14.1.1 Objav a zloženie jadra

Na začiatku 20 st. vznikali prvé predstavy o zložení atómu. Keďže atóm sa prejavoval ako elektricky neutrálny, prvá hypotéza zloženia atómu vychádzala z rovnováhy kladného a záporného náboja, rovnomerne rozloženého v atóme (Thomsonov pudingový model). Táto hypotéza bola však čoskoro prekonaná na základe experimentov. V r. 1911 navrhol Ernest Rutherford model atómu, pozostávajúci z jadra atómu, obsahujúceho kladný náboj a takmer celú hmotnosť atómu a z tzv. elektrónového obalu atómu. Existencia jadra atómu bola experimentálne dokázaná spolupracovníkmi Rutherforda – Hansom Geigerom a Ernestom Marsdenom. Ide o historicky známy pokus s ostreľovaním zlatej tenkej fólie produktami samovoľnej premeny radónu. Pozorovalo sa, že tieto ostreľujúce častice – (dnes nazývané a-častice, ktoré sú vlastne jadrá héliových atómov nesúce kladný náboj +2e) sa rozptyľujú od fólie o rôzne uhly, dokonca aj o uhol 180°. Na odchýlenie takejto častice do spätného smeru je potrebná veľká sila medzi a-časticou a kladným nábojom atómu Au sústredeným v „hmotnom bodovom“ jadre.

K ďalšej predstave o „zložení“ jadra prispeli objavy protónu (v r. 1919 – prvá jadrová reakcia uskutočnená Rutherfordom) odkaz 1, a neutrónu (v r. 1932 Chadwickom). Podľa tejto protónovo-neutrónovej hypotézy sa jadro skladá z protónov a neutrónov. Protón je kladne nabitá častica, veľkosť jej náboja je e = 1,602×10^-19 C, pokojová hmotnosť protónu je m_p = 1,67262158×10^-27 kg (ide o jadro atómu vodíka). Celkový počet protónov v jadre sa nazýva protónové (tiež atómové) číslo Z, ktoré v neutrálnom atóme súčasne udáva aj počet elektrónov v elektrónovom obale atómu a určuje aj poradie prvku v Mendelejevovej periodickej tabuľke. Pomocou atómového čísla môžeme vyjadriť aj celkový elektrický náboj jadra Q = Z e. Neutrón je elektricky neutrálna častica s približne rovnakou hmotnosťou ako protón m_n = 1,67492716×10^-27 kg. Celkový počet neutrónov v jadre udáva neutrónové číslo N. Neutróny a protóny nazývame spoločným názvom nukleóny. Hmotnostné (tiež nukleónové) číslo A vyjadruje celkový počet nukleónov v jadre, platí: A = Z + N. Symbolicky môžeme potom každé jadro - nuklid X - zapísať v tvare:

Nuklidy s rovnakým atómovým číslom Z, ale rôznym hmotnostným číslom A, sa líšia počtom neutrónov a nazývajú sa izotopy. Nuklidy s rovnakým A a rôznym Z sú izobary a nuklidy s rovnakým počtom neutrónov N a rôznym počtom protónov Z sú izotony.

Rutherfordovu jadrovú reakciu (ostreľovanie jadier dusíka a-časticami, vznik jadier kyslíka a vodíka), pri ktorej došlo k objavu protónu môžeme potom zapísať v tvare:

(14 .1.1.1)

Chadwickov objav neutrónu v symbolickom zápise odkaz 2, je:

(14 .1.1.2)

V periodickej tabuľke prvkov sú izotopy toho istého prvku umiestnené na rovnakom mieste, danom atómovým číslom Z a majú rovnaké chemické vlastnosti. Jadrové vlastnosti rôznych izotopov toho istého prvku sú ale veľmi rozdielne. Niektoré izotopy sú stabilné, iné sú nestabilné, tzv. rádioaktívne, ktoré sa časom menia. Pri takejto premene je emitovaná nejaká častica a pôvodný rádionuklid sa mení na iný nuklid. Nuklidy môžeme klasifikovať pomocou nuklidového diagramu (Segrého diagram), tj. závislosti Z(N), kde sa dajú vyznačiť stabilné nuklidy a rádionuklidy. Ľahké stabilné nuklidy sa nachádzajú blízko priamky Z = N, s rastúcou hmotnosťou nuklidov vzrastá nadbytok neutrónov. Pre Z > 83 už neexistujú stabilné nuklidy.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Príklad 14.1.1.1 Časticami a ostreľujeme jadrá atómu medi. Vypočítajte najmenšiu vzdialenosť (vzhľadom k stredu jadra), do ktorej sa dostane a - častica s energiou 5,3 MeV pri takejto čelnej zrážke.

Riešenie: Riešenie vychádza zo zákona zachovania energie. Na začiatku ostreľovania je celková energia rovná kinetickej energii a - častice E_k,0 = 5,3 MeV, E_p,0 = 0. Pri približovaní sa k jadru medi postupne klesá kinetická energia a - častice a mení sa na elektrickú potenciálnu energiu a - častice v elektrickom poli jadra Cu. V mieste x, kde sa a - častica zastaví (E_k(x) = 0) bude platiť:

E_k,0 + E_p,0 = E_k(x) + E_p(x) ,

kde Q₁ = 2e je náboj a - častice, Q₂ = Z e = 29 e je náboj jadra atómu medi.

Odtiaľ vyjadríme hľadanú vzdialenosť x: