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