INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ CZ.1.07/1.1.00/08.0010 ATOM Mgr. DAGMAR AUTERSKÁ, Ph.D. TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
1 Atom V SRDCI HMOTY: ATOMY CHEMICKÉ PRVKY A IZOTOPY ČTYŘI ZÁKLADNÍ INTEREAKCE NUKLEÁRNÍ FYZIKA Od velkého k malému nekonečnu 1
Str. 2 Obsah V srdci hmoty:atomy 4 Složení atomů 5 Velikost atomu a jeho jádra 5 Hmota atomu 6 Elektrický náboj atomu 6 Chemické prvky a izotopy 8 Chemické prvky 9 Izotopy 9 Každý atom se skládá z jádra obklope- Mendělejevova tabulka 11 ného elektrony Čtyři základní interakce 12 Silná 13 Elektromagnetická 13 Slabá 14 Gravitace 14 Nukleární fyzika 15 Stručný popis jádra 16 Mikrochirurgie jádra 16 Nukleární horko (žár) 19 Str. 3 Úvod Elektrostatický výboj Fotografie : zleva doprava- Joseph Thompson, Ernest Rutherford a James Chadwick ÚVOD Za objevení atomu vděčíme takovým filozofům jako jsou Leucippus nebo Demokritos, kteří při hledání odpovědi na otázky týkající se počátku a konce vesmíru, jedinečnosti a rozdílnosti materielních forem života, našli společný jmenovatel, kterým je pro všechny bytosti i pro celý Vesmír atom. Během let a století přispěla tato touha porozumět vzniku světa k tomu, že fyzikové začali považovat atom za fyzický předmět. Tato malá jednotka hmoty umožnila udělat velký krok vpřed k pochopení našeho Vesmíru, je stále předmětem mnohých bádání a zatím ještě neřekla své poslední slovo. 2
Exkurz do historie Už v pátém století před naším letopočtem, Leuccipus a posléze Demokritos nazvou tuto malou jednotku hmoty, nekonečnou, nelimitovanou a neustále se rychle pohybující slovem atom (z řeckého atomos, nelze jej rozdělit). Bude zapotřebí 2 500 let, než dojde k prohloubení těchto znalosti. V roce 1897 Joseph John Thompson objevuje jednu ze složek atomu, elektron. V roce 1904 si představuje atomy jako koule naplněné elektropozitivní substancí a mající uvnitř negativně nabité elektrony. V roce 1911 si anglický vědec Ernest Rutherford všimne, že částice, kterými bombarduje hmotu, jí procházejí, jako kdyby to bylo vzduchoprázdno, s výjimkou velmi malého počtu těch, které se odchylují nebo i odrazí jako kulky ze zbraně vystřelené proti široké a vysoké zdi. Dospěl k vysvětlení, že hmota atomu je soustředěna převážně v jádře a to je stotisíckrát menší než atom. Poté je objeveno, že četné malé částice, protony, nesou kladný elektrický náboj jádra. A v roce 1932 objevuje James Chadwick neutron, neutrální částici jádra. Když je neutron samotný, rozkládá se na protony a elektrony, a když se nachází uvnitř atomového jádra, je stabilní. V roce 1969 bombardují fyzici jádra paprskem elektronů, které jsou dostatečně zrychlené, aby pronikly do srdce jaderných částic. A Rutherfordův příběh se opakuje, tentokrát přímo uvnitř jaderných částic, kde se některé elektrony odrážejí zdánlivě podivným způsobem. Může se to vysvětlit pouze tím, že existují ještě menší částice. A tak byly objeveny kvarky. V každé jaderné částici jsou tři. Posledním objevem je tedy kvark. Možná se jednoho dne objeví uvnitř kvarku ještě menší částice. K tomu bude zapotřebí mít ještě výkonnější urychlovače částic. Čím menší částice chceme vidět, tím větší mikroskopy k tomu potřebujeme. 3
Str. 4 ATOM SE SKLÁDÁ Z JÁDRA OSAHUJÍCÍHO PROTONY A NEUTRONY A OBALU, KTERÝ TVOŘÍ ELEKTRONY. V srdci hmoty atomy 4
