Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokies lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.
47. Poznámky
0

47. ÚVOD DO SVĚTA NEJMENŠÍCH ROZMĚRŮ

Článek z on-line pokračujícího zdroje Transformační technologie; ISSN 1804-8293;
www.transformacni-technologie.cz; Copyright©Jiří Škorpík, 2006-2021. All rights reserved. Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
 

Úvod

 

Molekula

Co lze považovat za nejmenší díl plynu, kapalin a tuhých látek
Molekula

Lidské oko dokáže rozlišit zrnko písku o velikosti asi 0,1 mm, ale to zdaleka nejsou nejmenší části hmoty. Jakýkoliv druh látky lze dělit různými způsoby až na takovou velikost, o které lze ještě říci, že má stále její všechny původní vlastnosti. U plynů je tímto nejmenším dílem útvar zvaný molekula [18], nejmenší díl kapalin a pevných látek je většinou tvořen větším počtem molekul.

I molekuly lze rozložit na menší části
Atom
Chemická vazba
Sloučenina
Jednoatomová mol.
Van der Waalsova síla

Nicméně i molekuly lze dále rozkládat na menší části, a to na částice zvané atomy. Molekuly většiny druhů látek obsahují více atomů vzájemně propojených chemickou vazbou, to hovoříme o sloučenině, protože existují i látky jednoatomové jejíž molekuly tvoří pouze jeden atom. Molekuly jsou k sobě přitahovány Van der Waalsovou silou.

 

Atom a prvek

Atomy jsou různých druhů
Prvek

Atom je částice o velikosti v řádu 10-10 m a zatím jsem objevili přes sto druhů atomů a lze očekávat, že objevíme další [10]. Jednotlivé druhy atomů označujeme jako prvky.

Atomy jsou složeny z elementárních částic, které lze ale také dále rozbíjet na menší částice
Proton
Elektron
Neutron

Atomy jsou tvořeny kombinacemi tří elementárních částic zvané elektrony, protony a neutrony Tabulka 1189, ale i tyto částice lze dále "rozbíjet" na menší a menší částice – zatím jich bylo objeveno několik stovek [20] – "stačí" k tomu pouze větší a větší hustota energie (podrobnosti o nitru elementárních částic populárně naučnou formou naleznete např. v [8]). My se však v tomto článku při zkoumání hmoty zastávíme u základních alementarních částic atomu, které odpovídají za vlastnosti látek kolem nás.

1189 Porovnání vlastností elementárních částic
symbol m Q
Proton Z 1672,6 1,6022
Elektron e- 0,9109 -1,6022
Neutron N 1674,9 0
m [kg·1030] hmotnost částice; Q [C·1019] výsledný elektrický náboj.
Rozložení elektricky nabitých částic v atomu
Nukleon

Každý atom se skládá z jádra s kladným elektrickým nábojem obklopeným obalem se záporným elektrickým nábojem. V jádru atomu se nacházejí protony a naopak obal je složený výhradně z elektronů. Většina jader obsahuje i neutrony. Neutrony i protony se souhrnně nazývají nukleony. Tuto tzv. nukleární podstatu atomu (těžké malé jádro obklopené lehkými elektrony) objevil novozélandský fyzik Ernest Rutherford (1871-1937) [14, s. 112].

Jak se atomy od sebe odlišují
Izotop
Izobar
Radionuklid

Atomy, se stejným počtem protonů v jádře nazývá atomy jednoho prvku (jiný výraz pro prvek je nuklid). Nuklidy, které mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů se nazývají izotopy (izotopy jednoho prvku mají navenek prakticky stejné vlastnoti pouze mají různou hmotnost). Skupiny atomů se stejným počtem nukleonů, ale rozdílným počtem protonů v jádře se nazývají izobary (jednotné číslo izobar). Žádné jádro nemůže obsahovat libovolnou kombinaci počtu protonů a neutronů. Izotopy prvků s nestabilní kombinací protonů a neutronů v jádrech (po určité době vazáří energie v důsledku čehož se mohou i rozpadnout) se nazývají radionuklidy.

1
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

nukleonů, ale rozdílným počtem protonů v jádře se nazývají izobary (jednotné číslo izobar). Žádné jádro nemůže obsahovat libovolnou kombinaci počtu protonů a neutronů. Izotopy prvků s nestabilní kombinací protonů a neutronů v jádrech (po určité době vazáří energie v důsledku čehož se mohou i rozpadnout) se nazývají radionuklidy.

Nejjednodušší prvek
Vodík

Nejjednodušší prvek obsahuje jeden proton v jádře a jeden elektron obíhajícím kolem jádra – nazýváme ho vodíkem a zkráceně označujeme písmenem H, Obrázek 72. Většina dalších známých prvků je uvedan v Tabulce 1155.

Izotopy vodíku a značení atomů
72 Izotopy vodíku a značení atomů
X značka prvku; A [-] nukleonové číslo; Z [-] protonové číslo (počet protonů v jádře atomu); N [-] neutronové číslo (počet neutronů v jádře atomu); e- elektron. Protium tzv. lehký vodík, nejčastější izotop vodíku – 99,9885 % člověku dostupného vodíku, nejvíce je ho na povrchu Země ve vodě. Deuterium, tzv. těžký vodík, který se v přírodě vyskytuje v množství pouze 0,0115 % z celkového objemu vodíku, nejčastěji opět jako součást vody; deuterium není radioaktivní, má pouze některé drobné fyzikální odlišnosti oproti lehkému vodíku. Tritium obsahuje v jádře dva neutrony a navíc se jedná o radionuklid (v přírodě se ve využitelné koncentraci nevyskytuje). Literatura [1].
Uhlík

Méně frekventovaným ale důležitým prvkem na Zemi je uhlík (označujeme zkráceně písmenem C), který má v jádře šest protonů a také má několik izotopů, viz Obrázek 1152.

Izotopy uhlíku a vodíku
1152 Izotopy uhlíku a vodíku
a izotopy vodíku; b izotopy uhlíku; c jen některé izotopy jsou radionuklidy. Literatura [2].
Všechny prvky vznikly pravděpodobně z vodíku
Velký třesk
Slučování
Štěpení
Transmutace
Hvězdy

Atomy vodíku jsou produktem velkého třesku při vzniku vesmíru. Další prvky vznikly právě z vodíku, přitom existují tři základní způsoby vzniku těžšího prvku, a to sloučením (syntéza) dvou lehčích atomů v atom těžší, rozštěpením těžšího atomu a transmutací (přeměnou) protonu na neutron nebo obráceně v jádře atomu. Všechny tyto procesy probíhají během života hvězd (hvězda vznikne gravitačním stlačením vodíkového mračna). Většina nejtěžších prvků vzniká až při expolozi hvězd, během kterých se prvky dostávají do širokého okolí. Od velkého třesku takto zaniklo jen v naší galaxii asi 200 milionů hvězd [17, s. 38]. Vzhledem k tomu, že člověk dokáže všechny tři uvedené způsoby vzniku prvků uměle vyvolat, jsou na Zemi i atomy, které nevytvořily hvězdy, ale člověk v jaderných reaktorech9., pomocí termonukleárních explozí bomb a v laboratořích ozařováním atomů. Prvky těžší než vodík jsou poppsány v navazujících částech článku.

2
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

Vzhledem k tomu, že člověk dokáže všechny tři uvedené způsoby vzniku prvků uměle vyvolat, jsou na Zemi i atomy, které nevytvořily hvězdy, ale člověk v jaderných reaktorech9., pomocí termonukleárních explozí bomb a v laboratořích ozařováním atomů. Prvky těžší než vodík jsou poppsány v navazujících částech článku.

1155 Prvních sto nejlehčích prvků
Z Název Zn.     Z Název Zn.     Z Název Zn.     Z Název Zn.
1 vodík H     26 železo Fe     51 antimon Sb     76 osmium Os
2 helium He     27 kobalt Co     52 tellur Te     77 iridium Ir
3 lithium Li     28 nikl Ni     53 jod I     78 platina Pt
4 beryllium Be     29 měď Cu     54 xenon Xe     79 zlato Au
5 bor B     30 zinek Zn     55 cesium Cs     80 rtuť Hg
6 uhlík C     31 gallium Ga     56 baryum Ba     81 thallium Tl
7 dusík N     32 german. Ge     57 lanthan La     82 olovo Pb
8 kyslík O     33 arsen As     58 cer Ce     83 bismut Bi
9 fluor F     34 selen Se     59 praseod. Pr     84 polonium Po
10 neon Ne     35 brom Br     60 neodym Nd     85 astat At
11 sodík Na     36 krypton Kr     61 prometh. Pm     86 radon Rn
12 hořčík Mg     37 rubidium Rb     62 samar. Sm     87 francium Fr
13 hliník Al     38 stronc. Sr     63 europ. Eu     88 radium Ra
14 křemík Si     39 yttrium Y     64 gadolin. Gd     89 aktinium Ac
15 fosfor P     40 zirkon. Zr     65 terbium Tb     90 thorium Th
16 síra S     41 niob Nb     66 dyspros. Dy     91 protaktin. Pa
17 chlor Cl     42 molybden Mo     67 holmium Ho     92 uran U
18 argon Ar     43 technec. Tc     68 erbium Er     93 neptun. Np
19 draslík K     44 ruthen. Ru     69 thulium Tm     94 pluton. Pu
20 vápník Ca     45 rhodium Rh     70 ytterbium Yb     95 americ. Am
21 skandium Sc     46 pallad. Pd     71 lutecium Lu     96 curium Cm
22 titan Ti     47 stříbro Ag     72 hafnium Hf     97 berkel. Bk
23 vanad V     48 kadmium Cd     73 tantal Ta     98 kaliforn. Cf
24 chrom Cr     49 indium In     74 wolfram W     99 einstein. Es
25 mangan Mn     50 cín Sn     75 rhenium Re     100 Fermium Fm
V tabulce jsou české názvy, anglické a latiské naleznete například v [13].
 

Složení a struktura plynů, kapalin a tuhých látek

Stechiometrické složení látky

Nyní když známe prvky můžeme se zpět vrátit k nejmenšímu dílu vyšetřované látky a stonovit její složení. Poměr hmotností jednotlivých prvků ve vyšetřované látce se nazývá stechiometrické složení. Například kapka vody (čistá) obsahuje pouze atomy kyslíku a vodíku, přesněji na jeden atom kyslíku připadají dva atomy vodíku. Takové stechiometrické složení můžeme vyjádřit procenty, například H=66,666 %; O=33,333 %, nebo přesněji poměrem jednotlivých atomů jako {2H, O}. Stechiometrické složení v procentech hmotnosti z celkového vyšetřovaného množství se vyjadřuje především u látek s velkým podílem příměsí, například při rozboru paliv, viz příklad složení biomasy3. apod.

3
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Stechiometrické složení k popisu vlastností látky nestačí – záleží na vnitřním uspořádaní molekul i uspořádání molekul mezi sebou
Chemické vzorce

Stechiometrické složení neříká nic o vnitřní konfiguraci atomů v molekule a ani o konfiguraci jednotlivých molekul mezi sebou, například diamant i tuha mají stejné stechiometrické složení {C}, protože obahují pouze atomy uhlíku, ale pokaždé v jiné konfiguraci a proto mají některé rozdílné vlastnosti. To platí i pro různá skupenství týchž látek, napřiklad kapalné voda i led mají stále stejné složení, ale jinou konfiguraci molekul mezi sebou. Takže vlastnosti jednotlivých druhů a jejich skupenství nejsou dány jen složením, ale i vnitřním uspořádáním jejich molekul. Proto mimo složení uvádíme u látek i informaci o vnitřním uspořádní látky formou chemických vzorců, které lze rozdělit do tří základních skupin: 1. sumární neboli molekulový vzorec; 2. stechiometrický vzorec; 3. strukturní vzorec.

Molekulový (sumární) vzorec
Uhlík, vodík a kyslík

1/3. Molkulový vzorec obsahuje značky prvků a čísla (dolní index za značkou prvku) udávající počet atomů daného prvku v molekule. Například molekula vody má molekulový vzorec H2O. Pořadí psaní značek prvků ve sloučenině není podstatný, ale obvykle se píše podle protonových čísel (od největší po nejmenší), ale pokud sloučenina obsahuje uhlík, vodík nebo kyslík (tzv. organické prvky), pak se píše první uhlík, vodík, kyslík a potom další prvky. Dalším příkladem jsou molekuly vzduchu. Vzduch je plyn, to znamená, že je složen s jednotlivých molekul, které mají kinetickou energii (pohybují se) odpovídající teplotě vzduchu (čím vyšší teplota, tím rychlejší pohyb). Tyto molekuly při pohybu samozřejmě do sebe naráží, ale jinak mezi sebou nereagují a ani se neshlukují. Vzduch je směs plynů a obsahuje velké množství druhů molekul, které obsahují téměř jakýkoliv přírodní prvek obsažený v biosféře, ale drtivou většinu tvoří molekuly složené z dusíku, kyslíku, vodíku uhlíku a argonu, viz Tabulka 1244.

1244 Molekulové složení vlhkého vzduchu
(a) N2 O2 H2O Ar CO2
C 773,58 207,54 9,3646 9,2152 0,2999
(a) molekulový vzorec příslušné molekuly; C [ppm·10-3] koncentrace dané molekuly (počet molekul ve vzroku s 1 mil. molekul) – koncentrace jednotlivých typů molekul vzduchu o relativní vlhkosti43. 40 %; N2 molekula dusíku tvořena pouze dusíkem; O2 molekula kyslíku tvořena pouze kyslíkem; H2O molekula vody (ve vzduchu je voda ve formě páry); Ar molekula argonu je jednoatomová; CO2 jedná se o molekulu oxidu uhličitého – v současné době kvůli masivnímu spalování fosilních paliv7. koncentrace CO2 vzrůstá na úkor kyslíku O2, což způsobuje zvětšování skleníkový efektu7..
Stechiometrický vzorec molekuly

2/3. Stechiometrický vzorec molekuly nás, podobně jako stechiometrické složení látky, informuje o poměrném zastoupení prvků v molekule. Například stechiometrický vzorec molekuly dusíku, jehož sumární vzorec je N2, je {N} – aby šlo poznat o jaký vzorec jde, dáváme ho do složených závorek. Dalším stechiometrické vzorce molekul vzduchu jsou v Tabulce 643.

