28) Vlastnosti atomového jádra, přehled elementárních částic

Objev atomového jádra

Skutečnou strukturu atomu však odhalily až pokusy anglického fyzika Ernesta Rutherforda (1871 - 1937, Nobelova cena za chemii za rok 1908),

německého fyzika Hanse Geigera (též Johanese Geigera) (1882 - 1945) a E. Marsdena v roce 1911. V té době již byly známy radioaktivní látky, které

uvolňují záření α a záření β. Rutherford ověřil, že záření α představují rychle letící kladně nabité částice. Jedná se o atomy helia zbavené elektronů, mají

elektrický náboj a hmotnost 7293krát větší než elektron.

Radioaktivní záření bylo v té době již prozkoumáno natolik, aby mohl Rutherford jeho vlastností využívat při svých experimentech. Experimenty,

které umožnily určit základní vlastnosti radioaktivního záření, provedli francouzský fyziky A. H. Becquerel a Marie Curie Sklodowska se svým manželem

Aparaturu experimentu (viz obr. 5) tvořil silný kovový válcový hrnec B, který obsahoval zdroj částic R, rozptylující fólii F a stínítko S ze sulfidu

zinečnatého připevněné k mikroskopu M. Úzký svazek alfa částic z radonového zdroje R byl vymezen clonou D tak, aby dopadal kolmo na fólii F. Hrnec

byl připevněn ke kruhové základové desce A se stupnicí, kterou se mohlo otáčet ve vzduchotěsném spoji C. Mikroskop a stínítko se otáčely s hrncem,

zatímco rozptylující fólie a zdroj se nepohybovaly. Hrnec byl uzavřen skleněnou deskou P a mohl být vyčerpán trubicí T.

Otáčením desky A mohly být alfa částice rozptylované do různých směrů pozorovány na stínítku ze sulfidu zinečnatého. Pozorování se konala

v intervalu úhlů rozptylu od do na stříbrné a zlaté fólii. Byly provedeny dvě sady měření, první v rozmezí úhlů od do a druhá od do

.

Je-li kladný náboj rozprostřen v celém atomu rovnoměrně, jak předpokládá Thomsonův model atomu, pak částice α prolétávající středem atomu se

nebudou odchylovat vůbec od původního směru a částice prolétávající dále od středu se budou odchylovat jen mírně (maximálně o úhel ). Elektrony

v atomech zlata, které mají ve srovnání s α částicemi výrazně menší hmotnost, totiž nemohou trajektorii těžkých α částic (jádro hélia) znatelně ovlivnit.

očekávaná odchylka odpovídá největšímu počtu částic, ale jsou částice, které se vychylují pod úhlem větším než .

Výsledek experimentu bylo možné vysvětlit pouze tak, že celý kladný náboj a téměř celá hmota atomu jsou soustředěny v nesmírně malé centrální

oblasti - v atomovém jádře. Rutherford odvodil vzorec pro rozptyl částic α na jádře a určil odtud jeho rozměr řádově na zatímco rozměr

celého atomu je řádově . Znamená to tedy, že atom je v podstatě prázdný prostor, v němž se pohybuje několik (desítek) elektronů (v tzv.

elektronovém obalu) a v jeho středu je nepatrné, ale velmi těžké jádro.

Představíme-li si atomové jádro jako kuličku o poloměru 1 centimetr (větší kulička hroznového vína, menší hopík, …), pak celý atom bude mít poloměr

1000krát menší než poloměr atomového jádra. Ve zvoleném měřítku to budou sotva viditelná zrnka prachu!

To znamená, že atomy (a tedy i objekty z nich složené - věci, zvířata, lidé, …) jsou velmi prázdné!

určitých objektů, ale i na jejich vlastnosti jaderní fyzikové usuzují na základě interakcí vybraného objektu s jinými objekty.

