Štúdiom zloženia hmoty vedci dospeli k záveru, že všetka hmota pozostáva z molekúl a atómov. Atóm (v preklade z gréčtiny „nedeliteľný“) bol dlho považovaný za najmenšiu štruktúrnu jednotku hmoty. Ďalšie štúdie však ukázali, že atóm má zložitú štruktúru a naopak obsahuje menšie častice.
Z čoho sa skladá atóm?
V roku 1911 vedec Rutherford navrhol, že atóm má centrálnu časť, ktorá má kladný náboj. Takto sa prvýkrát objavil koncept atómového jadra.
Podľa Rutherfordovej schémy, nazývanej planetárny model, atóm pozostáva z jadra a elementárnych častíc so záporným nábojom - elektrónov pohybujúcich sa okolo jadra, rovnako ako planéty obiehajú okolo Slnka.
V roku 1932 objavil ďalší vedec, Chadwick, neutrón, časticu, ktorá nemá elektrický náboj.
Podľa moderných koncepcií štruktúra atómového jadra zodpovedá planetárnemu modelu navrhnutému Rutherfordom. Jadro sa prenáša dovnútraväčšinu atómovej hmoty. Má aj kladný náboj. Atómové jadro obsahuje protóny – kladne nabité častice a neutróny – častice, ktoré nenesú náboj. Protóny a neutróny sa nazývajú nukleóny. Záporne nabité častice - elektróny - obiehajú okolo jadra.
Počet protónov v jadre sa rovná počtu elektrónov pohybujúcich sa na obežnej dráhe. Preto je samotný atóm časticou, ktorá nenesie náboj. Ak atóm zachytí elektróny iných ľudí alebo stratí svoje vlastné, stane sa pozitívnym alebo negatívnym a nazýva sa ión.
Elektróny, protóny a neutróny sú spoločne označované ako subatomárne častice.
Náboj atómového jadra
Jadro má nábojové číslo Z. Je určené počtom protónov, ktoré tvoria jadro atómu. Zistenie tejto sumy je jednoduché: stačí sa pozrieť na periodický systém Mendelejeva. Atómové číslo prvku, ktorému atóm patrí, sa rovná počtu protónov v jadre. Ak teda chemický prvok kyslík zodpovedá poradovému číslu 8, potom sa počet protónov bude rovnať tiež ôsmim. Keďže počet protónov a elektrónov v atóme je rovnaký, bude tam aj osem elektrónov.
Počet neutrónov sa nazýva izotopové číslo a označuje sa písmenom N. Ich počet sa môže v atóme toho istého chemického prvku líšiť.
Súčet protónov a elektrónov v jadre sa nazýva hmotnostné číslo atómu a označuje sa písmenom A. Vzorec na výpočet hmotnostného čísla teda vyzerá takto: A=Z+N.
Izotopy
V prípade, že prvky majú rovnaký počet protónov a elektrónov, ale rôzny počet neutrónov, nazývajú sa izotopy chemického prvku. Môže existovať jeden alebo viac izotopov. Sú umiestnené v rovnakej bunke periodického systému.
Izotopy majú v chémii a fyzike veľký význam. Napríklad izotop vodíka - deutérium - v kombinácii s kyslíkom dáva úplne novú látku, ktorá sa nazýva ťažká voda. Má iný bod varu a tuhnutia ako zvyčajne. A kombinácia deutéria s ďalším izotopom vodíka - tríciom vedie k termonukleárnej fúznej reakcii a môže byť použitá na výrobu obrovského množstva energie.
Hmotnosť jadra a subatomárnych častíc
Veľkosti a hmotnosti atómov a subatomárnych častíc sú v ľudských predstavách zanedbateľné. Veľkosť jadierok je približne 10-12cm. Hmotnosť atómového jadra sa vo fyzike meria v takzvaných jednotkách atómovej hmotnosti - amu
Za jednu amu mať jednu dvanástinu hmotnosti atómu uhlíka. Pomocou zvyčajných jednotiek merania (kilogramy a gramy) možno hmotnosť vyjadriť takto: 1:00 hod.=1, 660540 10-24g. Vyjadrené týmto spôsobom sa nazýva absolútna atómová hmotnosť.
Napriek tomu, že atómové jadro je najhmotnejšou zložkou atómu, jeho rozmery vzhľadom na elektrónový mrak, ktorý ho obklopuje, sú extrémne malé.
Jadrové sily
Atómové jadrá sú mimoriadne stabilné. To znamená, že protóny a neutróny držia v jadre nejaké sily. Nie jemôžu existovať elektromagnetické sily, pretože protóny sú podobne nabité častice a je známe, že častice s rovnakým nábojom sa navzájom odpudzujú. Gravitačné sily sú príliš slabé na to, aby držali nukleóny pohromade. Preto sú častice držané v jadre inou interakciou - jadrovými silami.
Jadrová interakcia sa považuje za najsilnejšiu zo všetkých existujúcich v prírode. Preto sa tento typ interakcie medzi prvkami atómového jadra nazýva silný. Je prítomný v mnohých elementárnych časticiach, ako aj v elektromagnetických silách.
Vlastnosti jadrových síl
- Krátka akcia. Jadrové sily sa na rozdiel od elektromagnetických síl prejavujú len vo veľmi malých vzdialenostiach porovnateľných s veľkosťou jadra.
- Poplatková nezávislosť. Táto vlastnosť sa prejavuje v tom, že jadrové sily pôsobia rovnako na protóny a neutróny.
- Sýtosť. Nukleóny jadra interagujú iba s určitým počtom iných nukleónov.
Core Binding Energy
S pojmom silnej interakcie úzko súvisí aj ďalšia vec – väzbová energia jadier. Jadrová väzbová energia je množstvo energie potrebnej na rozdelenie atómového jadra na jeho jednotlivé nukleóny. Rovná sa energii potrebnej na vytvorenie jadra z jednotlivých častíc.
Na výpočet väzbovej energie jadra je potrebné poznať hmotnosť subatomárnych častíc. Výpočty ukazujú, že hmotnosť jadra je vždy menšia ako súčet nukleónov, z ktorých sa skladá. Hromadný defekt je rozdiel medzihmotnosť jadra a súčet jeho protónov a elektrónov. Pomocou Einsteinovho vzorca o vzťahu medzi hmotnosťou a energiou (E=mc2) môžete vypočítať energiu generovanú pri tvorbe jadra.
Sila väzbovej energie jadra sa dá posúdiť na nasledujúcom príklade: vznikom niekoľkých gramov hélia sa vyprodukuje toľko energie ako spálením niekoľkých ton uhlia.
Jadrové reakcie
Jadrá atómov môžu interagovať s jadrami iných atómov. Takéto interakcie sa nazývajú jadrové reakcie. Existujú dva typy reakcií.
- Štepné reakcie. Vyskytujú sa, keď sa ťažšie jadrá v dôsledku interakcie rozložia na ľahšie.
- Reakcie syntézy. Tento proces je opakom štiepenia: jadrá sa zrazia, čím sa vytvoria ťažšie prvky.
Všetky jadrové reakcie sú sprevádzané uvoľňovaním energie, ktorá sa následne využíva v priemysle, armáde, energetike a pod.
Po oboznámení sa so zložením atómového jadra môžeme vyvodiť nasledujúce závery.
- Atóm pozostáva z jadra obsahujúceho protóny a neutróny a okolo neho elektróny.
- Hmotnostné číslo atómu sa rovná súčtu nukleónov jeho jadra.
- Nuklony drží pohromade silná sila.
- Obrovské sily, ktoré udržujú atómové jadro stabilné, sa nazývajú jadrové väzbové energie.