Str.5 Složení atomů Planety, vzduch, voda, kameny, živí tvorové všechna tato tělesa se skládají z atomů nebo ze spojení atomů (molekul ). Na rozdíl od svého etymologického významu je atom dělitelný. Jak je vystavěn? Atom se skládá: Z atomového jádra, které je tvořeno protony a neutrony. Protony a neutrony představují jaderné částice (z řeckého slova nukleus znamenajícího jádro). Z elektronového obalu, ve kterém elektrony rotují neuvěřitelnou rychlostí kolem jádra. Je nemožné si představit jejich dráhu pohybu; pouze matematické vzorce nám umožní předvídat v obalu, který obklopuje jádro atomu, zóny, kde máme větší či menší šanci elektrony potkat. Existuje hodně různých atomů, ale všechny se skládají ze stejných částic, to je z protonů, neutronů a elektronů Velikost atomu a jeho jádra Průměr elektronového kulovitého obalu je řádově 10-10 metru. Je to skutečně miniaturní rozměr. Abychom se dostali na jeden centimetr bylo by zapotřebí spojit sto milionů atomů. Jádro je ještě mnohem menší. Představuje kouli o středním průměru 10-15 metru, což je téměř sto tisíckrát menší velikost než má celý atom s elektronovým obalem. Zobrazení obalu elektronů atomu lithia. Atom lithia má 3 protony, 4 neutrony a tři elektrony. Nemůžeme určit přesnou pozici elektronů v obalu atomu. Na tomto zobrazení se elektrony nacházejí nejpravděpodobněji v nejtemnějších zónách. Tento obrázek vznikl na základě matematického vzorce. Str. 6 Prostor mezi jádrem a obalem elektronů je prázdný 5
Hmota atomu Hmota není v atomu rozložena homogenním způsobem. Protony a neutrony mají přibližně stejnou hmotu a jsou přibližně dvou tisíckrát těžší než elektron, takže v jádru je soustředěna téměř celá hmota atomu. Látka, která tvoří jádro, je milion miliardkrát hustší než obyčejná látka. Kdyby se všechna jádra Země spojila, naše planeta by měla v průměru sotva víc než sto metrů a zrnko písku by vážilo více než jednu tunu. Pro lepší představu o velikosti hmoty jádra postačí, když se dozvíme, jaký je počet jaderných částic (nazývaný rovněž hmotné číslo). Když víme, že hmota jaderné částice přibližně 1, 67. 10-27 kg, bude už snadné si vypočítat přibližnou hmotu atomu. Přesto je výsledek výpočtu pouze přibližným odhadem. (viz brožura: Fusion a Fission) Elektrický náboj atomu Ze třech prvků, které tvoří atom, jediný neutron nemá elektrický náboj, je neutrální a odtud pochází i jeho název. Proton má kladný náboj a elektron záporný. Atom v normálním stavu obsahuje stejný počet protonů jako elektronů. Je tudíž elektricky negativní. Přesto při určitých podmínkách (chemické reakce), může atom ztratit čí získat jeden či více elektronů a stát se tak kladně nebo záporně nabitým. V tom případě se nazývá iont. V přírodě jsou všechna tělesa (látky) složena z atomů a jejich spojení (molekul) 6
Str. 8 V ZÁVISLOSTI NA POČTU PRVKŮ, KTERÉ JE TVOŘÍ, SE ATOMY ŘADÍ DO RŮZNÝCH KATEGORIÍ. Chemické prvky a izotopy 7
Str. 9 Chemické prvky Chemický prvek je souborem atomů, které mají stejný počet protonů. Je označován symbolem skládajícím se z jednoho nebo ze dvou písmen. (např. 1 H je vodík mající pouze jeden proton, 26 Fe je železo, které má 26 protonů). Atomy, které se momentálně přirozeně vyskytují na Zemi, patří k 90 chemickým prvkům obsahujícím jeden až k 92 protonů. Chemické prvky technecium (Tc) se 43 protony a promethium (Pm) se 61 protony neexistují v přírodním stavu. Mohou být vyrobeny uměle stejně jako ostatní chemické prvky mající více jak 92 protonů jako například plutonium (Pu) s 94 protony. Izotopy V jádrech se kromě protonů nacházejí i neutrony. Atomy chemického prvku, které mají různý počet neutronů, se nazývají izotopy tohoto prvku. Například: Všechny izotopy vodíku mají jeden proton a žádný, jeden nebo dva neutrony. Jsou to lehký vodík (nazývaný často pouze vodík, neboť je nejrozšířenější), (pokračování na straně 10) 8
Str. 10 Izotopy jsou v podstatě atomy - bratři, které mají stejné chemické vlastnosti, ale rozdílný počet neutronů. Izotopy Vodík 1 H Deuterium 2 H nebo D Tritium 3 H nebo T 1 elektron 1 elektron 1 elektron Jádro : 1 proton Jádro : 1 proton, 1 neutron Jádro : 1 proton, 2 neutrony těžké vodíky neboli deuterium a tritium (viz schéma nahoře) Všechny izotopy uhlíku mají 6 protonů. Nejvíce je těch, kteří mají 6, 7, 8 neutronů. Atom je nazván podle svého chemického názvu a za ním se udává počet jeho jaderných částí : uhlík 12, uhlík 13, uhlík 14. Chemické vlastnosti atomu závisejí pouze na počtu a rozmístění elektronů v obalu, všechny izotopy jednoho prvku mají stejné chemické vlastnosti. Nicméně malý rozdíl v hmotě jejich jádra způsobí, že se jejich fyzikální vlastnosti trochu liší. Pojmenování atomů (text v modrém rámečku) Každý atom je charakterizován počtem protonů (který je shodný s počtem elektronů) a počtem neutronů. Jeho jméno tvoří chemická značka (symbol), za níž se udává absolutní počet jeho jaderných částic (hmotové číslo). Například kyslík 16, železo 59. 9
Chemický název umožní poznat počet jeho protonů. A z počtu jeho jaderných částic po odečtení počtu protonů vypočteme počet jeho elektronů. Str. 11 Mendělejevova tabulka Vysvětlivky (legenda): Atomové číslo 1 Symbole (značka) H Atomová hmota 1, 00794 10
Str 12 V PŘÍRODĚ KAŽDÝ PŘEDMĚT PŮSOBÍ NA JINÝ (REAGUJE S JINÝM), MLUVÍME O TAKZVANÉ INTERAKCI. Čtyři základní interakce 11
Str. 13 Busola za bouřky přestává ukazovat. Je to jeden z projevů magnetické síly, která je výsledkem pohybu elektrických nábojů. V přírodě podléhají předměty různým silám, které působí na dálku. Například, dvě tělesa se přitahují, dva elektrické náboje se přitahují nebo odpuzují podle znaménka. Předměty působí jeden na druhý a dochází tak k interakci. Podle povahy předmětů rozlišujeme čtyři základní interakce: silnou, elektromagnetickou, slabou interakci a gravitaci. Silná interakce Silná interakce neboli silná nukleární síla drží pohromadě nukleony (jaderné částice) v jádře. Působí pouze na velmi krátké vzdálenosti, na několik průměrů jádra. Při stejné vzdálenosti je stokrát až tisíckrát intenzivnější než elektromagnetická interakce. Elektromagnetická interakce Elektromagnetická interakce má dvojí podobu, elektrickou a magnetickou sílu. První se podílí na elektrických fenoménech jako je blesk, vlasy vstávající na hlavě při přítomnosti elektřiny ve vzduchu a druhá ovládá magnetické jevy jako je buzola, elektromagnety a pod. Magnetickou sílu vyvolává pohyb elektrických částic, rovněž tak správná funkce buzoly je narušena bleskem vzniklým v bouřce. Při této interakci se odpuzují dva elektrické náboje stejného znaménka (např. dva protony) a přitahují dva náboje s opačným znaménkem. (elektron a jádro). Je nekonečná, ale ubývá se čtvercem vzdálenosti. Podílí se na chemických vlastnostech prvku. Obrázek Elektrická síla má pod dohledem jevy jako je blesk a je spojená s elektromagnetickými interakcemi. 12
