak stalo při teplotě 20 bilionů kelvinů (ve zlomku mikrosekundy po jeho vzniku). Tauon byl objeven v roce 1977 na urychlovači SPEAR ve Stanfordském urychlovačovém centru týmem, který vedl americký fyzik Martin Perl. Za objev tauonu získal Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1995. Druhou polovinu této ceny získal Frederick Reines za objev neutrina. Druhý z objevitelů, Clyde Cowan, byl v té době již po smrti.

Elektronové neutrino

Budova s reaktorem P-105 jaderné elektrárny v Savannah River, kde se v roce 1956 podařila první detekce neutrina. Zdroj: Brett Flashnick, New York Times.Elektronové neutrino má nulový elektrický náboj, malou klidovou hmotnost a spin ½. Poprvé bylo polapeno v roce 1956 v toku neutrin z jaderného reaktoru P-105 v jaderné elektrárně v Savanah River v Jižní Karolíně. Američtí fyzikové Frederick ReinesClyde Cowan k detekci využili roztoku kadmiumchloridu. Některá z antineutrin letících z reaktoru slabě interagují s protonem za vzniku pozitronu a neutronu. Pozitron téměř okamžitě anihiluje s nějakým elektronem a přitom vznikne dvojice fotonů. Neutron je absorbován kadmiovým jádrem, které také vyšle foton. Výsledkem je dvojice charakteristických záblesků s časovým odstupem 15 mikrosekund. Za objev neutrina resp. antineutrina získal Frederick Reines Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1995. Cowan byl v té době již mrtvý, a proto mu nebylo možné cenu udělit.

První detektor chytající sluneční neutrina zkonstruoval americký fyzik Raymond Davis v Jižní Dakotě v opuštěném dole Homestake. Základem detektoru byla nádoba s 615 tunami tetrachloretylénu. Jádra chlóru se po spojení s neutrinem změnila na snadno detekovatelné radioaktivní jádro argonu s poločasem rozpadu 35 dní. Zachycený tok neutrin ze Slunce byl zhruba třetinový oproti teorii, což bylo způsobeno oscilacemi neutrin (Davisův detektor byl citlivý jen na elektronová neutrina). Oscilace mezi elektronovým a mionovým neutrinem byly prokázány v roce 1998 v japonském detektoru SuperKamiokande a téměř současně v americké Sudburské neutrinové observatoři SNO.

Mionové neutrino

Hora Gran Sasso, pod kterou se ukrývá největší evropská podzemní laboratoř, ve které se ve dvou desítkách experimentů chytají nejen neutrina, ale i částice kosmického záření. Zdroj: AGA.Mionové neutrino má, stejně jako elektronové, nulový elektrický náboj, malou klidovou hmotnost a spin ½. O jeho existenci se spekulovalo od 40. let, objeveno bylo v roce 1962 americkými fyziky Leonem Ledermanem, Melvinem SchwartzemJackem Steinbergerem v Brookhavenské národní laboratoři na Long Island ve Spojených státech. Za tento objev získali všichni tři Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988. Oscilace mezi mionovými a elektronovými neutriny byla prokázána na detektoru Super-Kamiokande  v roce 1998. V několika současných experimentech je vysílán svazek mionových neutrin do detektoru záměrně pod povrchem Země. Nejznámější je experiment CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso), při němž se minová neutrina vyrobená srážkami protonů v útlumovém členu posílají pod zemí do italského Gran Sasso (732 kilometrů daleko), kde je chytají detektory Opera a Icarus. Cílem experimentu je sledování oscilací neutrin. V roce 2011 se zdálo, že neutrina létají z komplexu CERN do Gran Sasso nadsvětelnou rychlostí – na vině byl povytažený konektor optického vlákna (u experimentu Opera), které zajišťovalo komunikaci mezi podzemní a nadzemní částí laboratoře. Ve Spojených státech se v roce 2012 podařilo uskutečnit první komunikaci prostřednictvím neutrin. Zdrojem neutrin byly balíčky protonů z Hlavního injektoru bývalého urychlovače Tevatron. Vzniklé balíčky mionových neutrin představovaly logické jedničky, nevyslání balíčku logickou nulu. Mionová neutrina byla namířena na detektor Minerva a proletěla vzdálenost cca kilometr, z toho 260 metrů pod zemí. Americkým vědcům se podařilo tímto extravagantním způsobem poslat skrze horninu slovo „neutrino“.

Tauonové neutrino

Aldebaran přede detektorem Opera pod horou Gran SassoTauonové neutrino má, stejně jako elektronové a mionové, nulový elektrický náboj, malou klidovou hmotnost a spin ½. Po objevu tauonu v roce 1975 bylo zřejmé, že by mělo existovat i tauonové neutrino. Bylo objeveno až v roce 1999 v americkém Fermilabu v experimentu DONUT (Direct Observation of the NU Tau). Šlo už o období obřích kolaborací, kdy jsou na objevitelských článcích někdy i stovky jmen a lze jen těžko určit, kdo je skutečným objevitelem. V roce 2010 byla poprvé detekována oscilace mionového neutrina na tauonové v experimentu CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso). Stalo se tak na experimentu Opera pod horou Gran Sasso. Všechna tři neutrina jsou superpozicí tří hmotových stavů. Úhly superpozice (koeficienty mixování) jsou dnes relativně dobře známy. Různé mixáže hmotových stavů vnímáme v experimentech jako jednotlivá neutrina. Nalezení konkrétní kombinace hmotových stavů má vždy jen pravděpodobnostní charakter. Zajímavou otázkou je, zda by ještě nemohly existovat částice čtvrté generace, tedy například čtvrtý elektron či neutrino. Z kosmologických pozorování procentuálního zastoupení prvků se zdá tato možnost vyloučená.

Tabulka vlastností leptonů

Leptony

W – slabá interakce, E – elektromagnetická interakce

Periodická tabulka prvků

periodicka tabulkaMnemotechnické pomůcky

napoveda1

periodicka tabulka obrazkova

 

Periodická tabulka prvků je graficky zpracovaný soubor všech prvků uspořádaných důmyslně podle vlastností daných prvků. Největší zásluhu na sestavení její dnešní podoby má ruský chemik Dmitrij Ivanovič Mendělejev. Roku 1869 zjistil, že vlastnosti prvků, uspořádaných podle jejich atomové hmotnosti, se za nějaký čas vždy opakují. V tabulce dokonce vynechal místo pro prvky, které ještě nebyly známy. Až později, když byly objeveny protony, byl formulován periodický zákon, jehož grafickým vyjádřením je periodická tabulka prvků. Prvky tedy nejsou v tabulce uspořádány podle atomové hmotnosti, ale podle rostoucího protonového čísla.

Periodický zákon: Vlastnosti prvků jsou periodicky závislé na rostoucím protonovém čísle.

Periodická tabulka má:

  • 118 prvků
  • 7 period
  • 18 skupin

Periody:

Pod pojmem perioda chápeme v periodické tabulce vodorovnou řadu. Jednotlivé periody značíme čísly 1-7 nebo písmeny K-Q. Část šesté periody, která je zařazena pod tabulku, nazýváme lanthanoidy, protože jsou to prvky ležící za lanthanem. Část sedmé periody, která je taktéž pod tabulkou, nazýváme aktinoidy, protože jde o prvky ležící za aktiniem. A co nám číslo periody říká o prvku? Dává odpověď na otázku, kolik vrstev má daný atom ve svém obalu.

Skupiny:

Jako skupiny jsou v periodické tabulce označovány svislé sloupce. Prvky v jednotlivých skupinách mají podobné vlastnosti. Každá skupina má své číslo 1-18. Sloupce lanthanoidů a aktinoidů se jako skupiny neoznačují. Dříve byly rozlišovány hlavní a vedlejší skupiny, které se číslovaly římskými čísly. Hlavní skupiny měli označení A, vedlejší B.

Některé skupiny mají také svůj název:

Skupina Název
1 (dříve I. A) ALKALICKÉ KOVY
2 (dříve II. A) KOVY ALKALICKÝCH ZEMIN000
13 (dříve III. A) TRIELY
14 (dříve IV. A) TETRELY
15 (dříve V. A) PENTELY
16 (dříve VI. A) CHALKOGENY
17 (dříve VII. A) HALOGENY
18 (dříve VIII. A)0000 VZÁCNÉ PLYNY

A co nám o prvku říkají římské číslice skupin? Určují nám, kolik má prvek valenčních elektronů. U hlavních skupin označených písmenem A nám také římské číslo skupiny udává maximální možné oxidační číslo prvku.

Pokud se pozorně podíváte na starší označení skupin periodické tabulky, všimnete si, že VIII. B skupina je v tabulce třikrát. Jak je to možné? Je to proto, že všech těchto devět prvků má velice podobné vlastnosti. Nejpodobnější jsou si vždy 3 prvky na jednom řádku, pro které je zavedeno zvláštní označení:

  • Fe, Co, Ni – triáda železa,
  • Ru, Rh, Pd – triáda lehkých platinových kovů,
  • Os, Ir, Pt – triáda těžkých platinových kovů.

Dvě různé tabulky?

Existují dvě formy periodické tabulky – krátká a dlouhá periodická tabulka. Z praktických důvodů se více využívá krátká periodická tabulka, kde jsou lanthanoidy a aktinoidy až pod periodickou tabulkou, čímž se tabulka podstatně zkrátí.

tl_files/Clanky/Images/CHJ_14_DLOUHA TABULKA.png
Obr. 1 Dlouhá tabulka prvků

tl_files/Clanky/Images/CHJ_14_KRATKA TABULKA.png

Obr. 2 Krátká tabulka prvků – kovy(zeleně), polokovy(fialově), nekovy(růžově), plyny(žlutě), kapaliny(oranžově)

Trendy v periodické tabulce:

Proč je tedy tabulka pro chemika tak důležitá? Je to proto, že v ní platí mnoho zákonitostí. Některé z nich jsou vidět na obrázku 4. A které zákonitosti to tedy jsou?

  • Elektronegativita roste v periodě směrem doprava a ve skupině směrem nahoru. Elektronegativita je schopnost atomu poutat k sobě vazebné elektrony. Největší elektronegativitu má fluor.
  • Ionizační energie roste v periodě směrem doprava a ve skupině směrem nahoru. Ionizační energie je energie, kterou je potřeba dodat, aby vznikl kladný ion.
  • Poloměr atomu v periodě směrem doprava klesá, protože rostou přitažlivé síly jádra, které pak drží obal atomu více u jádra, a ve skupině roste směrem dolů, protože se zvyšuje počet vrstev v obalu atomu.
  • Směrem z levého dolního rohu do pravého horního rohu tabulky roste nekovový charakter, to znamená, že kovy jsou v tabulce vlevo (kromě vodíku), postupně přechází v polokovy, poté nekovy a nakonec plyny. To je barevně vyznačeno v krátké i dlouhé tabulce (obrázek 2 a 3).
  • Oxidační čísla rostou v periodě zleva doprava. Prvky více vlevo mají tendenci vyskytovat se spíše v kladných oxidačních číslech, prvky napravo tvoří mnoho sloučenin se zápornými i s kladnými oxidačními čísly. Například sodík má ve sloučenině vždy oxidační číslo +I, síra může mít oxidační čísla v rozmezí –II až  +VI.
  • Redoxní vlastnosti se také v tabulce mění. Prvky nalevo jsou většinou redukční činidla, prvky napravo jsou spíše oxidační činidla.
Kyselý charakter roste v periodě směrem doprava, ve skupině směrem nahoru. Prvky vlevo v tabulce tvoří zásadité oxidy a hydroxidy, prvky vpravo v tabulce tvoří kyselé oxidy a kyseliny.
tl_files/Clanky/Images/CHJ_14_Periodic_trends.jpg

 

Obr. 3 Trendy v periodické tabulce prvků

Elektrolýza vody

vodik a kyslik

Poměr hmotností vodíku a kyslíku, které se při elektrolýze vyloučí, je 1:8.

Poměr jejich objemů je 2:1.

Výpočet:

Podle Avogadrova zákona mají všechny plynné látky za normálních podmínek (tzn. teplota 0°C a tlak 10,1325 kPa) stejný molární objem. Pro porovnání objemů je tedy důležité zjistit, kolik molů látky se při elektrolýze vyloučí.

Tento zákon je jednoduchým důsledkem stavové rovnice pro ideální plyn. A platí pouze pro ideální plyny.

Hmotnost látky vyloučené při elektrolýze vypočítáme z Faradayových zákonů elektrolýzy ze vztahu:

m=AQ,(1)

kde A je elektrochemický ekvivalent látky a Q celkový náboj, který prošel elektrolytem.

Pro elektrochemický ekvivalent látky platí:

A=MmFν,(2)

kde Mm je molární hmotnost látky, F značí Faradayovu konstantu a ν je počet elektronů potřebných k vyloučení jedné molekuly.

Dosadíme rovnici (2) do rovnice (1):

m=MmQFν

a porovnáme hmotnosti dvou látek:

m1m2=Mm1QFν1Mm2QFν2=Mm1ν1Mm2ν2
m1m2=Mm1ν2Mm2ν1.(3)

Při elektrolýze vody se vodík i kyslík vylučují jako plyny ve formě dvouatomových molekul. Molární hmotnost vodíku H2 je tedy Mm1 = 2·1 g mol-1, molární hmotnost kyslíku O2 se rovná Mm2 = 2·16 g mol-1.

K vyloučení jednoho atomu vodíku z vody H2O je potřeba jeden elektron – vodík vytváří jednomocný kation H+. Protože kyslík tvoří dvoumocný anion O2-, jsou k vyloučení jednoho atomu kyslíku zapotřebí dva elektrony. Vodík i kyslík vytvářejí dvouatomové molekuly, a tedy ν1 = 2, ν2 = 4.

Číselné hodnoty Mm1, Mm2, ν1, ν2 dosadíme do rovnice (3) a zjistíme tak poměr vyloučených látek:

m1(H2)m2(O2)=2gmol1432gmol12=18.

Vodík i kyslík jsou plyny, které tvoří dvouatomové molekuly. Za normálních podmínek mají stejný molární objem Vm.

Pro celkový objem plynu V platí:

V=nVm,

kde n látkové množství (počet molů). To vypočítáme jako poměr hmotnosti a molární hmotnosti látky:

n=mMm.

A tedy:

V=mMmVm.

Porovnáme objemy dvou plynů

V1V2=m1Mm1Vmm2Mm2Vm=m1Mm1m2Mm2

a získáme rovnici:

V1V2=m1m2Mm2Mm1.(4)

Z předchozího oddílu víme, že pro poměr hmotností dvou látek platí:

m1m2=Mm1ν2Mm2ν1.(3)

Nyní dosadíme rovnici (3) do rovnice (4) a určíme poměr objemů:

V1V2=Mm1ν2Mm2ν1Mm2Mm1
V1V2=ν2ν1.

K vyloučení jedné molekuly vodíku jsou potřeba dva elektrony (ν1 = 2), k vyloučení jedné molekuly kyslíku jsou zapotřebí čtyři elektrony (ν2 = 4).

Pro poměr objemů vyloučeného vodíku a kyslíku bude tedy platit:

V1(H2)V2(O2)=42=21.

Složení lidského těla

Kdyby se lidské tělo o váze 70 kilogramů rozložilo na prvky, které ho tvoří, vznikla by krychle kyslíku o velikosti malé televize, kus uhlí, velký jako cihla, kilogram vápníku, čajová lžička železa a malé množství dalších komponent.

Složení lidského těla

Ze 118 dosud známých prvků, které se vyskytují v přírodě, se jich v lidském těle nachází většina, i když jen ve stopovém množství. Nejčastěji se vyskytujícími prvky v lidském těle jsou kyslík, vodík a uhlík, které jsou obsaženy ve vodě (vodík a kyslík) a v organických látkách (bílkoviny, tuky).

Voda je základ

Nejvíce je v našem organismu zastoupena voda, která tvoří v průměru asi 60 % váhy lidského těla.
Obsah vody v těle kolísá v závislosti na věku a také závisí na pohlaví jedince. Novorozenci obsahují zhruba 78 procent vody, zatímco rok staré dítě už jenom 65 procent. Dospělí muži typicky mívají 60 procent vody, ale protože ženy mají v těle větší podíl tuku a tuk obsahuje méně vody než svaly, dosahuje podíl vody v dospělých ženách jenom asi 55 procent.

Bílkoviny v organismu

Všechny tkáně a každá buňka v těle obsahují bílkoviny (proteiny). Tvoří část svalů, kostí, vlasů, nehtů a kůže a představují přibližně 18 % celkové tělesné hmotnosti. Různé bílkoviny se dále podílejí na činnosti enzymů, hormonů, neurotransmiterů (přenášejí nervový signál) a bílkoviny jako např. hemoglobin (červené krevní barvivo) a další, neustále udržují tělesné tkáně v dobrém stavu.

Nezbytný tuk

Tuk je zásobárnou energie pro organismus. V tuku se rozpouštějí některé vitaminy (A, E, D, K).
Spolupůsobí při tvorbě buněčných membrán a jsou důležité při vzniku tak důležitých látek jako např. některých pohlavních hormonů (např. testosteronu). Tuky chrání vnitřní orgány a v neposlední řadě slouží také jako tepelná izolace těla před případným přílišným chladem. Obsah tuků v lidském těle činí asi 30 % celkové váhy.

Minerály jsou v těle důležité

Z celkové hmotnosti těla tvoří asi 7 % nejrůznější minerály. Minerály jsou důležité pro tvorbu kostí a zubů, působí jako elektrolyt, pomáhají přenášet kyslík nebo spolupůsobí s enzymy. Lidské tělo obsahuje asi 25 nezbytných minerálů – chemických prvků, které se většinou nacházejí v anorganické (neživé) hmotě, ale v malém množství jsou přítomny i v živých organismech. Mezi nejdůležitější minerály pro člověka patří sodík, draslík, vápník, fosfor, hořčík a jejich soli (např. chlorid sodný = jedlá sůl).
Je důležité poznamenat, že obsah jednotlivých základních složek organismu je u mužů a u žen různý.
Například obsah tukové tkáně u žen je obvykle vyšší než u mužů a naopak více bílkovin v těle (v podobě svalů) mají muži. Také s věkem se složení těla liší. Malé děti mají větší obsah vody v těle než lidé ve vyšším věku. Jednotlivé rozdíly jsou patrné z tabulek.

Rozdělení prvků v lidském těle

Chemické prvky, ze kterých se lidské tělo skládá, můžeme podle jejich obsahu v těle rozdělit na skupinu prvků makrobiogenních, oligobiogenních a stopových (mikrobiogenní prvky). Kromě prvků obsažených v těchto skupinách mohou být v lidském těle obsažena malá množství jedovatých, dokonce i radioaktivních prvků. U řady z nich jejich biologická funkce není známá.
Skupinu makrobiogenních prvků tvoří elementy, jejichž obsah v lidském organismu je větší než 1 % z celkové váhy těla. Řadí se mezi ně uhlík (C), kyslík (O), vodík (H), dusík (N), fosfor (P), síra (S). Jsou to prvky, které tvoří základní kameny živé hmoty, tedy bílkovin, tuků a cukrů.
Oligobiogenní prvky jsou obsaženy v lidském organismu v rozmezí mezi 0,05 % až 1 %. Patří sem zejména draslík (K), síra (S), sodík (Na), chlor (Cl), hořčík (Mg). Tyto prvky jsou často rozpuštěny v tělních tekutinách a plní funkci katalyzátorů (urychlovačů chemických reakcí) nebo fungují jako přenašeči elektrického náboje při šíření nervových signálů.
V koncentraci nižší než 0,05 % z celkové váhy organismu se vyskytují v lidském organismu prvky mikrobiogenní (stopové prvky). Jsou to například jod (J), mangan (Mn), fluor (F) a další. Tyto prvky se účastní nejrůznějších dějů v organismu. Známá je funkce jodu v hormonech štítné žlázy nebo např. fluoru, který chrání sklovinu zubů.

Význam prvků v organismu

Biogenní prvky jsou nezbytné pro život a přijímání jejich správného množství je základem bezchybné funkce lidského organismu. Důraz je nutné položit na příjem správného množství těchto prvků.
Nedostatečný, ale i nadbytečný příjem některých prvků může být nebezpečný. Týká se to zejména prvků oligobiogenních a stopových. Jako příklad může sloužit nadbytečný příjem soli (chlorid sodný – NaCl). Sice platí okřídlené přísloví, že sůl je nad zlato, ale příliš mnoho soli a tedy zvýšený příjem sodíku si může nepěkně pohrát s naším krevním tlakem.

