Atomové jádro

Rozbalit box

Obsah boxu

Atomové jádro je centrální, kladně nabitá část atomu, ve které je soustředěna téměř veškerá jeho hmotnost (více než 99,9 %). I přes to zaujímá jen nepatrnou část celkového objemu atomu; jeho průměr se pohybuje v řádu 10⁻¹⁵ m, což je asi stotisíckrát méně než průměr celého atomu. Jádro je složeno z protonů a neutronů, které se souhrnně nazývají nukleony. Tyto částice jsou uvnitř jádra drženy pohromadě extrémně silnými, ale krátkodosahovými jadernými silami. Studium atomových jader, jejich struktury, vlastností a přeměn je předmětem jaderné fyziky.

🧒 Pro laiky

Představte si atom jako obrovský fotbalový stadion. Uprostřed tohoto stadionu leží malý skleněný korálek – a právě to je v tomto měřítku atomové jádro. I když je tak nepatrné, váží téměř tolik, co celý stadion dohromady. Všechno ostatní, tedy tribuny a hřiště, představuje lehký a rozlehlý obal z poletujících elektronů.

Tento "korálek" uprostřed je složen z ještě menších kuliček: kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů. Tyto kuličky jsou k sobě "přilepeny" nejsilnějším lepidlem ve vesmíru, kterému říkáme silná jaderná síla. Díky ní drží jádro pohromadě, i když se kladné protony snaží navzájem odpuzovat. Někdy je ale jádro nestabilní, podobně jako špatně postavená věž z kostek. Takové jádro se může samovolně rozpadnout a přitom uvolnit energii ve formě záření. Tomuto jevu říkáme radioaktivita.

⏳ Historie objevu

Existence atomového jádra byla odhalena v roce 1911 díky experimentu, který provedli Hans Geiger a Ernest Marsden pod vedením Ernesta Rutherforda. Při tomto pokusu ostřelovali tenkou zlatou fólii proudem kladně nabitých částic alfa (jádra helia). Většina částic prošla fólií bez výrazné změny směru, ale k velkému překvapení se některé částice odrazily pod velkými úhly, a některé dokonce zpět.

Tento výsledek byl v příkrém rozporu s tehdy převládajícím "pudinkovým" modelem atomu J. J. Thomsona, který předpokládal, že hmota a náboj jsou v atomu rovnoměrně rozprostřeny. Rutherford na základě experimentu správně usoudil, že téměř veškerá hmota a celý kladný náboj atomu musí být soustředěny v extrémně malém a hustém centru – atomovém jádře. Tento objev vedl k vytvoření tzv. planetárního modelu atomu, kde elektrony obíhají kolem malého, těžkého jádra podobně jako planety kolem Slunce. Za svůj výzkum radioaktivních látek a rozpadu prvků získal Rutherford v roce 1908 Nobelovu cenu za chemii.

⚛️ Složení a struktura

Atomové jádro je složeno z dvou typů subatomárních částic, souhrnně nazývaných nukleony:

• Protony (p+): Jsou nositeli kladného elementárního náboje. Počet protonů v jádře, označovaný jako protonové číslo (Z), určuje chemický prvek. Například všechna jádra s jedním protonem patří vodíku, se šesti protony uhlíku a s 92 protony uranu.
• Neutrony (n⁰): Jsou elektricky neutrální částice s hmotností mírně vyšší než protony. Počet neutronů v jádře se označuje jako neutronové číslo (N).

Součet protonů a neutronů udává nukleonové číslo (A), tedy celkový počet nukleonů v jádře (A = Z + N). Atomy se stejným počtem protonů, ale různým počtem neutronů se nazývají izotopy daného prvku. Mají stejné chemické vlastnosti, ale mohou se lišit stabilitou a hmotností. Například vodík má tři známé izotopy: protium (¹H, 1 proton, 0 neutronů), deuterium (²H, 1 proton, 1 neutron) a tritium (³H, 1 proton, 2 neutrony).

Modely jádra

Popis chování nukleonů v jádře je extrémně složitý, proto bylo vyvinuto několik zjednodušujících modelů, z nichž každý vystihuje jiné aspekty jeho vlastností:

• Kapkový model: Představuje si jádro jako kapku nestlačitelné, elektricky nabité kapaliny. Tento model úspěšně popisuje celkové vlastnosti jader, jako je vazebná energie, a je základem pro pochopení jaderného štěpení.
• Slupkový model: Vychází z předpokladu, že nukleony, podobně jako elektrony v atomovém obalu, existují na určitých energetických hladinách či "slupkách". Jádra s plně zaplněnými slupkami (odpovídající tzv. magickým číslům 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) jsou mimořádně stabilní.