Str. 14 Gravitace se mění se vzdáleností: Když padáme z výšky, ublížíme si! Slabá interakce Slabá interakce neboli slabá jaderná síla je zodpovědná za některé projevy radioaktivity. (například radioaktivity beta). Její dosah je extrémně slabý, řádově několik setin nukleonu, ale účastní se termonukleární reakce, které umožňují Slunci a hvězdám produkovat energii. Je přibližně sto tisíckrát slabší než silná jaderná síla. Text k fotografii : Gravitace, která při srovnání s jinými druhy síly patří spíše k těm slabým, je paradoxně tou, kterou cítíme nejvíce. Gravitace Gravitace je zodpovědná za přitažlivost těles o velké hmotnosti, vysvětluje gravitační sílu a pohyb vesmírných těles. Mění se v závislosti na vzdálenosti podle stejného zákona jako elektromagnetická síla. Je zdaleka nejslabší ze všech čtyř : 10-40 krát slabší než elektromagnetická síla. Přesto ji při pádu cítíme ze všech sil nejvíce! Neboť hmota, která nás přitahuje, je obrovská a je to hmota Země. Ale jestliže si zlomíme někdy nohu, nezlomíme si nikdy atom a už vůbec ne jádro 13
Str. 15 STUDOVAT ATOMOVÉ JÁDRO A JEHO SOUČÁSTI, TO JE PRÁVĚ TO, ČÍM SE ZABÝVÁ NUKLEÁRNÍ FYZIKA. Nukleární fyzika 14
Str. 16 V srdci atomu se pohybují protony a neutrony rychlostí větší než 30 000 km/s. Přesto se díky nukleární síle nerozptýlí. Stručný popis jádra Atom je vlastně takový miniaturní sluneční systém : mini-planety, elektrony, obíhají kolem mini-slunce, jádra. Nukleární fyzika se zabývá studiem atomového jádra a obrovské síly silné jaderné interakce která drží pohromadě jeho jednotlivé jaderné části, nukleony (protony a neutrony). Jádro má velkou hustotu, je komplexní a malé. Je jako ruská matrjoška, která se skládá z čím dál menších panenek poskládaných jedna do druhé: jádro obsahuje nukleony a každý nukleon má tři kvarky. Existují dva druhy nukleonů: kladně nabité protony a neutrální neutrony. V tomto miniaturním prostoru se odpuzují nejenom protony, které jsou nositeli elektrického náboje stejného znamínka, ale protony a neutrony roztáčejí závratný balet rychlostí větší než 30 000 km/s (více než desetina rychlosti světla, což znamená cestu kolem zeměkoule za 1, 34 sekundy)! Přesto se jádro nerozpadne na svazek nukleonů a zachová si svoji soudržnost. Tato kolosální síla vyvolává přitažlivost mezi nukleony o hodně vyšší než je elektrická síla, která protony odděluje. Tato nukleární síla neboli silná interakce, která drží jádro pohromadě je nejsilnější ze všech čtyř základních interakcí či sil v přírodě. Obrázek : Urychlovač částic CERN ve Švýcarsku. Mikrochirurgie jádra. Jedná se o studium jádra jakožto sbírky nukleonů, které jsou v neustálém pohybu, přitahují se, rovněž tak se studují vnitřní mechanismy jejich přitažlivosti a vlivu kvarků na jejich vlastnosti a chování. Proto se k jejich prozkoumávání používá skutečný mikroskalpel uzpůsobený jejich rozměrům. Používá se svazek urychlených částic (viz rámeček na straně 18), který umožní zjistit, jaké jsou rozměry částic odchýlených nebo absorbovaných. Umožní rovněž uvidět, jak reagují (pokračování na stránce 19) 15
Str. 17 16
