Atómové jadro — definícia, zloženie, veľkosť a jadrové sily

Jadro atómu sa skladá z protónov a neutrónov (dvoch typov baryónov) spojených jadrovou silou. Tieto baryóny sa ďalej skladajú zo subatomárnych základných častíc známych ako kvarky, ktoré sú spojené silnou interakciou. Jadro má viac-menej tvar sféroidu a môže byť do istej miery prolate (dlhé) alebo oblate (ploché) alebo inak nie úplne okrúhle.

Izotopy a nuklidy

Izotop atómu sa určuje podľa počtu neutrónov v jadre. Rôzne izotopy toho istého prvku majú veľmi podobné chemické vlastnosti. Rôzne izotopy vo vzorke chemickej látky možno oddeliť pomocou odstredivky alebo pomocou hmotnostného spektrometra. Prvá metóda sa používa pri výrobe obohateného uránu z bežného uránu a druhá sa používa pri datovaní uhlíka.

Počet protónov a neutrónov spolu určuje nuklid (typ jadra). Protóny a neutróny majú takmer rovnakú hmotnosť a ich súhrnný počet, hmotnostné číslo, sa približne rovná atómovej hmotnosti atómu. Kombinovaná hmotnosť elektrónov je v porovnaní s hmotnosťou jadra veľmi malá; protóny a neutróny vážia asi 2000-krát viac ako elektróny.

Objavenie elektrónu J. J. Thomsonom bolo prvou známkou toho, že atóm má vnútornú štruktúru. Na prelome 19. a 20. storočia bol uznávaným modelom atómu model "slivkového pudingu" J. J. Thomsona, podľa ktorého bol atóm veľkou kladne nabitou guľou s malými záporne nabitými elektrónmi, ktoré boli v nej uložené. Na prelome storočí fyzici objavili aj tri druhy žiarenia vychádzajúceho z atómov, ktoré pomenovali alfa, beta a gama žiarenie. Experimenty Lise Meitnerovej a Otta Hahna v roku 1911 a Jamesa Chadwicka v roku 1914 zistili, že spektrum rozpadu beta žiarenia je skôr spojité ako diskrétne. To znamená, že elektróny boli z atómu vyvrhované s rôznou energiou, a nie s diskrétnym množstvom energií, ktoré sa pozorovali pri rozpadoch gama a alfa. To bol v tom čase problém pre jadrovú fyziku, pretože to naznačovalo, že energia sa pri týchto rozpadoch nezachováva. Tento problém neskôr viedol k objavu neutrína (pozri nižšie).

V roku 1906 Ernest Rutherford publikoval prácu "Vyžarovanie častice α z rádia pri prechode hmotou". Geiger túto prácu rozšíril v oznámení Kráľovskej spoločnosti o experimenty, ktoré spolu s Rutherfordom vykonali pri prechode častíc α vzduchom, hliníkovou fóliou a zlatou fóliou. Ďalšie práce publikovali Geiger a Marsden v roku 1909 a ďalšiu značne rozšírenú prácu publikoval Geiger v roku 1910, V rokoch 1911-2 Rutherford predstúpil pred Kráľovskú spoločnosť, aby vysvetlil experimenty a predložil novú teóriu atómového jadra, ako ju chápeme teraz.

Približne v tom istom čase (1909) Ernest Rutherford uskutočnil pozoruhodný experiment, pri ktorom Hans Geiger a Ernest Marsden pod jeho dohľadom vystrelili častice alfa (jadrá hélia) na tenkú vrstvu zlatej fólie. Model slivkového pudingu predpokladal, že alfa častice by mali z fólie vyletieť s maximálne mierne ohnutými trajektóriami. Bol šokovaný, keď zistil, že niekoľko častíc sa rozptýlilo pod veľkým uhlom, v niektorých prípadoch dokonca úplne dozadu. Tento objav, ktorý sa začal Rutherfordovou analýzou údajov v roku 1911, nakoniec viedol k Rutherfordovmu modelu atómu, v ktorom má atóm veľmi malé, veľmi husté jadro pozostávajúce z ťažkých kladne nabitých častíc so zabudovanými elektrónmi, aby sa náboj vyrovnal. Ako príklad možno uviesť, že v tomto modeli sa dusík-14 skladal z jadra so 14 protónmi a 7 elektrónmi a jadro bolo obklopené ďalšími 7 obiehajúcimi elektrónmi.