Mgr. Vít Černý

Doporučené procentuální zastoupení tělesného tuku u mužů a žen.

Věk < 30 30 – 50 > 50
Ženy 14 – 21% 15 – 23% 16 – 25%
Muži 9 – 15% 11 – 17% 12 – 19%

Optimální složení těla u zdravých dospělých jedinců v procentech

Základní složky    Muži     Ženy
Voda                    62,4 %    56,5 %
Minerální látky  5,8 %        5,3 %
Proteiny            16,5 %      15,2 %
Tělesný tuk      15,3 %      23,0 %

Základní zastoupení prvků v lidském těle

Prvek Zastoupení Prvek Zastoupení Prvek Zastoupení
Uhlík 50% Draslík 1% Kyslík 20%
Síra 0,80% Vodík 10% Sodík 0,40%
Dusík 8,50% Chlor 0,40% Vápník 4%
Hořčík 0,10% Fosfor 2,50% Železo 0,01%
Mangan 0,001% Jod 0,00005%

 

 

Biogenní prvky

Biogenní prvky jsou prvky nezbytné pro život, tzv. životatvorné. Podle obsahu prvku v buňce se dělí na makrobiogenní (více než 1%), oligobiogenní (od 0.05% do 1%) a stopové (méně než 0,05%). Hranice mezi nimi je jen přibližná.

Makrobiogenní prvky (přibližný procentuální obsah v lidském těle)

  • uhlík 50 %
  • kyslík 20 %
  • vodík 10 %
  • dusík 8,5 %
  • vápník 4 %
  • fosfor 2,5 %

Oligobiogenní prvky – mikrobiogenní prvky

  • draslík 1 %
  • síra 0,834%
  • sodík 0,4 %
  • chlor 0,4 %
  • hořčík 0,1 %

Stopové prvky

  • železo 0,001 %
  • mangan 0,001 %
  • jod 0,00005 %
  • chrom, kobalt, měď, molybden, selen, zinek, křemík, fluor, vanad, bor

Význam některých prvků

  • Uhlík, kyslík,vodík a dusík – jsou stavební prvky biomolekul (sacharidů, lipidů a proteinů)
  • Vápník – vyskytuje se v kostech, zubech, reguluje funkce nervů a svalů, příjem je regulován vitaminem D, parathormonem, kalcitoninem, nedostatek způsobuje u dětí křivici, u dospělých osteomalacii
  • Fosfor – vyskytuje se v kostech, zubech,v ATP, v NK. Nedostatek způsobuje u dětí křivici, u dospělých osteomalacii
  • Draslík – základní kation nitrobuněčné tekutiny, reguluje činnost nervů a svalů, Na+/K+-ATPasa
  • Sodík – základní kation mimobuněčné tekutiny, ovlivňuje objem plazmy, činnost nervů a svalů, Na+/K+-ATPasa
  • Chlor – v žaludečních šťávách
  • Hořčík – tvorba kostí, kofaktor enzymů (kinas)
  • Železo – základní složka hemu v hemoglobinu, cytochromy v elektronovém transportním řetězci
  • Mangan – kofaktor enzymů (hydrolas a transferas)
  • Jod – složka hormonů štítné žlázy (thyroxin, trijodthyronin), nedostatek v prenatálním období vede ke kretenismu, v dětství k omezení růstu, v dospělosti zvětšení strumy
  • Chrom – trojmocný chrom ovlivňuje účinky inzulinu
  • Kobalt – podstatná složka vitaminu B12
  • Měď – součást cytochromu v elektronovém transportním řetězci
  • Molybden – složka enzymů
  • Selen – antioxidant, společně působí s vitaminem E
  • Zinek – kofaktor mnoha enzymů
  • Fluoridy – zvyšuje tvrdost kostí a zubů, nadbytek způsobuje hnědé skvrny na zubech
  • Křemík – u člověka jeho nezbytnost není prokázaná, ale pro jiné živočichy ano
  • Vanad – základní složka některých enzymů
  • Bor – pravděpodobně ovlivňuje vlastnosti buněčné stěny

Chemické složení živé hmoty pdf.

Co je uvnitř atomu: Celé rodiny dalších částic

Co je uvnitř atomu: Celé rodiny dalších částic

Atomy jsou základní částicí běžné hmoty, o které si lidstvo několik staletí myslelo, že jsou zároveň nejmenší možnou částicí. Jenže uvnitř atomů je celá rodina dalších subatomárních částic. Seznamte se s jejími doposud objevenými člen

Protonovi: kvarky a gluony na hromádce

Protonovi jsou velmi stará a úctyhodná rodina se stabilním výhledem do budoucnosti. Poprvé jsou zmiňováni již krátce po Velkém třesku, když vesmír zchladl natolik, že kvarky mohly uzavírat pevná spojenectví v jednotlivých protonech. Ano, schválně píšu spojenectví, protože proton není nedělitelný, jak se dříve předpokládalo.

Proto představuje velmi stabilní svazek dvou kvarků u (jako up, horní) a jednoho kvarku d (jako down, dolní). Stabilita je tak velká, že doposud nebyl zaznamenán žádný případ, že by se toto spojení samo od sebe rozpadlo, proto se poločas rozpadu pouze odhaduje, a to na 1035 let.

Klepněte pro větší obrázek
Vnitřní struktura protonu: dva kvarky u a jeden kvark d. Zdroj: CC BY-SA 2.5 Arpad Horvath

Tato hodnota není „vycucána z prstu“. V minulých letech vědci budovali ohromné podzemní nádrže, ve kterých se kromě jiných pozorování snažili detekovat i rozpad protonu (například Super-Kamiokande). Poločas rozpadu protonu potom odvodili z velikosti nádrže a toho, že se jim nepovedlo žádný přirozený rozpad pozorovat.

Mimochodem jako první pozoroval protony Ernest Rutherford v roce 1920.

Neutronovi: Dlouho jim to nevydrží

Podobně jako Protonovi je to také velmi stará a úctyhodná rodina. Na rozdíl od protonu se ale skládá ze dvou kvarků d a jenom z jednoho kvarku u. Z toho vyplývají různé vlastnosti neutronu ve srovnání s protonem. Především je elektricky neutrální. To proto, že kvark u má náboj o velikosti +2/3e (e = elementární elektrický náboj) a kvark d oproti tomu má náboj o velikost –1/3e. Takže zatímco součet nábojů jednotlivých kvarků v protonu nám dá hezké +1e, v neutronu je to přesně 0.

Klepněte pro větší obrázek
Vnitřní struktura neutronu: dva kvarky d a jeden kvark u. Zdroj CC BY-SA 2.5 Arpad Horvath

Neutron mimo jádro atomu navíc nemá příliš velkou stabilitu. Ano, v jádře se drží, osamocený mimo jádro atomu se ale rozpadne přibližně do patnácti minut. Říká se tomu beta rozpad a opět za něj mohou kvarky. V podstatě dojde k tomu, že se jeden ze dvou kvarků d změní na kvark u a konečným důsledkem je přeměna neutronu na proton za současného vyzáření elektronu a elektronového antineutrina.

Samozřejmě to jde i na druhou stranu, kdy proton zachytí elektron, vytvoří s ním neutron a vyzáří elektronové neutrino. Tento jev se nazývá inverzní beta rozpad a dá se využít i v praxi při nízkoenergetických jaderných reakcích. Zjednodušeně se dá říci, že silná jaderná interakce drží pohromadě jádra atomů, zatímco slabá jednotlivé částice.

Elektrony: Proč jste pořád tak negativní?

Základní přehlídka subatomárních částic by nebyla úplná, kdybychom opomněli částici, která je motorem naší civilizace: elektron, věčně negativní souputník protonů a neutronů. Částice, která pohání všechny naše elektrická zařízení. Do nich proudí elektrony přímo z elektrárny, která přeměňuje mechanickou nebo tepelnou energii na elektrickou. Elektrony pohání i třeba mobilní telefon, kde jsou v akumulátoru rafinovaně uloženy do formy chemické vazby, aby se na požádání uvolnily a posloužily.

Klepněte pro větší obrázek
Orbitaly atomů vodíku, znázornění amplitudy pravděpodobnosti výskytu elektronu. Zdroj CC BY-SA 3.0 FlorianMarquardt

Pakliže protony a neutrony jsou svazky kvarků držících pohromadě díky slabé jaderné interakci, elektron je single. Je to základní, dále už nedělitelná částice, nosič elementárního elektrického náboje. Nukleony tvoří jádro atomu a elektrony potom jeho obal. Jsou to právě elektrony, které rozhodují o chemických vlastnostech jednotlivých prvků, které vážou mezi sebou atomy do molekul.

  • Nukleony: částice v jádru atomů, tedy protony a neutrony
  • Baryony: částice skládající se ze tří kvarků
  • Hadrony: částice skládající se z kvarků. Obecně baryony a dále mezony, tedy částice, které se skládají pouze z kvarku a antikvarku.
  • Leptony: elementární částice, dále nedělitelné, na které nepůsobí silná jaderná interakce

Je zajímavé, že elektron nemá rozměr. Jestliže můžeme říct, že proton je sice nesmírně maličká částice, ale pořád je to „kulička“, která má určitý průměr, o elektronu to neplatí. Jeho velikost nedokázal nikdo změřit a v současné fyzice neexistuje ucelená teorie, která by vysvětlovala, co vlastně elektron jako takový je.

V běžném životě se setkáváme hlavně s elektrony, ale existují i hmotnější příslušníci klanu, muony a tauony. A když už se o tom bavíme, musíme zmínit i různá neutrina – elektronové, muonové a taunové.

Zatímco druhy elektronů se drží ve své váhové kategorii, neutrina tolik slušnosti nemají a oscilují mezi jednotlivými druhy. Vědci na to přišli, když jim scházela elektronová neutrina ze slunečního záření a naopak jim přebývala muonová neutrina. Tato oscilace je jednou z velkých záhad současné fyziky.

