Atómové jadro

Atóm hélia: ⁴He s modelom jadra atómu.

Atómové jadro je kladne nabitá vnútorná časť atómu. Jadro je obklopované obalom, oblasťou záporne nabitých elektrónov, ktoré sú viazané elektrickou silou (jadro-elektróny). Takmer celá hmotnosť atómu je sústredená v jadre (99,9%) a iba malým zlomkom hmotnosti prispievajú elektróny. Jadro pozostáva z nukleónov, t. j. protónov (kladne nabitých) a neutrónov (bez náboja). Hmotnosť protónu je $m_{p}=1,672648.10^{-27}kg$ a hmotnosť neutrónu je o niečo väčšia – $m_{n}=1,674954.10^{-27}kg$ pričom oba údaje sú pokojové hmotnosti daných častíc. Hodnota náboja protónu je rovnako veľká ako hodnota náboja elektrónu, teda elementárneho náboja. Protón je kladná častica $Q_{P}=1,602.10^{-19}$C. Priemer jadra atómu sa pohybuje rádovo v stotisícinách nanometra. (Je zrejmé, že jadro vodíka bude menšie ako jadro železa, pričom velkosť celého atómu je stotisíckrát väčšia).

Časticové zloženie jadier

Výmenný piónový model. Modrý neutrón z kvarkov u,d,d, zelený protón z kvarkov u,u,d. Z protónu sa vzdiali kvark u a vytvorí sa párová častica a antičastica: đ,d (žltá farba). Oddelením kvarkov u,đ vzniká pión π a protón sa premieňa na d,u,d neutrón. V neutróne prijímajúcom pión π dôjde k anihilácii častice a antičastice: đ,d a zostanú kvarky u,d,u, čím sa neutrón premení na protón.

V jadre atómu sa vždy nachádzajú protóny a neutróny (až na výnimky s čisto protónovým jadrom, napr. ¹₁H, ²₂He, ³₃Li,...). V jadre sa tiež nachádzajú výmenné častice - pióny (π mezóny) sprostredkujúce silnú jadrovú silu krátkeho dosahu. Výmenou elektricky nabitých piónov sa sprostredkúva väzba medzi protónom a neutrónom, výmenou elektricky neutrálnych piónov sa sprostredkúva väzba medzi rovnakými časticami. Pri výmene elektricky nabitých piónov dochádza k premene jednej častice na druhú. Vyžiarený negatívny mezón mení neutrón na protón, vyžiarený kladný mezón mení protón na neutrón.

Vlastnosti jadier

Atómové jadrá s odlišným počtom nukleónov majú odlišné vlastnosti. V súčasnosti je známych viac ako 3000 rôznych konfigurácii nukleónov. Zloženie jadier je dôležité nielen pre fyziku, ale aj pre chémiu. Jadrá s rozličným zložením sa často výrazne odlišujú fyzikálnymi vlastnosťami napr. ${\ce {^31_15P}}$ je stabilné, kým jadro ${\ce {^30_15P}}$ je rádioaktívne.

Chemické vlastnosti prvkov sú určené protónovým číslom (atómovým) značeným $Z$, kde $Z\geqq 1$. Spolu s nukleónovým číslom (hmotnostným) $A$ je zloženie jadra dané $_{Z}^{A}X$, kde $X$ je všeobecná značka prvku a $A-Z=N$ je počet neutrónov. Dva rôzne nuklidy ${\ce {^{A}_{Z}X}}$, ${\ce {^{A'}_{Z}X}}$ sa nazývajú izotopy prvku $X$. Izotopy možno rozlíšiť alebo oddeliť iba fyzikálnymi metódami ale nie chemickými reakciami. Pre chemické výpočty sú však dôležité aj hmotnosti atómov.