Rutherfordov model fungoval celkom dobre, kým v roku 1929 Franco Rasetti na Kalifornskomtechnologickom inštitúte nevykonal štúdie jadrového spinu. V roku 1925 sa už vedelo, že protóny a elektróny majú spin 1/2, a v Rutherfordovom modeli dusíka 14 sa malo 14 protónov a šesť elektrónov spárovať, aby sa ich spin navzájom vyrušil, a posledný elektrón mal opustiť jadro so spinom 1/2. Rasetti však zistil, že dusík-14 má spin 1.

V roku 1930 sa Wolfgang Pauli nemohol zúčastniť na stretnutí v Tübingene a namiesto toho poslal slávny list s klasickým úvodom "Vážené rádioaktívne dámy a páni". V liste Pauli naznačil, že v jadre možno existuje tretia častica, ktorú nazval "neutrón". Naznačil, že je veľmi ľahká (ľahšia ako elektrón), nemá náboj a neinteraguje ľahko s hmotou (preto sa ju zatiaľ nepodarilo odhaliť). Toto zúfalé riešenie vyriešilo problém zachovania energie aj spinu dusíka-14. Prvý problém vznikol preto, lebo Pauliho "neutrón" odnášal energiu navyše, a druhý preto, lebo ďalší "neutrón" sa spájal s elektrónom v jadre dusíka-14 a dával mu spin jedna. Pauliho "neutrón" premenoval Enrico Fermi v roku 1931 na neutríno (taliansky "malý neutrál") a približne po tridsiatich rokoch sa konečne podarilo dokázať, že pri beta rozpade sa skutočne vyžaruje neutríno.

V roku 1932 si Chadwick uvedomil, že žiarenie, ktoré pozorovali Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène a Frédéric Joliot-Curie, v skutočnosti spôsobuje masívna častica, ktorú nazval neutrón. V tom istom roku Dmitrij Ivanenko navrhol, že neutróny sú v skutočnosti častice so spinom 1/2 a že jadro obsahuje neutróny a nie sú v ňom žiadne elektróny, a Francis Perrin navrhol, že neutrína nie sú jadrové častice, ale vznikajú pri beta rozpade. Na záver roka Fermi predložil časopisu Nature teóriu neutrín (ktorú redakcia odmietla pre jej "prílišnú vzdialenosť od reality"). Fermi pokračoval v práci na svojej teórii a v roku 1934 uverejnil článok, ktorý neutríno postavil na pevný teoretický základ. V tom istom roku Hideki Yukawa navrhol prvú významnú teóriu silnej sily, ktorá vysvetľovala, ako jadro drží pohromade.

Fermiho a Yukawove práce zavŕšili moderný model atómu. Stred atómu obsahuje tesnú guľu neutrónov a protónov, ktorú drží pohromade silná jadrová sila. Nestabilné jadrá môžu podliehať alfa rozpadu, pri ktorom vyžarujú energetické jadro hélia, alebo beta rozpadu, pri ktorom vyrážajú elektrón (alebo pozitrón). Po jednom z týchto rozpadov môže výsledné jadro zostať v excitovanom stave a v tomto prípade sa rozpadá do základného stavu vyžarovaním vysokoenergetických fotónov (rozpad gama).

Štúdium silných a slabých jadrových síl viedlo fyzikov k zrážkam jadier a elektrónov pri stále vyšších energiách. Tento výskum sa stal vedou časticovej fyziky, z ktorej najdôležitejší je štandardný model časticovej fyziky, ktorý zjednocuje silné, slabé a elektromagnetické sily.

