Atomové jádro (Učebnice strana 124 – 125) První představy o atomu pocházejí z antického Řecka, ve kterém v 5. století př. n. l. Démokritos představil filosofickou teorii, podle které nelze hmotu dělit donekonečna, neboť na nejnižší úrovni existují dále nedělitelné částice, které označil slovem atomos (ἄτομος). Podle této teorie je veškerá hmota složena z různě uspořádaných atomů různého druhu, které jsou nedělitelné, přičemž je nelze vytvářet ani ničit. Vědeckou formu atomové teorii poskytl na začátku 19. století John Dalton, podle kterého se každý chemický prvek skládá ze stejných atomů zvláštního typu, které nelze měnit ani ničit, ale lze je skládat do složitějších struktur (sloučenin). Na základě této teorie byl schopen vysvětlit některé otevřené otázky tehdejší chemie, např. proč při chemických reakcích reagují vždy jednoduché poměry množství příslušných látek.

Jakmile se ukázalo, že atomy nejsou nejmenšími částicemi látek, dostali fyzikové nový impulz pro svou experimentální i teoretickou práci. Z jakých částic se atomy skládají, jaké jsou vlastnosti těchto částic, jak jsou v atomech uspořádány, jak „rozbít“ atomy… Jako první se o popis stavby atomu pokusil v roce 1898 objevitel elektronu Joseph John Thomson. Představoval si, že atom je kladně nabitá koule (samozřejmě velmi malá!), uvnitř které jsou rovnoměrně rozptýleny záporně nabité elektrony. Počet elektronů je takový, že kladné a záporné náboje se navzájem ruší a atom se chová jako elektricky neutrální. Thomson přirovnával atom k pudingu, do kterého jsou vmíchány rozinky (elektrony) - proto bývá jeho model nazýván pudingový. Později se však ukázalo, že Thomsonova představa vůbec neodpovídá skutečnosti. Anglický fyzik Ernest Rutherford navrhl pokus, při kterém jeho asistenti "ostřelovali" jádry hélia tenoučkou zlatou fólii a zjišťovali, jak jí částice procházejí. Zjistili, že většina částic prošla bez znatelné výchylky, ale u některých došlo k velkým odchylkám z původního směru.

Z toho Rutherford usoudil, že v atomu musíme rozlišovat mezi dvěma částmi. Téměř celá hmota atomu je soustředěna ve velmi malé oblasti s kladným nábojem (jádro), oblast kolem jádra má záporný náboj a  zanedbatelnou hmotnost (elektronový obal). Většina objemu atomu je „prázdná“, podobně jako je prázdná většina meziplanetárního prostoru. Z toho Rutherford usoudil, že atomy jsou z větší části "prázdné" a jejich kladný náboj je soustředěn do malého a těžkého jádra. V roce 1911 zveřejnil svou představu o atomu, který má těžké kladné jádro, kolem něhož obíhají záporné elektrony (tzv. planetární model atomu).

Později také zjistil, že jádro atomu vodíku je nejjednodušším jádrem, které je tvořeno jedinou částicí, přičemž tato částice je obsažena také v jádrech ostatních atomů. Tato částice se nazývá proton. V roce 1932 pak James Chadwick objevil neutron, který se v jádře nachází spolu s protony. Žádná grafická interpretace atomu nevyjadřuje skutečný poměr mezi jádrem a elektronovým obalem. I kdybychom jádro nakreslili jako tečku za větou, musel by mít celý atom průměr několik desítek metrů. Rozměry atomu jsou nepatrné, přibližně 10−10 m, tedy jedna desetimiliióntina milimetru. Jádro atomu je však ještě mnohem menší – jeho „průměr“ je ještě asi stotisíckrát menší, kolem 10−15 m. Pro představu: kdybychom zvětšili atom tak, aby jeho průměr byl 100 metrů, atomové jádro by představovalo drobounkou kuličku velikosti zrnka máku.

