Polovina minulého století znamenala zrod nové éry v dějinách lidstva. Dobu kamennou kdysi vystřídala doba bronzová, poté následovala období vlády železa, páry a elektřiny. Nyní jsme na samém začátku éry atomu. I ty nejpovrchnější znalosti v oblasti struktury atomového jádra otevírají lidstvu nebývalé obzory.
Co víme o atomovém jádru? Skutečnost, že tvoří 99,99 % hmotnosti celého atomu a skládá se z částic, které se běžně nazývají nukleony. Co jsou nukleony, kolik jich je, co to je, teď ví každý středoškolák, který má z fyziky solidní čtyřku.
Jak si představujeme strukturu atomu
Běda, nebude to brzy, aby se objevila technika, která vám umožní vidět částice, které tvoří atom, atomové jádro. Existují tisíce otázek o tom, jak je hmota uspořádána, a existuje také spousta teorií struktury elementárních částic. K dnešnímu dni teorie, žeodpovídá na většinu otázek, je planetární model struktury atomu.
Podle toho záporně nabité elektrony obíhají kolem kladně nabitého jádra, které je drženo elektrickou přitažlivostí. Co jsou nukleony? Faktem je, že jádro není monolitické, skládá se z kladně nabitých protonů a neutronů – částic s nulovým nábojem. To jsou částice, ze kterých je postaveno atomové jádro a je zvykem jim říkat nukleony.
Odkud se tato teorie vzala, když jsou částice tak malé? Vědci dospěli k závěru o planetární struktuře atomu nasměrováním paprsků různých mikročástic na nejtenčí kovové desky.
Jaké má rozměry
Znalosti o struktuře atomu nebudou úplné, pokud si jeho prvky nepředstavíte v měřítku. Jádro je extrémně malé, dokonce i ve srovnání se samotným atomem. Pokud si představíte atom, například zlato, v podobě obrovského balónu o průměru 200 metrů, pak jeho jádro bude jen … lískový ořech. Ale co jsou nukleony a proč hrají tak důležitou roli? Ano, už jen proto, že právě v nich je soustředěna veškerá hmota atomu.
V hnízdech krystalové mřížky jsou atomy zlata umístěny poměrně hustě, takže vzdálenost mezi sousedními "ořechy" na námi přijatém měřítku bude asi 250-300 metrů.
Proton
Vědci už dlouho předpokládají, že jádro atomu není nějaký druh monolitické látky. Velikosti hmoty a náboje, rostoucí v „krocích“od jednoho chemického prvku k druhému, byly bolestně zarážející. Bylo logické předpokládatže existují určité částice s pevným kladným nábojem, ze kterých jsou „sbírána“jádra všech atomů. Kolik kladně nabitých nukleonů je v jádře, to bude jeho náboj.
Předpoklady o složité struktuře atomového jádra byly učiněny již v období Mendělejevovy konstrukce jeho periodické tabulky prvků. Technické možnosti experimentálního potvrzení dohadů však v té době neexistovaly. Teprve na začátku 20. století provedl Ernest Rutherford experiment, který potvrdil existenci protonu.
V důsledku vystavení látce zářením radioaktivních kovů se čas od času objevila částice - kopie jádra atomu vodíku. Měl stejnou hmotnost (1,67 ∙ 10-27 kg) a atomový náboj +1.
Neutron
Závěr o nutnosti hledat další částici, v nepřítomnosti nazývanou neutron, přišel rychle. Protože otázka, kolik nukleonů je v jádře a jaké jsou, spočívá v nerovnoměrném růstu hmoty a náboje se změnou pořadového čísla prvku. Rutherford předpokládal existenci protonového dvojčete s nulovým nábojem, ale svou domněnku se mu nepodařilo potvrdit.
Jaderní vědci už obecně měli dobrou představu o tom, co jsou nukleony a o kvantitativním složení atomových jader. A nepolapitelná částice, kterou zatím nikdo experimentálně neobjevil, čekala v křídlech. Za jeho objevitele je považován James Chadwick, kterému se podařilo z hmoty izolovat „neviditelné“,vystavení bombardování jádry helia urychlenými na ultra vysoké rychlosti (α-částice). Hmotnost částice se podle očekávání rovnala hmotnosti dříve objeveného protonu. Podle moderního výzkumu je neutron o něco těžší.
Něco více o „cihlách“atomového jádra
Spočítejte, kolik nukleonů v jádře chemického prvku nebo jeho izotopu je snadné. To vyžaduje dvě věci: periodickou tabulku a kalkulačku, i když můžete počítat ve své mysli. Příkladem jsou dva běžné izotopy uranu: 235 a 238. Tato čísla představují atomovou hmotnost. Sériové číslo uranu je 92, vždy označuje náboj jádra.
Jak víte, nukleony v jádře atomu mohou být buď kladně nabité protony nebo neutrony stejné hmotnosti, ale bez náboje. Pořadové číslo 92 označuje počet protonů v jádře. Počet neutronů se vypočítá jednoduchým odečtením:
- - uran 235, počet neutronů=235 – 92=143;
- - uran 238, počet neutronů=238 – 92=146.
A kolik nukleonů lze spojit najednou? Předpokládá se, že v určité fázi života hvězd s dostatečnou hmotností, kdy termonukleární reakce již není schopna omezit gravitační sílu, se tlak v útrobách hvězdy zvýší natolik, že „přilepí“elektrony k protony. V důsledku toho se náboj stane nulovým a z páru proton-elektron se stane neutron. Výsledná hmota sestávající ze „stlačených“neutronů je extrémně hustá.
Hvězda vážící v našem Slunci se promění v kouliněkolik desítek kilometrů v průměru. Lžička takové „neutronové kaše“by na Zemi mohla vážit několik set tun.