Fermiony jsou částice pojmenované podle italského fyzika Enrica Fermiho (proto bývají někdy také označovány jako Fermiho částice), které mají poločíselný spin (1/2, 3/2, 5/2, …, v jednotkách Planckovy konstanty vydělené 2π). Díky poločíselnosti jejich spinu, oběhne-li pozorovatel kolem fermionu dokola o 360° (nebo se otočí fermion), vlnová funkce fermionu změní znaménko. Proto je lze též popsat jako částice, jejichž systémy jsou popsány úplně antisymetrickou vlnovou funkcí. Platí tedy pro ně Pauliho vylučovací princip a řídí se Fermiho-Diracovou statistikou. V relativistické kvantové teorii pole je možné ukázat, že dvě výše uvedené definice jsou ekvivalentní, tj. systémy nerozlišitelných částic s poločíselným spinem jsou popsány antisymetrickou vlnovou funkcí.

Všechny elementární částice jsou buď fermiony (kvarkyleptony včetně elektronu), nebo bosony (částice s celočíselným spinem jako foton, či gluon). Částice složené z lichého počtu fermionů se chovají též jako fermiony (např. protonneutron, které jsou složeny ze tří kvarků a mají celkový spin 1/2). Avšak částice složené ze sudého počtu fermionů se chovají jako bosony (např. mezony skládající se ze dvou kvarků). Jako kvazičástice pak mohou vedle fermionů a bosonů existovat i částice se spinem jiné než celočíselné či poločíselné hodnoty, takzvané anyony.

Buňka a její složení

Všechny živé organismy jsou tvořeny 4 základními prvky – COHN, neboli uhlík, kyslík, vodík, dusík (pěkně se to pamatuje podle profesora Cohna z Básníků). Z těchto základních a několika stopových prvků jsou tvořeny aminokyseliny (základ bílkovin), mastné kyseliny (základ tuků), a jednoduché sacharidy (základ složitých cukrů, škrobů, rostlinné vlákniny). Z nich jsou pak tvořeny buňky. Ale ani buňka není jen jednotvárná “cihla”. Má různé buněčné obaly a membrány, vevnitř jádro, jadérko, ribozomy, lysozomy, mitochondrie, vakuoly,… to vše obklopuje cytoplazma a prostor mezi jednotlivými buňkami vyplňuje mezibuněčná hmota.
To jen ve skratce.
Ale abych odpověděla na Tvojí otázku – buňky jsou tvořeny z molekul tuků, sacharidů a bílkovin, molekuly z atomů jednotlivých prvků a ty atomy ještě z protonů, neutronů a elektronů. Takže vlastně všechno na světě, ať už živé či neživé, pevné, kapalné i plynné je tvořeno z těchto 3 dále již nedělitekných “cihliček” protonů, neutronů a elektronů.
Snad jsem Ti to ještě víc nepomotala:-)
Akorát nevím, proč to dáváš do fyziky. Víc logické mi to přijde do biologie, nebo ještě do chemie…

Největší buňka v lidském těle je ženské vajíčko (500 mikrometrů – 0,5 mm) a nejmenší je mužské sperma (50 mikrometrů – 0,05 mm)

Průměrná lidská buňka je velká přibližně 0,01 mm. Největší lidskou buňkou je vajíčko. (přibližně 0,2 – 0,5 mm v průměru)

Rozpad protonu může mít dva významy.

1. Přeměna protonu p na neutron n, pozitron e+ a elektronové neutrino ne: p → n + e+ + ne. Vzniká působením slabé interakce v samotném středu protonu. Protože součet klidových energií částic na pravé straně je větší než klidová energie protonu, nemůže rozpad protonu probíhat samovolně (byl by narušen zákon zachování energie). Protony se rozpadají jen tehdy, pokud jsou vázány v atomovém jádře. Energii potřebnou k rozpadu dostanou od ostatních částic v jádře. Tímto procesem se mění ve hvězdách neustále obrovské množství protonů na neutrony (viz hoření vodíku). Neutrony ve všech atomech ve vesmíru vznikly rozpadem protonů při nukleogenezi. Výjimkou jsou neutrony v kosmologickém heliu a kosmologickém deuteriu. Ty jsou původní, z počátku vesmíru, kdy existovaly ve velkém množství všechny elementární částice. Tyto prvotní neutrony se spojily s protony v jádra helia dříve, než se stačily rozpadnout na protony.

2. Rozpad volného (samotného) protonu na pozitron a elektronové neutrino (o jakém uvazovala teorie) nebyl na Superkamiokande pozorován, takže není narušen zákon zachování baryonového čísla.

Atom

Atom (z řeckého ἄτομος, átomos – nedělitelný) je nejmenší částice běžné hmoty, částice, kterou už chemickými prostředky dále nelze dělit (ovšem fyzikálními ano – viz např. jaderná reakce) a která definuje vlastnosti daného chemického prvku. Atom se skládá z atomového jádra obsahujícího protony a neutrony a obalu obsahujícího elektrony.
Historický vývoj atomové teorie
První představy o atomu pocházejí z antického Řecka, ve kterém v 5. století př. n. l. Démokritos představil filosofickou teorii, podle které nelze hmotu dělit do nekonečna, neboť na nejnižší úrovni existují dále nedělitelné částice, které označil slovem atomos (ἄτομος). Podle této teorie je veškerá hmota složena z různě uspořádaných atomů různého druhu, které jsou nedělitelné, přičemž je nelze vytvářet ani ničit.
Vědeckou formu atomové teorii poskytl na začátku 19. století John Dalton, podle kterého se každý chemický prvek skládá ze stejných atomů zvláštního typu, které nelze měnit ani ničit, ale lze je skládat do složitějších struktur (sloučenin). Na základě této teorie byl schopen vysvětlit některé otevřené otázky tehdejší chemie, např. proč při chemických reakcích reagují vždy jednoduché poměry množství příslušných látek (viz zákon násobných poměrů slučovacích).
Thomsonův (pudinkový) model atomu
Související informace naleznete také v článku Thomsonův model atomu.
Teorii o nedělitelných atomech (přesněji částic, které atomy nazval Dalton) však v roce 1897 vyvrátil J. J. Thomson, který při studiu katodového záření objevil elektron — tedy první subatomární částici. Na základě tohoto objevu vytvořil tzv. Thomsonův model atomu (též pudinkový model), který předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou, ve které jsou (jako rozinky v pudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony.
Rutherfordův (planetární) model atomu

Rutherfordův model atomu
Související informace naleznete také v článku Rutherfordův model atomu.
Thomsonův model překonal na začátku 20. století Ernest Rutherford, který analýzou experimentů Geigera a Marsdena dokázal, že většina hmoty s kladným nábojem je umístěna ve velmi malém prostoru ve středu atomu.[1] To ho vedlo k Rutherfordově modelu, podle kterého se atom skládá z kladně nabitého hutného jádra, kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony obdobně jako planety obíhají Slunce (proto se tento model nazývá též planetární model atomu). Později také zjistil, že jádro atomu vodíku je nejjednodušším jádrem, které je tvořeno jedinou částicí, přičemž tato částice je obsažena také v jádrech ostatních atomů. Tato částice se nazývá proton. V roce 1932 pak James Chadwick objevil neutron, který se v jádře nachází spolu s protony.
Planetární model však trpěl mnoha zásadními nedostatky: například podle všech známých zákonů by elektricky nabité těleso (elektron) obíhající po kruhové či eliptické dráze muselo vysílat elektromagnetické záření, čímž by ztrácelo energii a ve velmi krátkém čase by se všechny elektrony spirálovitě zřítily do atomových jader.
Bohrův-Sommerfeldův model atomu