🔬 Vlastnosti jádra

• Náboj: Je kladný a jeho velikost je dána součtem nábojů protonů. Je roven Z * e, kde Z je protonové číslo a 'e' je velikost elementárního náboje.
• Hmotnost: Téměř celá hmotnost atomu (přes 99,9 %) je soustředěna v jádře. Zajímavostí je, že klidová hmotnost jádra je vždy o něco menší než součet klidových hmotností jeho jednotlivých protonů a neutronů. Tento rozdíl, známý jako hmotnostní úbytek, odpovídá vazebné energii, která drží jádro pohromadě, podle slavného Einsteinova vztahu E=mc².
• Hustota: Atomové jádro má nepředstavitelně vysokou hustotu, řádově 10¹⁷ kg/m³. Kdyby se z materiálu o hustotě atomového jádra vytvořila kostka o hraně 1 cm, vážila by stovky milionů tun.
• Poloměr: Poloměr jádra není přesně definován, ale lze jej přibližně určit vztahem R ≈ R₀ * A¹/³, kde R₀ je konstanta (≈ 1,2 femtometru) a A je nukleonové číslo. Z toho vyplývá, že těžší jádra jsou větší.

💥 Jaderné síly

Navzdory silnému elektrostatickému odpuzování mezi kladně nabitými protony jsou jádra (s výjimkou vodíku-1) stabilní. To je možné díky existenci fundamentálních sil, které působí na subatomární úrovni:

• Silná interakce: Je to nejsilnější ze čtyř známých fundamentálních interakcí. Působí mezi kvarky, ze kterých jsou složeny protony a neutrony. Její zbytkové působení mezi nukleony (tzv. jaderná síla) překonává elektrické odpuzování a drží jádro pohromadě. Má však extrémně krátký dosah, řádově jen o velikosti jádra.
• Slabá interakce: Je zodpovědná za některé typy radioaktivních přeměn, zejména za rozpad beta, při kterém se v jádře mění proton na neutron nebo naopak. Je mnohem slabší než silná interakce a má ještě kratší dosah.

⚡ Radioaktivita

Mnoho jader, zejména ta s velkým počtem nukleonů nebo s nepříznivým poměrem protonů a neutronů, je nestabilních. Tato jádra se samovolně přeměňují na jádra stabilnější za současného vyzáření energie ve formě částic nebo elektromagnetického vlnění. Tento jev se nazývá radioaktivita a byla objevena Henrim Becquerelem v roce 1896.

Základní typy radioaktivní přeměny jsou:

• Přeměna alfa (α): Jádro vyzáří částici alfa, která je identická s jádrem helia (2 protony a 2 neutrony). Tím se původní jádro změní na jádro jiného prvku s protonovým číslem o 2 nižším.
• Přeměna beta (β): Dochází k ní, když se v jádře přemění neutron na proton (β⁻) za emise elektronu a antineutrina, nebo proton na neutron (β⁺) za emise pozitronu a neutrina. Protonové číslo se mění o +1 nebo -1.
• Přeměna gama (γ): Často doprovází přeměny alfa a beta. Jádro, které je po přeměně v energeticky excitovaném stavu, se zbavuje přebytečné energie vyzářením vysokoenergetického fotonu (záření gama). Složení jádra se při tomto procesu nemění.

🔄 Jaderné reakce

Jaderné reakce jsou procesy, při kterých dochází ke změnám jader v důsledku jejich vzájemných interakcí nebo interakcí s jinými částicemi. Při těchto reakcích se může uvolnit nebo spotřebovat obrovské množství energie.

• Jaderné štěpení: Proces, při kterém se těžké nestabilní jádro (např. uran-235) po pohlcení neutronu rozštěpí na dvě nebo více lehčích jader, přičemž se uvolní další neutrony a značné množství energie. Uvolněné neutrony mohou vyvolat štěpení dalších jader, což vede k řetězové reakci. Tento princip je využíván v jaderných elektrárnách a jaderných zbraních.
• Jaderná fúze: Proces, při kterém se dvě lehká jádra (např. izotopy vodíku deuterium a tritium) slučují za vzniku těžšího jádra. Při této reakci se uvolňuje ještě větší množství energie na jednotku hmotnosti než při štěpení. Jaderná fúze je zdrojem energie hvězd, včetně našeho Slunce. Je považována za potenciálně čistý a téměř nevyčerpatelný zdroj energie pro budoucnost, ale její technologické zvládnutí na Zemi je předmětem intenzivního výzkumu.