Typicky takový výzkum probíhá tak, že se zkoumaný objekt použije jako terč, do kterého narážejí rychle letící částice. Po srážce vzniknou jiné

částice a na základě jejich velikosti rychlosti, energie, náboje, … lze usuzovat na průběh srážky a vlastnosti zkoumaného objektu. Ve většině případů se

zkoumaný objekt tímto způsobem zničí.

Přitom s rostoucí energii nalétávajících částic jsme schopné o zkoumaném objektu říci více informací.

Tato metoda zkoumání má svou analogii i v makrosvětě. Pokud budeme chtít zjistit, z čeho je složen mobilní telefon, tak ho zkusíme otevřít (např.

šroubovákem). Energie vynaložená na šroubování ale nebude jistě dostatečná (telefony bývají „zalisované“). Tak zkusíme pustit mobil ze stolu na

podlahu. Možná se z něj kousek odštípne. Když ho na podlahu hodíme, odlétne možná i kryt mobilu (víme už něco víc). Když ho hodíme z pátého patra

budovy, uvidíme ve šrotu, který z mobilu zbude, i tištěné spoje, kondenzátory, … Ovšem telefon v tomto stavu už nebude pravděpodobně fungovat.

Zjistili jsme tedy z čeho je mobil složen, můžeme proto říci něco o principech jeho fungování, o tom jak byl vyroben, …, ale mobil už nefunguje.

s libovolným poloměrem (v libovolné vzdálenosti od jádra).

Elektrony se ovšem pohybují po zakřivených trajektoriích, a proto se pohybují se zrychlením.

I kdyby velikost rychlosti jejich pohybu byla konstantní, mění se směr rychlosti - elektron má tedy nenulové dostředivé zrychlení (obecně normálové

zrychlení).

Při takovém typu pohybu nabitá částice vyzařuje elektromagnetické záření, které vzniká na úkor energie dané částice. Proto energie elektronu způsobí

zmenšení velikosti jeho rychlosti a tedy přiblížení k jádru atomu (vlivem elektrostatické síly). Během řádově tak elektron spadne na jádro a zanikne.

To ale znamená, že takový atom by byl značně nestabilní. Rutherfordův model tedy nedopovídá skutečnosti, protože atomy (a objekty z nich složené)

jsou útvary stabilní.

Lepším modelem je Bohrův model atomu.

(nejsou elementární částice - skládají se z kvarků a gluonů)

Schématický obrázek atomu:

X ... obecná značka prvku

Z ... protonové (atomové) číslo

- udává počet protonů v jádře

- udává počet elektronů v atomu

- udává pořadové číslo prvku v periodické soustavě prvků

A ... nukleonové (hmotnostní) číslo

- udává počet nukleonů (protonů a neutronů) v jádře

platný známý vztah mezi A a Z:

) = 1/12 klidové hmotnosti atomu nuklidu

12

6

C, m

= 1,66 . 10

kg

) A

r

-15

působí mezi dvěma nukleony

Hmotnostní úbytek

víme: jádro atomu se skládá z N neutronů a Z protonů

Hmotnosti protonu m

p

a neutronu m

n

jsou známy s velkou přesností, také skutečné hmotnosti jader m

j

je možno velmi přesně změřit, například hmotnostním spektrometrem.

Jestliže se jádro určitého prvku

p

n

p

jedna ze složek vnitřní energie tělesa

Experimentální metody v jaderné fyzice

D1, D2 ... vodivé desky (mezi nimi homogenní el. pole - rychlostní filtrace částic s nábojem)

S3 ... štěrbina, ve které díky předchozí filtraci mají všechny částice stejnou rychlost

magnetické pole zakřivuje trajektorii částic do kružnice, přičemž platí

F

= F

B.Q.v = (m.v

2

)/r

r = (m.v)/(B.Q)

(částice se stejnou hmotností dopadnou na stejné místo)

obecné schéma:

veškerá hmota se skládá z velkého počtu menších částic (atomů), které jsou dále nedělitelné

12

1

1937 - objeven mion (Carl Anderson, Seth Neddermayer)