VAZEBNÁ ENERGIE JADER
Jaderné síly
Jakmile se zjistilo, že jádro atomu se
skládá z protonů a neutronů, vznikla otázka, jaké síly drží
tyto částice pohromadě v atomovém jádře.
 |
Stavba atomu - schématický
obrázek atomu kyslíku. Tento atom kyslíku má 8 protonů, 8 neutronů a
8 elektronů. Tento izotop má
v přírodní směsi zastoupení 99,76 %. |
Je zřejmé, že tyto síly nemohou být elektrické, neboť dva kladně nabité
protony se podle Coulombova zákona odpuzují. Ani přitažlivá gravitační síla toho
mnoho nezachrání, protože po výpočtu zjistíme, že je asi 1036krát slabší než
odpudivá elektrická. Zřejmě jde o nový druh sil, které se nazývají jaderné
síly. O vysvětlení jejich podstaty se významně zasloužil japonský fyzik H.
Yukawa v roce 1935. Přitažlivé jaderné síly jsou asi tisíckrát silnější než
síly elektromagnetické, ale mají velmi nepatrný dosah. Začínají působit teprve
tehdy, když jsou nukleony tak těsně u sebe, že se téměř dotýkají (je to podobné
jako u lepivých bonbonů, které také drží spolu teprve tehdy, když se dotýkají).
Další vlastností těchto sil je, že jsou nábojově nezávislé. To znamená, že
mají stejnou velikost mezi dvěma protony, dvěma neutrony i mezi protonem a neutronem.
Hmotnostní schodek a vazebná energie
V roce 1919 sestrojil britský chemik F. W. Aston nový typ hmotnostního spektrografu
(přístroje, kterým se dá zjišťovat přesná hmotnost izotopů prvků podle jejich
pohybu v elektrických a magnetických polích). Při měřeních
zjistil, že hmotnost atomových jader je o něco nižší než součet hmotností
jednotlivých nukleonů, které jádra
tvoří. Rozdílu mezi oběma hmotnostmi říkáme hmotnostní schodek jádra.
K vysvětlení tohoto poznatku nám stačí opět vzorec Alberta Einsteina.
 |
Názorné vysvětlení hmotnostního schodku.
Volné nukleony jsou těžší než jádro z nich vytvořené. Rozdíl hmotností
nazýváme hmotnostní schodek. |
Atomové jádro je vázaný systém částic. Představme si, že bychom chtěli
jádro rozdělit na jednotlivé nukleony. Museli bychom překonat soudržnost nukleonů
vázaných jadernými silami a dodat jim energii.
Jestliže však částici dodáme energii, vzroste její hmotnost. Volné nukleony musí
být tedy těžší než vázaná soustava nukleonů. Naopak při spojení protonů a
neutronů do jednoho jádra snižuje jejich energii práce přitažlivých jaderných sil,
dochází k uvolnění stejně velké energie a k úbytku hmotnosti. Energie volných
nukleonů je tedy větší než energie jádra, které z nich složíme, o rozdíl
nazývající se vazebná energie.
To platí i obecně: každá částice ve vesmíru patří k nějakému systému (jádro,
atom, molekula, krystal, planeta ...). Pokud chceme částici od systému oddělit,
musíme jí dodat energii větší, než kterou je v systému vázána. Přináležitost
částice k nějakému systému je tedy charakterizována vazebnou energií Ev,
kterou částice musí za vstup do systému "zaplatit". Přitom sníží svou
hmotnost o hodnotu m = Ev . c-2.
Podle toho vazebnou energii, jádra chápeme i jako míru jeho stability. Čím je
vazebná energie jádra větší, tím je nesnadnější rozložit ho na jednotlivé
volné nukleony.
 |
Princip hmotnostního
spektrografu. Ionty jsou nejprve urychleny elektrickým polem a potom procházejí
magnetickým polem, které je orientováno kolmo na směr jejich pohybu. Poloměr
zakřivení drah iontů je
přímo úměrný hmotnosti částic. |
Řekněme si ještě pár slov o vazebných energiích atomu a molekuly. Podle
předchozího výkladu bude vazebná energie atomu Eva energie potřebná k
oddělení elektronového obalu od
jádra atomu a vazebná energie molekuly Evm energie potřebná k oddělení
jednotlivých atomu molekuly od sebe. O jak velké hodnoty energie jde? Měřením a
výpočty byly získány následující výsledky:
Vazebná energie jader je velká,
pohybuje se od 2,22 MeV (pro deuteron -jádro těžkého vodíku 2/1H)
až po 1800 MeV (pro těžká jádra).
Vazebná energie atomu nepřevyšuje 0,12 MeV, vazebná energie elektronu v atomu
vodíku je 13,6 eV. Vazebná energie atomů v molekulách je pouze několik eV.
|