V polovici minulého storočia sa zrodila nová éra v histórii ľudstva. Dobu kamennú kedysi vystriedala doba bronzová, potom nasledovali obdobia vlády železa, pary a elektriny. Teraz sme na samom začiatku éry atómu. Aj tie najpovrchnejšie poznatky v oblasti štruktúry atómového jadra otvárajú ľudstvu nebývalé horizonty.
Čo vieme o atómovom jadre? Skutočnosť, že tvorí 99,99% hmotnosti celého atómu a pozostáva z častíc, ktoré sa bežne nazývajú nukleóny. Čo sú to nukleóny, koľko ich je, aké to sú, teraz vie každý stredoškolák, ktorý má z fyziky solídne štvorky.
Ako si predstavujeme štruktúru atómu
Bohužiaľ, čoskoro sa objaví technika, ktorá vám umožní vidieť častice, ktoré tvoria atóm, atómové jadro. Existujú tisíce otázok o usporiadaní hmoty a existuje aj množstvo teórií o štruktúre elementárnych častíc. K dnešnému dňu teória, žeodpovedá na väčšinu otázok, je planetárny model štruktúry atómu.
Podľa toho záporne nabité elektróny obiehajú okolo kladne nabitého jadra, ktoré je držané elektrickou príťažlivosťou. Čo sú nukleóny? Faktom je, že jadro nie je monolitické, pozostáva z kladne nabitých protónov a neutrónov – častíc s nulovým nábojom. Sú to častice, z ktorých sa skladá atómové jadro a je zvykom nazývať ich nukleóny.
Odkiaľ sa vzala táto teória, keď sú častice také malé? Vedci dospeli k záveru o planetárnej štruktúre atómu nasmerovaním lúčov rôznych mikročastíc na najtenšie kovové platne.
Aké sú jeho rozmery
Znalosti o štruktúre atómu nebudú úplné, ak si jeho prvky nepredstavíte v mierke. Jadro je extrémne malé, dokonca aj v porovnaní so samotným atómom. Ak si predstavíte atóm, napríklad zlato, v podobe obrovského balóna s priemerom 200 metrov, tak jeho jadro bude len … lieskový orech. Ale čo sú nukleóny a prečo hrajú takú dôležitú úlohu? Áno, už len preto, že práve v nich je sústredená celá hmotnosť atómu.
V hniezdach kryštálovej mriežky sú atómy zlata umiestnené pomerne husto, takže vzdialenosť medzi susednými „orechmi“na nami prijatej škále bude asi 250-300 metrov.
Protón
Vedci už dlho predpokladajú, že jadro atómu nie je nejaký druh monolitickej látky. Veľkosti hmoty a náboja, rastúce v „krokoch“od jedného chemického prvku k druhému, boli bolestne zarážajúce. Bolo logické predpokladaťže existujú určité častice s pevným kladným nábojom, z ktorých sa „zbierajú“jadrá všetkých atómov. Koľko kladne nabitých nukleónov je v jadre, toto bude jeho náboj.
Predpoklady o komplexnej štruktúre atómového jadra vznikli už v období Mendelejevovej konštrukcie jeho periodickej sústavy prvkov. Technické možnosti na experimentálne potvrdenie dohadov však v tom čase neexistovali. Až na začiatku 20. storočia Ernest Rutherford uskutočnil experiment, ktorý potvrdil existenciu protónu.
V dôsledku vystavenia látke žiarením rádioaktívnych kovov sa z času na čas objavila častica - kópia jadra atómu vodíka. Mal rovnakú hmotnosť (1,67 ∙ 10-27 kg) a atómový náboj +1.
Neutrón
Záver o potrebe hľadania ďalšej častice, v neprítomnosti nazývanej neutrón, prišiel rýchlo. Keďže otázka, koľko nukleónov je v jadre a aké sú, spočíva v nerovnomernom raste hmotnosti a náboja so zmenou poradového čísla prvku. Rutherford vyslovil predpoklad o existencii protónového dvojčaťa s nulovým nábojom, ale nepodarilo sa mu potvrdiť jeho domnienku.
Vo všeobecnosti, jadroví vedci už mali dobrú predstavu o tom, čo sú nukleóny a o kvantitatívnom zložení atómových jadier. A nepolapiteľná častica, ktorú ešte nikto experimentálne neobjavil, čakala v krídlach. Za jeho objaviteľa sa považuje James Chadwick, ktorému sa podarilo z hmoty izolovať „neviditeľné“,vystavením bombardovaniu jadrami hélia zrýchlenými na ultra vysoké rýchlosti (α-častice). Hmotnosť častice sa podľa očakávania rovná hmotnosti predtým objaveného protónu. Podľa moderného výskumu je neutrón o niečo ťažší.
Niečo viac o „tehlách“atómového jadra
Vypočítať, koľko nukleónov v jadre chemického prvku alebo jeho izotopu je jednoduché. To si vyžaduje dve veci: periodickú tabuľku a kalkulačku, hoci môžete počítať vo svojej mysli. Príkladom sú dva bežné izotopy uránu: 235 a 238. Tieto čísla predstavujú atómovú hmotnosť. Sériové číslo uránu je 92, vždy označuje náboj jadra.
Ako viete, nukleóny v jadre atómu môžu byť buď kladne nabité protóny alebo neutróny rovnakej hmotnosti, ale bez náboja. Poradové číslo 92 označuje počet protónov v jadre. Počet neutrónov sa vypočíta jednoduchým odčítaním:
- - urán 235, počet neutrónov=235 – 92=143;
- - urán 238, počet neutrónov=238 – 92=146.
A koľko nukleónov je možné spojiť naraz? Predpokladá sa, že v určitom štádiu života hviezd s dostatočnou hmotnosťou, keď termonukleárna reakcia už nie je schopná zadržať silu gravitácie, sa tlak v útrobách hviezdy zvýši natoľko, že „prilepí“elektróny na protóny. Výsledkom je, že náboj sa stane nulovým a z páru protón-elektrón sa stane neutrón. Výsledná hmota pozostávajúca zo „stlačených“neutrónov je extrémne hustá.
Hviezda vážiaca v našom Slnku sa mení na guľuv priemere niekoľko desiatok kilometrov. Lyžička takejto „neutrónovej kaše“by mohla na Zemi vážiť niekoľko stoviek ton.
