Při studiu složení hmoty vědci došli k závěru, že veškerá hmota se skládá z molekul a atomů. Atom (v překladu z řečtiny „nedělitelný“) byl dlouhou dobu považován za nejmenší strukturní jednotku hmoty. Další studie však ukázaly, že atom má složitou strukturu a naopak obsahuje menší částice.
Z čeho se skládá atom?
V roce 1911 vědec Rutherford navrhl, že atom má centrální část, která má kladný náboj. Takto se poprvé objevil koncept atomového jádra.
Podle Rutherfordova schématu, zvaného planetární model, se atom skládá z jádra a elementárních částic se záporným nábojem - elektronů pohybujících se kolem jádra, stejně jako planety obíhají kolem Slunce.
V roce 1932 objevil další vědec, Chadwick, neutron, částici, která nemá žádný elektrický náboj.
Podle moderního pojetí odpovídá struktura atomového jádra planetárnímu modelu navrženému Rutherfordem. Jádro je neseno dovnitřvětšinu atomové hmoty. Má také kladný náboj. Atomové jádro obsahuje protony - kladně nabité částice a neutrony - částice, které nenesou náboj. Protony a neutrony se nazývají nukleony. Záporně nabité částice - elektrony - obíhají kolem jádra.
Počet protonů v jádře se rovná počtu elektronů pohybujících se na oběžné dráze. Proto je atom sám o sobě částicí, která nenese náboj. Pokud atom zachytí elektrony jiných lidí nebo ztratí své vlastní, stane se pozitivním nebo negativním a nazývá se iontem.
Elektrony, protony a neutrony jsou souhrnně označovány jako subatomární částice.
Náboj atomového jádra
Jádro má nábojové číslo Z. Je určeno počtem protonů, které tvoří atomové jádro. Zjistit toto množství je jednoduché: stačí se podívat na periodický systém Mendělejeva. Atomové číslo prvku, ke kterému atom patří, se rovná počtu protonů v jádře. Pokud tedy chemický prvek kyslík odpovídá pořadovému číslu 8, pak počet protonů bude také roven osmi. Protože počet protonů a elektronů v atomu je stejný, bude tam také osm elektronů.
Počet neutronů se nazývá izotopové číslo a označuje se písmenem N. Jejich počet se může v atomu stejného chemického prvku lišit.
Součet protonů a elektronů v jádře se nazývá hmotnostní číslo atomu a označuje se písmenem A. Vzorec pro výpočet hmotnostního čísla tedy vypadá takto: A=Z+N.
Izotopy
V případě, že prvky mají stejný počet protonů a elektronů, ale různý počet neutronů, nazývají se izotopy chemického prvku. Může existovat jeden nebo více izotopů. Jsou umístěny ve stejné buňce periodického systému.
Izotopy mají velký význam v chemii a fyzice. Například izotop vodíku – deuterium – v kombinaci s kyslíkem dává zcela novou látku, která se nazývá těžká voda. Má jiný bod varu a tuhnutí než obvykle. A kombinace deuteria s dalším izotopem vodíku - tritiem vede k termonukleární fúzní reakci a může být použita k vytvoření obrovského množství energie.
Hmotnost jádra a subatomárních částic
Velikosti a hmotnosti atomů a subatomárních částic jsou v lidských představách zanedbatelné. Velikost jader je přibližně 10-12cm. Hmotnost atomového jádra se ve fyzice měří v takzvaných jednotkách atomové hmotnosti - amu
Za jednu amu vzít jednu dvanáctinu hmotnosti atomu uhlíku. Pomocí obvyklých jednotek měření (kilogramy a gramy) lze hmotnost vyjádřit následovně: 1 hodina ráno.=1, 660540 10-24g. Vyjádřeno tímto způsobem se nazývá absolutní atomová hmotnost.
Navzdory skutečnosti, že atomové jádro je nejhmotnější složkou atomu, jeho rozměry vzhledem k elektronovému mraku, který jej obklopuje, jsou extrémně malé.
Jaderné síly
Atomová jádra jsou extrémně stabilní. To znamená, že protony a neutrony jsou v jádře drženy nějakými silami. Nenímohou existovat elektromagnetické síly, protože protony jsou podobně nabité částice a je známo, že částice se stejným nábojem se navzájem odpuzují. Gravitační síly jsou příliš slabé na to, aby udržely nukleony pohromadě. Proto jsou částice v jádře drženy jinou interakcí - jadernými silami.
Jaderná interakce je považována za nejsilnější ze všech existujících v přírodě. Proto se tento typ interakce mezi prvky atomového jádra nazývá silný. Je přítomen v mnoha elementárních částicích a také v elektromagnetických silách.
Vlastnosti jaderných sil
- Krátká akce. Jaderné síly se na rozdíl od elektromagnetických sil projevují pouze na velmi malé vzdálenosti srovnatelné s velikostí jádra.
- Poplatková nezávislost. Tato vlastnost se projevuje ve skutečnosti, že jaderné síly působí stejně na protony a neutrony.
- Saturace. Nukleony jádra interagují pouze s určitým počtem dalších nukleonů.
Core Binding Energy
S konceptem silné interakce úzce souvisí další věc – vazebná energie jader. Jaderná vazebná energie je množství energie potřebné k rozdělení atomového jádra na jeho základní nukleony. Je rovna energii potřebné k vytvoření jádra z jednotlivých částic.
Pro výpočet vazebné energie jádra je nutné znát hmotnost subatomárních částic. Výpočty ukazují, že hmotnost jádra je vždy menší než součet jeho nukleonů. Hmotnostní vada je rozdíl mezihmotnost jádra a součet jeho protonů a elektronů. Pomocí Einsteinova vzorce o vztahu mezi hmotností a energií (E=mc2) můžete vypočítat energii generovanou při tvorbě jádra.
Sílu vazebné energie jádra lze posoudit na následujícím příkladu: vytvořením několika gramů helia se vyprodukuje tolik energie jako spálením několika tun uhlí.
Jaderné reakce
Jádra atomů mohou interagovat s jádry jiných atomů. Takové interakce se nazývají jaderné reakce. Existují dva typy reakcí.
- Štěpné reakce. Objevují se, když se těžší jádra v důsledku interakce rozpadají na lehčí.
- Reakce syntézy. Tento proces je opakem štěpení: jádra se srazí, čímž se vytvoří těžší prvky.
Všechny jaderné reakce jsou doprovázeny uvolňováním energie, která se následně využívá v průmyslu, armádě, energetice a tak dále.
Když se seznámíme se složením atomového jádra, můžeme vyvodit následující závěry.
- Atom se skládá z jádra obsahujícího protony a neutrony a elektrony kolem něj.
- Hmotnostní číslo atomu se rovná součtu nukleonů jeho jádra.
- Nuklony drží pohromadě silná síla.
- Obrovské síly, které udržují atomové jádro stabilní, se nazývají jaderné vazebné energie.
