Deliteľnosť nedeliteľných

Foto Pixabay

Atómy sa skladajú z jadra a elektrónov, jadro sa skladá z protónov a neutrónov. Pod mikroskopom nie je vidieť ani len samotné atómy. Ako sa teda podarilo zistiť, z čoho a ako sa skladajú?

Nechýbalo veľa a ľudia by objavili štruktúru atómov skôr, ako bola definitívne potvrdená ich samotná existencia. Prelom 19. a 20. storočia bol obdobím rýchleho pokroku, a tak sa stalo, že atómové jadro bolo objavené v roku 1911, iba tri roky po Perrinovom experimente, ktorý potvrdil existenciu atómov. Ale pekne po poriadku.

Periodická tabuľka prvkov

Ernest Rutherford, ústredná postava skúmania zloženia atómov na začiatku 20. storočia, foto wikipédia

Podobne ako existencia atómov, aj ich vnútorné zloženie dáva o sebe vedieť nepriamo. Indíciou, že atómami sa štruktúra hmoty nekončí, sú atómové hmotnosti prvkov a Mendelejevova periodická tabuľka. Už v prvej polovici 19. storočia chemici vedeli, že hmotnosti chemických prvkov nie sú ľubovoľné, ale sú násobkom hmotnosti najľahšieho prvku – vodíka. Toto pravidlo má síce výnimky, ale aj tak je pravidelnosť v hmotnostiach, ktoré by mohli byť v princípe ľubovoľné, pozoruhodná. Aby toho nebolo málo, chemické vlastnosti sa medzi prvkami periodicky menia. Po mnohých pokusoch viacerých bádateľov ako prvý v roku 1869 úspešne zostavil tabuľku, ktorá tento fakt zohľadňuje, ruský chemik Dmitrij I. Mendelejev (1834 – 1907). V jeho tabuľke sú chemické prvky usporiadané do skupín podľa hmotnosti a vlastnosti prvkov sa s rastúcou atómovou hmotnosťou opakujú. To je bez hlbšej štruktúry vnútri atómov veľmi nepravdepodobné. Je to podobná situácia ako pri chemických reakciách. Aj tam striktné pravidlá viedli chemikov k predstave o akejsi neviditeľnej štruktúre v hmote. Podobne pravidlá periodickej tabuľky prvkov vedú k predstave o zatiaľ neobjavenej štruktúre vnútri atómov. Ako prvý si to krátko po svojom objave všimol aj samotný Mendelejev. Pri chýbajúcich experimentálnych dôkazoch však zostalo veľmi dlho iba pri hypotéze.

Zelené katódové žiarenie spôsobuje dopad elektrónov na steny sklenej nádoby. Ružová žiara je spôsobená ionizovaným plynom; katóda, z ktorej elektróny vylietajú, je v zadnej časti nádoby, foto wikipédia/Zátonyi Sándor.

Katódové žiarenie

Prvý raz ľudia skutočne narazili na časticu menšiu ako atóm ešte bez toho, aby si to uvedomili. V roku 1858 nemecký fyzik Julius Plücker (1801 – 1868) objavil jav, ktorý nazývame katódové žiarenie. Vzniká v sklenej nádobe s vytvoreným dostatočným vákuom, do ktorej vložíme elektródy pod napätím. Na stenách nádoby vznikne charakteristická žiara. Neskorším štúdiom vlastností tohto žiarenia sa zistilo, že vychádza z katódy a že dokáže preniknúť cez veľmi tenkú zlatú aj hliníkovú fóliu, pričom cez hrubšie telesá neprejde. Tiež sa zistilo, že sa žiarenie vychyľuje v elektrickom aj magnetickom poli a jeho vlastnosti nezávisia od materiálu elektród. Myšlienku, že by mohlo ísť o dosiaľ neznámu nabitú časticu, potvrdil v roku 1897 anglický fyzik J. J. Thompson (1856 – 1940). Dvomi rôznymi spôsobmi – zo zakrivenia dráhy lúčov v magnetickom poli a z ohrievania sklenej nádoby – sa mu podarilo dokázať, že častice tohto žiarenia majú záporný náboj a hmotnosť takmer 2 000-krát menšiu ako atóm vodíka. Objavil tak prvú subatomárnu časticu, ktorá neskôr dostala meno elektrón.

