Mikrosvět 2 / 4 - Do nitra atomu
První díl "Jak atom na svět přišel": zde
Stavba jádra
Minule jsme si řekli, proč atom se svými elektrony nevypadá jako planetární soustava. Brzy se ukázalo, že rozlišení atomu na jádro a obal je příliš hrubé. Dnes se podíváme do atomového jádra.
Atom v základním stavu je elektricky neutrální. Vzhledem k tomu, že záporný náboj je svázán s elektronovým obalem, je jasné, že atomové jádro nese kladný náboj stejné velikosti, ale opačné polarity. Jako rozumný předpoklad můžeme přijmout, že tak, jako je záporný náboj reprezentován celistvým násobkem náboje elektronu (dále jen elementární náboj), bude jádro atomu tvořeno kladně nabitými částicemi (dále protony), které nesou kladný elementární náboj.
Pokusme se určit hmotnost jednoho protonu. Zdá se, že to není problém. Počet protonů známe, je stejný, jako počet elektronů. Stačí pak vydělit celkovou hmotnost jádra počtem. Problém zjistíme po chvíli měření. Různé prvky budou vykazovat různé hmotnosti protonů. Vysvětlení je jediné. Atomové jádro musí obsahovat i jiné částice, než protony.
Tyto částice byly později objeveny. Jsou nepatrně těžší, než protony a protože jsou elektricky neutrální, dostaly název neutrony. Počet neutronů v jádru je prvek od prvku různý. Dokonce i různé atomy jednoho prvku mohou obsahovat různé počty neutronů. Takovým mutacím říkáme izotopy. Například vodík známe ve třech podobách.
Vodík vždy obsahuje jeden proton, ale počet neutronů kolísá od žádného do dvou. Je to zároveň jediný prvek, který má své izotopy pojmenované různými názvy. Nejběžnější je vodík obsahující pouze jeden proton (chem. značka H). Mnohem vzácnější, ale v přírodě se běžně vyskytující je deuterium s jedním protonem a jedním neutronem (chem. značka D). Nejvzácnější je tritium (chem. značka T) se dvěma neutrony. V přírodě se nevyskytuje, protože je radioaktivní a přirozeně se rozpadá.
Při detailním rozboru zjistíme, že to, co se v tritiu rozpadá, je neutron. Přemění se na proton a elektron. V zájmu přesnosti třeba podotknout, že vzniká ještě jedna částice, tzv. antineutrino. Při rozpadu unikne elektron velice rychle z jádra, kdežto proton zde zůstane. V jádru tedy zbudou kromě jednoho neutronu dva protony. Počet protonů v jádru určuje počet elektronů v obalu, který zase určuje chemické vlastnosti. Izotop vodíku se změnil na jiný prvek, konkrétně na izotop 3He. Proud rychle letících elektronů je jeden z druhů radioaktivit a nazývá se záření beta. Procesu rozpadu, při kterém z jádra vylétne elektron, se tedy říká beta rozpad.
Rozpadem neutronu jsme se dotkli velice choulostivé otázky. Jestliže se neutron skládá z jiných částic, jak je to s protonem a elektronem, které jsme dosud za elementární považovali?
U elektronu je odpověď jednoduchá. Dosud jsme nikdy žádný rozpad elektronu nepozorovali a hlavně není důvod si myslet, že by měl vnitřní strukturu. Žádná teorie ani hypotéza pro svůj život takový předpoklad nepotřebuje.
S protonem je situace komplikovanější. Také nebyla dlouho žádná struktura protonu pozorována, ale byla tu potřeba ji hledat. V polovině minulého století byla jaderná fyzika v podobném stavu jako kdysi chemie, která si nedovedla poradit s velkým počtem prvků. Některé prvky měly podobné vlastnosti, ale podstata jejich vztahů nebyla zřejmá. Problém nakonec vyřešila periodická tabulka. V jaderné fyzice byla obdobná situace. Byla objevena spousta dalších "elementárních" částic, s dobře popsanými vlastnostmi, což evokovalo představu vnitřní struktury.
Tato struktura byla nejprve odvozena čistě matematickou cestou v roce 1964. Teprve později, v roce 1969, byla prokázána experimentálně. Důkaz byl založený na rozptylových experimentech. Dnes již není problém dostat hmotu do takového stavu, ve kterém se kvarky vyskytují jako samostatné částice. Na velkém urychlovači v ženevském CERNu byly proti sobě vystřelovány svazky protonů urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla. To je běžný postup při podobných pokusech. Tentokrát však byly energie enormní, teplota v místě srážky dosahovala hodnoty, jaká byla ve vesmíru několik sekund po velkém třesku. Proto se experiment neoficiálně nazývá malý třesk. V tom krátkém okamžiku, kdy byla hustota hmoty a energie v místě srážky maximální, rozložily se protony na své základní kameny - tzv. kvarky. Tím byla definitivně potvrzena jejich existence.