Elektrický náboj jadra $q_{j}$ závisí iba od protónového čísla a to rozhoduje o stavbe elektrónového obalu. Elektrický náboj jadra (q_j) je rovný elementárnemu náboju (e) vynásobeného počtom protónov (Z):

$\qquad q_{j}= Ze;\qquad \qquad e\doteq 1,602.10^{-19}C$

Silové väzby v jadre atómu

Väzobná energia jadra prepočítaná na jeden nukleon v jadre.

Protóny a neutróny sú viazané zvyškovou - reziduálnou silnou interakciou t. j. jadrovou silou, ktorá na krátke vzdialenosti (cca 1 fm) prekonáva odpudivú elektrostatickú silu protónov asi 100 násobne. Neutróny, keďže sa sa elektrostaticky neodpudzujú, ale tiež pôsobia jadrovou silou, pomáhajú "udržať" protóny pri sebe. Sila krátkeho dosahu má síce nekonečný dosah, ale efektívne pôsobí len na vzdialenosť 3 fm, teda na najbližšie nukleóny. Coulombova sila dlhého dosahu pôsobí na všetky nabité častice a nad 3 fm je prevládajúcou silou. Potom pre veľké zoskupenia nukleónov (jadrá ťažkých prvkov), klesá ich výsledná väzbová energia a teda i stabilita so vzrastajúcim protónovým číslom. Aby neutróny a protóny dokázali na seba pôsobiť reziduálnou silnou interakciou, musia mať rovnaký spin.

• 
  Porovnanie reziduálnej silnej interakcie (a) a Coluombovej sily (c). Reziduálna sila má zanedbateľnú veľkosť nad 2,5 fm a cca pod 0,7 fm sa stáva odpudzujúcou (b). Rovnováhu síl pre nukleóny o polomere (r) znázorňuje(d).
• 
  Animácia interakcie nukleónov pomocou piónu, premena neutrón - protón. V reálnom jadre sa nukleóny prakticky čiastočne vnárajú do seba (vzdialenosť 0,8 fm). Tu je znázornená vzdialenosť nukleónov cca 2,5 fm.
• 
  Interakcia nukleónov (protón - neutrón) znázornená Feynmanovým diagramom.

Zvyšková silná interakcia zrkadlových atómov

Zrkadlové atómy sú atómy s rovnakým počtom nukleónov, ale počet protónov prvého atómu sa rovná počtu neutrónov druhého atómu a naopak. Napr. ¹³N, ¹³C. Potom vieme porovnať väzobnú energiu napríklad 3-nukleonóveho atómu s jedným protónom, teda bez odpudivých elektrostatických síl, s 3-nukleónovým jadrom s dvoma odpudzujúcimi sa protónmi. Potom väzobné energie sú ³H => 8,482 MeV, ³He =>7,718MeV a rozdiel väzobných energií zodpovedá elektrostatickému odpudzovaniu dvoch protónov: 0,72 MeV v jadre ³He.

História

Thomsonov model atómu predpokaldal, že kladne nabité častice alfa preletia nerušene fóliou. Rutherford nameral výchylky i výrazné zmeny smeru, z čoho usúdil výskyt koncentrovaného kladného jadra (červená). Obrázok nie je v mierke.

Jadro objavil v roku 1911 Ernest Rutherford. Realizoval nasledovný pokus. Tenko vylisovanú zlatú fóliu ostreľoval alfa časticami (zvyškové jadrá hélia, kladne nabité). Na druhej strane zachytával prejdené častice. Zistil, že iba časť častíc prešla cez fóliu v priamom smere, niektoré sa vychýlili a niektoré sa dokonca vrátili. To, že sa vrátili vysvetlil tým, že atómy zlata musia obsahovať kladnú časť, ktorá je schopná kladné alfa častice vrátiť naspäť.

Odvetvie fyziky zaoberajúce sa skúmaním atómov ako napr. zloženie, sily vnútri jadra, sa volá jadrová fyzika.

Pozri aj

• Bohrov model atómu
• Jukawov potenciál

Referencie

Fyzikálny portál Chemický portál