Bohrův model atomu
Související informace naleznete také v článku Bohrův model atomu.
Zásadní problémy Rutherfordova modelu překonala až nová kvantová teorie, podle které je elektromagnetické záření vysíláno i pohlcováno po nedělitelných množstvích, kvantech. V roce 1913 vytvořil Niels Bohr podle této teorie Bohrův model atomu. Podle tohoto modelu obíhají elektrony atomové jádro jen na některých dovolených kruhových drahách, přičemž nemohou vyzařovat a spirálovitě padat do jádra, protože mezilehlé dráhy nejsou možné a vyzařování energie není spojité, mohou pouze za určitých podmínek jednorázovými změnami „přeskočit“ z jedné energetické hladiny do jiné.
Bohrův model byl navržen ad hoc, byl poměrně komplikovaný, ale dokázal předpovědět několik důležitých faktů o atomových spektrech. V některých ohledech však stále selhával (např. vysvětlení štěpení spektrálních čar). Bohrův model je stále založen na klasické fyzice, na rozdíl od planetárního modelu však doplnil některé postuláty, kterými se pokusil odstranit rozpory planetárního modelu. Jedná se tedy o soubor uměle definovaných fenomenologických tvrzení, o kterém byl samotný Bohr přesvědčen, že nemůže být konečným vysvětlením. Bohrovy postuláty však byly jedním z podstatných podnětů, které iniciovaly vznik kvantové teorie — nového teoretického základu, ze kterého postuláty přirozeně vyplývají.
Arnold Sommerfeld doplnil Bohrův model o vybrané eliptické dráhy oběhu elektronů a přidal příslušné postuláty. Umožnil tak dílčí vysvětlení pro rozštěpení některých spektrálních linií a některé změny spekter v magnetickém poli.
Kvantověmechanický model atomu
Moderní kvantověmechanický model atomu vznikl na základě de Broglieho teorie částicových vln a následné Schrödingerovy práce, v níž představil tzv. Schrödingerovu rovnici, podle které elektron (stejně jako všechny ostatní částice) není popisován jako hmotný bod, ale jako vlnová funkce definující pravděpodobnosti výskytu elektronu v různých místech prostoru. Spolu s Heisenbergovými relacemi neurčitosti to znamená, že mechanistické eliptické dráhy Bohrova-Sommerfeldova modelu byly opuštěny a nahrazeny neostře definovanými oblastmi, ve kterých se elektron s určitou pravděpodobností nalézá, tzv. orbitaly.
Model založený na Schrödingerově kvantové mechanice dokázal vysvětlit mnoho atomových vlastností, které byly dřívějšími teoriemi nepředpověditelné (např. pravděpodobnosti přechodů a tedy intenzity spektrálních čar). Některé jevy v jemné struktuře spekter se však pomocí něho vysvětlit nepodařilo.
K přesnějšímu vystižení vlastností atomového obalu je potřeba relativistická kvantová mechanika. Chování elektronů tak lépe popisuje relativistická Diracova rovnice, ze které přirozeně vyplývají i korekce k Schrödingerovu modelu, mající původ v relativistické změně hmotnosti a v interakci spinů elektronů (přesněji jejich magnetických polí) ve víceelektronových atomových obalech. Podobně Kleinova-Gordonova rovnice popisuje vlastnosti exotických mezoatomů, jejichž atomový obal je tvořený mezony (zpravidla záporné piony).
Složení atomu
Související informace naleznete také v článcích atomové jádro a elektronový obal.
Přestože podle jména je atom „nedělitelný“, ve skutečnosti jej lze rozložit na menší složky, někdy označované jako subatomární částice:
elektrony jsou záporně nabité částice, které se nacházejí v atomovém obalu, ze kterého je lze relativně snadno vyjmout a vytvořit tím nabitý iont (viz ionizace)
ve středu atomu je atomové jádro obsahující tzv. nukleony (jádro zabírá jen nepatrnou část atomu, ale tvoří naprostou většinu jeho hmotnosti):
protony jsou kladně nabité částice, zhruba 1836krát hmotnější než elektrony,
neutrony jsou elektricky neutrální částice, jen o trochu hmotnější než protony.
Elektrony jsou k atomovému jádru vázány elektromagnetickou silou zprostředkovávanou fotony. Protony a neutrony v jádře jsou navzájem vázány silnou jadernou silou zprostředkovanou gluony.
Samotné protony a neutrony se ještě skládají z kvarků.
Druhy atomů
Různé atomy se liší svým složením: počtem jednotlivých částic. Atomy různých prvků se liší svým atomovým číslem, které vyjadřuje počet protonů v jádře (např. atom se šesti protony je atomem uhlíku; počet elektronů v obalu je u běžného elektricky neutrálního atomu shodný s počtem protonů v jádře). Atomy jednoho prvku se mohou lišit počtem neutronů v jádře (tzv. nukleonovým číslem), čímž tvoří různé izotopy (např. atom s šesti protony a osmi neutrony je izotop uhlík 14, 14C). Pokud se z elektricky neutrálního atomu vyjme elektron (nebo se naopak do něj vloží), vznikne nabitý iont.
Je známo asi 256 druhů atomů (nuklidů), které jsou stabilní, a mnoho dalších, jejichž jádra jsou nestabilní a samovolně se radioaktivně rozpadají.
Exotické druhy
Podrobnější informace naleznete v článku Exotické atomy.
V atomovém jádře může být nukleon nahrazen hyperonem, zpravidla hyperonem Λ. Jedná se pak o atom s hyperjádrem.
Elektron v atomovém obalu může být nahrazen mionem (nebo lehčím záporně nabitým mezonem, např. pionem). Takový atom se pak nazývá mioatomem (resp. mezoatomem). Vzhledem k větší hmotnosti je klasický Bohrův poloměr mioatomu mnohem menší, mion je vázán těsněji a je vysoká pravděpodobnost záchytu mionu jádrem (obdoba záchytu elektronu u radioaktivní přeměny beta). Atomové orbitaly mezoatomů se liší nejen kvůli odlišné hmotnosti, ale také tím, že k popisu kvantověmechanického chování mezonu v obalu je nutno použít Kleinovu-Gordonovu rovnici (na rozdíl od Diracovy rovnice pro elektron). Také jádro (proton u atomu lehkého vodíku) může být také nahrazeno antimionem nebo kladně nabitým mezonem – v r. 2016 tak např. byla prokázána existence exotických atomů složených z pionu a kaonu (jak K+π− tak π+K−).[2]
Někdy bývá za exotický atom považováno i tzv. pozitronium, vázaná soustava pozitronu a elektronu, a mionium, název nesystematicky používaný jak pro soustavu antimionu a elektronu, tak antimionu a mionu. Ve všech těchto případech kladně nabitý antilepton nahrazuje klasické atomové jádro.
Mohou existovat i vázané soustavy atomového jádra a antiprotonu, nahrazujícího elektron v obalu. Takové soustavy se nazývají baryonové atomy. V r. 1991 bylo objeveno antiprotonové hélium (atomové jádro hélia s “obalem” tvořeným antiprotonem a elektronem), v r. 2006 pak byla prokázána produkce protonia čili antiprotonového vodíku, vázané soustavy protonu a antiprotonu.[3] V případě antiprotonového hélia, jakéhosi hybridu mezi atomem a molekulou, se používá též název atomkule.
Všechny exotické atomy jsou nestabilní.
Atomy a molekuly
V plynech, kapalinách a některých pevných látkách jsou atomy chemickými vazbami vázány do molekul. V jiných pevných látkách jsou atomy vázány přímo bez tvorby molekul. Tak vznikají krystalické látky; zvláštním případem jsou molekulární krystaly.
Silové působení v atomu
Protože je atom složen z částic, je pro jeho stabilitu důležitá vyváženost sil, které v něm působí:[4]
Gravitační síla působící mezi všemi formami hmoty je v atomech zanedbatelná. Je to nejen z důvodu, že subatomární částice mají velkou hybnost, ale především proto, že gravitace je ze všech interakcí nejslabší. Například mezi protonem a elektronem vzdáleným 10−10m (poloměr atomu) působí gravitační síla 10−47N, zatímco síla mezi dvěma protony (či neutrony) vzdálenými 10−15m (poloměr jádra atomu) působí gravitační síla 10−34N.
Elektromagnetická síla je síla nekonečného dosahu, která působí pouze na částice s elektrickým nábojem. V běžném atomu jsou to jsou elektron a proton, zatímco neutron je elektricky neutrální. Přitažlivá elektromagnetická síla mezi záporně nabitým elektronem a kladně nabitým protonem je tedy síla, která drží elektrony v elektronovém obalu a brání jim, aby atom opustily a to silou řádu 10−8N. Na druhou stranu mezi samotnými protony působí odpudivá elektromagnetická síla, a to v řádu 100 N.
Silná jaderná síla je přitažlivá síla, která působí mezi všemi kvarky a gluony až do vzdálenosti 10−15m. V atomu jsou z kvarků složeny proton a neutron. Silná síla je tedy zodpovědná za to, že protony a neutrony drží pohromadě a vytváří atomové jádro a především, že drží pohromadě protony, které se vzájemně elektricky odpuzují.
Slabá jaderná síla je síla působící mezi všemi fermiony až do vzdálenosti 10−18m. V běžném atomu jsou všechny částice fermiony, protože mají spin 1/2.
Z toho vyplývá, že za interakce v atomovém obalu (elektrony v poli jádra, elektrony navzájem, přechody mezi energetickými stavy) je zodpovědná elektromagnetická interakce.
V atomovém jádře se významně projevuje silná interakce (drží jádro pohromadě, je zodpovědná za radioaktivní přeměnu alfa), ale i slabá interakce (zodpovědná za radioaktivní přeměnu beta) a elektromagnetická interakce (snižuje vazbovou energii jádra, zodpovědná za přechody mezi energetickými stavy jádra – radioaktivitu gama).
Výzkum atomů
Nemožnost vizualizace atomů viditelným světlem
Vizualizaci makroskopických objektů lze bezproblémově provést opticky, tedy pomocí viditelného světla. Tehdy lze proces vizualizace popsat následovně: Světlo putuje ze zdroje záření na objekt od nějž se odrazí (nebo je světlo pohlceno a následně vyzářeno) a pokračuje do měřícího přístroje, např. mikroskopu. Makroskopické objekty jsou díky své hmotnosti ovlivněny světelným tokem pouze nepatrně a vliv měření se zpravidla zanedbává.
Problém nastává u mikroskopických objektů, jako jsou atomy, kde vliv měření zanedbat nelze. Maximální přesnost měření je dána principem neurčitosti, . Vyplývá z něj, že polohu atomu nemůžeme změřit naprosto přesně, takže obraz bude vždy rozostřen a toto omezení nelze nijak obejít. Dále z něj vyplývá, že čím menší rozostření chceme, tím větší hybnost světlo musí mít. Protože ale hovoříme o rozostření menším než velikost atomu, tedy v řádu , tak hybnost fotonů musí být v řádu , neboli minimální frekvence použitelného světla je . Nejvyšší frekvence viditelného světla je ale řádu a tedy viditelným světlem není možné atomy pozorovat. Zpětný výpočet ukazuje, že viditelným světlem je možné pozorovat pouze objekty, které jsou alespoň 10000krát větší než je atom. Toto omezení je platné pro všechny optické mikroskopy bez ohledu na jejich konstrukci.
Zařízení pro vizualizaci atomů
Aby se daly atomy vizualizovat, je nutné místo viditelného světla použít něco jiného nebo použít úplně jiný způsob vizualizace. Mezi základní zařízení pro vizualizaci atomů patří:
Elektronový mikroskop – Namísto viditelného světla (fotonů) používá elektrony a namísto optických čoček používá elektromagnetické čočky. Použití elektronů umožňuje kvantová mechanika, podle níž mají všechny částice, a tedy i elektron, vlnovou povahu (korpuskulárně-vlnový dualismus). Výhoda elektronového mikroskopu je jeho mnohostrannost.
Řádkovací tunelový mikroskop – Pro zobrazení povrchu využívá tunelový jev. Ostrý hrot se pohybuje těsně nad povrchem zkoumaného vzorku. Tunelový jev umožňuje přechod proudu (elektronů) z povrchu na hrot i když se hrot povrchu “nedotýká”. Mikroskop v dané poloze hrotu z velikosti procházejícího proudu určí vzdálenost mezi hrotem a povrchem a tedy výšku povrchu (z-ovou souřadnici). Na základě zmapování vzdáleností hrotu a povrchu v mnoha bodech roviny v níž se hrot pohybuje, vytvoří mikroskop obraz reliéfu zkoumaného povrchu. Nevýhodou tunelovacího mikroskopu je, že se dá použít pouze pro vizualizaci vodivých povrchů.
AFM mikroskop – Pro zobrazení povrchu využívá atomárních sil atomů povrchu zkoumaného vzorku. Ostrý hrot připevněný na ohebném nosníku se pohybuje po povrchu vzorku. Atomární síly povrchových atomů působí na hrot a ohýbají nosník. Mikroskop sledováním ohybu nosníku v dané poloze určí polohu hrotu a tedy i výšku povrchu. K vizualizaci reliéfu celého povrchu je potřeba hrotem zmapovat celý povrch. Výhoda AFM je, že se dá použít i pro vizualizaci nevodivých povrchů.
Manipulace s atomy
S jednotlivými atomy se poprvé podařilo manipulovat v roce 1989 Donaldu Eiglerovi z IBM, který ze 35 atomů xenonu vytvořil nápis „IBM“. Pro manipulaci s atomy použil řádkovací tunelový mikroskop při velmi nízkých teplotách a v ultravysokém vakuu.
Manipulace s jednotlivými atomy je velmi důležitá pro budoucí rozvoj nanotechnologie, oboru, který na úrovni atomů a molekul pomáhá vytvářet materiály speciálních vlastností, např. materiály s vysokou pevností.