Rutherford vycházel z klasické fyziky, podle které by kroužící elektron neustále vyzařoval energii a postupně by klesal k jádru, až by v něm zanikl. Atomy však ve skutečnosti zůstávají neměnné. Zásadní problémy Rutherfordova modelu překonala až nová kvantová teorie, podle které je elektromagnetické záření vysíláno i pohlcováno po nedělitelných množstvích, kvantech. Dánský fyzik Niels Bohr patřil k prvním zastáncům Einsteinovy teorie relativity a představ o kvantování energie částic. Roku 1913 předložil teorii stavby atomu vodíku, která byla založena na dvou, v té době zcela revolučních postulátech: Elektron se může bez vyzařování energie pohybovat kolem jádra jen po určitých kvantových dráhách, tzv. orbitalech, Elektron přijímá nebo vyzařuje energii pouze při přechodu z jednoho orbitalu na druhý. Při přechodu na vzdálenější orbital energii přijímá, při návratu na bližší orbital energii vyzařuje.

Bohrův model poměrně dobře popisoval vlastnosti atomu nejjednoduššího prvku – vodíku. I když odpovídal skutečnosti podstatně lépe než modely předchozí, měl řadu nedostatků a proto fyzikové pokračovali v jeho zdokonalování. Podle planetárního Sommerfeldova modelu jsou u složitějších atomů dráhy elektronů nejen kruhové, ale i eliptické. Každý elektron je v tomto modelu charakterizován čtyřmi kvantovými čísly: n (hlavní), l (vedlejší), m (magnetické) a s (spin). Každé kvantové číslo vyjadřuje určitou vlastnost elektronu. Elektrony se stejným hlavním kvantovým číslem n mají stejnou energii, ale pohybují se po různých orbitalech, tvořících elektronovou slupku. Slupky se označují písmeny (K, L, M ...).

Sommerfeldův model sice není schopen vysvětlit všechny vlastnosti atomu, ale poskytuje i laikovi aspoň přibližnou představu o stavbě atomu. Dokonalejší popis poskytují modely, které využívají velmi složité matematické operace a ty jsou srozumitelné už jen skutečným odborníkům. Francouzský fyzik L. de Broglie vyslovil představu, že elektrony mají nejenom částicové, ale i vlnové vlastnosti (využívá se toho například v elektronovém mikroskopu). E. Schrödinger tuto teorii v roce 1926 zpracoval matematicky ve formě soustavy složitých rovnic a vznikl zcela nový model atomu. Podle Schrödingera nemůžeme určit nějakou konkrétní dráhu elektronu, ale jenom pravděpodobnost, s jakou se elektrony vyskytují v různých místech.

Jádra atomů jsou složena ze dvou druhů elementárních částic, protonů a neutronů. Společně tyto částice nazýváme nukleony. Nejjednodušším atomem je atom vodíku, jehož jádro je tvořeno protonem a kolem jádra obíhá jediný elektron. Složitější atomy mají v jádře větší počet protonů a neutronů, počet obíhajících elektronů se rovná počtu protonů v jádře. Složení jádra atomu můžeme popsat třemi čísly: protonovým Z, neutronovým N a nukleonovým A. K zápisu chemické značky určitého prvku X se používají: protonové (atomové) číslo Z – je rovno počtu protonů v jádře, udává také počet elektronů obíhajících kolem jádra nukleonové (hmotnostní) číslo A – je rovno počtu nukleonů v jádře, tj. A = Z + N V chemických značkách se protonové a nukleonové číslo obvykle zapisuje vlevo od značky prvku X Příklad: Z chemické značky atomu železa zjistíme, že v jeho jádře je 26 protonů (a v obalu 26 elektronů), součet počtu protonů a neutronů je 56, v jádře je tedy 30 neutronů.

