Gamma č. 021 (Výpravy do mikrosvěta (III.))

Jádro atomu vodíku se skládá z jediného protonu; co se stane, přidáme-li k němu další proton? Nové dvouprotonové jádro se okamžitě rozpadne: oba protony se odpuzují svými shodnými elektrickými náboji a nejsou ochotny spolu zůstat ani na okamžik. Abychom vytvořili stabilní jádro, musíme ke dvěma protonům přidat ještě neutron, který slouží jako jakýsi "atomový cement". Aby takový atom byl kompletní, je třeba v jeho obalu k původnímu jedinému elektronu dodat ještě druhý, aby byl elektronů v obalu stejný počet jako protonů v jádře; máme tedy atom s jádrem skládajícím se ze dvou protonů a jednoho neutronu a kolem toho obal čítající dva elektrony: atom hélia - He. Můžeme zkusit k němu přidat další atom hélia, jako jsme to udělali s vodíkem, ale tentokrát neuspějeme: molekula nevznikne.

Z poměrně složitých důvodů je tvar dráhy druhého, vnějšího elektronu takový, že sdílení obíhajících elektronů mezi dvěma atomy hélia je krajně nepravděpodobné. To je vlastnost všech takzvaných "vzácných plynů" - hélia, neonu, argonu, kryptonu, xenonu a radonu.


Jednou z největších záhad moderní fyziky byla otázka, jaká síla vlastně takové tříčlenné jádro hélia drží pohromadě, když se oba protony poměrně silně elektricky odpuzují. Gravitační síla, kterou se přitahují všechna hmotná tělesa bez ohledu na náboj a která tam samozřejmě také působí, tohle podivné "manželství" zachránit nemůže, protože je o mnoho řádů slabší než síla elektrická. Ukázalo se, že protony i neutrony (souhrnně označované jako "nukleony", tj. částice tvořící jádro; "nucleus" = "jádro") se všechny navzájem přitahují dosud neznámou, takzvanou "silnou jadernou silou". Tato síla je opravdu nejsilnější ze všech, které známe (jsou celkem čtyři; později je popíšeme všechny). Silná jaderná síla působí pouze na nepředstavitelně krátké vzdálenosti srovnatelné jen s rozměry jádra atomu, a má zajímavý průběh.


Vyneseme-li intenzitu silné síly do grafu v závislosti na vzdálenosti dvou nukleonů (protonů nebo neutronů), uvidíme, že na vzdálenost větší nebo srovnatelnou s průměrem atomu silná interakce nepůsobí vůbec; jakmile začneme nukleony k sobě přibližovat, projeví se mezi nimi čím dál silnější přitažlivost, která brzy překoná elektrické odpuzování dvou protonů. Při dalším přibližování pak přitažlivá síla rychle slábne, až nakonec zcela pomine, a pokusíme-li se dva nukleony k sobě přiblížit ještě víc, silná interakce přejde ve velmi prudce rostoucí (až do "mínus nekonečna") sílu odpudivou. Tak jsou každé dva nukleony v jádře udržovány v přesně vyvážené vzdálenosti.


Teď už je jasné, jakým způsobem neutron v tříčlenném jádře hélia drží pohromadě rozhádané protony: elektricky se v tomto jádře odpuzují dvě částice (oba protony), ale silnou jadernou silou se vzájemně přitahují všechny tři - a jádro je díky tomu stabilní. (Pro úplnost dodejme, že všechny tři nukleony se přitahují také gravitační silou; ta je však, jak už bylo řečeno, o tolik řádů slabší než síla silná i elektrická, že v této situaci nehraje žádnou praktickou roli.)


Přidejme teď do jádra hélia třetí proton; nepřekvapí nás, že budeme muset dodat další tři neutrony, abychom zachovali stabilitu jádra (nemluvě o třetím elektronu do obalu pro zachování rovnováhy náboje) a vznikne nám atom lithia: v jádře tři protony a čtyři neutrony a kolem toho obíhají tři elektrony. Máme tedy už tři různé atomy (vodík, hélium a lithium); jejich takzvaná protonová čísla (=počet protonů v jádře) jsou 1, 2 a 3.

(pokračování příště)