Piezoelektrický jev

Piezoelektrický jev (z řeckého piezein (πιέζειν) – tlačit) je schopnost krystalu generovat elektrické napětí při jeho deformování. Může se vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie. Nejznámější piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen, křišťál. Poprvé byl piezoelektrický jev pozorován u Seignettovy soli (tetrahydrát vinanu draselno-sodného). Opačný jev, kdy se krystal ve vnějším elektrickém poli deformuje se nazývá nepřímý piezoelektrický jev. Další jev zvaný elektrostrikce, ačkoliv je nepřímému piezoelektrickému jevu podobný, jedná se o proces samostatný.

Obsah

Vznik piezoelektrického jevu

Mechanismus vzniku elektrické polarizace při deformaci

Jev lze vysvětlit mikroskopicky: Deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která se v nezdeformovaném krystalu nacházejí ve stejném bodě, se od sebe vzdálí. Na určitých plochách krystalu se objeví elektrický náboj.

Při obráceném piezoelektrickém jevu, dochází pod vlivem elektrického pole k deformaci.

Piezolektrickému jevu je podobný jev elektrostrikce. Elektrostrikční jev se však na rozdíl od jevu piezoelektrického projevuje ve všech dielektrických materíálech (dielektrikum) a se změnou znaménka elektrického pole při něm nedochází ke změně směru deformace. [1]

S deformací krystalické mřížky působením vnější síly souvisí i změna měrného elektrického odporu. Tento je označován jako piezorezistivní jev.

Při vysokých teplotách dochází u jakéhokoliv materiálu ke ztrátě piezoelektrických vlastností, protože je narušeno uspořádání iontů. K této změně dochází skokově, podobně jako ke změně skupenství. (Viz fázový přechod.) Přechodová teplota je charakteristická pro daný materiál a nazývá se Curieova teplota.

Využití piezoelektrického jevu

Historicky bylo piozelektrického jevu využito v léčitelství nebo lékařství ájurvéda (ayurveda) v Indii. Krystaly turmalínu se přikládaly na bolavá místa podél páteře nebo na akupresurní body. Tlakem se zahřívaly a léčily některé neduhy (Turmalíny, největší tajemství mezi drahokamy, R. N. 1996). Piezoelektrický jev byl tedy vypozorován a snad nějak využíván v indické vědě starověku před staletími a tisíciletími.[zdroj?]

Obvykle se udává, že piezoelektrický jev byl objeven v letech 1880 (Pierre a Jacques Curie).[1]

Přímý piezoelektrický jev se využívá např. u zapalovačů, v gramofonových přenoskách, v piezoelektrických mikrofonech. Piezorezistivní jev je využíván například v polovodičových tenzometrech.

Využití obráceného piezoelektrického jevu je založeno na působení elektrického pole na krystal. Je-li pole časově periodicky proměnné s kmitočtem, který odpovídá kmitočtu vlastních elastických kmitů krystalu, vzniká mechanická rezonance.

Přímý i obrácený (nepřímý) piezoelektrický jev se využívá například v lékařských sonografech, generujících ultrazvuk. Velmi rozsáhlé možnosti využití pizoelektrického jevu zajistila také oblast digitálních tiskáren. U těchto se momentálně využívá tzv. termo principu (hlavním zástupcem je společnost HP) a právě piezo (Epson). Výhodou piezoelektrické technologie je fakt, že u ní nedochází k zahřívání inkoustu a proto lze tisknout i velmi agresivními médii, jakými jsou solventní (ředidlové) inkousty, UV inkousty (k jejich vytvrzení dochází až po dopadu na tiskové médium pomocí UV záření) a nebo například inkousty, u kterých by při zahřátí v tiskové hlavě došlo k degradaci – sublimační inkousty.

Další aplikace

Princip aktivního sonaru.

Sonar byl vyvinut v první světové válce jako jedna z prvních piezoaplikací, pro detekci objektů v moři.

SONAR, angl.SOund Navigation And Ranging (zvuková navigace a zaměřování) je obdobou:

  • RADARu (RAdio Detection And Ranging) nebo –
  • LIDARu (Laser lluminated Detection And Ranging)

Sonar využívají například

  • netopýři (echolokace)
  • ponorky, protože rádiové vlny mají pod vodou výrazně menší dosah než na souši

  • Uspořádání vstupního a výstupního měniče pro povrchovou akustickou vlnu.
  • zdravotníci – neinvazivní prohlížení orgánů, plodu atp.

Povrchová akustická vlna je základem součástek s povrchovou akustickou vlnou, které využívají generování a detekci povrchové akustické vlny na piezoelektrickém substrátu. Tyto součástky mají řadu aplikací (filtry, rezonátory atp.)

Postavte si krystalku

  • Při stavbě vystačíte s několika součástkami i desítky let starými.
  • Hraje na sluchátka pro jednoho nebo pro dva posluchače a nikoho v okolí neruší.
  • Hraje tak akorát, ani ne málo, ani ne tak moc, abyste ohluchli jako od dnešních přehrávačů.
  • Má prakticky neomezenou životnost, neopotřebovává se.
  • Hraje bez baterií, nic nespotřebovává a je to tím pádem vlastně nejekologičtější* přijímač.
    *) Pomineme-li příkon vysílače, ale ten vysílá bez ohledu na to, zda jej posloucháme na krystalku nebo na stolní rádio s příkonem 50W.
Schéma zapojení:

krystalka s jednočinným detektorem krystalka s dvoučinným detektorem

Krystalku si můžete postavit úplně obyčejnou s jedinou diodou podle schématu vlevo nebo si můžete postavit systém podle schématu vpravo, který je o něco složitější, avšak s dvoučinnou detekcí, která (pokud je k dispozici dostatečná energie z antény) hraje o poznání silněji. Pokud si chcete postavit krystalku složitější, s možností rozšíření na jiné vlnové rozsahy, můžete použít schéma na krystalku s výměnnou cívkou podle Ing. M. Pacáka. Pokud se v dnešní době marně snažíte sehnat ladící kondenzátor, pak pro vás bude dobrá volba tzv. přepínačová krystalka, kde se bez ladícího kondenzátoru úplně obejdete. Použitelných schémat je samozřejmě mnohem více, stačí chvíli hledat na internetu, bohužel ne u všech jsou podrobně popsány hodnoty potřebných součástek, takže váš pokus nemusí skončit zdárným výsledkem. Schéma si vytiskněte a nalepte na stěnu vámi vyrobeného přístroje. V každém přístroji, který stavíte by schéma mělo být, aby každý, kdo jej bude opravovat se měl podle čeho orientovat. Ani jednoduchá krystalka by neměla být vyjímkou. Mnozí namítnou, že u tak primitivního zařízení se v zapojení vyzná i cvičená opice. Nesdílím tento názor, kupříkladu pouhým pohledem na navinutou cívku se jen těžko dozvíte potřebný počet závitů a z kondenzátoru, na kterém se nějakým nedopatřením setřel popis jeho kapacitu bez vypájení a externího měření také nezjistíte. Prostě radioamatér by měl pracovat zodpovědně, i když staví jednoduchou věc a vždy myslet na ty, co ji budou používat po něm.

Součástky:

Máte-li k dispozici originální galenitový nebo karborundový detektor, či dokážete-li si ho vyrobit, budete skutečně styloví a originální. Ostatní, kteří tuto možnost nemají, by však měli vědět, že při použití dobré germaniové diody dosáhnou úplně stejných nebo i lepších výsledků. Vhodná dioda je např. celoskleněná GA201 až GA205, 1NN40 až 5NN41 nebo dioda OA5 až OA9 či OA47 se zlatým hrotem (vzhledově připomínající “dvounožičkový” transistor), dioda AA112, či robustní ruská skleněná dioda D2B nebo D2V. Místo detektoru můžete využít i starší vysokofrekvenční germaniový transistor, např. 155NU70 nebo OC170 tím, že z něj zapojíte jen bázi a kolektor, zatím co třetí nožičku (emitor) necháte volnou. Diodu křemíkovou, např. některou z řady KA206, KY130/80, 1N4007, BY… a jim podobné nepoužívejte a zenerovy diody KZ… už vůbec ne, běžná krystalka vám s nimi hrát nebude.

diody vhodné a diody nevhodné pro stavbu krystalky

Ladící kondenzátor vyhoví jakýkoli vymontovaný ze starého vyřazeného přijímače. Je to součástka, které i v hodně poškozeném přijímači bývá většinou v pořádku a plně funkční. Kapacita kondenzátoru není kritická (na schématu je uvedená doporučená hodnota kondenzátoru v situaci, když má plně zasunuté desky). Pokud máte kondenzátorů více, vyberte si nějaký robustnější. Nejlepší parametry má ladící kondenzátor vzduchový. Ale bývá poměrně velký a musíme s ním zacházet opatrně. Je velmi důležité, aby jeho desky o sebe při otáčení nedřely a nebyly mezi nimi nečistoty. Pro krystalku, které se bude často přenášet nebo pracovat ve ztížených podmínkách (krystalka na dětském táboře) je vhodnější malý ladící kondenzátor z transistorového přijímače nebo jiný podobný, který má mezi deskami dielektrikum z plastové fólie. Většina ladících kondenzátorů je dvojitých. Pokud má váš kondenzátor více vývodů, pozorně si je prohlédněte. Ten, který je spojený s hřídelkou (rotor označený ve schémátku “r”) musíte zapojit ke zdířce pro uzemnění. U malých plastových ladících kondenzátorů je to většinou prostřední vývod. Všechny ostatní vývody, které s hřídelkou spojené nejsou (tvoří části statoru ve schématu označeno jako “s”) vzájemně propojte drátem a nakonec připojte ke zdířce pro anténu. U malých plastových ladících kondenzátorů jsou to všechny vývody v rozích nebo při okraji. Pozor, některé ladící kondenzátory mívají i několik vývodů z rotoru (spojených s hřídelí), zejména starší ladící kondenzátory vzduchové. Pokud jste si jisti, že je vizuélně nebo měřením rozpoznáte, všechny je spojte a připojte na zdírku pro uzemnění. Pokud si u některých vývodů nebudete zcela jisti kam vedou, raději je nechte volné. Kdybyste je omylem přibrali do nevhodné skupiny vznikl by záludný zkrat. Sice se nic nezničí, ale krystalka by, dokud chybu nenapravíte, prostě hrát nemohla. Vývody u plastových ladících kondenzátorů musíte pájet krátce a rychle. Kondenzátor se teplem snadno poškodí. Při pájení mějte rotor kondenzátoru otočený ve směru chodu hodinových ručiček tak, aby byly desky do sebe zasunuty a napomohly odvádět teplo. Naopak vzduchové kondenzátory, zejména ty s keramickou izolací, bývají při pájení značně odolné.