V roce 1967 fyzikové zjistili, že protony a neutrony se při srážkách s elektrony chovají jako skupina menších částic. Existenci těchto částic, které se zatím nepodařilo izolovat, předpověděl R. Feynman a Murray Gell-Mann je nazval KVARKY. Označení „kvark“ převzal z románu Jamese Joyce „Smuteční hostina na počest Finnegana“, kde se toto nesrozumitelné slovo objevilo v jediné (!) větě. Dosud je známo šest kvarků, které dostaly jména up (u), down (d), strange (s), charm (c), top (t) a bottom (b). V češtině mají kvarky jména horní (u), dolní (d), podivný (s), půvabný (c), vrcholný (t) a spodní (b). Kvarkům se přiřazuje „vůně“ a „barva“ – jsou to však jen abstraktní názvy, které nemají nic společného se skutečnou vůní a barvou. kvark vůně hmotnost (u) Z S C B T d down 0,0086 −1/3 u up 0,0054 2/3 s strange 0,17 −1 c charm 1,61 1 b bottom 4,56 t top 193

Nejlehčí kvarky up (u) a down (d) jsou stavebními kameny nukleonů Nejlehčí kvarky up (u) a down (d) jsou stavebními kameny nukleonů. Kvarky se nikdy nevyskytují jednotlivě, ale vždy ve trojicích. Proton je tvořen dvěma kvarky typu u, které mají náboj +2/3e a jedním kvarkem typu d s nábojem −1/3e, takže výsledný náboj protonu je +e. Neutron je tvořen jedním kvarkem u a dvěma kvarky d, proto je jeho výsledný náboj nulový. Kvarky jsou částice, které pomáhají vytvářet veškerou hmotu ve vesmíru. Protony a neutrony v jádře jsou navzájem vázány silnou jadernou silou. Elektrony jsou k atomovému jádru vázány elektromagnetickou silou zprostředkovávanou fotony.

Standardní model elementárních částic – kvarků

Základní složení atomu Elektronový obal elektron objevil Joseph John Thomson, 1897 hmotnost 9,1 · 10−31 kg elektrický náboj - −1,6 ·10−19 C Atomové jádro proton objevil Ernest Rutherford, 1913 hmotnost 1,67 · 10−27 kg elektrický náboj - +1,6 ·10−19 C objevil James Chadwick, 1932 neutron hmotnost 1,67 · 10−27 kg elektrický náboj - bez náboje Společný název pro protony a neutrony je nukleony. Tento název navrhli Moller a Pais v r. 1941. Náboj elektronu nebo protonu je dále nedělitelný a proto se nazývá elementární náboj e. Ostatní elektrické náboje jsou celočíselným násobkem elementárního náboje, tj. Q = n · e

Chemicky je prvek určen protonovým číslem Z, které udává pořadí prvku v Mendělejevově periodické tabulce prvků. Všechny atomy téhož prvku mají stejné chemické vlastnosti. Atomy téhož prvku se však mohou lišit počtem neutronů v jádře. Takto odlišné atomy se nazývají izotopy, které mají sice stejné chemické vlastnosti, ale mohou se velmi výrazně lišit svými fyzikálními vlastnostmi. Mají například různou hmotnost, některé izotopy mohou být stabilní a jiné radioaktivní apod. Jednotlivé izotopy téhož prvku se dají rozlišit nebo oddělit jen fyzikálními metodami, například působením elektrického nebo magnetického pole v hmotnostním spektrografu. Vodík (Z = 1) má tři izotopy: vodík („lehký“), deuterium („těžký“) a tritium („supertěžký“). Všechny mají v jádře jeden proton, liší se počtem neutronů. V přírodě se vyskytují prakticky pouze izotopy „lehkého“ vodíku , zbývající dva izotopy představují jen asi 0,02 %.