4
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
643 Porovnání vzorců
(a) N2 O2 H2O Ar CO2
(b) {N} {O} {H2O} {Ar} {CO2}
Tabulka uvádí porovnání molekulových a stechiometrických vzorců molekul vlhkého vzduchu. (a) molekulový vzorec příslušné molekuly; (b) stechiometrický vzorec příslušné molekuly.
Strukturní vzorec
Izomer

3/3. Strukturní vzorec je prakticky jakýkoliv obrázek, který znázorňuje vztahy (zejména typ chemické vazby) a pozice mezi jednotlivými atomy nebo molekulami v rámci nejmenšího dílu látky. Izomery jsou pak sloučeniny, které mají stejný molekulový vzorec ale odlišný strukturní. Příklady takových znázornění jsou uvedeny na Obrázcích 1243, 1242, 1246.

Příklady strukturních vzorců molekul vzduchu
1243 Příklady strukturních vzorců molekul vzduchu
H2O struktura molekuly vody je charakteristická tím, že vodíkové atomy jsou vázany ke kyslíku v úhlu 104,45°; CO2 struktura molekuly oxidu uhličitého, je charakteristická tím, že kyslíkové atomy jsou vázany ke kyslíku v úhlu 180°.
Nejmenší kapka vody – složení a vzorce kapalin
1242 Nejmenší kapka vody – složení a vzorce kapalin
Teoreticky je nejmenším dílem čisté vody molekula vody H2O, ovšem o jedné molekule nelze říci v jakém je stavu jestli v plynném, kapalném nebo pevném. Nelze také například změřit jeho mechanické veličiny, mezi které patří povrchové napětím tlak atd. Taková nejmenší kapka musí obsahovat několik desítek až stovek molekul, například studie The end of ice I [27, 28] uvádí, že led vzniká až z kapky obsahující více jak 90 molekul H2O – (proto při menším obsahu molekul v živých tkáních se i při velmi nízkých teplotách nemusí vytvořit led, respektive krystaly ledu). V kapalném skupenství se molekuly, také pohybují (mají kinetickou energii odpovídající jejich teplotě) naráží do sebe, ale nejsou schopny se od sebe odpoutat na větší vzdálenost, protože jsou přitahovány Van der Waalsovou sílou působící mezi molekulami (ta působí i u molekul plynů, ale ve srovnání s odpudivými silami při srážkách molekul jsou nepodstatné). Takže nejmenší vodní kapka je shlukem neboli klastrem nepravidleně uspořádaných molekul H2O [29, s. 289].
Nejmenší kousek ledu – krystalické mřížky tuhých látek
1246 Nejmenší kousek ledu – krystalické mřížky tuhých látek
Při přechodu z kapalné fáze do tuhé fáze přechází molekuly do uspořádané konfigurace, do které ji nutí směr působení Van der Waalsových sil, zvané krystalická mřížka. V případě molekul vody organizuje Van der Waalsova síla polohy molekul tak, že vodíkové atomy v jedné molekule směřují k atomům kyslíku sousedních molekul, takže ke každé molekule kyslíku se orientují 4 okolní molekuly uspořádných v prostoru, jak ukazuje obrázek – obrázek je 2D ve skutečnosti jsou molekuly natočeny i prostorově. Typickou vlastnotí krystalické mřížky vody je to, že průměrná vzdálenost mezi molekulami je větší než v kapalné fázi, proto led na vodě plave – u většiny látek je jejich tuhá fáze těžší než kapalná. Víme, že v případě nejmenšího dílu ledu je potřeba asi 90 molekul u jiných pevných látek tento počet může být jiný. Navíc tvar krystalické mřížky je i funkcí tlaku a teploty, při které vzniká – krystalická mřížka ledu, která je na tomto obrázku je typická pro běžné tlaky a teploty na Zemi. Mimo krystalických struktur mohou vznikat při velmi rychlém hlubokém tuhnutí tekutin a amorfní verze, tj. bez krystalické struktury, a jednotlivé atomy jsou orientovány chaoticky, protože se nestihly při ochlazování zorganizovat – jedná se vlastě o kapalinu s velmi velkou viskozitou. Typickým příkladem amorfní struktury je křemenné sklo.
5
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
síla polohy molekul tak, že vodíkové atomy v jedné molekule směřují k atomům kyslíku sousedních molekul, takže ke každé molekule kyslíku se orientují 4 okolní molekuly uspořádných v prostoru, jak ukazuje obrázek – obrázek je 2D ve skutečnosti jsou molekuly natočeny i prostorově. Typickou vlastnotí krystalické mřížky vody je to, že průměrná vzdálenost mezi molekulami je větší než v kapalné fázi, proto led na vodě plave – u většiny látek je jejich tuhá fáze těžší než kapalná. Víme, že v případě nejmenšího dílu ledu je potřeba asi 90 molekul u jiných pevných látek tento počet může být jiný. Navíc tvar krystalické mřížky je i funkcí tlaku a teploty, při které vzniká – krystalická mřížka ledu, která je na tomto obrázku je typická pro běžné tlaky a teploty na Zemi. Mimo krystalických struktur mohou vznikat při velmi rychlém hlubokém tuhnutí tekutin a amorfní verze, tj. bez krystalické struktury, a jednotlivé atomy jsou orientovány chaoticky, protože se nestihly při ochlazování zorganizovat – jedná se vlastě o kapalinu s velmi velkou viskozitou. Typickým příkladem amorfní struktury je křemenné sklo.
 

Otázky a odpovědi

Co je chemická vazba?
Tajemství Van der Waalsových sil
Kde se bere energie při rad. rozpadu?

V dalších kapitolách článku se budeme zabívat odpovědmi na otázky, co je chemická vazba, jak vzniká i na to proč při přechodu z kapalné fáze do tuhé vytváří molekuly krystalickou mřížku, respektive co je Van der Waalsova síla. Také si řekneme, kde se bere energie při radioaktivním rozpadu prvků.

 

Elektronový obal, vznik iontů a Van der Waalsova síla

Elektron musí obíhat kolem jádra, aby se do něj nezhroutil

Obal atomu obsahuje tolik elektronů, aby jako celek byl atom elektricky neutrální. Mezi elektricky kladně nabitým jádrem a záporně nabitými elektrony v obalu působí elektrická přitažlivá síla (gravitační je naprosto zanedbatelná). Jestliže elektron se nemá zhroutit do jádra, musí kolem jádra obíhat určitou rychlostí.

 

Kvantový model elektronového obalu atomu

Elektron může vyzařovat energie pouze v kvantech
Nulový pohyb elektronů

Problém prvoplánovité úvahy obíhajících elektronů je v tom, že jakákoliv elektricky nabitá zrychlující částice vyzařuje energii (ve formě fotonů46., respektive elektromagnetického záření46.). Taková vlastnost byla u elektronů známa ještě před tím, než bylo objeveno složení atomu [18], protože elektron byl předmětem výzkumu při odhalování podstaty elektřiny1.. Taková vlatnost elektronů znamená, že v důsledku odstředivého zrychlení při pohybu kolem jádra by elektrony vyzařovaly energii a jejich pohyb by se postupně zpomaloval, až by nakonec musely spadnout do jádra. To že, do jádra nespadnout vysvětluje kvantová teorie elektronového obalu atomu, tj. elektrony v obalu jsou schopny vyzářovat energii pouze v kvantech a nikoliv spojitě [4, s. 233] (v  makrosvětě ztrácí částice energii třením – nárazy – o okolní částice). Takto po "skocích" může snižovat elektron svou kinetickou energii až na určité minimum, kdy jeho energie nebude stačit na minimální kvantum energie, a tak se jeho rychlost přestane snižovat a vyzařovat fotony – tato rychlost se názývá nulový pohyb elektronu [11, s. 159].

6
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Bohrův kvantový model el. obalu atomu

S kvantovým chováním elektronů v obalu přišel dánský vědec Niels Bohr (1885–1962). Proto model atomu, ve kterém elektrony obíhající kolem jádra s odstupňovanou energií, nazýváme Bohrův kvantový model elektronového obalu atomu.

Fotoelektrický jev

Jedním z přímých důkazů kvantování energie elektronu v atomovém obalu je fotoelektrický jev teoreticky popsaný už Albertem Einsteinem:

Fotoelektrický jev jako důkaz kvantové teorie elektronového obalu
1012 Fotoelektrický jev jako důkaz kvantové teorie elektronového obalu
s.t. skleněná trubice; k katoda (kovová destička); a anoda; e.o. elektrický obvod; V galvanický článek udržující napětí v elektrickém obvodu; A ampérmetr – měření proudu v obvodu. Při fotoelektrickém jevu dochází, v důsledku pohlcování proudu fotonů atomy katody, k emitaci (uvolňování) elektronů, které jsou přitahovány anodou. Průchod elektronů je detekován ampérmetrem, který měří proud v obvodu. Podstatou důkazu je fakt, že elektrony z atomů tvořící katodu dokázal "vyrazit" pouze proud fotonů od určité vlnové délky (o určité energii) bez ohledu na intenzitu záření (počet fotonů dopadajících na plochu za jednotku času) – energie elektronu se tedy spojitě nezvyšuje. Jestliže vlnová délka záření byla menší, pak k emitaci elektronů z katody nedocházelo, ani když se intenzita záření zvýšila, takže proud smyčkou neprocházel.
 

Ionizace atomů a Van der Waalsova síla

Odstranění el. z elektronového obalu atomu
Ionizační energie prvku
Kation
Plazma

Energie kvanta, která vede k tomu, že z neutrálního atomu unikne jeden elektron se nazývá ionizační energie prvku. Jestliže v atomovém obalu chybí jeden elektron stává se z něj kation (kladně nabitý atom – ionizovaný stav atomu, směs kationtů a volných elektronů v plynném prostředí se nazývá také plazma), ionizační energie potřebná k odebrání druhého elektronu bude větší, protože elektrony v obalu se navzájem odpuzují, takže když je jich méně, klesne i tato odpudivá síla. Odtud rozlišujeme první ionizační energie prvku, druhá atd. Ionizační energie se obvykle uvádí v jednotce elektronvolt, která představuje kinetickou energii, kterou nabitá částice získá mezi deskami se vzájemným napětím 1 V.

Ionizační rovnice
1039 Ionizační rovnice
Jedná se o příklad ionizace atomu vápníku Ca nejprve první, a pak druhou ionizační energií. Zdroj hodnot ionizačních energií [13].
Valenční elektron

Elektron v elektronovém obalu, který reaguje s dopadajícími fotony nazýváme valenčním elektronem.

Měření první ion. en. plynů

První ionizační energii není složité změřit, například ionizací atomů prvku v plyném stavu. Z grafického vyjádření prvních ionizačních energií prvků na Obrázku 1186, s. 8 lze jasně rozeznat periodicky se opakující postupný nárůst ionizační energie s rostoucím počtem protonů ukončený náhlým hlubokým poklesem. Takových oblastí je v grafu celkem sedm a nazývají se periody. Prvky na začátku period mají menší ionizační energii než první prvek předchozí periody. Je zjevné, že schopnost prvku chemické reakce nějak souvisí s ionizační energií, protože prvky v periodách s nejvyšší ionizační energií (ušlechtilé plyny) za normálních okolností chemicky nereagují s okolím, a naopak prvky s nejnižší ionizační energií v rámci periody (alkalické kovy) jsou v příodě vždy součásti nějaké sloučeniny, a proto se nevyskytují v čisté podobě.

7
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Porovnání prvních ionizačních energií jednotlivých prvků
1186 Porovnání prvních ionizačních energií jednotlivých prvků
U [eV] ionizační energie prvku. Na obrázku je znázorněna první ionizační energie známých prvků do protonového čísla 100.
Periody
Ušlechtilé plyny
Alkalické kovy
Slučování

ionizačních energií prvků na Obrázku 1186, s. 8 lze jasně rozeznat periodicky se opakující postupný nárůst ionizační energie s rostoucím počtem protonů ukončený náhlým hlubokým poklesem. Takových oblastí je v grafu celkem sedm a nazývají se periody. Prvky na začátku period mají menší ionizační energii než první prvek předchozí periody. Je zjevné, že schopnost prvku chemické reakce nějak souvisí s ionizační energií, protože prvky v periodách s nejvyšší ionizační energií (ušlechtilé plyny) za normálních okolností chemicky nereagují s okolím, a naopak prvky s nejnižší ionizační energií v rámci periody (alkalické kovy) jsou v příodě vždy součásti nějaké sloučeniny, a proto se nevyskytují v čisté podobě.

Existuje více en. úrovní elektronu
Ramanův rozptyl
Modré nebe

Jestliže energie dopadajícího fotonu je menší než ionizační, pak může dojít také k pohlcení tohoto fotonu elektronem a následnému tzv. Ramanově rozptylu. Při Ramanovu rozptylu je pohlcený elektron ihned vyzářen zpět do prostoru, ale o jiné energii. Znaméná to, že energie valenčního elektronu se také změnila – to znamená, že ionizační energie je pouze kvatum nutné k vytržení elektronu z elektronového obalu a mezi základní energií valenečního elektronu a ionizační energie je více energetických možných úrovní valenčního elektronu. Při stálém bombardování valenčního elektronu proudem fotonů s neionizační energí, tedy soustavně dochází ke změnám jeho energie valenčního elektronu (snižování/zvyšování). Tento jev je dobře patrný na rozptylu slunečního světla2., díky němuž je oblaha modrá – v elektronových obalech atomů vzduchu velmi dobře probíhá Ramanův rozptyl pro fotony modrého spektra [29]. Tento jev poprvé popsal indický fyzik Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970). Energetický stav elektronu ve valenční vrstvě se zvětšuje/zmenšuje i s teplotou.