💡 Využití a technologie

Výzkum atomového jádra přinesl lidstvu revoluční technologie s širokým uplatněním:

• Jaderná energetika: Jaderné elektrárny využívají řízenou štěpnou reakci k výrobě elektrické energie. Jedná se o nízkoemisní zdroj energie, který však produkuje radioaktivní odpad.
• Nukleární medicína: Radioaktivní izotopy (radionuklidy) se používají v diagnostice (např. PET) i v terapii, zejména při léčbě nádorových onemocnění (radioterapie).
• Průmysl a věda: Radionuklidy slouží ke kontrole materiálů (defektoskopie), sterilizaci, nebo jako stopovací prvky v biologickém a chemickém výzkumu.
• Radiokarbonová metoda datování: Měřením koncentrace radioaktivního izotopu uhlíku ¹⁴C se určuje stáří organických archeologických nálezů.
• Vojenské využití: Neřízená řetězová reakce štěpení nebo fúze je základem ničivé síly atomových a vodíkových bomb.

🌌 Význam ve vesmíru

Atomová jádra a procesy v nich probíhající jsou klíčové pro existenci a vývoj vesmíru.

• Prvotní nukleosyntéza: Krátce po Velkém třesku, v prvních několika minutách existence vesmíru, vznikla prvotní lehká jádra – především vodík, helium a stopové množství lithia.
• Hvězdná nukleosyntéza: Uvnitř hvězd probíhají po většinu jejich života termonukleární fúzní reakce, při kterých se z lehčích jader syntetizují těžší prvky, až po železo. Hvězdy tak fungují jako "kosmické továrny" na prvky.
• Nukleosyntéza v supernovách: Prvky těžší než železo vznikají převážně při explozivních událostech, jako jsou výbuchy supernov nebo srážky neutronových hvězd, kde dochází k rychlému záchytu neutronů (tzv. r-proces). Tyto události rozptylují nově vzniklé prvky do mezigalaktického prostoru, kde se stávají materiálem pro vznik nových hvězd a planet.

🔬 Současný výzkum

Jaderná fyzika je i v roce 2025 velmi aktivním oborem. Současný výzkum se zaměřuje na několik klíčových oblastí:

• Vlastnosti exotických jader: Vědci se snaží uměle vytvořit a studovat jádra s extrémním poměrem protonů a neutronů, která se v přírodě nevyskytují. To pomáhá testovat a zpřesňovat modely atomového jádra.
• Hledání ostrova stability: Teoretické modely předpovídají existenci supertěžkých, ale relativně stabilních prvků (tzv. "ostrov stability") za hranicemi známé periodické tabulky. Experimenty se zaměřují na syntézu těchto prvků.
• Kvark-gluonové plazma: Na urychlovačích částic se fyzici snaží srážkami těžkých jader vytvořit extrémně horký a hustý stav hmoty, který existoval mikrosekundy po Velkém třesku a ve kterém kvarky a gluony nejsou vázány uvnitř nukleonů.
• Fúzní energetika: Probíhá intenzivní výzkum s cílem postavit funkční fúzní reaktor, který by poskytoval čistou a bezpečnou energii. Projekty jako mezinárodní ITER nebo český tokamak COMPASS Upgrade jsou v popředí tohoto úsilí. V roce 2025 probíhají také experimenty s alternativními palivy, jako je thorium, například v čínském reaktoru TMSR-LF1.
• Aplikace v materiálovém výzkumu a medicíně: Výzkumné infrastruktury, jako je Laboratoř Tandetronu v Ústavu jaderné fyziky AV ČR, se v roce 2025 podílejí na vývoji nových materiálů pro fúzní reaktory nebo pro efektivnější baterie.

Zdroje

Wikipedia: Atomové jádro WikiSkripta: Atomové jádro Encyklopedie fyziky MEF: Objev atomového jádra Eduportál Techmania: Rutherfordův model atomu Publi.cz: Jaderná fyzika - Atomové jádro Ústav jaderné fyziky AV ČR: Novinky Seznam Zprávy: Čína experimentuje s thoriovými reaktory Epoch Times: Jaderná fúze – pokročilý výzkum probíhá i v Česku Wikipedia: Jaderná fúze Wikipedia: Radioaktivita