Jadro môže obsahovať stovky nukleónov, čo znamená, že s určitým priblížením sa s ním dá zaobchádzať ako s klasickým systémom, a nie ako s kvantovo-mechanickým. Vo výslednom modeli kvapky kvapaliny má jadro energiu, ktorá vzniká čiastočne z povrchového napätia a čiastočne z elektrického odpudzovania protónov. Model kvapky kvapaliny dokáže reprodukovať mnohé vlastnosti jadier vrátane všeobecného trendu väzbovej energie v závislosti od hmotnostného čísla, ako aj javu štiepenia jadier.

Na tento klasický obraz sa však navrstvujú kvantovo-mechanické efekty, ktoré možno opísať pomocou modelu jadrového obalu, ktorý z veľkej časti vyvinula Maria Goeppert-Mayerová. Jadrá s určitým počtom neutrónov a protónov (magické čísla 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) sú mimoriadne stabilné, pretože ich obaly sú vyplnené.

Veľká časť súčasného výskumu v jadrovej fyzike sa týka štúdia jadier v extrémnych podmienkach, ako je vysoký spin a excitačná energia. Jadrá môžu mať aj extrémne tvary (podobne ako lopty na americký futbal) alebo extrémne pomery neutrónov k protónom. Experimentátori môžu vytvoriť takéto jadrá pomocou umelo vyvolanej fúzie alebo reakcií prenosu nukleónov, pričom využívajú iónové zväzky z urýchľovača. Na vytvorenie jadier pri veľmi vysokých teplotách možno použiť lúče s ešte vyššími energiami a existujú náznaky, že tieto experimenty spôsobili fázový prechod z normálnej jadrovej hmoty do nového stavu, kvarkovo-gluónovej plazmy, v ktorej sa kvarky navzájom miešajú, a nie sú oddelené v tripletoch ako v neutrónoch a protónoch.

Jadrový rozpad

Ak má jadro príliš málo alebo príliš veľa neutrónov, môže byť nestabilné a po určitom čase sa rozpadne. Napríklad atómy dusíka-16 (7 protónov, 9 neutrónov) sa v priebehu niekoľkých sekúnd po vytvorení rozpadnú na atómy kyslíka-16 (8 protónov, 8 neutrónov). Pri tomto rozpade sa neutrón v jadre dusíka vplyvom slabej jadrovej sily zmení na protón a elektrón. Prvok atómu sa zmení, pretože kým predtým mal sedem protónov (čo z neho robí dusík), teraz ich má osem (čo z neho robí kyslík). Mnohé prvky majú viacero izotopov, ktoré sú stabilné týždne, roky alebo dokonca miliardy rokov.

Jadrová fúzia

Keď sa dve ľahké jadrá dostanú do veľmi tesného vzájomného kontaktu, je možné, aby ich silná sila spojila. Na to, aby sa jadrá k sebe priblížili natoľko, aby silná sila mohla pôsobiť, je potrebná veľká energia, takže proces jadrovej fúzie môže prebiehať len pri veľmi vysokých teplotách alebo vysokých hustotách. Keď sú jadrá dostatočne blízko pri sebe, silná sila prekoná ich elektromagnetické odpudzovanie a stlačí ich do nového jadra. Pri fúzii ľahkých jadier sa uvoľňuje veľmi veľké množstvo energie, pretože väzbová energia na nukleón rastie s hmotnostným číslom až do niklu-62. Hviezdy, ako je naše Slnko, sú poháňané fúziou štyroch protónov na jadro hélia, dvoch pozitrónov a dvoch neutrín. Nekontrolovaná fúzia vodíka na hélium je známa ako termonukleárne zlyhanie. V súčasnosti sa v rôznych výskumných inštitúciách (pozri JET a ITER) uskutočňuje výskum zameraný na nájdenie ekonomicky výhodnej metódy využívania energie z riadenej fúznej reakcie.

Jadrové štiepenie

Pre jadrá ťažšie ako nikel-62 väzbová energia na nukleón klesá s hmotnostným číslom. Preto je možné, že sa energia uvoľní, ak sa ťažké jadro rozpadne na dve ľahšie. Toto štiepenie atómov je známe ako štiepenie jadier.

Proces alfa rozpadu možno považovať za špeciálny typ spontánneho jadrového štiepenia. Pri tomto procese dochádza k vysoko asymetrickému štiepeniu, pretože štyri častice, z ktorých sa alfa častica skladá, sú navzájom obzvlášť pevne viazané, takže vznik tohto jadra pri štiepení je mimoriadne pravdepodobný.