Počet elektronů v obalech lze i zvyšovat
Ionty

Kupodivu, za jistých okolností může elektronový obal přijmout elektron navíc, takže atom jako celek bude mít záporný náboj. Takový atom nazýváme aniont (kationty a anionty souhrnně nazýváme ionty podle starověkého středomořského národa Iónů [14, s. 34]). Energie, která se uvolní, jestliže elektronový obal příjme elektron navíc a z atomu se stane aniont se nazývá elektronová afinita (elektronové afinity vybraných prvků jsou uvedeny například v [12], [23]). Elektronová afinita může být kladná i záporná, kladná hodnota určuje získanou energii s příjmutí elektronu obalem. Podobně jako při ionizaci lze stanovit elektronovou afinitu při dodání jednoho elektronu, dvou atd. (druhá a vyšší elektronová afinita prvku je vždy záporná a klesá s rostoucím záporným nábojem obalu [10, s. 38]).

8
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Elektronová afinita

příjme elektron navíc a z atomu se stane aniont se nazývá elektronová afinita (elektronové afinity vybraných prvků jsou uvedeny například v [12], [23]). Elektronová afinita může být kladná i záporná, kladná hodnota určuje získanou energii s příjmutí elektronu obalem. Podobně jako při ionizaci lze stanovit elektronovou afinitu při dodání jednoho elektronu, dvou atd. (druhá a vyšší elektronová afinita prvku je vždy záporná a klesá s rostoucím záporným nábojem obalu [10, s. 38]).

Ionizační rovnice<
1041 Ionizační rovnice
Jedná se ionizaci neutrálního atomu kyslíku jedním, pak druhým elektronem.
Proč je schopen obal udržet el. navíc – prosakování náboje jádra

To, že atom, jehož elektronový obal je plně obsazen je schopen udržet další elektron, znamená, že kladný náboj jádra nějakým způsobem "prosakuje" až na okraj elektronového obalu. Tento jev dobře popisuje teorie orbitalů.

Teorie orbitalů
Neurčitost
Schrödingerova rovnice
Štěrbinový experiment

Podle teorie orbitalů je poloha elektronu v elektronovém obalu neurčitá46., takže s jistou pravděpodobností se vyskytuje pouhý jeden elektron všude v elektronovém obalu. Tato pravděpodobnost má vlnový charakter totožný ze Schrödingerovou pravděpodobnostní vlnou fotonu, to znamená, že se periodicky mění oblasti s větší a menší pravděpodobností výskytu elektronu na vyšetřované orbitě. Ve výsledku se jeden elektron chová jako oblak obklopující jádro (mluvíme o elektronovém oblaku odborně o orbitalu). Navíc tato pravděpodobnostní vlna musí být uzavřená (elektron musí obíhat po uzavřené dráze), takže charakteristickým parametrem orbitalu je vlnová délka a počet vln orbitalu, respektive jeho frekvence, přičemž obou parametrů odpovídá nějaká konkrétní energie elektronu. V jednoduchých případech lze tyto prametry stanovit pomocí Schrödingerovy rovnice. Neurčitost polohy elektronu lze dokázat i štěrbinovým experimentem [11, s. 168] popsaného v kapitole Štěrbinový experiment46..

Objasnění podstaty Van der Waalsových sil

Možnost, že v jistých částech povrchu atomu je pravděpodobnost zachycení kladného náboje větší než záporného je podstata Van der Waalsova sil. Jedná se o přitažlivé nebo odpudivé síly mezi molekulami (podle toho jak jsou molekuly k sobě natočené) způsobené různými naboji v okolí povrchů atomů.

1176 Úloha
Atomy jakého prvku či prvků mohou být ionizovány fotony viditelného světla? Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1176, s. 38.
1185 Úloha
Určete celkovou ionizační energii jednoho molu chloru. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1185, s. 38.
 

Výstavbový princip elektronového obalu

Představa psti výskytu elektronu jako tvaru
Orbitaly typu s, p, d, f

Pokud si představíme pravděpodobnost polohy elektronu jako prostorový útvar se světlými a tmavými skvrnami, kde tmavší skrvrny znamenají větší pravděpodobnost výskytu elektronu, pak světlé skvrny představují místa s nižší pravděpodobností výskytu. Jedná se tedy o nějaký tvar orbitalu, přičemž u známých prvků se vyskytují pouze čtyři typy elektronových orbitalů, které se označují malými písmeny s, p, d, f. Elektronové oblaky, respektive orbitaly se odlišují právě podle množství skrvn a jejich orientaci v prostoru, takže s-orbital má jeden tvar, p-orbital má tři tvary, d-orbital má pět tvarů a f-orbital sedm tvarů.

9
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

Jedná se tedy o nějaký tvar orbitalu, přičemž u známých prvků se vyskytují pouze čtyři typy elektronových orbitalů, které se označují malými písmeny s, p, d, f. Elektronové oblaky, respektive orbitaly, se odlišují právě podle množství skrvn a jejich orientaci v prostoru, takže s-orbital má jeden tvar, p-orbital má tři tvary, d-orbital má pět tvarů a f-orbital sedm tvarů.

Jak orbitaly na sebe navazují – el. obal prvku je rozšířením el. obalu předchozího lehčího prvku
Výstavbový princip elektronového obalu

V elektronovém obalu orbitaly na sebe navazují tak, že elektrony s s-orbitaly mají nižší energie než elektrony orbitaly typu p atd. Takto se formují elektronové obaly prvků s více elektrony – skladbu elektronového obalu prvku zjistíme přidáním elektronu do elektronového obalu prvku, který má o jeden proton v jádře méně. Tento postup nazýváme výstavbovým principem elektronového obalu, který poprvé popsal Niels Bohr [10, s. 86]. Podle výstavbového principu, tedy stačí znát strukturu elektronového obalu vodíku, respektive znát parametry orbitalu jeho jediného elektronu, od které odvodíme skladbu obalu následujícího prvku He atd. Současně platí, že elektronový obal je stejný u všech izotopů jednoho prvku.

Pauliho princip výlučnosti
Spin

Rakouský vědec Wolgang Pauli (1900–1958) objevil, že jednotlivé tvary elektronových orbitalů existují v párech, pokud se nejdná o orbital valanečního elektronu prvku s lichým počtem elektronů. Toto párování je celkem pochopitelné, světlé skvrny představující prosakování kladného náboje jádra jsou příležitost jinému elektronu zaujmout místo v elektronovém obalu. Nový elektronový oblak bude stejného tvaru, ale pootočený tak, aby jeho tmavé skvrny zakryly skvrny světlé předchozího orbitalu a naopak. Aby se skrvny dokonale kryly jsou tyto orbitaly vůči sobě pootočeny o 90° a elektorny v nich obíhají opačným směrem – elektrony tedy navzájem vytváří opačný dipolový moment, říkáme, že mají opačný spin. Jen takové páry dokaží maximálně odstínit kladný náboj jádra, současně oba elektrony, i když s opačným spinem, mají stejnou energii. To, že orbitaly vytváří maximálně dvojice se nazývá Pauliho princip výlučnosti.

Příklady postupu při určování sklaby el. obalu
Číslo energetické hladiny
H
He
Li

Nyní je tedy jasné, že valenční orbital vodíku bude typu s a bude v něm jen jeden elektron, to se zkráceně zapíše 1s1 (jednička před označením typu orbitalu označuje periodu ionizační energie Obrázek 1186, s. 8). Orbital je tedy neúplný, takže kladný náboj jádra prosakuje natolik, že atomy vodíku jsou náchylné k vytvoření aniontu. Atom helia už musí mít dva elektrony, takže jeho valenční orbital vytvoří pár 1s2, proto atomy helia anionty netvoří a prosakování náboje jádra je u helia výrazně menší než u vodíku. Třetím prvkem v pořadí v počtu protonů v jádře je lithium, který má tři elektrony – je jisté, že ve valenční vrstvě bude jen jeden elektron (zbývající dva vytvoří pár), ale jaký typ orbitalu? Z průběhu ionizační energie je jasné, že orbital musí mít velmi nízkou energii, proto valenční orbital bude 2s1 (dvojka jako druhá perioda – orbital s, protože má nejnižší energii) a lithium vytváří anionty velmi lehce. Valenční elektron Berilia pak bude mít konfiguraci 2s2. Následuje atom prvku boru s pěti elektrony ale s vyšší ionizační energii než bor, to znamená, že musí mít orbital s vyšší energií než s-orbital, což je p-orbital a valenční elektron boru má konfiguraci 2p1, takže anionty vytváří celkem snadno. Za borem je uhlík s valenčním orbitalem 2p2, protože p-orbital má tři tvary může také příjmout elektron či dva na konfiguraci 2p4. Takto lze pokračovat v určování konfigurace valenčních orbitalů u dalších prvků, viz Obrázek 1187 a Obrázek 1138. Pomocí výstavbového principu a posledního obrázku lze určit složení všech orbitalů jakéhokoliv prvku. Například neon Ne (Z=10) obsahuje elektrony v těchto orbitalech 1s2 2s2 2p6, sodík Na (Z=11) 1s2 2s2 2p6 3s1, fosfor P (Z=15) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 atd. Složení jednotlivých orbitalů se tedy opakuje a zkráceně se zapisuje využitím znalosti složení elektronového obalu nejbližšího ušlechtilého plynu s nižším protonovým číslem takto: Na [Ne]3s1, P [Ne]3s2 3p3 atd. V těchto případech se čísla před typem orbitalů označuje jako číslo elektronové slupky či energetické hladiny [10, s. 89].

10
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Be
B
C
Ne
Na
P

anionty velmi lehce. Valenční elektron Beryllia pak bude mít konfiguraci 2s2. Následuje atom prvku boru s pěti elektrony ale s vyšší ionizační energii než beryllium, to znamená, že musí mít orbital s vyšší energií než s-orbital, což je p-orbital a valenční elektron boru má konfiguraci 2p1, takže anionty vytváří celkem snadno. Za borem je uhlík s valenčním orbitalem 2p2, protože p-orbital má tři tvary může také příjmout elektron či dva na konfiguraci 2p4. Takto lze pokračovat v určování konfigurace valenčních orbitalů u dalších prvků, viz Obrázek 1187 a Obrázek 1138. Pomocí výstavbového principu a posledního obrázku lze určit složení všech orbitalů jakéhokoliv prvku. Například neon Ne (Z=10) obsahuje elektrony v těchto orbitalech 1s2 2s2 2p6, sodík Na (Z=11) 1s2 2s2 2p6 3s1, fosfor P (Z=15) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 atd. Složení jednotlivých orbitalů se tedy opakuje a zkráceně se zapisuje využitím znalosti složení elektronového obalu nejbližšího ušlechtilého plynu s nižším protonovým číslem takto: Na [Ne]3s1, P [Ne]3s2 3p3 atd. V těchto případech se čísla před typem orbitalů označuje jako číslo elektronové slupky či energetické hladiny [10, s. 89].

Příklady konfigurace valenční vrstvy prvků
1187 Příklady konfigurace valenční vrstvy prvků
Elektronové konfigurace prvků lze nalézt například v chemických analytických tabulkách [13].
Konfigurace valenčních elektronů prvků
1138 Konfigurace valenčních elektronů prvků
Všechny prvky na počátku periody mají valenční vrstvu typu s1, protože tento typ orbitalu má nejnižší energii. .
Valenční vrstva

V chemii také definujeme tzv. valenční vrstvu, jakožto orbitaly, které bychom při výstavbě elektronového obalu přidaly od začátku periody, ve které se daný prvek nachází. Tak například chlor Cl s protonovým číslem 17 má ve valenční vrstvě orbitaly typu s a p s celkovým počtem elektornů ve valenční vrstvě 7 (dva s s-orbitaly a pět s p-orbitly) apod. u ostatních prvků.

Kvantování energie el. souvisí právě s návazností jednotlivých orbitlů na sebe

Nerovnoměrná ale jednoznačná pravděpodobnost výskytu elektronu o určité energii v okolí jádra je příčinou kvantování energií v orbitalech. Aby se totiž další elektron udržel na následujícím orbitalu musí využívat mezery v pravděpodobnosti stávajících orbitalu atomu, takže může mít jen určité energie frekvence s těmito orbitaly ladící.

11
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
 

Základy chemie – úvod do vzniku sloučenin

Většina látek je sloučeninami

V přírodě se nevyskytují prvky jenom jako volné atomy, ale spíše ve formě víceatomarní, což jsme si už vysvětlily v úvodu článku. Vlastnosti látky, která je složena z nějaké sloučeniny zavíslá nejen na složení sloučeniny, ale také na strukturním vzorci.

Systémové a nesystémové názvy sloučenin

V úvodu článku jsme si napsali, že sloučeninu lze popsat vzorci, mimo vzorce ale existují i názvy sloučenin, většinou v každém jazyce jiné. Systém skladby názvů sloučennin v češtině je uveden například v [5], [19] a takový název se nazývá systémový. U frekventovaných sloučenin se používají i nesystémové názvy jako voda pro H2O místo systémového oxydan apod.

