SLOŽENÍ JÁDRA

Atom molekuly a atomy elektricky neutrální celkový elektrický náboj nulový Z elektronů → náboj jádra Ze k vyrovnání záporného náboje elektronů mohou existovat atomy prvků se stejným počtem elektronů, jádra mají stejný náboj, ale různou hmotnost chemický prvek a nuklid Počátkem 20. století zpotvrzena neutrálnost atomů a molekul v souvislosti s objevem radioaktivity. Potvrdily to i velmi přesné experimenty z nedávné doby, které prokázaly, že svazky letících molekul a atomů se v silném elektrickém poli neodchylují. Pojmy chemický prvek, izotop, nuklid – viz dále. Ilustrativní obrázek atomu. 1/12

Chemický prvek a nuklid Chemický prvek je tvořen atomy s týmž nábojem jádra Ze bez ohledu na hmotnost jádra. Nuklid je tvořen atomy pouze jednoho druhu s jádry o vzájemně stejném náboji a navzájem stejné hmotnosti. Izotop = nuklid téhož prvku s různým počtem neutronů Dva různé nuklidy téhož prvku není možné žádnými chemickými metodami odlišit, možnost je odlišit pouze fyzikálně; mají tedy shodné chemické vlastnosti, ale různé vlastnosti fyzikální. To se projeví např. při průletu daného nuklidu (částice) urychlovačem – trajektorie, po níž se částice pohybuje, závisí na velikosti rychlosti částice, na její hmotnosti, …(tedy na fyzikálních vlastnostech). Nuklidy téhož prvku najdeme na stejném místě periodické soustavy prvků a pokud se liší počtem neutronů v jádře (tj. neutronovým a tudíž i nukleonovým číslem), říká se jim izotopy (z řečtiny izo =  stejný, topos = místo). Prvky, které se vyskytují v přírodě, jsou zpravidla směsí více izotopů a to (až na výjimky) ve stálých poměrech. Nuklid je tedy charakterizován nejen číslem Z, ale také svojí hmotností. Na ilustrativních obrázcích je schéma lehkého vodíku a tritia. Na posledním obrázku ruda uranu. 2/12

Objev neutronu vysvětlení jevu izotopie atomové jádro tvořeno kladně nabitými částicemi (hmotnosti nuklidu vodíku) – protony, a elektricky neutrálními částicemi (přibližně stejně těžké) – neutrony nukleony Nukleon je souhrnné označení pro částice nacházející se v jádře atomu (tj. protony a neutrony). Existenci neutronu tušil Rutherford již počátkem dvacátých let 20. století, i když neutron byl objeven až v roce 1932 na základě pokusů, které prováděl anglický jaderný fyzik James Chadwick (1891 – 1974, Nobelova cena v roce 1935). Pomocí alfa částic ozařoval beryllium a zjistil, že při následné reakci vzniká záření, které se neodchyluje od původního směru ani v elektrickém ani v magnetickém poli. Navíc velice snadno reagovalo s parafinem (vodíkem nasycený uhlovodík). Z parafinu poté vylétávají protony s energií, kterou před vytržením protonu z parafinu nesla částice o zhruba stejné hmotnosti. Tak byl objeven neutron. Lehký vodík, jehož jádro tvoří jediný proton, váží 1,673.10-27 kg, těžký vodík (deuterium) má hmotnost asi 2x větší 3,34.10-27 kg, je tedy tvořen jedním protonem, jedním neutronem a jeho obal tvoří jeden elektron. Podobně u dalších prvků. Na ilustrativním obrázku deuterium, níže proton a neutron a jejich naznačená kvarková stavba. 3/12

Atomové jádro Atomové jádro je tvořeno protony a neutrony. Počet protonů udává protonové číslo (atomové číslo) Z ≥ 1, počet neutronů v jádře neutronové číslo N ≥ 0, jejich součet je nukleonové číslo (hmotnostní číslo) A= Z + N. Definice dle [1]. 4/12

Atomové jádro charakterizujeme hmotností – hmotnostní číslo A nábojem – celočíselný násobek elementárního náboje Ze Složení jádra vyjadřujeme i pomocí Hmotnost jádra vyjádřená v jednotkách atomové hmotnostní konstanty se málo liší od celých čísel. Hmotnostní číslo A, které udává hmotnost jádra vyjádřenou pomocí této atomové hmotnostní konstanty. U přírodních prvků se ale jedná o hmotnost směsi různých izotopů, a proto se může číslo A od celých čísel lišit (viz periodická soustava prvků). Protonové číslo Z, udává celočíselný násobek náboje elektronu, přičemž tento násobek udává polohu prvku, jehož jádro zkoumáme, v Mendělejevově periodické soustavě prvků. X je značka daného chemického prvku. Značka je ale v podstatě nadbytečná, neboť daný prvek je plně charakterizován protonovým číslem Z. Daný symbol může označovat jeden nuklid, 1 mol nuklidu, jeden atom nuklidu, jádro, … podle kontextu. Může také vyjadřovat atomární iont (tj. atom zbavený nebo obohacený o jeden či více elektronů). Analogicky lze také uvažovat atom či jádro v excitovaném (vybuzeném) stavu s větší vnitřní energií . Hmotnosti atomových jader udáváme v násobcích atomové hmotností konstanty mu , která je hmotností jedné dvanáctiny klidové hmotnosti nuklidu uhlíku 12C. Je to atom tvořený 6 elektrony a jádrem obsahujícím 6 protonů a 6 neutronů. Atomová hmotnostní konstanta činí mu = 1,66.10-27 kg. Hmotnost elektronu je velmi malá, me=0,000549 mu , hmotnost protonu mp=1,0073 mu =1,673.10-27 kg, hmotnost neutronu mn=1,0087 mu =1,675.10-27 kg Ilustrativní obrázky jádra a elektronu. 5/12