ladící kondenzátory vhodné a nevhodné pro stavbu krystalky

cívka na krystalku navinutá na plastové kostřičce Cívku na krystalku nikde nekoupíte. Budete si ji muset vlastnoručně navinout. Navíc u takto jednoduché krystalky vám nebudou příliš platné výpočty o rezonančním obvodu a o indukčnosti cívky. Dlouhá, nízko zavěšená anténa, připojená přímo na cívku, vám způsobuje velmi značnou parazitní kapacitu, která se k hodnotě ladícího kondenzátoru přičítá. Ve výsledku proto bude mít cívka mnohem méně závitů, než by vám výpočtem vyšlo (tedy i méně, než má středovlnná cívka, pokud byste ji demontovali z nějakého radiopřijímače). Drát na cívku získáte vymotáním lakovaného drátu z nějakého elektromagnetu z relátka, stykače nebo z transformátoru. Vyhoví lakovaný drát o průměru od 0,08 do 0,2mm CuS (nebo i vysokofrekvenční lanko opřádané hedvábím.) Drát po odvinutí zběžně prohlédněte, zda nemá seškrábnutý lak. Na Moravě by vám pro poslech vysílače Dobrochov měla dobře fungovat vzduchová cívka s 82 závity navinutá na dutou plastovou kostřičku (bez jádra) z rozkuchaného kancelářského bělítka. Kostřička od bělící pásky má vnitřní průměr 12mm a krajní čela jsou od sebe vzdálená 8mm. Kdo kancelářské bělítko nemá – žádný problém, prostě si slepí kostřičku stejných rozměrů z tvrdého papíru. Do prostoru mezi čely kostřičky naviňte drát hodně divoce. Tedy ne, aby bylo vinutí úhledné – závit vedle závitu, ale právě naopak, aby se závity co nejvíce křížily (a tím byla mezi nimi nižší kapacita). V Čechách, pro poslech vysílače Liblice, který pracuje ve spodní části středovlnného pásma, bude potřeba na cívce závitů více)*, nejméně 100.

*) Pokud by vám stanice nehrála v ladícím rozsahu, ale slyšeli jste ji při zcela uzavřeném ladícím kondenzátoru ještě jaksi “za rohem vpravo” ve směru hodinových ručiček, je to neklamné znamení, že musíte několik dalších závitů na cívku přidat. Naopak, bude-li stanici slyšet “za rohem vlevo” při zcela otevřeném ladícím kondenzátoru, proti směru hodinových ručiček, znamená to, že musíte z cívky několik závitů odvinout. Pro začátek přidávejte nebo ubírejte tak o 10 až 15 závitů.

Anténa ke krystalce:

Dobrá anténa je pro fungování krystalky naprostou nezbytností. Vždyť je vlastně pro přijímač jediným zdrojem energie. Ani sebelépe postavené krystalka nebude s ošizenou anténou hrát dobře. Anténu tvoří 10 až 30 metrů holého nebo izolovaného měděného drátu silného 0,3 až 2mm, nataženého vodorovně nebo šikmo 3 až 10 metrů nad zemí (podle místních možností). Drát by měl být po celé trase pokud možno vzdálený od elektricky vodivých předmětů (plechová střecha, ploty, stromy, zdi, zemský povrch) a nikde nesmí křižovat silnoproudé elektrické vedení (vedené na sloupech). Drát je zavěšený za izolátorky. Jeden konec antény je izolovaným vodičem svedený až k přijímači, druhý konec je volný a končí na izolátorku. Je-li anténa dlouhá a vysoko natažená, dává silný signál. Kdo by si chtěl postavit ke krystalce opravdu stylovou originální anténu, může ji udělat přesně podle náčrtku z dob začátku rozhlasového vysílání.

řádná venkovní anténa ke krystalce

Všem ostatním někde na táboře, ale bohatě postačí dlouhý kus libovolného drátu, natažený od vrcholu stanu nebo pomocného stožárku někam do koruny stromu. Samozřejmě na obou koncích drátu nezapomeňte anténu řádně odizolovat od všech vodivých předmětů, jinak vám (zejména za deště) nebude hrát. Platí to i pro větve stromů! Na zavěšení můžete použít keramické izolátorky typu “vajíčko” (nebo plastová “vajíčka” prodávana dnes k elektrickým ohradníkům). Ale úplně stejně poslouží i izolátorky vlastní výroby. Stačí nařezat několik kousků plastové vodovodní trubky na délky 10cm. Asi 1,5 cm od jednoho i druhého konce vyvrtejte napříč přes trubku průchozí otvor o průměru 4 až 6mm. Skrz vyvrtaný otvor na jednom konci provlečete a zkroutíte anténní drát, přes druhý otvor provlečete a zauzlujete úvaz vedoucí ke stromu nebo stožáru. Dočasnou náhradou izolátorku může být i silnější rybářský vlasec nebo dvěma otvory provrtané víčko od plastové láhve.

Upozornění:
Zvykněte si anténu odpojovat od přístroje vždy, když přijímač neposloucháte. Nikdy neposlouchejte krystalku, blíží-li se bouřka. V takovém případě odpojte anténu a její konec vzdalte od budovy a vně budovy uzemněte. Není-li to možné, anténu spusťte tak, aby byla co nejníže, nejlépe ležela svou střední částí až na zemi, avšak tak, aby nikoho neohrozila.

Uzemnění pro krystalku:

Doma můžete krystalku uzemnit na uzemnění od hromosvodu, na kovové potrubí od vodovodu, od topení nebo od plynu, ale lepší je pro ni zřídit uzemnění samostatné. Nikdy neuzemňujte krystalku na “kolíček v zásuvce”, je to sice taky uzemnění, ale vnáší do přijímače velmi značné rušení. Doma i v terénu jako uzemnění poslouží do hlíny zaražená, alespoň 1,5m dlouhá pozinkovaná tyč nebo půlcólová vodovodní trubka, případně zakopaná masivní žárově pozinkovaná deska (nikoli pozinkovaný plech, ten vydrží jen krátce). Na táboře můžete jako dočasné uzemnění (na jednu sezónu) použít vysloužilý pozinkovaný kybl nebo větší plechovou konzervu, kterou rozříznete, aby měla co největší plochu, přiletujete k ní drát a pak ji zakopete co nejhlouběji, do vlhké hlíny, kterou popřípadě smíchejte s prachem z dřevěného uhlí, popelem ze dřeva a často zalévejte vodou. Tím zvyšujete vodivost hlíny. Pokud je na konzervě lak nebo nálepky, musíte je v ohni opálit až na čistý kov. Pouze místo, kde máte přiletovaný drát při držte v čelistech kleští, ať se vám nespálí. Spálíte i zbytky jídla, takže zvěř nebude mít důvod konzervu vyhrabat a zranit se o ni. Po odchodu z tábořiště můžete pak nechat konzervu bez obav v zemi. Dnešní konzervy jsou velmi málo ocínované, rychle korodují a během několika málo měsíců se ve vlhké zemi úplně rozpadnou.


Táborová krystalka:

My jsme shora popsanou výzvu na stavbu krystalky přijali. Nejen z recese, ale i jako poctu a připomínku na někdejší “krystalkovou horečku”, která v českých a moravských domácnostech proběhla v letech 1927 až 1930. Tehdy byly radiopřijímače příliš drahé, zájmců o poslech mnoho a tak kdo byl jen trochu zručný, vyřídil si rozhlasovou koncesi a pokusil se postavit si přijímač sám nebo s pomocí zkušenějších kolegů.

A jak to dopadlo u nás? Hned v úvodu jsme zvolili co nejjednodužší zapojení a současně zamítli krystalku s galenitovým detektorem. Výroba galenitu je sice efektní a zajímavá, ale pro děti, které by si možná chtěli v budoucnu postavit kopii této krystalky i sami doma, by byl výsledek nejistý. Spokojili jsme se proto s ruskou hrotovou diodou D2B z jakési televize. Opět kvůli snadné opakovatelnosti návodu jsme navinuli cívku běžným lakovným drátem 0,1mm CuS. (Málokterý začátečník totiž dokáže dokonale zbavit laku a bezvadně připájet všechny žíly vysokofrekvenčního lanka.) Ladící kondenzátor jsme z nouze použili pertinaxový* Tesla 450pF, ale byl dostatečně robustní, aby zvládnul dětské zacházení a naštěstí střední vlny nejsou zase tak choulostivé.

*) Pertinax není ideální dielektrikum, má velký útlum a ladící kondenzátor vzduchový nebo dvojitý styroflexový z nějakého malého tranzistoráku s paralelně spojenými sekcemi by byl určitě lepší.

součástky na výrobu krystalky

 

krystalka před uzavřením krabičky    hotová a zapojená krystalka

Krystalka v praxi:

poslech krystalky

Krystalková mapa:

Pokud chcete přibližně* vědět, jak silně by hrála krystalka u vás ještě dříve než ji postavíte, můžete nahlédnout do následující mapy. Pokud jste daleko od středovlnných vysílačů, až někde za hranicí oranžových nebo žlutých kruhů, použijte ke krystalce dlouhou a vysoko umístěnou anténu (cca délka 30m ve výšce alespoň 8 až 12m) spolu s dobrým uzemněním. Tím nevýhodu vyplývající z velké vzdálenosti od vysílače dokážete významnou měrou vyrovnat.