Sloučenina vniká při chemické reakci
Hoření
Vypalování keramiky

Látky složené kombinací atomů různých prvků vzájemně propojených chemickými vazbami vznikají chemickou rekací. Nejstarší rekace, které člověk umí nastartovat, udržovat a zastavit je hoření. Při hoření se jedna látka (palivo) působením tepla rozkáladá a vzníkají nové látky (spaliny a popel.). A tak je to s každou chemickou reakcí, její start je podmíněn nejen přítomností zdrojových atomů, ale i teplotou a tlakem jak je mimo jiné pozorovat při vypalování keramiky. Surová hmota keramiky je na počátku vlhký jíl vytvarovaný do patřičného tvaru, když ho vysušíme při nízké teplotě, tak máme získáme pouze suchý jíl, ale když teplotu zvýšíme natolik, že vybudíme elektrony do vyšší energetických hladin, tak umožníme rozpad stávajícíh chemických vazeb v jílu a vznik nových chemických vazeb z jílu vznikne nová látka – keramika [30, s. 200].

 

Chemické vazby, jejich vlastnosti a vzorce

Van der Waalsovy síly jako hlavní činitel pevnosti tuhých látek, ale nikoliv podstatou chemické vazby

Vzájemní ionizace atomů

Jestliže za chemickou vazbu budeme považovat sílu, která drží atomy v molekule pohramadě, pak se nejedná o Van der Waalsovu sílu. Van der Waalsova síla je příliš slabá, než odpovídá pevnosti molekul. Víme totiž, že destrukci tuhé látky, například upilování kousku ocele, rozbití ledu apod., dojde k přerušení krystalické mřížky jen na hranicích molekul, takže pevnost tuhých látek je dána silami Van der Waalsových sil a nikoliv pevnosti chemických vazeb v molekulách. Chemická vazba je mnohem silnější než Van der Waalsovy síly a její podstatou jsou elektrické síly mezi dvěma či více atomy, při jejich vzájemné ionizaci.

Vznik chemické vazby vzájemnou ionizací atomů
Reaktivita prvku

Atomy se snaží vzájemnou ionizací "doplnit" svůj valenční orbital do úplného zaplnění nebo naopak, pokud je to energeticky výhodnější, se neúplného orbitalu "zbavit". Lze si to představit i tak, že účelem slučování prvků je získání stejné elektronové konfigurace valenčních elektronů, jako má ušlechtilý plyn s nejbližším protonovým číslem. Chemická vazba vzniká tak, že se atomy nejprve k sobě přiblíží působením Van der Waalsových sil. Všechny prvky, kromě ušlechtilých plynů, se snaží vytvořit chemickou vazbu s jiným prvkem pomocí sdílení elektronů ve valenční vrstvě. Míra této "snahy" se nazývá reaktivita prvku.

12
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

chemickou vazbu s jiným prvkem pomocí sdílení elektronů ve valenční vrstvě. Míra této "snahy" se nazývá reaktivita prvku.

Energie uvolňená při vzniku chemické vazby
Slučovací entalpie

Energie uvolěná při vzniku chemické vazby je ve formě kinetické energie výsledných produktů slučování, kmitání atomů v molekule a ve formě vyzářených fotonů. Energie, která se musí z vyšetřovaného objemu, ve kterém se vytváří sloučeniny odvézt, aby teplota sloučenin zůstala konstantní (po skončení slučování) se nazývá standardní molární slučovací entalpie. Standardní označuje, že se jedná o chemickou reakci probíhající při standardním atmosférickém tlaku a teplotě 25 °C, přičemž výchozí látky jsou ve stavech, ve kterých se nacházejí při této teplotě a tlaku. Molární značí, že slučovací entalpie odpovídá takovému množství výsledných molekul, které obsahuje stejný počet částic jako jeden mol. Samozřejmě lze tuto honotu přepočítat i na energii v eV připadající na jednu molekulu sloučeniny. Hodnoty slučovacích entalpií vybraných sloučenin naleznete například v [13].

Změny orbitalů val. elektronů při slučování – dva extrémy

Při vzájemné ionizaci se mění orbitaly valenčních elektronů, přesněji se mění pravděpodobnost jejich polohy, kdy můžeme hovořit o dvou extrémech: 1. iontová vazba; 2. kovalentní vazba.

Iontová vazba
Akceptor
Donor
NaCl

1/2. U iontové vazby je rozložení pravděpodobné polohy valenčních elektronů pouze do valenční vrstvy jednoho atomu, takže z tohoto atomu vznikne aniont a z atomu, který o elektrony přišel kation. Takový typ vazby se nazývá iontová vazba. Vznik iontové vazby si lze představit jako chemickou vzabu mezi dvěma atomy různých prvků, z nichž jeden má nízkou hodnotu ionizační energie a druhý vysokou hodnotu elektronové afinity. Atom s nízkou ionizační energii se stane dárcem neboli donorem elektronu atomu s vysokou elektronovou afinitou, který je příjemce neboli akceptor). Takto se vytvoří z atomů ionty, které drží pohramadě elektrostatická síla. Slučovací entalpie v tomto případě odpovídá součtu rozdílu mezi elektronovou afinitou aniontu a ionizační energii kationtu a práce, která by se musela vykonat k odtržení kationtu od aniontu. Například vznik iontové sloučeniny kuchyňské soli NaCl (chlorid sodný) [10, s. 102] je výhodný pro sodík Na i chlor Cl, protože valenční orbital sodíku je s1 a chloru p5 – vznikne iontová vazba, kdy sodík předá jeden elektron chloru, a tím získá valenční vrstvu helia s2 a chlor přijetím elektronu získá valenční vrstu neonu p6, viz Rovnice 1137.

Slučovací rovnice iontové vazby
1137 Slučovací rovnice iontové vazby
Příklad vzniku molekuly kuchyňské soli a její energetická bilance. ΔH [eV] slučovací entalpie (v tabulkách se uvádí značka jednotky [kJ·mol-1], tj. slučovací energie při vzniku 1 molu molekul). (a) [eV] elektronová afinita chloru Cl; (b) [eV] ionizační energie sodíku Na; (c) [eV] práce potřebná k oddálení kationtu Na+ od aniontu Cl-. Všimněte si zápisu na levé straně rovnice, který není molekulovýcm vzorcem, ale strukturním vzorcem molekuly s iontovou vazbou.
13
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Kovalentní vazba
N2
H2

2/2. Typickou kovalentní vazbu tvoří dvojice dvou atomů stejných prvků, například již zmíněné sloučeniny dusíku N2 a kyslíku O2 apod. V těchto případech lze jen ztěží očekávat, že jeden atom se z nějaké příčiny stane aniontem a druhý kationtem. Stejný typ vazby vzniká při sloučení dvou atomů vodíku za vzniku molekuly H2. V takových molekulách se nevytváří anionty. Při kovalentní vazbě se mezi dvěma atomy vytvoří společná valenční vrstva dvou elektronů (od každého atomu jeden). Vzniklý molekulový orbital má největší pravděpodobnost výskytu elektronů právě uprostřed mezi oběma atomy. Molekulové orbitaly mají jiné tvary než orbitaly atomové. Elektrony v molekulových orbitalech mají menší energii, než měly v původních valenčních orbitalech – rozdíl je slučovací entalpie. I elektrony v molekulových orbitalech se párují, pokud je to možné. Právě počet párů elektronových orbitalů vyjadřují čárky ve strukturních vzorcích na Obrázku 1243, s. 5 (u iontových vazeb čárky nekreslíme). Jednotlivé vazby pak čteme jednoduchá kovalentní vazba (jedna čárka), dvojná vazba (dvě čárky) atd. Takže molekula H2 má jednoduchou kovalentní vazbu a strukturní vzorec H – H.

Polarita vazby a její vliv na krystalickou mřížku
H2O

O čistě kovalentních vazebách lze hovořit pouze při slučování stejných prvků, takže většina chemických vazeb je někde mezi čiště iontovou a kovalentní [24, s. 29], [29, s. 113]. Nerovnoměrné rozložení valenčních elektronů mezi atomy se projeví tzv. polaritou vazby (těžiště kladného náboje molekuly je výrazně posunuté od těžiště záporného náboje), čím je polarita výraznější, tím více se typ vazby blíží iontové a naopak kovalentní, takže dokonalá kovalentní vazba je bez polarity. Molekula s polaritou se v elektrickém poli natáčí tak, aby její kladný konec směřoval k záporně nabitému konci pole. Polarita vazby se projevuje při tvorbě krystalické mřížky, viz Obrázek 1246, s. 5, Obrázek 1247. Příkladem spíše kovalentní vazby, ale tentokrát s polaritou je molekula vody H2O – proto lze objem vody zahřát rozkmitáním molekul v proměnném elektrickém poli mikrovlné trouby.

Iontový krystal
1247 Iontový krystal
Iontový krystal vytváří sloučeniny s iontovou vazbou (s velmi vysokou polaritou). V iontovém krystalu je aniont obklopen šesti kationty – zde nakreslen jen půdorys se čtyřmi sousedy, další jsou nahoře a dole. Na obrázku je příklad iontového krystalu kuchyňské soli a menší koule představují kationty sodíku.
Elektronnegativita
Cs
F

To jak velká polarita vazby vznikne lze predikovat pomocí veličiny zvané elektronnegativita [19, s. 16], kterou má každý prvek jinou a pohybuje se v rozmezí 0,7 (Cs) až 4,0 (F). Ušlechtilé plyn mají elektronnegativitu sice rovnu nule, ale jinak svým průběhem hodnoty elektronnegativity většinou kopírují průběh ionizační energie na Obrázku 1186, 8, takže prvky s podobnými ionizační energií tvoří vazby s malou polaritou a naopak. Obecně lze říci, že dva prvky se vzájemným rozdílem elektronnegativity větším jak 2 vytvoří nejpravděpodobněji už iontovou vazbu [24, s. 30].

14
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

plyn mají elektronnegativitu sice rovnu nule, ale jinak svým průběhem hodnoty elektronnegativity většinou kopírují průběh ionizační energie na Obrázku 1186, 8, takže prvky s podobnými ionizační energií tvoří vazby s malou polaritou a naopak. Obecně lze říci, že dva prvky se vzájemným rozdílem elektronnegativity větším jak 2 vytvoří nejpravděpodobněji už iontovou vazbu [24, s. 30].

Slučování molekul
Čpavek
Amonný kation

I molekuly mohou být ionizované. Například z molekuly čpavku NH3 lze vytvořit amonný kation NH+4 přidáním kationtu H+ je pak snadno pochopitelné, že celá molekula NH+4 může vytvořit iontovou vazbu, například s aniontem chloru Cl-, a tak vznikne molekula salmiaku NH+4Cl-, viz Vzorec 1245.

Strukturní vzorec salmiaku
1245 Strukturní vzorec salmiaku
V tomto případě se jedná už o prostorově složitější molekulu, proto se musí ve vzorci vyznačit velikost vazebných úhlů kovalentních vazeb vodíku, zesílená a přerušovaná vazebné čárky zvýrazňují prostorovou orientaci vodíku (jeden je více v popředí a druhý v pozadí – navíc existují sloučeniny se stejným molekulovým vzorcem, ale jiným prostorovým uspořádáním, proto je nutné polohu umět ve strukturním vzorci rozlišit [29, s. 214]). Aniont chloru je uveden vedle molekuly NH+4, aby bylo zřejmé, že chlor je vázán na celou molekulu NH+4. Salmiak vytváří iontový krystal střídáním iontů podobně jako sůl na Obrázku 1247, s tím rozdílem, že molekulový kation NH+4 je mnohem větší než kation Na+, takže jeden kation NH+4 obklopuje osm aniontů chloru.
1188 Úloha
Nalezněte hodnoty slučovacích entalpií pro molekuly soli a vody. Hodnoty převeďte na eV na molekulu. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1188, s. 39.
 

Vznik a rozklad molekul

Vznik molekuly rozkladem jiných molekul
HCL

Kolem nás jsou molekuly sloučenin i ionty a jak už bylo naznačeno výše nové molekuly vznikají většinou na úkor jiných. Názorným příkladem je vznik sloučeniny HCl (chlorovodík) popsané ve Vzorci 1136. Výsledná slučovací energie je pak snížena o energii, která je potřeba k rozbití zdrojových molekul.

Vznik chlorovodíku
1136 Vznik chlorovodíku
(a) jedna z možných souhrnných reakcí při vzniku sloučeniny HCL; (b) sloučení dvou atomů vodíku; (c) sloučení dvou atomů chloru; (d) teoreticky možná reakce při vzniku HCL. Vodík a chlor se při standardní teplotě a tlaku nachází jako sloučeniny H2, respektive Cl2 v plynném skupenství a při reakci na molekulu HCl se tyto molekuly musí nejdříve rozbít, což spotřebuje stejné množství energie jaká se uvolnila při jejich tvorbě. Skutečná energie chemické vazby HCl je tedy blíže reakci (d), kde už energie pro rozbití molekul H2 Cl2 odpadá. Existuje ještě reakce iontů vodíku H+ Cl-, které lze vyrobit odděleně. Při takové reakci se opět vytvoří kovalentní vazba a uvolní energie 14,46 eV [25], ve které se projeví "návrat" ionizační energie vodíku a ztráta první elektronové afinity chloru.
Rozklad sloučenin
Disociace

Rozklad sloučeniny se odborně nazývá disociace. Pro rozbití sloučeniny potřebujeme minimálně energii odpovídající slučovací entalpii (záleží v jakém skupenství se látka nachází), přičemž jsou tři reálné způsoby jak to udělat (teoreticky k rozbití molekuly lze použít i silné elektrické napětí): 1. disociace zářením; 2. disociace zvyšováním teploty; 3. disociace jinou sloučeninou.

15
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

entalpii (záleží v jakém skupenství se látka nachází), přičemž jsou tři reálné způsoby jak to udělat (teoreticky k rozbití molekuly lze použít i silné elektrické napětí): 1. disociace zářením; 2. disociace zvyšováním teploty; 3. disociace jinou sloučeninou.

Disociace zářením
Cl2

1/3. První způsob disociace je pomocí fotonu o příslušné energii, který vychýlí elektron v orbitalu, a tím, dojde buď k zániku iontu u iontové vazby, nebo molekulového orbitalu kovalentní vazby. Například molekuly Cl2 disociují za denního světla, které obsahuje fotony o dostatečné energii (viz Úloha 1) nebo zahřátím na 200 °C (to je také příčina proč reakce vzniku chlorovodíku neprobíhá za tmy a teplotě 25 °C [5, s. 120]).