V prípade niektorých najťažších jadier, ktoré pri štiepení produkujú neutróny a ktoré tiež ľahko absorbujú neutróny na iniciáciu štiepenia, možno dosiahnuť samovznietenie typu štiepenia iniciovaného neutrónmi v tzv. reťazovej reakcii. [Reťazové reakcie boli v chémii známe už pred fyzikou a v skutočnosti sú mnohé známe procesy, ako napríklad požiare a chemické výbuchy, chemickými reťazovými reakciami]. Štiepna alebo "jadrová" reťazová reakcia, pri ktorej sa využívajú neutróny vznikajúce pri štiepení, je zdrojom energie pre jadrové elektrárne a jadrové bomby štiepneho typu, ako napríklad dve, ktoré Spojené štáty použili na konci druhej svetovej vojny proti Hirošime a Nagasaki. Ťažké jadrá, ako napríklad urán a tórium, môžu podliehať spontánnemu štiepeniu, ale oveľa pravdepodobnejšie je, že sa rozpadnú alfa rozpadom.

Aby mohla nastať reťazová reakcia iniciovaná neutrónmi, musí byť v určitom priestore za určitých podmienok prítomná kritická hmotnosť prvku (tieto podmienky spomaľujú a uchovávajú neutróny pre reakcie). Je známy jeden príklad prírodného štiepneho jadrového reaktora, ktorý bol aktívny v dvoch oblastiach Oklo v Gabone v Afrike pred viac ako 1,5 miliardy rokov. Merania emisií prirodzených neutrín preukázali, že približne polovica tepla vychádzajúceho zo zemského jadra pochádza z rádioaktívneho rozpadu. Nie je však známe, či niečo z toho pochádza z reťazových štiepnych reakcií.

Výroba ťažkých prvkov

Ako sa vesmír po veľkom tresku ochladzoval, nakoniec začali existovať častice, ako ich poznáme. Najbežnejšími časticami, ktoré vznikli pri veľkom tresku a ktoré sú pre nás aj dnes ľahko pozorovateľné, boli protóny (vodík) a elektróny (v rovnakom počte). Niektoré ťažšie prvky vznikli pri vzájomných zrážkach protónov, ale väčšina ťažkých prvkov, ktoré vidíme dnes, vznikla vo vnútri hviezd počas série fúznych štádií, ako je protón-protónová reťaz, cyklus CNO a proces trojitej alfa. Počas vývoja hviezdy vznikajú postupne ťažšie prvky.

Keďže väzbová energia na nukleón dosahuje vrchol v okolí železa, energia sa uvoľňuje len pri fúznych procesoch prebiehajúcich pod touto hranicou. Keďže vznik ťažších jadier pri fúzii stojí energiu, príroda sa uchyľuje k procesu záchytu neutrónov. Neutróny (vzhľadom na to, že nemajú náboj) sú ľahko absorbované jadrom. Ťažké prvky vznikajú buď pomalým procesom záchytu neutrónov (tzv. s proces), alebo rýchlym, čiže r procesom. Proces s sa vyskytuje v tepelne pulzujúcich hviezdach (nazývaných AGB alebo hviezdy s asymptotickou obrou vetvou) a trvá stovky až tisíce rokov, kým sa dosiahnu najťažšie prvky olova a bizmutu. Predpokladá sa, že proces r sa vyskytuje pri výbuchoch supernov, pretože sú prítomné podmienky vysokej teploty, vysokého toku neutrónov a vyvrhnutej hmoty. Tieto hviezdne podmienky spôsobujú, že postupné zachytávanie neutrónov je veľmi rýchle a zahŕňa druhy veľmi bohaté na neutróny, ktoré sa potom beta-rozpadajú na ťažšie prvky, najmä v tzv. čakacích bodoch, ktoré zodpovedajú stabilnejším nuklidom s uzavretými neutrónovými obalmi (magické čísla). Trvanie procesu r je zvyčajne v rozsahu niekoľkých sekúnd.