Prečo sú atómové jadrá (ne)stabilné

Atómové jadrá sa skladajú z protónov a neutrónov. Protóny majú kladný náboj, neutróny sú bez elektrického náboja. Drží ich spolu tzv. silná jadrová sila (ktorá dokáže prekonať odpudzovanie protónov). 

Spôsob, akým to funguje, je v niečom analogický tomu, ako sú viazané elektróny atómov alebo molekúl. Preto sa dá použiť podobný popis, o ktorom si tu povieme. 

Rozdielom je sila, ktorá je za viazanie zodpovedná, kým u elektrónov je to elektrostatická sila, u jadier je to spomínaná silná jadrová sila (pre ktorú jednoduchý zákon sily nepoznáme, resp. neexistuje).

Aj napriek tomu sa dá pre jadrá postupovať analogicky ako pre atómy a molekuly a nájsť paralely medzi jadrovou fyzikou a chémiou. Ide o tzv. vrstvový model jadra, za ktorý dostali v roku 1963 Nobelovu cenu za fyziku Maria Goeppert Mayer (ako 2. žena) a Hans Jensen (títo dvaja si rozdelili polovicu Nobelovej ceny, druhú polovicu v tom roku dostal ešte Eugene Wigner za iný objav). Samozrejme, za vrstvovým modelom sú zložité kvantovofyzikálne výpočty, ale výsledky sa dajú ilustrovať podobne ako v chémii.

Častice jadra, protóny a neutróny, sa snažia po dvojciach obsadzovať orbitály (tie však vyzerajú inak ako tie, čo poznáme z chémie). Orbitály sú usporiadané do vrstiev podľa rastúcej energie (preto vrstvový model), zaplnená vrstva je stabilnejšia ako čiastočne zaplnená. Separátne “rebríky” orbitálov existujú pre protóny a neutróny (teda nie je to tak, že by orbitál mohol byť zaplnený jedným protónom a jedným neutrónom). 

Z chémie si pamätáme, že stabilné atómy (z hľadiska elektrónov) boli také, ktoré mali plne zaplnenú vrstvu orbitálov, tzv. dublet (hélium), resp. oktet (ostatné vzácne plyny). Tieto prvky sú veľmi málo reaktívne. U jadier je to podobne, počty protónov a elektrónov zodpovedajúce plným vrstvám zodpovedajú stabilným jadrám. Nenazývajú sa však oktety, ale magické čísla. Ak má niektoré jadro magický počet protónov aj neutrónov, nazýva sa dvojnásobne magické a takéto jadro je obzvlášť stabilné.

Ostatné jadrá sú menej stabilné, ako veľmi, to závisí od konkrétneho obsadenia orbitálov. Tie s najnevýhodnejším obsadením sú rádioaktívne a stabilizujú sa vyžiarením nejakých častíc. Podobne, ako sa reaktívne atómy stabilizujú strácaním alebo prijímaním elektrónov.

Alfa žiarenie je vlastne vyžiarenie dvoch protónov a neutrónov, teda jadra hélia. Beta žiarenie je spôsobené vyžiareném (anti)elektrónu, ktoré sa udeje pri premene neutrónu na protón (alebo naopak).

A čo gama žiarenie? Ide o vyžiarenie nadbytočnej energie vo forme elektromagnetického žiarenia. Takto sa správajú nie nestabilné jadrá, ale jadrá, ktoré sú v excitovanom (vzbudenom) stave, čo znamená, že niektorá častica preskočila na orbitál vyššej vrstvy. Stabilizuje sa tak, že svoju prebytočnú energiu vyžiari. A pretože rozdiely v energii medzi jadrovými orbitálmi sú veľké, ide o vysokoenergetické gama žiarenie a nie o UV alebo viditeľné svetlo ako v prípade atómov a molekúl, v ktorých medzi hladinami preskakujú elektróny. 

Ako takýto atóm môže vzniknúť? Napríklad rádioaktívnym rozpadom ťažšieho jadra, pričom energia použitá na excitáciu pochádza z energie uvoľnenej pri rozpade (a zvyšok energie je tradične premenený na kinetickú energiu vylietavajúcich častíc). 

Vrstvový model je názorný a veľa vysvetľuje, avšak obsahuje viacero priblížení. Jedným je nahradzovanie neznámeho vzťahu pre silnú jadrovú silu modelovými (uhádnutými) vzťahmi. Druhým je samotná esencia vrstvového modelu, ktorý je iba približným a nie presným riešením kvantovofyzikálnych rovníc pre veľa navzájom pôsobiacich častíc (to isté platí o vrstvovom modeli v chémii, preto je v nej toľko výnimiek, ktoré sme v škole tak zbožňovali). Fyzici preto pracujú na vývoji metód, ktoré nám stabilitu jadier umožnia predpovedať presnejšie, čo môže pomôcť napríklad pri hľadaní nových stabilných izotopov alebo ťažkých prvkov na konci periodickej tabuľky.

Prečo sú teda niektoré prvky rádioaktívne? Pretože najstabilnejšie možné jadro s daným počtom protónov a neutrónov je stále nestabilné, pretože sily, ktoré držia častice v jadre neumožňujú poskladať nič stabilnejšie. Podobne ako prvky s niektorými počtami elektrónov sú prudko reaktívne a podobne ako sú domčeky poskladané z niektorých počtov kariet náchylnejšie na rozpad.

[Lukáš]

PS: Obrázok zobrazuje protón z pohľadu kvantovej chromodynamiky, ide o našu fyzikálne najpresnejšiu predstavu toho, čo sa to v atómových jadrách vlastne deje.