Základní pojmy chemický prvek – látka, jejíž atomy mají v jádře stejný počet Z protonů. Atomy prvku se přitom mohou lišit počtem A nukleonů v jádře – prvek je směs izotopů nuklid – látka, jejíž atomy mají jádra se shodným složením, všechna tedy mají stejné protonové číslo Z a stejné nukleonové číslo A – nuklid je tvořen jediným izotopem izotopy – různé nuklidy téhož prvku, mají stejné protonové číslo Z, ale liší se nukleonovými čísly A1 a A2

atomová hmotnostní konstanta mu – 1/12 hmotnosti izotopu (mu = 1,66 · 10−27 kg) relativní atomová hmotnost Ar – bezrozměrné číslo, které udává, kolikrát je hmotnost atomu větší než 1/12 hmotnosti izotopu skutečná hmotnost atomu m – v kilogramech, určíme ji ze vztahu m = Ar · mu Uprostřed atomu je malé, ale těžké kladně nabité jádro obklopené elektronovým obalem. Atomové jádro se skládá z kladně nabitých protonů a elektricky neutrálních protonů. Říkáme jim společným názvem nukleony. Počet protonů udává protonové číslo, počet nukleonů nukleonové číslo. Látky složené z atomů, které mají stejné protonové i nukleonové číslo, se nazývají nuklidy. Mají-li dva atomy stejné protonové číslo, ale různé nukleonové číslo, jsou to dva izotopy téhož prvku.

Příklady: Zapiš značku nuklidu uhlíku 14, kyslíku 18, železa 56, uranu 235 a plutonia 239. Kolik má každý z nich protonů, neutronů a nukleonů? (Uč. str. 127, př. 7) nuklid uhlíku 14 má protonové číslo 6, nukleonové číslo 14 počet protonů – 6, nukleonů – 14, počet neutronů 14 – 6 = 8 nuklid kyslíku 18 má protonové číslo 8, nukleonové číslo 18 počet protonů – 8, nukleonů – 18, počet neutronů 18 – 8 = 10 nuklid železa 56 má protonové číslo 26, nukleonové číslo 56 počet protonů – 26, nukleonů – 56, počet neutronů 56 – 26 = 30 nuklid uranu 235 má protonové číslo 92, nukleonové číslo 235 počet protonů – 92, nukleonů – 235, počet neutronů 235 – 92 = 143 nuklid plutonia 239 má protonové číslo 94, nukleonové číslo 239 počet protonů – 94, nukleonů – 239, počet neutronů 239 – 94 = 145

Příklady: Podle tabulek urči název neznámého prvku. Kolik má každý z nich protonů, neutronů a nukleonů? protonové číslo 2 má helium (He) , nukleonové číslo 4 počet protonů – 2, nukleonů – 4, počet neutronů 4 – 2 = 2 protonové číslo 7 má dusík (N) , nukleonové číslo 14 počet protonů – 7, nukleonů – 14, počet neutronů 14 – 7 = 7 protonové číslo 82 má olovo (Pb) , nukleonové číslo 206 počet protonů – 82, nukleonů – 206, počet neutronů 206 – 82 = 124 protonové číslo 86 má radon (Rn) , nukleonové číslo 222 počet protonů – 86, nukleonů – 222, počet neutronů 222 – 86 = 136

protonové číslo 88 má radium (Ra) , nukleonové číslo 226 počet protonů – 88, nukleonů – 226, počet neutronů 226 – 88 = 138 protonové číslo 81 má thalium (Tl) , nukleonové číslo 210 počet protonů – 81, nukleonů – 210, počet neutronů 210 – 81 = 129 protonové číslo 84 má polonium (Po) , nukleonové číslo 214 počet protonů – 84, nukleonů – 214, počet neutronů 214 – 84 = 130 protonové číslo 90 má thorium (Th) , nukleonové číslo 230 počet protonů – 90, nukleonů – 230, počet neutronů 230 – 90 = 140 protonové číslo 93 má neptunium (Np) , nukleonové číslo 237 počet protonů – 93, nukleonů – 237, počet neutronů 237 – 93 = 144 Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 127.