Mapa hlasitosti krystalky na území ČR

*) Mapa je orientační a nezahrnuje vliv směrovosti vysílacích antén a deformaci jejich vyzařovacích diagramů, ani nerovnoměrnost rozložení signálu způsobený výraznými terénními překážkami.

Krystalka v bramboře

Obrázek jak to zapojíme je zde:ObrazekDiodou propojíme dvě brambory dle obrázku. Do jedné brambory píchneme drát jako anténu a do druhé píchneme drát, který nám povede uzemění.

Do každé pak někde z boku píchneme jeden přívod sluchátek. Zde doporučuji použít raději vysokoohmová sluchátka 4kohm. Telefonní sice funguje taky, vysokoohmová sluchátka jsou náhlavní, jsou dvě, takže nám sluchátka krásně kryjí obě uši a my lépe slyšíme.

U této krystalky je hlasitost o něco vyšší, protože brambora nám ,,zesiluje”. Funguje jako elektrolyt, který nám hlasitost o trošku zvýší. Tato krystalka bude známá asi nejvíce našim dědečkům. Velmi podobné zapojení si totiž stavěli radioamatéři v letech dávno minulých. Zapojení lze realizovat i s okurkou, jablkem, citronem, nektarinkou, dokonce i s houbou, která byla konzervovaná s octem. Asi největší překvapení pro začátečníka bude to, že tato krystalka hraje i když jí zapícháme do dvou kusů vlhkých mýdel.

Tuto krystalku jsem stavěl před mnoha lety a opravdu mi hrála. Když jsem ji vloni v létě jen tak kvuli zavzpomínání postavil znovu, opět hrála a hrála výborně. Není tedy třeba se bát, že nám krystalka hrát nebude.

Krystalky byly velmi oblíbené hlavně v minulosti, jelikož to byly nejjednodušší a na stavbu nejlacinější přijímače pro pásmo SV a DV (středních vln a dlouhých vln). Dnes se od toho trošku odchází, což je škoda, protože krystalky mají prostě své kouzlo.

Nevýhodou jednoduchých krystalek je malá selektivita. Nedají se také ladit, přijímají pouze jednu stanici, která je v daném místě nejsilnější.

Rozdíl Si a Ge diod a jejich VACh; vliv teploty

Na obr. 3 jsou na porovnání znázorněny VACh Si a Ge diody v propustném směru. Na první pohled je patrný rozdíl prahového napětí. Germaniová dioda začíná propouštět proud už okolo 0,3V, kdy křemíková dioda je ještě zcela zavřená. Křemíková dioda začíná propouštět proud až okolo 0,55V. Upozorňuji, že charakteristiky jsou ukázkové. Mají nám přiblížit rozdíl mezi křivkami. Vzhledem k tomu, že křemíkovou technologií se dosahuje vyšších proudů, jsou křemíkové diody používanější. Křemíková dioda má charakteristiku strmější a to i při mnohonásobně (1000krát) vyšších proudech.

Obr. 3: Vizuální porovnání tvarů křivek v propustném směru (poměrové rozdíly proudů)

U obou grafů je vidět tendence zvyšovat propustný proud s teplotou. Nebo-li křivka se přibližuje k ose y (If). Co je ale podstatné, je to, že nám klesá hodnota úbytku napětí s rostoucí teplotou při stejném proudu. Tohoto efektu se využívá, ale v podstatě lze říct, že se jedná o nežádoucí jev. S tímto problémem se potýkáme pouze u diod, u kterých jsou pracovní podmínky závislé na teplotě.

Obr. 4: a/ vliv teploty na tvar křivky v propustném směru
b/ důkaz většího proudu diodou při stejném úbytku napětí a rozdílných teplotách

Například výkonové spínací diody, výkonové usměrňovače jsou ovlivňovány vlastním zahříváním. Potom se používá teplotní stabilizace diody. U běžných nevýkonových zapojení nás vliv teploty (vlastního PN přechodu) nezajímá. Pracovní podmínky jsou určeny pro standardní (pokojovou) teplotu 25°C. Tak jak můžeme diodu stabilizovat, může dioda stabilizovat jiné (nelineární) součástky. Pro toto využití by se lépe hodila Ge dioda, neboť má prohnutější křivku, nebo-li výhodnější pásmo závislosti Uf na If. Vzhledem k menším výkonům vlastí Ge diody se v praxi pro stabilizaci nepoužívá. Nahradí ji některé typy Si diod.
Hlavním faktorem, který vytlačuje Ge diody je závěrný proud diody. Porovnejme průběhy Si a Ge diod na obr. 5. Srovnáme-li hodnoty závěrných proudů při stejných podmínkách (teplota, Ur), ukáže se proud Ir diody Si až 100krát menší než u Ge diody. Opět u Ge diody se nedosahuje tak vysokých hodnot Ur jako u Si diod. Současnou technologií není problém dostat se s Ur u křemíkových diod na hranici kV. A jaký je vliv teploty v závěrném směru? Bohužel i v závěrném směru jsou diody dosti citlivé na rostoucí teplotu. S rostoucí teplotou, a to i u křemíkových diod, se nám prudce zvedá hodnota Ir. Upozorňuji na výhodnější užití logaritmické stupnice pro Ir. Je-li dioda aktivně zahřívána (třeba i z propustného směru), pak se při vyšších hodnotách Ur dioda blíží k průraznému napětí. Překročení průrazného napětí diodu zničí (prorazí). Průraz diody se projeví prudkým zvýšením Ir (až do A). Některé typy diod pracují s opakovatelným průrazem (zenerovy diody).

Barevná hloubka

Barevná hloubka je termín používaný v počítačové grafice, který popisuje počet bitů použitých k popisu určité barvy pixelu v bitmapovém obrázku nebo rámečku videa. Toto pojetí je také známé jako počet bitů na pixel, zejména je-li uvedeno spolu s počtem použitých pixelů. Větší barevná hloubka zvětšuje škálu různých barev a přirozeně také paměťovou náročnost obrázku či videa.

Obsah

Používané barevné hloubky

  • 1bitová barva (21 = 2 barvy) také označováno jako Mono Color (nejpoužívanější je, že bit 0 = černá a bit 1 = bílá )
  • 4bitová barva (24 = 16 barev)
  • 8bitová barva (28 = 256 barev)
  • 15bitová barva (215 = 32 768 barev) také označováno jako Low Color
  • 16bitová barva (216 = 65 536 barev) také označováno jako High Color
  • 24bitová barva (224 = 16 777 216 barev) také označováno jako True Color
  • 32bitová barva (232 = 4 294 967 296 barev) také označováno jako Super True Color (někdy také jako True Color)
  • 48bitová barva (248 = 281 474 976 710 656 = 281,5 biliónů barev) také označováno jako Deep Color

Poznámka

Lidské oko je velmi kvalitní orgán a dokáže od sebe odlišit až čtyři miliardy různých odstínů[zdroj?]. Na základě toho jsou už barvy True Color („pravé“ barvy) považovány za vhodné pro kvalitní tisk fotografií v barevných časopisech.

Barevné komponenty pixelu

Pro ukládání a zpracování obrazových dat se nejčastěji používá barevný model RGB nebo RGBA, kde jednotlivé komponenty značí R červená, G zelená, B modrá a A tzv. alfa kanál pro průhlednost.

Barevná hloubka Počet bitů komponenty
počet bitů R G B A
8bit1 3 3 2
16bit2 5 6 5
18bit3 6 6 6
24bit 8 8 8
32bit 8 8 8 8

1 indexovaná barva s paletou 3-3-2

2 toto je nejčastější rozložení pro 16bitovou hloubku, možné jsou i jiné kombinace např. RGBA [5 5 5 1]

3 nativní barevná hloubka grafické karty VGA

Indexovaná barva

2bitový obrázek s indexem barev. Barva každého pixelu je určena číslem; každé číslo odpovídá barvě palety.

V případě nízkých barevných hloubek je hodnota většinou indexována v určité barevné mapě nebo paletě. Barvy použitelné v paletě mohou být dány hardwarem nebo modifikovatelné. Pro modifikovatelné položky palety lze zvolit barvu z definované množiny barev. Např. pro zobrazovací zařízení VGA má tato množina 218 = 262144 možných barev.

  • 1bitová barva (21 = 2 barvy) monochromatické, často černobílé
  • 2bitová barva (22 = 4 barvy) CGA
  • 4bitová barva (24 = 16 barev) bylo použito např. EGA a u nejnižšího používaného standardu VGA ve vyšším rozlišení
  • 8bitová barva (28 = 256 barev) VGA v nízkém rozlišení, SVGA

Poznámka

Pomocí 8bitové indexované barvy lze realizovat paletu 3-3-2, u které se 8 bitů indexu palety rozdělí na díly 3-3-2 bity, kterým se přidělí hodnoty barev červené, zelené a modré (RGB). Důvodem proč 2 bity se přidělí právě modré složce je ten, že lidské oko je na modrou složku nejméně citlivé. Pomocí této palety lze realizovat pseudo-pravé (pseudo-truecolor) barvy v indexovaném obrázku.

Tabulka dynamické viskozity kapalin:
Kapalina η20
10-3 [Pa.s]
Aceton 0,33
Amoeba dubia, viskozita cytoplazmy 18 °C [7] η18 = 2
Anilin 4,43
Benzín 0,53
Benzen 0,65
Diethylether 0,24
Ethanol 1,20
Glycerol 1480
Chara, viskozita cytoplazmy [7] 10
Chloroform 0,58
Krev 37 °C [7] 3,0 – 3,6
Krevní plazma 37 °C [7] 1,8 – 2,0
Kyselina dusičná 0,91
Kyselina mravenčí 1,78
Kyselina sírová 25,4
Methanol 0,58
Nervové vlákno, viskozita cytoplazmy [7] 5,5
Olej olivový [1] 84
Olej ricínový 987
Olej terpentýnový 1,49
Olej transformátorový 31,6
Parametium, viskozita cytoplazmy [7] 50
Propanol [1] 2,2
Rtuť 1,55
Sacharóza, roztok 20% [7] 1,96
Sacharóza, roztok 60% [7] 56,5
Slime Molds, viskozita cytoplazmy [7] 9 – 18
Sirouhlík 0,31
Tetrachlormethan 0,97
Toluen 0,59
Vajíčko Arbacie, viskozita cytoplazmy [7] 7
Voda 1
Voda 25 °C [7] η25 = 0,893 7
Voda těžká [1] 1,34