Charakteristiky elementárních částic Atom jádro (proton (3 kvarky)/ neutron) elektron Leptony se mohou volně pohybovat Kvarky jsou uvězněny ve větších částicích a nelze je pozorovat individuelně Záhlaví tabulky dle orig. První rodina Druhá rodina Třetí rodina Elektron Zodpovědný za elektřinu a chemické reakce. Jeho náboj je -1 Mion Jeden z masivnějších společníků elektronu Tautonické Ještě těžší společník Neutrino elektron bez elektrického náboje velice zřídka je v interakci s okolním prostředím Mionické neutrino stejné vlastnosti jako má neutrino elektron Tautonické neutrino stejné vlastnosti jako má neutrino elektron Bas d jeho elektrický náboj je -1/3. proton obsahuje jeden bas, neutron dva. Étrange (podivný) Společník než bas s těžší Beauté b (krása) Ještě těžší Haut u Jeho elektrický náboj je +2/3. proton obsahuje dva, neutron jeden. Charme c Společník těžší než haut Top t Částice vektory Základní částice, které zajišťují předávání 4 silových interakcí Foton Elementární částice světla, nositel elektromagnetické síly Gluon Elementární částice zprostředkující silné síly působící mezi kvarky W+, W- ZO Nosiči slabé síly zodpovědní za některé formy radioaktivního rozpadu Graviton hypotetická částice, která by měla zprostředkovávat gravitační sílu mezi tělesy. Higgsovy bosony? Zodpovědné za rozpad elektricky slabé symetrie Str. 18 17
Str. 18 Jak vidět jádra a částice? Ve skutečnosti jádra nelze vidět. Můžeme určit pouze jejich velikost a tvar, když je ostřelujeme proudem urychlených částic. Poté sledujeme, jak se tyto částice rozptylují nebo jsou absorbovány a jak reaguje jádro. Tento proces se příliš neliší od vidění. Předměty odrážejí k našemu oku světlo, které je osvětluje a zároveň z něj absorbují určitou část. Vidíme rovněž jejich velikost, barvu atd. Takže světlo je současně sbírkou zářících částic - fotonů, a zároveň vibrací - vln stejných jako na moři. Čím rychleji tato vlna vibruje, a čím sevřenější jsou její vibrace, tím více energie přenáší (transportuje). Vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími vrcholy se nazývá vlnovou délkou. Čím je délka vlny menší, tím má více energie. A tím je možné vidět hlouběji do hmoty. Pro viditelné světlo se udává vlnová délka od 0,4 do 0,8 mikrometru (milióntina metru). Je to přibližně velikost mikrobu. A takový objekt lze pozorovat optickým mikroskopem. Pro menší částice ale už optický mikroskop nestačí. Abychom uviděli atomy, je třeba mít elektronový mikroskop, ve kterém svazek urychlených elektronů hraje úlohu světla, neboť se chová jako vlna. Ale vlna, jejíž délka je řádově zlomkem nanometru (miliardtiny metru). Je to přibližně průměr atomu (deset tisíckrát menší než průměr mikrobu), který můžeme vidět elektronovým mikroskopem, jehož elektronická vlna má deset tisíckrát více energie než viditelné světlo. Abychom uviděli jádro, je třeba dosáhnout minimálně faktoru 100 000 v přesnosti pozorování a to znamená využít svazek nejméně sto tisíckrát energetičtější než je svazek nejsilnějšího elektronového mikroskopu. To je možné díky urychlovačům částic. CERN v Ženevě, ve spolupráci s CEA dostane brzy 1 Large Hadron Collider LHC (velký hadronový urychlovač). Tento urychlovač částic, největší na světě, bude vybaven 400 magnety se čtyřmi póly (supravodivé, 8 tesla překl.), které budou fokalizovat (soustředí) svazky protonů, aby vyvolaly kolizi, energie srážky bude 14 TeV (což je 14 000 miliard elektronvoltů). Jedním z cílů je odkrýt Higgsovy částice. Text k obrázku-přemístit Nahoře vlevo: magnet se 4 póly pro Velký hadronový urychlovač LHC Nahoře vpravo: analytický mikroskop SIMS umožňující lokalizovat radionuklidy vyzařující slabé záření. Funguje na principu mikroskopu s elektronovým (elektronickým) prozkoumáváním a nahrazuje svazky primárních elektronů svazkem iontů umožňujícím elementární analýzu pevných ploch (povrchů). 1 Začal pracovat 10.9. 2008, poznámka překladatele. 18
Str.19 Aby mohli studovat atomy uskutečňují někteří cestu proti proudu času a vytvářejí tak extrémní podmínky podobné těm, které existovaly při vzniku Vesmíru. jádra: vystřelení nukleonů, tvorba dalších částic atd. Podaří se nám uskutečnit výjimečné pozorování: uvidět rozdíl mezi velikostí izolovaného protonu a velikostí protonu ponořeného do svého jádra a nebo dokonce změřit vliv rotace kvarků na rotaci nukleonů, jejichž jsou součástí. To znamená determinovat, jak tři malé káči, nepřetržitě se točící v gluonovém plazmatu, uzavřené v káče tisíckrát větší (a přesto tak miniaturní) mohou částečně vyvolat její rotaci. Nukleární pec (výheň) Je to globální analýza jádra jako vzorku nukleární látky s vysokou hustotou, jejíž vlastnosti dostatečně neznáme. Abychom se o tom dozvěděli více, zkoumáme ji v extrémních podmínkách shodnými s těmi, za kterých vznikal Vesmír. Je to skutečná cesta zpátky v čase. Metoda spočívá v tom, že se srazí shluky jader, které zrychlíme až na rychlost blízkou rychlosti světla. Nárazy jsou neskutečně prudké. Nukleární hmota se nachází ve stavu extrémní teploty, tlaku, deformace a nestability. Jádra jedno v druhém roztávají, tvoří nová jádra, z nichž většina na Zemi neexistuje, praskají a od určité teploty vybuchují a při vypařování se mění doslova na svazek nukleónů. Je to fantastický dar z nebes pro fyziky, protože tato teplota není jiná než ta, při které se jádra mohla tvořit během ochlazování prvotní hmoty vzešlé z Velkého Třesku. Mohou ji tak změřit o 15 miliard roků později. Ještě dále se zařízením Spiral. (Text v modrém rámečku) Spiral je zařízení, které pracuje v Caen, ve Velkém národním akcelerátoru těžkých iontů. (Ganil Grand accélérateur national d ions lourds) a které umožňuje vyrábět a zrychlovat lehká a středně těžká jádra, přezdívaná exotická jádra, která neexistují na Zemi. Jejich výzkum je důležitý pro četné oblasti nukleární fyziky, ale také pro astrofyziku, zvláště pro porozumění vzniku jader atomů na hvězdách a supernovách. Jestliže už fyzikové umějí syntetizovat exotická jádra v laboratoři, instalace Spiralu jim umožní jak jejich výrobu ve velkém množství, tak jejich urychlování a pozorování při kolizích s druhými jádry a rovněž tak umožní poznání jejich struktury. Při srovnání s jinými existujícími zařízeními Spiral umožňuje kromě jiného rozšířit významným způsobem škálu vyrobených exotických prvků a oblast dostupné energie. V září 2001, Spiral vyrobil svůj první svazek exotického jádra: Neón 18. Díky pozorování kolize tohoto svazku s cílovým stabilním vodíkem, Spiral umožnil odhalit strukturu sodíku 19, jádra na zemi neznámého, a tím pochopit některé termonukleární reakce, při kterých vznikají prvky ve vesmíru. 19