Disociace zvyšováním teploty
Cl2

2/3. Disociaci sloučeniny v plynném skupenství lze dosáhnout i prostým zvyšování teploty sloučeniny, protože s teplotou roste kmitání atomů v molekule, které při jisté teplotě dosáhne kritické energie disociace.

Disociace jinou sloučeninou

3/3. Posledním způsobem je disociace sloučniny jinou sloučeninou nebo atomem.

Produkty disociace
Radikály

Produkty disociace (molekuly i atomy), které mají potenciál dále reagovat se svým okolím (jsou reaktivní) nazýváme radikály.

Rozdíly ve vazbách z pohledu disociace
Léčiva

Rozdíl mezi iontovými a kovalentními vazbami není pouze v polaritě, ale i velikosti vazebné energie, která je u iontových vazeb mnohem vyšší než u kovaletních. Některé sloučeniny s kovalentní vazbou s malou vazebnou energií je dokonce nutné chránit i před světlem jehož fotony mohou mít disociační energii (vzpoměňme na upozornění na obalech některých léčiv). Kovalentní vazby jsou typické pro biologické procesy, protože je lze skládat a rozbíjet s malým množstvím energie, ale iontové vazby jsou typické pro neživou přírodu (těžko rozložitelné minerály). Populárně naučnou formu o rozdílech v [10].

Zrychlování a zpomalování chemických reakcí
Katalyzátor
Katalyza

Již jsme napsali, že vyšetřovaná chemická reakce probíhá při určité teplotě a tlaku, ale při promíchaní zdrojových látek probíhají chemické reakce i při nižších parametrech, ale nesmírně pomalu a pro velmi rychlou reakci je potřeba teplota (viz rychlá versus pomalá oxidace a teploty hoření1.). Ale rychlost reakcí lze urychlit i jinak, prostřednictvím katalyzátoru. Katalyzátor je látka, která je přítomna v určité koncentraci v objemu výchozích produktů vyšetřované chemické reakce, ale z této reakce vychází nezměněna (podle [18, Slova vědy, s. 131] v průběhu reakce dochází ke změnám ve struktuře katalyzatoru, ale ten se vrátí po ukončení reakce do původního stavu). Pro každou reakci je vhodný jiný katalyzátor – reakci ovlivňuje svým složením a strukturou, a existují látky i s opačným efektem (reakci zpomalují). Působení katalyzatoru (katalýza – reakce za přítomnosti katalyzatoru) si lze představit jako působení gravitace na rychlost jízdy z kopce. Katalyzátory jsou velmi důležité pro zajišťování chemických reakcích v živých buňkách, viz podkapitola Transformace energie v živé buňce1..

16
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

reakcích v živých buňkách, viz podkapitola Transformace energie v živé buňce1..

 

Podobnosti prvků při slučování

Predikce reakce prvku při slučování

Vlastnosti prvků při slučování lze predikovat z jejich naměřené ionizační energie, počtu protonů, respektive elektronů v atomu a z elektronové konfigurace valenční vrstvy, kterou lze také většinou predikovat z pozice prvku v rámci periody, tedy opět z Obrázků 1186, s. 8 a 1138, s. 11.

Periodická tabulka prvků

Mnohem přehlednější než zmíněné obrázky je periodická tabulka prvků [10], ve které jsou prvky jednotlivých period vypsány na řádky (sedm period=sedm řádků). V rámci řádku se prvky posunou tak, aby ve vzniklých sloupcích byly vždy prvky se stejnou konfigurací valenční vrstvy, tedy prvky s podobnými vlastnostmi při slučování (izotopy jednoho prvků mají stejné chemické vlastnosti, protože mají stejnou konfiguraci valenční vrstvy). Vzniklé sloupce se nazývají skupiny, viz Obrázek 1156.

Periodická tabulka prvků
1156 Periodická tabulka prvků
Vodík se obvykle neumisťuje na první pozici prvního řádku, ale mimo tabulku pro jeho vyjímečné postavení. V poli prvku je uvedeno protonové číslo prvku, jeho mezinárodní označení a typ orbitalu valenčního elektronu. Odstín v poli prvku udává ionizační energii valenčního elektronu. a oblast velmi reaktivních prvků (malá hodnota ionizační energie, takže vytváří velmi snadno kationty a tedy i snadno reagují se svým okolím a dokonce při styku s vodou hoří1. [21, s. 25]); b prvky s velkou ionizační energií, které za normálních okolností nevytváří kationty, s okolními molekulami reagují jen za speciálních podmínek (za normálních podmínek se jedná o plyny, proto se jim říká ušlechtilé plyny). Tabulka obsahuje jen prvních 99 nejlehčích prvků.
Prvky s nízkou ionizační energii
Kov
Al, Po

V periodické tabulce prvků zobrazené na je dobře patrná hranice mezi kovy a nekovy (přibližně diagonála mezi hliníkem Al a poloniem Po) – odtud plyne základní vlastnost kovů, protože kov je prvek, který dobře uvolňující elektrony, vodič elektřiny, jeho povrch je lesklý, protože na povrchu jsou volné elektrony, od kterých se odráží světlo.

17
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

povrch je lesklý, protože na povrchu jsou volné elektrony, od kterých se odráží světlo.

Podobnost chemických vlastností prvků
Lanthanoidy
Aktinoidy

Všechny prvky nějaké skupiny budou podobně reagovat s prvky jiné skupiny, protože mají v rámci skupiny stejnou konfiguraci valenční vrstvy. Obecně ale také platí, že prvky s podobnou ionizační energií a stejnou konfigurací valečních elektronů mají i velmi podobné chemické vlastnosti ať se nacházejí v tabulce kdekoliv. Rozdíl při chemické reakci se často projeví pouze ve vlastnostech spojených s hmotnosti a velikosti atomu. Atomy těžšího prvku při stejné kinetické energii uvolněné při chemické reakci budou pomalejší "méně mrštné" než atomy lehčího prvku, a tak budou reagovat pomaleji. Úplně nejtěžší je chemické odlišení prvků s podobnými ionizačními energie i konfiguraci valenční vrstvy v rámci řádku, což je patrné u prvků s protonovými čísly 58-71 (tzv. lanthanoidy) a 90-99 (tzv. aktinoidy).

Jak predikovat existenci sloučenin

Na základě řazení prvků v periodické tabulce lze predikovat existenci stabilních sloučenin na základě vzorové molekuly sloučeniny, například jeli vzorem molekula vody H2O, pak lze predikovat existenci takových sloučenin, které budou mít stejný molekulový vzorec akorát místo kyslíku mohou obsahovat jakýkoliv prvek ze stejné skupiny, tedy H2S, H2Se... viz Tabulka 1248. Tímto způsobem lze predikovat i mnohem větší sloučeniny.

1248 Příklady predikce sloučenin na základě vzorové sloučeniny
H2O H2S H2Se H2Te H2Po
Na+Cl- Na+F- Na+Br- Na+I- ?Na+At-?
NH+4Cl- NH+4F- NH+4Br- NH+4I- NH+4At-
Fe3C Fe3Si Fe3Ge ?Fe3Sn? ?Fe3Pb?
? potvrzenou existenci se autorovi nepodařilo dohledat. Samozřejmě lze zaměňovat i prvek na prvním místě ve vzorci za jiný prvek v dané skupině.
Využití podobnosti při hledání levnějších variant sloučenin

Zejména u víceatomárních molekul lze záměnou jednoho prvku za jiný ze stejné skupiny dosáhnout velmi podobných vlastností, ale například tím snížit složitost výroby nebo cenu výroby (subtitut primárního prvku může být levnější). Takový přístup je znám především v metalurgii a farmacii.

Záměny prvků v živých organismech
Ca, Sr
ATP, As
CO2, SiO2

Podobnost chemických vlastností prvků je dobře patrna na některých sloučeninách důležitých pro život. Například v těle může být vápník Ca lehce nahrazen stronciem Sr, ale stroncium nemá všechny vlastnosti vápníku, takže nemůže úplně plnit jeho funkci v těle, a navíc je stroncium v přírodě radionuklid. Dalším příkladem je molekula ATP1., ve které může být velmi důležitý atom fosforu nahrazen atomem arsenu, ale opět arsen nemá všechny potřebné vlastnosti fosforu (nelze ho dostat z krve stejným způsobem jako fosfor [21. s. 51]) a molekula ATP je tím znehodnocena [10, s. 24] apod. Také se zaměněné prvky mohou při teplotě lidského těla vyskytovat v jiných skupenstvích než původní prvek. Například plíce mohou zaměnit molekulu CO2 za SiO2, které mají podobné chemické vlastnosti, ale SiO2 je v plynném stavu až od 2200 °C, takže zůstává v plicích (absorbují je plicní sklípky jako CO2) a člověka mohou zadusit [21, s. 42].

18
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

které mají podobné chemické vlastnosti, ale SiO2 je v plynném stavu až od 2200 °C, takže zůstává v plicích (absorbují je plicní sklípky jako CO2) a člověka mohou zadusit [21, s. 42].

Mendělejova tabulka prvků

To, že některé prvky reaguji podobně nebo, že je lze separovat pomocí stejných chemických reakcí si všimlo spoustu chemiků, ale až ruský vědec (1834-1907) Dmitrij Mendělejev vytvořil životaschopný systém jejich řazení v tabulce [10] právě do skupin podle toho jak se při reakcích chovají. V mendělejově době nebyly přirozeně známy všechny prvky ani jejich ionizační energie a protonová čísla (pouze relativní hmotnosti jejich izotopů), takže původní tabulka (Mendělejova tabulka prvků) vypadala trochu jinak, ale díky očividným mezerám mezi prvky byly objeveny nové prvky a byla důležitým poznatkem k pochopení mechanismů chemických reakcí.

 

Jádro atomu a jeho stabilita

Proč mohou v jádře koexistovat vedle sebe protony?
Silná interakce
Proton
Neutron

Sklaba jádra atomu už není tak jednoduchá jako skladba jeho obalu. Zapomeneme-li na nejednodušší prvek vodík pouze s jedním protonem v jádře, skládá se jádro atomu s kladně nabitých částic protonů a elektricky neutrálních neutronů. Složitost spočívá v tom, že kladně nabité protony se odpuzují, a aby se tedy protonové jádro neroztrhlo musí existovat jiná síla (přitažlivá), která protony udrží u sebe. Tato síla se nazývá silná interakce. Síla silné interakce pochází z protonu a neutronu, který je složen z ještě menších částic (kvarky), které se navzájem přitahují, proto se přitahují navzájem i protony (částice, které kvarky neobsahují tuto sílu nevnímají). Silná interkace je síla, kterou nelze pozorovat v mekrosvětě a i v rámci velikosti jádra má malý dosah (pouze do vzdálenosti několika průměrů protonů). Je to síla svým postavením v přírodě jedinečná jako síly gravitační a elektrostatické a působí i na neutrony, protože neutron se skládá z protonu a elektronu. Ale i když je proton považován za stabilní částici (která se sama od sebe nerozpadne), lze ho rozbít. Rozbít ho lze například srážkou s dalším protonem o velmi vysoké kinetické energii, jak již bylo zmíněno v úvodu tohoto článku.

Role neutronů v jádrech
Rozpad velmi těžkých jader
92U

Silná interkace sama o sobě ke stabilitě jádra nestačí, protože podobně jako v případě elektronů v obalu se jádro nechází v různých energetických stavech. Tento stav se projevuje neustálými pohyby nukleonů v jádře vysokou rychlostí. Protože silná interakce výrazně převáží nad elektrickými silami až od jisté vzájemné vzdálenosti protonů vznikají mezi protony volné prostory. Bez existence neutronů, které zaplňují prostor mezi protony a zvyšují soudržnost jádra díky svému příspěvku silné interakce, by se jádra velmi rychle rozpadala při sebemenší příležitosti (pohlcení kvanta energie) – právě odtud plyne vlastnost. Krátky dosah silné interkace také odpovídá na otázku, proč se prvky těžší jak 92U (velké vzdálenosti nukleonů) velmi rychle rozpadají, proto se v zemské kůře prakticky nevyskytují.

19
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

Krátky dosah silné interkace také odpovídá na otázku, proč se prvky těžší jak 92U (velké vzdálenosti nukleonů) velmi rychle rozpadají, proto se v zemské kůře prakticky nevyskytují.

Energie potřebná k rozbití jádra
Vazebná energie

To jak to v jádru atomu musí "vřít" ukazuje závislost vazebné energie nukleonů na jejich počtu. Vazebná energie jádra představuje práci, kterou je potřeba vykonat k oddálení všech nukleonů z jádra, tak aby se už vzájemně nepřitahovaly (při této práci se překonává síla silné interakce). Vazebná energie jádra roste s početem nukleonů, ale díky krátkému dosahu silné interakce množství vazebné energie připadající na jeden nukleon v jádře dosahuje maxima při nukleonovém čísle 56, viz Obrázek 71.