Využití určování relativní hmotnosti přírodních prvků chemickými metodami na základě hmotnostních poměrů při jejich slučování hmotnostní spektrometry Experimentální určování relativní hmotnosti přírodních prvků se provádí chemickými metodami na základě hmotnostních poměrů při jejich slučování. K určování hmotnosti jednotlivých nuklidů se používají hmotnostní spektrometry. Ionty nuklidů vstupují stejnou rychlostí do magnetického pole a pohybují se v rovině kolmé ke směru magnetické indukce po kruhových trajektoriích. Magnetické pole zakřivuje jejich trajektorie tím více, čím menší je hmotnost iontu. Jedná se o odlišný princip než chemický. Na obrázku spektrometr v CERNu při experimentu ALICE v roce 2007. 6/12

Magnetická síla Fm  působící na pohybující se nuklidy zakřivuje jejich trajektorii; magnetická síla je tedy silou dostředivou Fd. To znamená, že Fm = Fd  a tedy qvB = mv2/r . Po určení náboje q daného nuklidu, velikosti magnetické indukce B daného magnetického pole, poloměru r křivosti trajektorie, po níž se nuklid pohybuje, a velikosti jeho rychlosti v, lze pro hmotnost m nuklidu psát: m = qBr/v . Tak lze od sebe oddělit jednotlivé druhy iontů, které po dopadu na fotografickou desku vytvoří stopy v různých místech. Tak dostaneme hmotnostní spektrum směsi izotopů. Pomocí hmotnostního spektrometru je možné oddělovat od sebe jednotlivé izotopy, ale pouze v nepatrném množství. V současné době potřebujeme získávat různé izotopy ve velkém množství pro využití v průmyslu - těžká voda, uran 235, … K tomu se pak používá celá řada metod založených např. na difúzi plynných sloučenin (lehčí molekuly jsou pohyblivější a snáze pronikají malými otvory), odstřeďování, opakované destilaci, elektrolýze, … 7/12

Kvarková teorie atom – elektrony, protony a neutrony jsou tyto částice elementární? tj. dále nedělitelné? elektron – zatím žádná vnitřní struktura neodhalena (považován za elementární částici) Proton a neutron (a další hadrony a mezony) složeny z jednodušších částic – kvarků. Existenci kvarků předpověděl Murray Gell-Mann v roce 1964 (Nobelova cena v roce 1969) ve snaze vysvětlit vlastnosti tehdy známých částic, pojmenoval je podle románu Jamese Joyce. Přímý experimentální důkaz této domněnky se podařilo získat americkým fyzikům ve Stanfordu v Kalifornii. Pomocí velkého urychlovače získali svazek elektronů o vysoké energii a ostřelovali jimi protony a neutrony podobně jako kdysi Rutherford ostřeloval atomy zlata částicemi alfa. Tak bylo již v padesátých letech 20. století zjištěno rozložení elektrického náboje uvnitř nukleonů. V letech 1967 - 1969 američtí fyzikové Jerome Isaac Friedman (narozen 1930) a Henry Way Kendall (1926 - 1999) a kanadský fyzik Richard Edward Taylor (narozen 1929) prokázali, že protony a neutrony se při srážkách s elektrony chovají jakou soubor menších volných částic, které Richard Philips Feynman (1918 - 1988) později ztotožnil s hypotetickými kvarky. Pomocí kvarkové teorie se podařilo předpovědět a objevit celou řadu nových, dříve neznámých, částic. Pánové Friedman, Kendall a Taylor získali za svůj objev v roce 1990 Nobelovu cenu za fyziku. Na obrázku částice skládající se z kvarků. 8/12

Uvolnění kvarků nukleony z jádra uvolníme, kvarky z nukleonů zatím nikoliv (jejich samostatná existence zřejmě není možná) experimenty v CERNu urychlovač LHC další struktura těchto částic Zatímco nukleony se už z jádra uvolnit podařilo, kvarky se z nukleonů dosud uvolnit nepodařilo; teorie navíc naznačuje, že ani nemohou samostatně existovat. Experimenty, které by měli „zviditelnit“ kvarky a definitivně potvrdit kvartovou hypotézu, jsou součástí urychlovače LHC pracujícího v CERNu. Dostali jsme se tak do hlubin mikrosvěta, na úroveň elektronů a kvarků o rozměrech 10-17 m. Moderní fyzika se ale nezastavuje ani zde a uvažuje, zda i tyto částice nemají nějakou strukturu. Otázkou také je, zda je možné v tak malých měřítkách používat geometrické představy našeho makrosvěta. Obrázky: struktura jádra, nukleonů ochranný štít kryjící urychlovač LHC v CERNu 9/12

Cesta do mikrosvěta Struktura podle [1]. applet 10/12

Opakování atomové jádro – kladně nabitý proton qp = e elektricky neutrální neutron hmotnost protonu i neutronu mp,n = 1,67.10-27 kg nukleony (proton a neutron) složeny z kvarků protonové číslo Z, neutronové číslo N, nukleonové číslo A nuklidy (Z1 = Z2  A1 = A2) izotopy (Z1 = Z2  A1  A2) hmotnostní spektrometry 11/12

POUŽITÉ ZDROJE Štoll I.: Fyzika pro gymnázia/ Fyzika mikrosvěta, Prometheus, Praha 2008. http://fyzika.jreichl.com http://cs.wikipedia.org http://public.web.cern.ch http://atominfo.cz http://www.newgrounds.com/portal/view/525347 Grafická úprava a ilustrace: Marie Cíchová 12/12