Rádioaktivita

Rádioaktivita je prirodzenou súčasťou nášho životného prostredia. Keďže ju nemožno vnímať ľudskými zmyslami, trvalo takmer pol storočia, kým sa podarilo zaznamenať a preskúmať jej účinky. Objav rádioaktivity zároveň otvoril cestu k pochopeniu stavby atómu a neskôr aj k využitiu jadrovej energie.

Už starovekí Gréci hľadali odpoveď na otázku, z čoho sa skladá svet okolo nás. Na základe filozofických úvah dospel Leukippos (približne 500 – 440 pred n. l.) k záveru, že hmotu nemožno deliť donekonečna. Jeho nasledovník Demokritos (približne 460 – 370 pred n. l.) túto myšlienku rozvinul a vyslovil predstavu existencie atómov – malých, nedeliteľných a nezničiteľných častíc, z ktorých je tvorený celý vesmír.

O skutočnej stavbe atómu sa však až do konca 19. storočia vedelo len veľmi málo. Zásadný prelom nastal v roku 1895, keď Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923) pri experimentoch s výbojovou trubicou objavil dovtedy neznáme žiarenie schopné prenikať pevnými látkami. Nazval ho X žiarenie a snímka ruky jeho manželky obletela celý svet. O rok neskôr sa výskumu luminiscencie venoval Henri Becquerel (1852 – 1908).

 

Becquerel vystavoval rôzne minerály slnečnému žiareniu a následne ich ukladal na fotografickú platňu. Raz však náhodou položil na platňu neosvetlenú uránovú soľ a zistil, že platňa sa v mieste uloženia minerálu sama exponovala. Usúdil, že ide o dovtedy neznámu vlastnosť hmoty samovoľne vyžarovať žiarenie bez pôsobenia vonkajšieho zdroja energie. Túto vlastnosť pomenovala Marie Curie-Skłodowska (1867 – 1934) ako rádioaktivitu.

 

Ďalší významný krok v poznávaní stavby atómu urobil J. J. Thomson (1856 – 1940), ktorý pri výskume katódového žiarenia objavil záporne nabité častice – elektróny. Predpokladal, že ide o súčasť atómu, a aby vysvetlil jeho celkovú elektrickú neutralitu, vytvoril v roku 1898 hypotézu, podľa ktorej sú elektróny rozptýlené v kladne nabitej hmote podobne ako hrozienka v pudingu.

Vedeli ste, že...?

Thomson pôvodne zamýšľal nazvať elektrón korpuskula (corpuscle). Ostatní vedci však uprednostnili názov elektrón, ktorý už skôr navrhol George Johnstone Stoney.

 

Toto záhadné žiarenie následne podrobne skúmal Ernest Rutherford (1871 – 1937). Najprv ho podľa prenikavosti rozdelil na dve skupiny, ktoré označil ako žiarenie alfa a žiarenie beta. V roku 1900 objavil francúzsky fyzik Paul Villard (1860 – 1934) pri skúmaní rádia nový, veľmi prenikavý druh žiarenia. Ernest Rutherford ho v roku 1903 pomenoval ako žiarenie gama, hoci jeho podstatu vtedy ešte nepoznal. Rutherford neskôr dokázal, že alfa žiarenie tvorí prúd jadier hélia, zatiaľ čo beta žiarenie pozostáva z elektrónov.

V roku 1909 uskutočnil Rutherford experiment, ktorý zásadne zmenil predstavu o stavbe atómu. Jeho študenti bombardovali tenkú zlatú fóliu alfa časticami a zistili, že niektoré z nich sa odrážajú pod prekvapivo veľkými uhlami. O rok neskôr Rutherford vysvetlil tento jav tým, že takmer celá hmotnosť atómu je sústredená vo veľmi malom jadre, okolo ktorého obiehajú elektróny. Ak alfa častica narazí priamo do jadra, odrazí sa späť. V opačnom prípade prejde atómom prakticky bez odchýlky.

 

Rutherfordov planetárny model však nedokázal vysvetliť, prečo elektróny pri obehu okolo jadra nestrácajú energiu a nespadnú do jadra. Podľa klasickej fyziky by totiž mali neustále vyžarovať energiu. V roku 1913 ponúkol vysvetlenie Niels Bohr (1885 – 1962), ktorý využil princípy kvantovej fyziky. Podľa jeho modelu sa elektróny pohybujú len po určitých dovolených orbitách bez straty energie. Energia sa vyžiari alebo pohltí iba pri prechode elektrónu medzi jednotlivými orbitami. Bohrov model bol neskôr spresnený, no na základné pochopenie stavby atómu je dodnes veľmi užitočný. Ďalšími základnými časticami atómu sú protón, objavený Rutherfordom v roku 1919, a neutrón, ktorý objavil James Chadwick v roku 1932.

 

Vedeli ste, že...?

Priemer atómového jadra je približne 10^-15 m, zatiaľ čo priemer atómu je približne 10^-10 m. Atómové jadro je teda približne desaťtisíckrát menšie ako celý atóm.

 

Modely atómu

Daltonov model atómu (1803)

Thomsonov pudingový model (1904)

Rutherfordov planetárny model (1911)

Bohrov orbitálny model (1913)

Schrödingerov kvantovo-mechanický model (1926)

 

Atómové jadro sa skladá z protónov a neutrónov. Počet protónov jednoznačne určuje chemický prvok – napríklad kyslík má v jadre 8 protónov (tzv. protónové číslo), zatiaľ čo urán ich má 92. Keďže hmotnosti protónu a neutrónu sú takmer rovnaké, súčet ich počtu v jadre sa nazýva nukleónové číslo a približne určuje hmotnosť atómu. Atómy s rovnakým počtom protónov, ale odlišným počtom neutrónov patria tomu istému chemickému prvku a nazývajú sa izotopy. Napríklad kyslík má tri stabilné izotopy, z ktorých najrozšírenejší je ¹⁶O. Izotopy majú rovnaké chemické vlastnosti, ale odlišné fyzikálne vlastnosti.

Vedeli ste, že...?

Hmotnosť atómového jadra je približne 10^-27 kg. Približne 95 % všetkých známych atómových jadier je nestabilných, a preto sú rádioaktívne.

 

Niektoré kombinácie protónov a neutrónov sú nestabilné. Jadro sa preto samovoľne premieňa na stabilnejší stav vyžiarením častíc alebo elektromagnetického žiarenia. Tento proces sa nazýva rádioaktívny rozpad alebo transmutácia. Pri emisii alfa alebo beta žiarenia sa mení počet protónov v jadre, a tým vzniká nový chemický prvok. Pri gama premene sa vyžiari iba fotón gama žiarenia, pričom sa nemení zloženie jadra – uvoľňuje sa iba jeho prebytočná energia.