Přibližný trend změny vazebné energie připadající na jeden nukleon jádra atomu
71 Přibližný trend změny vazebné energie připadající na jeden nukleon jádra atomu
eV [MeV] vazebná energie v jádře atomu připadající na jeden nukleon. eV nejprve rychle roste (největší skok je od deuteronu k 4He), pak je zhruba stejně velká (nasycení jaderných sil), maximum má železo 5626Fe a u těžších jader opět klesá následkem elektrického odpuzování. Křivka udává jen hrubý trend, skutečné hodnoty drobně kolísají podle toho, jak je počet protonů a neutronů blízko k tzv. magickým číslům, je-li sudý nebo lichý apod. Zdroj dat [4, s. 305].
Pohyby v jádře a jeho možný rozpad
Radioaktivní přeměna

Z obrázku se může zdát, že jádro musí být vždy stabilní, jestliže jeho vazebná energie je kladná. Nedostatkem posledního grafu je ovšem skutečnost, že se jedná a průměrné hodnoty, ve skutečnosti je vazebná energie mezi nukleony rozložena nerovnoměrně. Tuto nerovnoměrnost rozložení vazebné energie způsobuje pohyb nukleonů v jádře, při kterém se jádro nejen přeskupuje, ale mezi nukleony se energie i sdílí a může se stát, že jeden či skupinka nukleonů získá výrazně větší energii, než je průměrná vazebná energie. Takové přelévání energie v jádru se děje ve všech atomech (samozřejmě, kromě lehkého vodíku), ale pouze u některých kombinací počtu nukleonů může dojít k tomu, že nerovnoměrné rozložení energie v jádře v jistých okamžik povede k jeho rozpadu nebo vyzáření energie ve formě fotonů a poklesu energie jádra. O atomech, u kterých je možné, že dojde k posledně zmíněné události říkáme, že jsou radioaktivní a onu událost proto nazýváme radioaktivní přeměna.

20
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
 

Radioaktivita

Definice

Radioaktivita je vlastnost některých jader atomů samovolně se rozpadat (přeměňovat) na jádra menší nebo při deexcitaci jádra vyzařovat záření. Při tomto procesu se uvolní část vazebné energie jádra ve formě fotonů a kinetické energie produktů radioaktivní přeměny.

 

Poločas přeměny

Predikce okamžiku přeměny jader v souboru radionuklidů

Okamžik radioaktivní přeměny radionuklidu nelze přesně stanovit. U známých radiaonuklidů lze pouze stanovit, na základě statistiky, dobu, za kterou ve vyšetřované množině obsahující jeden druh druh radionuklidu proběhne radioaktivní přeměna přesně u poloviny atomů. Tato doba se nazývá poločas přeměny, která je definována Vzorcem 536.

Přeměnová konstanta a výpočet úbytku radioaktivních jader
536 Přeměnová konstanta a výpočet úbytku radioaktivních jader
λ [s-1] přeměnová konstanta (např. λ=1·10-2 s-1 znamená, že ve velkém souboru atomů daného radionuklidu každou vteřinu proběhne radioaktivní přěměna u 1 % z přítomného počtu radionuklidů); A+ [1·s-1; Bq] aktivita (počet radioaktivních přeměn za vteřinu); R [-] počet přítomných atomů radionuklidu – dR tedy znamená úbytek počtu přítomných radionuklidů v důsledku radioaktivních přeměn jeho jader; T1/2 [s] poločas přeměny; n [mol] látkové množství atomů radionuklidu; NA [mol-1] Avogadrova konstanta; ΔR [-] úbytek počtu radiokativních jader ve vyšetřované množině; R0 [-] počet radioaktivních jader na počátku sledování; τ [s] doba, která uplynula od počátku sledování. Vzorec pro výpočet úbytku radioaktivních jader ve vyšetřovaném souboru je odvozen v Příloze 536, s. 37.
Predikce okamžiku přeměny konkrétního jádra není možná

Poločas přeměny je statistickou veličinou odovzenou pro velký soubor atomů radionuklidu, takže v případě dvou atomů radionuklidu automaticky neplatí, že u jednoho z nich dojde po uplynutí poločasu přeměny k radioaktivní přeměně se 100% pravděpodobností, ale 50% pravděpodobností atd.

Biosféra je na radionuklidy velmi chudá
Tritium

Poločasy přeměny některých radionuklidů jsou tak krátké, že je v přírodě nenajdeme, protože jejich jádra se rozpadla. Například již zmíněné tritium má poločas přeměny přibližně 12,32 let. V současné době jsme ale schopni některé radionuklidy vyrobit, jak si níže dále popíšeme. Velmi krátký poločas přeměny je hlavní problém při výrobě těžších prvků. Ty se obvykle vyrábí tak, že se do jádra těžkého radioaktivního izotopu přidávají protony a neutrony, přitom tento proces musí být výrazně rychlejší než poločas přeměny.

Rozpad elementárních částic
Neutron
Proton, Elektron

Přeměnám podléha i neutron, jeho střední délka života mimo jádro je 881,5 s a uvnitř jádra se může za určitých okolností rozpodanout na proton a elektron viz dále. U protonů a elektronů zatím nebyl zaznamenán samovolný rozpad.

21
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
 

Druhy radioaktivních přeměn

Radioaktivní přeměny se změnami a beze změn počtu nuklidů

Ne každá radioaktivní přeměna vede nutně k rozpadu jádra, respektive ke snížení počtu nuklidů v jádře. Existují radioaktivní přeměny, při kterých jádro pouze vyzáří fotony nebo dojde k tzv. transmutaci jádra, při které se nemění nukleonové číslo, ale pouze počet protonů v jádře [1, s. 31].

Tři druhy záření a rad. přeměn

Při radioaktivní přeměně příjde jádro o část své energie, kterou vyzáří ve formě jednoho z typů záření. Ernest Rutherford pojmenoval tyto tři druhy záření podle písmen řecké abecedy jako záření α (letící jádro He), záření β (letící elektron) záření γ (což je foton) [14, s. 97]. Podle druhu převažujícího záření se označují nejčastější typy radioaktivních přeměn také jako α, β, γ.

α přeměna

α přeměna se vyskytuje u přirozených i umělých radioaktivních nuklidů těžkých prvků, kde se v jádru projevuje silné odpuzování protonů (nízký počet neutronů). Při této přeměně jádro emituje (vyzáří) shluk dvou protonů a neutronů (jádro helia), například podle Vzorce 540.

Příklad α přeměny
540 Příklad α přeměny
α jádro Helia, též částice α-záření.
β přeměna

β- přeměna vzniká při přeměně neutronu v jádře radionuklidu na proton, například při radiokarbonové metodě datování se využívá β přeměny podle Vzorce 538.

Příklad β<sub>-</sub> přeměny
538 Příklad β- přeměny
ν-e antineutrino. Této přeměny se využívá při stanovování stáří odumřelých organismů. Radionuklid 14C vzniká v horních vrstvách atmosféry reakcí kosmického záření s dusíkem. Tento radionuklid se prostřednictvím molekuly CO2 dostává do živých organismů. Díky metabolismu organismu se neustále uhlík v organismu vyměšuje a zase přijímá. Po odumření organismu se tato výměna zastaví a radionuklid 14C se rozpadá s poločasem přeměny 5730 let na izotop dusíku 14N podle uvedené rovnice. Z poměru obsahu izotopů 14C a 14N v odumřelém organismu lze tedy určit dobu, kdy organismus zemřel.
β+ přeměna
Pozitron

Mimo přeměny β-, kdy se uvolňuje z jádra elektron se vyskytuje i přeměna přeměna β+, kdy se uvolňuje z jádra kladně nabitý elektron zvaný pozitron. Tento typ přeměny se vyskytuje u radioaktivních nuklidů připravených (umělých) jadernými reakcemi. Vzniká při přeměně nadbytečných protonů v jádře na neutron, elektron a neutrino, například podle Vzorce 539.

Příklad β<sub>+</sub> přeměny
539 Př. β+ přeměny
e+ pozitron – opačně nabitý elektron (částice β+-záření); νe neutrino.
Rad. přeměna bez změny počtu jednotlivých nuklidů

Jádra, která vzniknou radioaktivní přeměnou se velmi často vyskytují v excitovaném stavu, protože po změnách v počtu nebo typu nukleonů v jádře se nemusí nukleony vyskytovat v nejnižších možných energetických stavech. Následuje proto reorganizace nukleonů do energeticky výhodnějšího stavu – deexcitace jádra. Přitom dojde k emisi fotonů s energiemi v řádech výšších jak 104 eV (γ záření46.). Emise γ může být velice opožděná za předchozí radioaktivní přeměnou, respektive má vlastní poločas přeměny nezávislý na poločasu předchozí přeměny. Nuklid v excitovaném stavu s delším poločasem přeměny γ se nazývá jaderný izomer.

22
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Deexcitace jádra
γ přeměna
Jaderný izomer

nukleonů do energeticky výhodnějšího stavu – deexcitace jádra. Přitom dojde k emisi fotonů s energiemi v řádech výšších jak 104 eV (γ záření46.). Emise γ může být velice opožděná za předchozí radioaktivní přeměnou, respektive má vlastní poločas přeměny nezávislý na poločasu předchozí přeměny. Nuklid v excitovaném stavu s delším poločasem přeměny γ se nazývá jaderný izomer.

 

Ionizující záření

Definice
Excitace

Za jistých podmínek mohou látky vyzařovat mnohem větší energii v různýh formách, než odpovídá jejich teplotě. Pokud je vyzářená energie tak vysoká, že je schopna při průchodu prostředím atomy a molekuly v tomto prostředí ionizovat a excitovat (to znamená, že tato energie způsobí změny v elektronovém obalu atomu nebo dokonce změny v jádře atomu), potom se toto záření nazývá ionizující záření. Každé prostředí je jinak odolné, takže jistý druh záření v jednom prostředí, nemusí být bráno jako ionizující, ale v jiném méně odolném prostředí už za ionizující být považováno může.

Příklady ionizujícího zaření a jeho forem
Foton
Elektron
He
Neutron

Ionizujícím zářením může být, např. záření elektromagnetické (energie ve formě fotonů), záření elektronové (energie ve formě kinetické energie elektronů) neboli β-, které lze vytvořit i v urychlovačích elektronů, záření pozitronové neboli β+, záření těžkých kladných částic neboli α (energie ve formě kinetické energie nukleonového jádra He), záření neutronové (energie ve formě kinetické energie neutronu), které vzniká v jaderných reaktorech, při samovolném štěpení jader atomů, v neutronových generátorech apod.

Často chybný termín radioaktivní záření

Pro ionizující záření se vžily i názvy jaderné nebo radioaktivní záření. Jaderné je věcně správný avšak zahrnuje pouze ionizující záření vzniklé v jádrech atomu. Radioaktivní je ale chybný, protože ionizující záření samo o sobě není radioaktivní (je už produkt radioaktivity). Výjimkou je záření neutronové, protože volné neutrony se po několika minutách rozpadají za vzniku ionizujícího záření.

 

Zdroje ionizujího záření

Zdroje přírodní i umělé
Kosmické záření
Elektromagnetické pole Země
Ionizace atmosféry

Nejčastějším zdrojem ionizujícího záření byvají radioaktivní přeměny na Zemi (přírodní i umělé) a kosmické záření přicházející z okolního vesmíru, které vyzařují hvězdy a jiné aktivní útvary po zhroucení hvězd a naše Slunce. Mezi kosmické záření patří i slabé reliktní záření pocházející z období vzniku vesmíru. Kosmické záření je z drtivé většiny zachyceno elektromagnetickým polem Země a molekulami atmosféry Země, proto je ve vyšších vrstvách atmosféry tolik iontů [10, s. 25]. Kosmické záření nemá energii dostatečnou k tomu, aby proniklo až k jádrům atomů a viditelné světlo pro většinu látek ionozujícím zářením vubec není, poněvadž má malou energiii viz Úloha 1176, s. 9.

23
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

dostatečnou k tomu, aby proniklo až k jádrům atomů a viditelné světlo pro většinu látek ionozujícím zářením vubec není, poněvadž má malou energiii viz Úloha 1176, s. 9.

 

Výpočet dávky ionizujího záření

Množství obdržené energie v ion. záření
Gray

Prostředí, které pohltí ionizující záření získá energii ε [J], což je energie sdělená látce. Dávka záření je veličinou vyjadřující velikost sdělené energie na 1 kg látky. Jednotkou dávky záření je 1 Gy (Gray), přičemž 1 Gy znamená energii 1 joulu absorbovanou 1 kg látky, viz Vzorec 84.

Dávka záření
84 Dávka záření
D [J·kg-1] dávka záření; ε [J] energie sdělená látce; m [kg] hmotnost látky.
Energetický příkon

Rychlost s jakou je energie látce sdělována vyjadřuje dávkový příkon, viz Vzorec 535.

Dávkový příkon
535 Dávkový příkon
D [Gy·s-1; W·kg-1] dávkový příkon; t [s] čas.
 

Účinky ionizujícího záření

Účinnost pohlcování závisí na druhu záření i látce
Vzduch
Olovo

Účinky ionizujícího záření závisí na dávkovém příkonu, který nemusí nutně odpovídat výkonu zdroje záření směrem k vyšetřovanému objemu ozařované látky, protože závisí na tom, jak účinně je záření pohlcováno. Například α záření je zcela pohlceno vrstvou vzduchu o tloušťce 10 cm, β záření je zcela pohlceno vrstvou vzduchu o tloušťce 20 cm (je tedy pohlcováno méně účinněji než α záření) a energie γ záření se sníží na 10 000 000-1 původní úrovně až po průchodu 35 cm tlustou vrstvou olova [7, s. 97 až 99]. Samotný účinek, tedy to jak se projeví pohlcení ionizující záření, také zavísí na druhu záření a ozařované látce.

Biologické účinky ionizujícího záření
Buňka
Mutace DNA
Atomární smrt

Pozorovatelné účinky ionizujícího záření mají svůj počátek vždy v dějích, které ionizující záření vyvolává v buňkách (rozklad sloučenin). Zpravidla platí, že buňky, které se nedělí (nerozmnožují) nebo se dělí pomalu jsou odolnější, než buňky, které se dělí rychleji (vlasy) – přesněji pravděpobnost, že se mutace rozšíří je u buněk s nižší frekvencí dělení menší. Nejzávažnější jsou změny v DNA. Jakýkoliv zásah do biochemického cyklu DNA má za následek selhání buněk, které přestanou vytvářet potřebnou bílkovinu nebo dokonce mohou vytvářet bílkoviny, které jsou pro tělo cizí nebo dokonce toxické. Biologické účinky ionizujícího záření závisí na dávce záření a době za jakou je tělu sděleno, ovšem při dávkách >103 Gy hynou buňky již během ozařování v důsledku rozkladu molekul (atomární smrt).