Rádioaktivita

Osvetlenie fotografickej dosky produktmi rádioaktívneho rozpadu uránových solí, foto wikipédia

O rok skôr, ako Thomson potvrdil existenciu objektov menších ako atóm, objavil francúzsky fyzik Henri Becquerel (1852 – 1908) prvý subatomárny proces. Jeho objav bol trochu náhodný. Ale tak ako pri všetkých náhodách vo vede šťastie praje pripraveným a Becquerelova genialita sa prejavila, keď si uvedomil dôležitosť toho, čo pozoroval. Aj iní ľudia súčasne, a dokonca aj pred Becquerelom, pozorovali podobné vlastnosti uránu, neuvedomili si však ich význam a ďalej ich neštudovali. H. Becquerel začiatkom roku 1896 skúmal vlastnosti žiarenia, ktoré rok predtým objavil nemecký fyzik Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923). Nemec používal fosforescenciu látok, najmä uránových solí. Keď mu neprialo počasie a niekoľko dní bolo zamračené, odložil fotografické dosky spolu s kúskami uránu do zásuvky. Tieto dosky neskôr vyvolal a aj tak sa na nich objavilo výrazné osvietenie. Neskôr zistil, že rovnako sa správajú soli uránu, ktoré vlastnosť fosforescencie nemajú a že nevyhnutne ide o žiarenie, ktoré vychádza priamo z atómov. Poľská fyzička a chemička Marie Curie-Skłodowska (1867 – 1934) a jej manžel, francúzsky fyzik Pierre Curie (1859 – 1906), neskôr objavili rádioaktivitu tória a aj dva úplne nové rádioaktívne prvky: polónium a rádium. Postupne sa zistilo, že v procese rádioaktivity vylietavajú z atómov tri rôzne druhy častíc, ktoré dostali meno alfa, beta a gama. V roku 1900 H. Becquerel zistil, že častice beta sú rovnaké ako častice katódového žiarenia, v roku 1909 novozélandský fyzik Ernest Rutherford (1871 – 1937) dokázal, že častice alfa sú jadrá hélia. Častice gama na svoju identifikáciu ako vysokoenergetické fotóny čakali do roku 1914. Prelomový objav urobili v roku 1903 E. Rutherford, ktorý väčšinu života pracoval v Británii, a britský chemik Frederick Soddy (1877 – 1956). Dokázali, že pri rádioaktivite dochádza k zmene chemických prvkov na iné, pričom pozorované žiarenie je výsledkom tejto premeny. Na začiatku 20. storočia teda bolo jasné, že hypotézu o nedeliteľnosti a stálosti atómov treba opustiť a že v atómoch sa toho môže veľa diať. Nasledovalo rušné obdobie skúmania týchto dejov.

Prelomový moment

Schematické znázornenie rozptylu častíc alfa v atóme, v ktorom sa kladný náboj nachádza rovnomerne v celom objeme (hore) a v ktorom je kladný náboj sústredený v strede (dole), ilustrácia autor.

Najúspešnejším bol opäť E. Rutherford. V roku 1909 začal spolu so svojimi spolupracovníkmi, už ako čerstvý laureát Nobelovej ceny za chémiu, študovať vlastnosti atómov bombardovaním veľmi tenučkej fólie zlata časticami alfa. Ak sa totiž chcel pozrieť dovnútra atómu, potreboval niečo dostatočne malé a rýchle namieriť na atóm a sledovať, čo sa stane. Na podobnom princípe fungujú časticové experimenty doteraz. E. Rutherford očakával, že ak je kladný náboj v atóme zlata rovnomerne rozdelený a tienený elektrónmi, častice alfa cez fóliu preletia takmer bez toho, aby sa ich dráha zmenila. Na veľké prekvapenie všetkých sa však našli častice, ktoré svoj smer výrazne zmenili, a niektoré sa dokonca odrazili úplne naspäť. To sa dalo vysvetliť iba jediným spôsobom. Kladný náboj, ktorý odpudzuje kladne nabité častice alfa, nie je v atóme rozdelený rovnomerne, ale je koncentrovaný v jeho strede. Na častice, ktoré letia blízko stredu atómu, pôsobí veľká odpudivá sila a ich dráha sa výrazne zmení. Toto miesto dostalo veľmi prirodzene názov jadro atómu a z výsledkov experimentov E. Rutherford vypočítal, že má veľkosť asi jednej stotisíciny veľkosti celého atómu. Bol to jeden z najprevratnejších objavov v dejinách vedy. Málokedy sa stane, že jediný experiment takto významne zmení naše chápanie prírody. Treba ešte povedať, že všetci vedci, ktorých sme doteraz spomínali, mali jedno spoločné – boli zástancami atómovej hypotézy a mnohé zo svojich úspešných objavov urobili vďaka správnemu predpokladu, že hmota sa skladá z maličkých častíc. Vedci, ktorí študovali tie isté javy, ale atómovej hypotéze neverili, boli odsúdení na neúspech.