Čím vyšší energie použijeme, tím elementárnější částice dokážeme uvolnit. Poměrně malá energie
stačí na rozbití molekuly a získáme atomy. Vyšší energií rozbijeme atom na jádro a obal. Ještě vyšší rozbije atomové jádro. Zatím nejvyšší energií se nám podařilo rozbít protony na kvarky. Můžeme tento proces opakovat do nekonečna a získávat stále základnější částice? Už jsme si zvykli, že atom není nedělitelný, ale tímhle by se vyvrátila celá filosofie, že je svět složený ze základních prvků. Vypadá to paradoxně, ale zdánlivě tomu nic nebrání. Jsou tu však dvě omezení. První se týká energie, které nemáme více, než je ve vesmíru. Druhá přináší informační paradox. Jediná částice by tak díky své struktuře skýtala prostor pro uložení nekonečného množství informace. Doufejme, že budoucnost přinese řešení.
J. Kemr rozbíjí atom olova. Z principu na to nejde špatně, i dnes se atomy v urychlovačích rozbíjejí nárazem. Hustoty energie jsou, pravda poněkud vyšší.
Příští díl "Fotony a vlnová povaha částic": zde
Dana a Rudolf Mentzlovi
Za meteorologickými družicemi
Družice pozorují Zemi z vesmíru už po desítky let. Jejich snímky se staly běžnou součástí předpovědí počasí. Jak pracují a co umí změřit? Jak přispívají ke studiu klimatu?
Dana a Rudolf Mentzlovi
Holandsko proti moři
Po staletí Holandsko čelí záplavám z moře a opět si vydobývá své území. Ani v dnešní době práce nepřestává.
Dana a Rudolf Mentzlovi
Za jadernou fúzí k Baltskému moři
Už desítky let se ozývají zprávy o termojaderné fúzi jako zdroji energie pro budoucnost. Jak pokračují výzkumy a čím se liší tokamak a stelarátor?
Dana a Rudolf Mentzlovi
Hledání druhé Země
Po nedávném objevu hnědého trpaslíka neusnula ondřejovská skupina výzkumu exoplanet na vavřínech. Bude se podílet na vyhledávání Superzemí. Rozhovor s hlavním řešitelem.
Dana a Rudolf Mentzlovi
Světlo z hloubi vesmíru
Hvězdáři z Ondřejova objevili hnědého trpaslíka ve vzdálené soustavě v souhvězdí Raka; tuto zprávu sdělila média minulý měsíc. Rozhovor s objeviteli.
Další články autora |
Ženě se do ruky zakousl pes. Muž, který jí přispěchal na pomoc, zvíře zabil
Ženu v Žihli na Plzeňsku vážně pokousal volně pobíhající pes. Na pomoc jí přiběhl příbuzný, který...
„Krok ke třetí světové.“ Ukrajinci zasáhli klíčovou ruskou radarovou stanici
Ukrajinská armáda zřejmě tento týden zasáhla významnou ruskou radarovou stanici, která je součástí...
Nemocnému synovi vstříkla do krve vodu. Chtěla jsem, aby to skončilo, řekla
Mimořádně nešťastný případ matky samoživitelky a jejího vážně nemocného dítěte řeší Městský soud v...
Brutální útok nožem v Mannheimu, policista po něm bojuje o život
Šest lidí v pátek utrpělo zranění při útoku nožem na náměstí v centru německého Mannheimu, uvedla...
Česko explodovalo zlatou hokejovou radostí, fanoušci v Praze kolabovali
Česko v neděli zažilo hokejový svátek. Fanoušci vyrazili sledovat finále mistrovství světa na...
ANALÝZA: Donald Trump je vinen 34krát. Nastává nová éra americké politiky
Premium V procesu, který bude Spojené státy ještě hodně stát, získali demokraté možnost říkat v...
Zbytky kokainu na WC našla ochranka Pekarové. Podezřelý je šéf její kanceláře
Premium Ochranka předsedkyně Sněmovny Markéty Pekarové Adamové nalezla loni v lednu na pánských toaletách...
USA tlačí na mír v Gaze. Izrael předložil novou mírovou dohodu, má tři fáze
Izrael předložil nový návrh komplexní dohody o příměří v Pásmu Gazy a o propuštění rukojmích...
Do Česka dorazily bouřky z Německa. U Olomouce se voda vylila na dálnici
Výstrahy meteorologů před srážkami se naplnily. Česko zasáhly bouřky, které přišly z Německa. V...
Rozdáváme mléčnou výživu ZDARMA
Už jste slyšeli o nové pokračovací mléčné výživě BEBA SUPREMEpro 2 určené dětem od ukončeného 6. měsíce? Nyní můžete tuto nejdokonalejší recepturu...
- Počet článků 135
- Celková karma 0
- Průměrná čtenost 731x