24
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Zvětšení schopnosti likvidovat mutace
Frakcionace dávky

Buňky však mají jistou schopnost poškození opravit. Prakticky to znamená, že při určité dávce je poškození organismu menší, je-li dávka buď rozprostřena rovnoměrně na delší dobu, nebo rozdělena na několik menších dávek s časovými prodlevami mezi nimi (frakcionace dávky).

Dopady jednotlivých druhů ion. záření na organismus
Jakostní faktor
Dávkový ekvivalent

Účinek na tkáň podstatně závisí také na druhu ionizujícího záření. Např. neutrony způsobí v živé tkání větší „škodu“ než elektrony a částice α zase větší škodu než neutrony. Biologická účinnost jednotlivých druhů záření se vyjadřuje pomocí tzv. jakostního faktoru. Dávka záření vynásobená jakostním faktorem se nazývá dávkový ekvivalent a jeho jednotkou je Sievert [Sv; J·kg-1] [2, s. 144]. Dávkový ekvivalent tedy zahrnuje fyzikální veličinu dávka záření, druh záření a míru vlivu na danou tkáň v porovnání s fotonovým zářením.

Výpočet přibližných dopadů ionizujícího záření

V praxi se jakostní faktor velmi špatně určuje a pro přibližné, ale dostatečné, určení účinků ionizujícího záření na lidský organismus se místo dávkového ekvivalentu používá veličina zvaná ekvivalentní dávka definovaná Vzorcem 1250.

Ekvivaletní dávka
1250 Ekvivaletní dávka
HT [Sv] ekvivalentní dávka; wR [1] radiační váhový faktor, viz Tabulka 1251.
1251 Radiační váhové faktory
druh záření WR         druh záření WR
fotony a elektrony všech energií 1         neutrony o energii 0,1...2 MeV 20
neutrony o energii 10 keV 5     neutrony o energii 2...20 MeV 10
neutrony o energii 10...100 keV 10     α záření 20
wR [1]. Zdroj dat [1, s. 145].
Dopady ekvivalentní dávky na různé orgány
Efektivní dávka
Tkáňový váhový faktor

Abychom se s výpovědní hodnotou ekvivalentní dávky přiblížili skutečnému dávkovému ekvivalentu musíme ještě přepočítat ekvivalentní dávku na tzv. efektivní dávku. Efektivní dávka je hodnota ekvivalentní dávky vynásobená tkáňovým váhovým faktorem příslušný zasaženému orgánu, například pro žaludek je tento faktor 0,12 a pro kůži 0,01 [1]. Komplikovanost stanovení ekvivalentní dávky v lidském těle ilustruje Úloha 1249, s. 26.

Bilance ekvivalentních dávek lidského těla a limity

Ionizující záření má na organismus (lidský) převážně negativní vliv, jsou ale známy případy, kdy ionizující záření vyvolává v živých organismech změny pozitivní. Při nízké úrovni nelze zjistit žádné škodlivé účinky ionizujícího záření na lidský organismus. Ty se projevují až při ekvivalentních dávkách převyšujících 500 mSv. V České republice je zákonem stanoven nejvyšší přípustný limit ozáření běžného obyvatele během jednoho roku ve výši 5 mSv. Ekvivalentní dávka záření z přírodních zdrojů je kolem 2,5...3 mSv za rok, umělé zdroje (včetně jaderných zařízení) přispívají ročně jen zcela minimálně asi 0,01 mSv. Velice ovšem závisí do jakého období je dávka rozložena, jestli mezi jednotlivými dávkami je dostatečná doba pro regeneraci tkání atd., viz Obrázek 86, s. 26.

25
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Odezva lidského organismu na ozáření
86 Odezva lidského organismu na ozáření
PED [%] prahová ekvivalentní dávka, při které poškození organismu vlivem ionizujícího záření způsobí smrt; HT [Sv] ekvivalentní dávka (rovnoměrně zasažené celé tělo). Toto je graf pro případ, že je ekvivalentní dávka rovnoměrně rozložená na celé tělo. Kdybychom chtěli znát účinky pouze na konkrétní orgán, museli bychom znát graf závislosti efektivní dávky pro daný orgán. Podrobnější popis například v [1, s. 145].
Zdravotní reakce lidského těla na ionizující záření

Akutní nemoc z ozáření nastává po ekvivalentní dávce 12 Sv (závisí na individuální odolnosti). Následuje několik fázi onemocnění (nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, zvracení a různé závažné změny v krevním obrazu podle stupně ozáření). Poté následuje latence a poté padání vlasů, silná vnímavost vůči infekcím. Při ozáření ekvivalentní dávkou 6 Sv převládá hematologická (hematologické změny tj. změny v krvetvorbě jsou popsány v [9, s. 691]) forma nemoci pravděpodobnost přežití 20 %, při 10 Sv pravděpodobnost přežití se blíží k 0 %. Ozáření ekvivalentní dávkou 50 Sv způsobuje nervovou formu nemoci projevující se psychickou dezorientací a zmateností, křečemi a bezvědomím. Během několika hodin až dnů nastává smrt v důsledku oběhového kolapsu, zástavy dýchání a poruch mozku.

1249 Úloha
Alexandr Litviněnko zemřel na následky ozáření v roce 2006 poté co spolknul přibližně 10 μg radiaokativního polonia (izotop 210) [31, s. 195]. Vypočítejte: (a) jakou ekvivalentní dávku by obdrželo lidské tělo za 24 h po spolknutí čistého polonia (uvažujte izotop 210) – vyhodnoťte dopady při rovnoměrném zasažení celého organismu; (b) aktivitu pro případ čistého polonia a pro případ, kdy uplyne doba od výroby jeden rok. Za hmotnost těla dosaďte svou vlastní hmotnost. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1249, s. 39.
 

Jaderné reakce

Uvolňovaní energie při jaderných přeměnách
Skladování rad. látek
Radioizotopové generátory

Produkty radioaktivních přeměn mají energii. Zatím co při chemických reakcí se uvolňuje maximálně několik desítek eV na atom, tak při jaderných přeměnách se může uvolnit až několik miliónů eV na jeden atom. Energie uvolněná při radioaktivních přeměnách je problém například při skladování radioaktivního odpadu9. z jaderných elektráren – musí se chladit (část kinetické energie částic se nárazy transformuje na teplo). Naopak teplo z radioaktivních přeměn je využívano v radioizotopových generátorech1., kde se toto teplo využívá pro výrobu elektřiny či tepla například u strojů určené pro práci mimo Zemi.

26
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

generátorech1., kde se toto teplo využívá pro výrobu elektřiny či tepla například u strojů určené pro práci mimo Zemi.

Principy jaderných reakcí
Slučování
Štěpení
Změny vazebných energií

Mimo radioaktivních přeměn lze jádra atomu přetvořit pomocí jaderných reakcí. Známe dva druhy jaderných reakcí, při kterých dojde buď ke sloučení dvou jader neboli syntéze, nebo ke štěpení jádra. Typickým projevem jaderné reakce je uvolnění velkého množství energie ve formě kinetické energie produktů reakce a fotonů, kdy se uvolňují i stovky miliónů eV na reakci. Při slučování a štěpení atomových jader se energie uvolňuje tím, že se mění jejich vazebná energie. Z Obrázku 71, s. 20 je patrné, že energie se uvolňuje při zvyšování počtu nukleonů v jádře přibližně do izotopu železa 5626Fe, potom je nutné při zvyšování počtu nukleonů v jádře energii dodávat. Na druhou stranu při rozpadu jader těžších jak 5626Fe na dvě jádra lehčí budou mít tato nová jádra menší vazebnou energii, než původní jádro a energie se tedy uvolnila. Obě jaderné reakce člověk využívá, o čemž stručně pojednává následující text.

 

Jaderná syntéza

Podmínky jaderné syntézy
Plazma
Jen slunce a vodíková bomba
Termonukleární reaktor ITER

K tomu, aby se jádra prvků k sobě přiblížila a sloučila je zapotřebí velkých tlaků a teplot, protože za normálních podmínek mezi jádry působí odpudívá síla kladného náboje – přitažlivá síla silné interakce se projeví až při přblížení jader na vzdálenost několika průměrů nukleonu. Je samozřejmé, že při těchto teplotách se už atomy nachází ve formě plazmatu [22, s. 217-218] (důvod vysokých teplot je odstranění el. obalů a získání vysokých rychlostí pro zvýšení tlaku). Jaderná syntéza probíhá například v jádru Slunce2.. Člověk umí proces slučování jader nastartovat i uměle, a to zatím pouze u vodíkových bomb pomocí energie uvolněné nejprve při jaderném štěpení. Na mezinárodní úrovni se ale pracuje na zařízení (projekt ITER) pro řízenou syntézu jader vodíku (viz Rovnice 74) zvané termonukleární reaktor1. nebo také fúzní reaktor.

Některé rovnice jaderné syntézy
74 Některé rovnice jaderné syntézy
(a) úhrnná reakce jaderné syntézy lehkého jádra vodíku v jádru Slunce – Tato reakce je velice pomalá a mezi její levou a pravou stranou probíhá několik reakcí dílčích; některé z nich potřebují jako vstupní produkty jiná jádra (např. uhlík), a pak je nezměněna zase uvolní – tato jádra plní funkci katalyzátoru reakce [4, s. 313]; (b) jaderná syntéza deuteria – Tato reakce probíhá při nižších teplotách a tlacích a za kratší dobu, než je reakce lehkého vodíku, proto i technické řešení termonukleárních reaktoru by bylo méně náročné.; (c) jaderná syntéza deuteria s tritiem – Jedná se o nejrychlejší známou termojadernou reakci, současně s nějnižší počáteční teplotou [3, s. 22], proto první termojaderné reaktory budou pravděpodobně využívat k výrobě energie syntézu deuteria a tritia. Naproti tomu, u této reakce je kinetická energie jádra helia asi jen 3,5 MeV, zbývající kinetická energie 14,1 MeV je v kinetické energii neutronu (problém neutronového bombardování nádoby reaktoru, tím se sice kinetická energie neutronu přemění na tepelnou /zpomalí/, ale bombardovaný materiál mění vlastnosti a stává se radioaktivním).
27
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
bombardování nádoby reaktoru, tím se sice kinetická energie neutronu přemění na tepelnou /zpomalí/, ale bombardovaný materiál mění vlastnosti a stává se radioaktivním).
Vznik nejtěžších prvků
Vznik železa

Syntéza těžších prvků než vodíku případně helia už je natolik obtížná, že probíhá jen při extrémních tlacích a teplotách během exploze hvězd a například Fe nevzniklo, jak by se dalo předpokládat, slučováním, ale masivním bombardováním jader lehčích prvků neutrony, které se v jádře rozpadaly na protony a elelektrony [10, s. 58]. Prvky těžší než železo dokonce mohly vzniknout pouze zhroucením dávných hvězd a „okamžitým“ uvolněním obrovského množství energie.

 

Štěpení jader atomů

Základem je vytvoření silové nerovnováha v jadrech
Neutroné štěpení
Řetězová řízená/neřízená reakce

Při štěpení se původní těžké jádro rozštěpí (rozdělí) na dvě jádra, jejichž nukleonová čísla budou nižší. Štěpení probíhá vyvoláním silové nerovnováhy v jádru atomu, například pomocí neutronu, který je absorbován jádrem, přitom se mohou uvolnit další neutrony. Pokud uvolněné neutrony způsobí štěpení dalších jader sousedních atomů, potom nastala řetězová reakce. Pokud tato řetězová reakce není omezována, potom nastala neřízená štěpná reakce (např. u jaderné exploze). Jestliže množství rozštěpených jader v daném čase je regulováno, potom nastala řízená štěpná reakce, které se využívá především v jaderné energetice9. v zařízeních zvané jaderné reaktory9., ve kterých se transformuje jaderná energie na teplo.

Jak se dostat k jádru atomu
Neutron

Ostřelování jádra atomu za účelem jeho rozštěpení nemělo dlouho velký úspěch, dokud nebyl v roce 1932 britským fyzikem Jamesem Chadwickem (1891–1974) objeven neutron. Bombardováním atomů produkty radioaktivních přeměn, které do té doby byly objeveny, nebylo účinné, protože nedokaží proniknout k jádru. Elektron nepronikne přes elektronový obal, ani když je urychlený na kinetickou energii několika miliónů eV [22, s. 59]. Podobně dopadne i odstřelování jádra urychlenými protony nebo částicemi α-záření, protože mají kladný náboj jako jádro a to je odkloní [14, s. 160–161].

Vlastnosti neutronů při průniku do atomů
Pomalý neutron
Rychlý neutron

Neutron pronikne snadno elektronovým obalem a nereaguje odpudivě ani na kladně nabité jádro. Zvláště tzv. pomalý neboli termický neutron (protože jeho kinetická energie je srovnatelná s kinetickou energií plynů při dané teplotě) má velmi vysokou pravděpodobnost, že pronikne do jakéhokoliv jádra vyjma jader vodíku a helia [14, s. 218].

Pravděpodobnost zachycení neutronu jádrem a její zvyšování
Účinný průřez pro absorpci neutronu

Rychlost neutronu hodnotu pravděpodobnosti jeho zachycení jádrem velmi ovlivňuje, čím je větší, tím se pravděpodobnost zachycení snižuje. Neutrony po vypuzení z jádra mají ale obvykle mnohem větší energii v řádech milión eV a nazývají se rychlé neutrony. Pravděpodobnost absorbce neutronu v dané látce za daných podmínek jádrem určité velikosti je vyjádřena účinným průřezem pro absorpci neutronu, dále jen účinný průřez. Čím je účinný průřez jádra větší, tím větší je i pravděpodobnost absorpce neutronu jádrem. Rychlý neutron snadno uniká silám silné interakce.

