Stavba látek

Hmota

Aby bylo možné vysvětlit podstatu elektrických jevů, bylo potřeba prozkoumat stavbu hmoty. V širším významu je pojem hmota používán pro veškeré fyzikálně zachytitelné formy objektivní reality, která existuje nezávisle na našem vědomí a jejíž projevy lze objektivně zaznamenat nebo změnit. V užším fyzikálním významu se pak jedná o fyzikální objekty označené jako látka.

Zjednodušený model složení známých forem hmoty:

Hmota je společný název pro označení:

• látky (např. měď, voda, vzduch…),

• i fyzikálního pole (např. magnetické, elektrické…).

Pojem látka označuje veškerou hmotu, ze které se skládají předměty kolem nás. Tradičně se rozlišují tři její základní skupenství: pevné, kapalné a plynně, později se připojilo čtvrté skupenství: plazma a další odlišné formy.

Látky jsou složeny z molekul.

Látky mohou mít také různé formy skupenství. Každou látku můžeme charakterizovat jejími vlastnostmi, skupenstvím, tvarem, hmotností, energií, elektrickým nábojem případně dalšími vlastnostmi.

Rozlišujeme látky homogenní (sourodé, stejnorodé), u kterých se vlastnosti v celém objemu tělesa vůbec nemění a  látky heterogenní (různorodé, nestejnorodé), složené z fyzikálních tělísek různých vlasností.

Látky jsou tvořeny molekulami. Molekuly jsou částice složené z atomů nebo iontů. Jednotlivé části molekuly tvoří pohromadě síly, nazývané chemické vazby. Chemická vazba je založena na elektrické interakci nabitých částic, které tvoří jednotlivé atomy. Různý způsob uspořádání a vzájemného silového působení částic v tělesech určuje jejich různé vlastnosti.

Molekuly jsou složeny z atomů.

Pojem atom pochází z řeckého Átos, tedy nedělitelný. Atom je nejmenší částice hmoty, kterou už chemickými prostředky dále nelze dělit a která definuje vlastnosti daného chemického prvku.

Stavba atomu

Z fyzikálního hlediska můžeme atom dále rozdělit na menší složky označované jako subatomární částice.

Atom obsahuje:

• elektronový obal tvořený elektrony,
• jádro, které obsahuje protony a neutrony.

Elektrony jsou záporně nabité částice, které se nacházejí v atomovém obalu, ze kterého je lze relativně snadno vyjmout a vytvořit tím nabitý iont. Ve středu atomu je atomové jádro, které obsahuje protony, což jsou kladně nabité částice zhruba 1 836krát hmotnější než elektrony a neutrony, což jsou neutrální částice jen o trochu hmotnější než protony. Protony a neutrony se nazývají nukleony. Průměr jádra je přibližně 100 000krát menší než průměr obalu.

Elektrony jsou k atomovému jádru vázány elektromagnetickou silou zprostředkovávanou fotony. Protony a neutrony v jádře jsou navzájem vázány silnou jadernou silou.

Atomy se liší svým složením, tedy počtem jednotlivých částic. Atomové číslo prvku vyjadřuje počet protonů v jádře, např. atom uhlíku má šest protonů a počet elektronů v obalu je u běžného elektricky neutrálního atomu shodný s počtem protonů v jádře. Nukleonové číslo prvku pak vyjadřuje počet neutronů v jádře, čímž tvoří různé izotopy, např. izotop uhlíku je tvořen atomy s šesti protony a osmi neutrony. 

Obr. 1: Bohrův model atomu vodíku

Model atomu lithia (nevystihuje přesně skutečnost, protože se nedá vymezit přesná dráha elektronu).

Obr. 2: Stavba atomu lithia

Energetické hladiny

Elektrony se mohou pohybovat jen po určitých drahách, na kterých mají zcela určitou energii, říkáme, že jsou na určité energetické hladině. Obal atomu se dělí na vrstvy, tzv. slupky, kterých je maximálně 7 a tyto vrstvy se dělí na hladiny.

V každé slupce může být jen určitý největší počet elektronů. Nižší elektronové dráhy jsou obsazeny úplně a poslední, tzv. valenční dráha, má neúplné obsazení.

Model rozložení elektronů v elektronovém obalu mědi:

Obr. 3: Model rozložení elektronů v elektronovém obalu mědi

Protony mají větší hmotnost než elektrony. V jádru je drží jaderné síly, které jsou větší než síly elektronů ve slupkách.

Atom má stejný počet protonů v jádru jako elektronů v obalu. Jejich účinky se tedy navzájem ruší a atom je navenek elektricky neutrální.

Ve vnější slupce atomů kovů jsou pouze jeden až dva valenční elektrony.

Obr. 4: Volné elektrony ve vodiči

Elektrony uvolněné z vnější slupky atomů se pohybují volně v meziatomovém prostoru pevných látek.

Neutron je elektricky neutrální částice.

Proton a elektron jsou elektricky nabité částice, které se od sebe liší svými vlastnostmi.

Označujeme je:

• náboj elektronů – záporný,

• náboj protonů – kladný.

Kapalné látky

U kapalných látek jsou částice látky relativně blízko sebe, ale nejsou vázány v pevných polohách a mohou se pohybovat v celém objemu. Částice se vzájemně udržují v rovnovážných polohách, kolem kterých vykonávají kmitavý pohyb. Rovnovážné polohy se u kapalin mohou přemisťovat. Vazba mezi částicemi zajišťuje, že za běžných podmínek se objem látky nemění.

Vodičem elektrického proudu ve vodivých kapalinách jsou ionty.

Plynné látky

U plynných látek jsou částice relativně daleko od sebe, pohybují se v celém objemu a nepůsobí na sebe přitažlivou silou. Vzájemné vazby mezi částicemi lze tedy téměř zanedbat.

Plyny vedou elektrický proud jen za určitých speciálních podmínek.