Štruktúra jadra

Na rade bola otázka, z čoho presne sa jadrá skladajú. Oprášila sa stará hypotéza, založená na pravidle o násobkoch v atómových hmotnostiach, že ťažšie prvky sa skladajú z vodíka, no nie na úrovni atómov, ale na úrovni jadier. To potvrdil v roku 1917 opäť E. Rutherford, keď zistil, že pri bombardovaní časticami alfa môžu z niektorých látok, napríklad z dusíka vo vzduchu, vylietať vodíkové jadrá. A tak, po sto rokoch, dostalo jadro vodíka štatút elementárnej častice a meno protón. Čo však so spomínanými výnimkami? To vyriešil v roku 1913 F. Soddy objavením izotopov. Vďaka rôznemu pohybu týchto atómov v magnetickom poli sa ukázalo, že atómy majú rôznu hmotnosť, aj keď sú po chemickej stránke totožné. Najskôr išlo o produkty rozpadu uránu, neskôr o neón, chlór a ďalšie prvky. Neceločíselnú atómovú hmotnosť spôsobuje výskyt týchto prvkov vo forme zmesí izotopov. Zostával už len posledný problém. Celkový náboj jadra, a tým aj počet elektrónov v atóme, je daný poradovým číslom prvku, a nie jeho atómovou hmotnosťou. Napríklad uhlík je šiestym prvkom tabuľky, má preto šesť elektrónov, a to aj napriek tomu, že jeho hmotnosť je dvanásťnásobkom hmotnosti vodíka. Na základe rozptylových experimentov to predpokladal už E. Rutherford, neskôr to potvrdil v roku 1914 anglický fyzik Henry Moseley (1887 – 1915) spektroskopickými meraniami. To viedlo k nasledovnej predstave o jadre: okrem protónov sa v ňom nachádzajú aj nukleárne elektróny. Počet protónov je daný atómovou hmotnosťou prvku a nukleárne elektróny znižujú náboj jadra na potrebnú hodnotu. Presnejšie merania spektier atómov však neboli konzistentné s prítomnosťou elektrónov v jadre a rovnako to vylučovala aj vznikajúca kvantová mechanika.

Neutróny

Na rozlúštenie tejto hádanky chýbal ešte posledný kúsok do skladačky zloženia atómu – neutróny. K ich objavu tiež viedlo bombardovanie rôznych látok časticami alfa. Niektoré okrem zvyčajného žiarenia gama a protónov vyžarovali elektricky neutrálne žiarenie s prekvapivými vlastnosťami. Ako prvý to pozoroval v roku 1930 nemecký fyzik Walther Bothe (1891 – 1957), a to, že nejde o žiarenie gama, dokázal v roku 1932 britský fyzik James Chadwick (1891 – 1974). Veľmi presným meraním hmotnosti častíc tohto žiarenia v roku 1935 J. Chadwick dokázal, že nemôže ísť ani o viazaný stav dvojice protón-elektrón a že ide o dovtedy neznámu neutrálnu časticu, ktorá dostala meno neutrón. Tak vznikla moderná predstava o stavbe atómu. V jeho strede je veľmi malé jadro, v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Pre lepšiu predstavu: keby bol atóm veľký ako futbalový štadión, jadro by malo iba milimeter a bolo by ako zrnko piesku v strede ihriska. Zvyšný priestor atómu je vyplnený oblakom elektrónov, ktorých počet je rovnaký ako počet protónov v jadre. Všetky atómy daného prvku majú rovnaký počet protónov, ale počet neutrónov môže byť rôzny.

Kvantová mechanika

V súčasnosti už vieme, že ani protónmi a neutrónmi sa štruktúra hmoty nekončí, pretože tie sa skladajú ešte z kvarkov. Kvarky vedia vytvárať aj veľké množstvo ďalších častíc. Časticový svet je veľmi skrytý, na objavenie a skúmanie tohto sveta vedci postavili veľmi komplikované zariadenia – urýchľovače častíc. Aj tak ešte časticovému svetu úplne dokonale nerozumieme. Vieme však, že fyzikálne zákony sveta atómov, molekúl a elementárnych častíc sú značne odlišné od zákonov makroskopického sveta, v ktorom žijeme. Zákonom sveta atómov sa hovorí kvantová mechanika. O nej však niekedy nabudúce.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 02/2019. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky
FMFI UK v Bratislave
Foto Pixabay, Fotky&Foto/sdecoret

Komentáre