28
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

průřezem pro absorpci neutronu, dále jen účinný průřez. Čím je účinný průřez jádra větší, tím větší je i pravděpodobnost absorpce neutronu jádrem. Rychlý neutron snadno uniká silám silné interakce.

Po absorpci neutronu jádrem

Pohltí-li jádro neutron stane se z něj rázem jiný izotop, navíc se zvýší energie jádra o kinetickou energii neutronu, kterou musí jádro vstřebat [16, s. 178]. Takto změněné jádro na neutron reaguje buď, tím, že se z něj stane radioaktivní izotop (a následuje radioaktivní přeměna), nebo právě rozštěpením.

Úskálí velkého účinného průřezu ve vyšetřovaném objemu
Jaderná exploze
Kritické množství
235U
239Pu

Jestliže máme v nějakém objemu štěpitleného materiálu s velkým účinným průřezem pro obsorbci neutronů, tak při neřízeném štěpení dojde prakticky okamžitě k jaderným reakcím v celém objemu štěpitelného materiálu (lavinovité štěpení) po uvolnění prvních neutronů. Aby se tak stalo, musí tento objem štěpitelného materiálu být velice čistý (tzv. zbrojní kvalita) a mít určitou hmotnost (kritická hmotnost). Jako palivo pro takovou lavinovitou štěpnou reakci se nejčastěji používá čistý izotop uranu9. s nukleonovým číslem 235 (235U) nebo 239Pu. Kritické množství u izotopu 235U je cca 50 kg, u izotopu 239Pu je 15 kg [5, s. 222]. Pro lavinovité štěpení je charakteristický jaderný vůbuch, tedy okamžité uvolnění jaderné energie, které se využívá v jaderných zbraní.

Požadavkem pro mírové využití štepení atomových jader je palivo s okamžitým štěpení

Řízené štěpení jader se široce využívá jaderných elektrárnách9., ve kterých se pomocí tepelného oběhu43. (nejčastěji se jedná o parní oběh) transformuje teplo43. z jaderného reaktoru na práci. Vhodný izotop pro štěpení v takových reaktorech musí splňovat podmínku okamžité jaderné reakce, to znamená, že se od něj požaduje okamžité štěpení po absorbci neutronu, jinak se z něj stává pouze radioaktivní izotop, který se rozštěpí neznámo přesně kdy. Z toho důvodu se v energetických jaderných reaktorech nejčastěji využívá pro řízenou štěpnou reakci izotop uranu 235U.

 

Štěpení 235U v jaderném reaktoru

Energie uvolněná při štěpení 235U
En. kinetická nových jader
En. kinetická neutronů
En. ve fotonech
En. sekundárních rad. přeměn

Štěpení jádra probíhá pomocí jednoho pomalého neutronu, viz Obrázek 73, s. 30. Jádro uranu 235U tedy zvýší počet nukleonů na 236 a vznikne izotop uranu 236U. Tento izotop je vysoce nestabilní a je velmi vysoká pravděpodobnost (cca 88 %), že se ihned rozpadne na dvě jádra těžkých prvků (v opačném případě je pouze vyzářeno z jádra γ záření). Nejčastěji to bývá dvojice prvků 144Ba a 90Kr nebo 101Sr a 133Xe. Dále se uvolní určitý počet neutronů podle toho, kolik nukleonů právě vzniklé prvky dohromady obsahují. Nově vzniklá jádra mají v okamžiku vzniku vysokou kinetickou energii rovnající se přibližně energii 166 MeV. Nárazy jader do okolních molekul a atomů se snižuje jejich kinetická energie ve prospěch zahřívání okolní hmoty. Dále se uvolní energie ve formě kinetické energie sekundárních neutronů o celkové energii přibližně 6 MeV. Energie ve formě přímého gamma záření o celkové energii přibližně 10 MeV. Záření z radioaktivních přeměn produktů štěpení o celkové energii přibližně 18 MeV. Celkem se tedy při štěpení uvolní energie v různých formách o velikosti přibližně 200 MeV [7, s. 19].

29
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

o celkové energii přibližně 10 MeV. Záření z radioaktivních přeměn produktů štěpení o celkové energii přibližně 18 MeV. Celkem se tedy při štěpení uvolní energie v různých formách o velikosti přibližně 200 MeV [7, s. 19].

Příklad štěpné reakce izotopu uranu <sup>235</sup>U
73 Příklad štěpné reakce izotopu uranu 235U
a volný neutron je zachycen jádrem 235U; b vzniklý izotop 236U se rozštěpí na dvě těžká jádra přičemž se uvolní energie a několik neutronů.
Zpomalování neutronů po štěpení
Moderátor
Voda
Grafit

Počet uvolněných neutronů při rozpadu izotopu 236U závisí podle typu vzniklých jader. V případě Rovnice 73 se uvolnily dva neutrony. Rychlost těchto neutronů je od 14 000 do 20 000 km·s-1 [7, s. 30] a jejich kinetická energie překračuje 1,1 MeV. Tyto rychlé neutrony mohou být s jistou pravděpodobností zachyceny dalšími jádry 235U, ale mnohem pravděpodobněji uniknout mimo objem látek připravených ke štepení nebo jsou pohlceny jádry jiných izotopů, které se pak stávají radioaktivními [6, s. 1352]. Proto se v reaktorech zvyšuje účinný průřez 235U pro absorpci neutronů zpomalením neutronů, aby se tím zvýšila pravděpodobnost zachycení neutronů jádry 235U pomocí moderátoru, Obrázek 1252. Samotné zpomalení se děje ve formě pružných srážek neutronů s jádry moderátoru. Vlastnost moderátoru musí být taková, aby zpomaloval neutrony na požadovanou rychlost, ale zároveň aby znatelně tyto neutrony nepohlcoval. Materiálem moderátoru proto bývají lehčí prvky obvykle grafit nebo voda – u lehkovodních reaktorů je současně i chladivem. Složení moderátoru bývá extrémně čisté. Nejčastěji je snižena rychlost neutronů na 2 km·s-1 4 km·s-1 (kinetické energie neutronu od 0,025 do 0,085 eV [7, s. 30]). Při této rychlosti jsou neutrony v molekulárně kinetické rovnováze se svým okolím (rozsah rychlostí odpovídá teplotám od 20 °C do 700 °C). Maximální účinný průřez pro absorpci neutronu je při rychlosti neutronu 40 km·s-1 [7, s. 31] (kinetické energie neutronu 7 eV).

30
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Snižování počtu neutronů schopných štěpení
Absorbátor
Bor, Kadmium

Abychom mohli ovlivňovat počet následujících štěpných reakcí, respektive výkon, musíme umět také počet neutronů regulovat. Regulace počtu neutronů se provádí pomocí absorbátoru (Obrázek 1252). Absorbátor musí ve velké míře pohlcovat neutrony. To je například bór nebo kadmium.

Příklad řízení štěpné reakce izotopu uranu <sup>235</sup>U
1252 Příklad řízení štěpné reakce izotopu uranu 235U
c snížení rychlosti neutronů ve hmotě moderátoru; d zachycení nadbytečných neutronů ve hmotě absorbátoru.
Aktivní zóna a její tři základní stavy

Objem paliva, ve kterém probíhají řízené jaderné reakce se nazývá aktivní zóna. V aktivní zóně může z pohledu bilance neutronů nastat: 1. podkritický stav; 2. kritický stav; 3. nadkritický stav. Tyto tři stavy se nazývají základními stavy aktivní zóny.

Podkritický stav

1/3. Jestliže počet štěpných reakcí způsobené neutrony uvolněné při štěpení v první generaci je menší než počet štěpných reakcí v první generaci, pak mluvíme o podkritickém stavu aktivní zóny. Ten může být způsoben úbytkem jader 235U – spotřeba paliva, neutrony opouští aktivní zónu a zbylé neutrony nejsou schopny zajistit konstantní štěpný výkon, neutrony jsou absorbovány okolními látkami (příměsi v palivu) či absorbátoru. Tento stav je žádoucí například při snižování výkonu aktivní zóny.

Kritický stav

2/3. Jestliže počet štěpných reakcí v druhém sledu způsobené neutrony uvolněné při štěpení v první generaci je stejný jako počet štěpných reakcí v první generaci, pak mluvíme o kritickém stavu aktivní zóny. Po štěpení jednoho jádra dojde k absorpci všech neutronů jinými než štěpitelnými jádry (nebo opustí aktivní zónu) kromě počtu neutronů potřebných k rozštěpení dalšího jednoho jádra 235U. kritickému stavu odpovídá konstantní výkon aktivní zóny/reaktoru.

Nadkritický stav

3/3. Jestliže počet štěpných reakcí v druhé generaci je větší než počet štěpných reakcí v první generaci, pak mluvíme o nadkritickém stavu aktivní zóny. Neutrony vzniklé při štěpení jednoho jádra způsobí v průměru štěpení více jader. Tento stav je žádoucí například při zvyšování výkonu aktivní zóny. Neřízený nadkritický stav může způsobit přehřátí aktivní zóny a její destrukci.

31
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů

nadkritický stav může způsobit přehřátí aktivní zóny a její destrukci.

Regulovaná veličina aktivní zóny
Multiplikační faktor

Výše uvedené tři stavy aktivní zóny vyjadřuje multiplikační faktor k [-], který je definován jako průměrný počet neutronů, které způsobily štěpení připadající na jeden neutron, který způsobil štěpení v předchozí generaci. Pokud je k<1 jedná se o podkritický stav aktivní zóny; k=1 jedná se o kritický stav aktivní zóny; k>1 jedná se o nadkritický stav aktivní zóny. Regulace výkonu aktivní zóny se provádí změnou multiplikačního faktoru, respektive regulací počtu neutronů v aktivní zóně.

Nástroje pro regulaci výkonu aktivní zóny
Regulační tyče
Zpožděné neutrony

Výkon aktivní zóny v jaderném reaktoru se standardně reguluje pomocí regulačních tyčí9. obsahující absorbátor, které se do aktivní zóny zasouvají (výkon klesá) nebo vysouvají (výkon roste). Zasouváním regulačních tyčí dochází k pohlcování neutronů. Při přechodu ze stavu podkritického na nadkritický stav se musí tyče začít opět vysouvat a řetězová štěpná reakce se obnovuje pomocí zpožděných neutronů v aktivní zóně nebo jiného zdroje neutronů v okolí aktivní zóny. Zpožděné neutrony se uvolňují při přirozeném rozpadu některých těžkých jader vzniklých při štěpení viz výše. Některá tato jádra jsou radionuklidy takového druhu, které se rozpadají během několika desítek sekund. Takže po odstranění absorbátoru z aktivní zóny tyto zpožděné neutrony mohou opět nastartovat štěpnou reakci.

525 Úloha
Sláma při hoření uvolní přibližně 14 MJ·kg-1 energie, černé úhlí 27,3 MJ·kg-1. Stanovte jaké množství energie se uvolní při ideálním štěpení 1 kg 235U a při štěpení 1 kg přírodního uranu9.. Jaká energie se uvolní při sloučení vodíku v jednom 1 kg H2O? Stanovte jaké množství čistého uranu 235U nebo vody (lehká voda) by bylo potřeba k nahrazení energie veškerých fosilních paliv spotřebovaných v ČR v roce 2005? Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 525, s. 35.
 

Hmotnost a relativita

Pohyb zvyšuje hmotnost
Teorie relativity

Podle teorie relativity pohybujícím se tělesům plyne čas pomaleji, stejně tak se zvyšuje jejich hmotnost a to podle Vzorce 523. Z posledního vzorce plyne, že nárůst hmotnosti tělesa je způsobena nárůstem jeho kinetické energie. Vztah mezi energii a hmotností poprvé odvodil Albert Einstein46., viz Vzorec 85.

Hmotnost pohybující ho se tělesa
523 Hmotnost pohybující ho se tělesa
m [kg] hmotnost tělesa za pohybu; m0 [kg] hmotnost tělesa za klidu tzv. klidová hmotnost; γ [-] Lorentzův činitel; v [m·s-1] rychlost tělesa; c [m·s-1] rychlost světla ve vakuu46.. Odvození vzorce v [4, s. s. 220].
32
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
Vztah mezi energií a hmotností
85 Vztah mezi energií a hmotností
Δm [kg] zvýšení hmotnosti tělesa, jestliže se jeho energie zvýší o ΔE [J]. Odvození v [4, s. s. 220].
Projevy teorie relativity na viditelných tělesech nejsou patrné
Lorentzův činitel

Vzhledem k tomu, že Lorentzův činitel je větší jak 1,001 při rychlostech kolem 13 400 km·s-1, projevuje se nárůst rychlosti na hmotnosti až u elementárních částic pohybujícíh se vysokou rychlostí (podívejte se na rychlost rychlého neutronu). Z toho důvodu se při uvádění hmotnosti elementárních částic v klidu uvádí, že se jedná o klidové hmotnosti.

Hmotnost je tedy relativní veličina
Klidová hmotnost

Lze dokázat, že Einsteinova Rovnice 85 platí absolutně, tj. hmota je ekvivalentem energie. To lze dokázat, jednak myšlenkovým experimentem [4, s. s. 220], a jednak porovnáním hmotností atomů se součtem klidových hmotností jednotlivých částic, ze kterých je složen – hmotnost atomu bude větší o ekvivalent vazebné energie jádra kinetických energií částic. Naopak, při malých energiií chemických vazeb se rozdíl mezi hmotností vstupních produktů a výsledné sloučeniny prakticky neprojeví, respektive je velmi malý a při výpočtech se s úbytkem hmotnosti nepočítá.

Hmota se může zcela transformovat na energii
Anihilace
Antihmota

Zcela se projeví vztah mezi hmotou a energií při anihilaci – sloučení hmoty a antihmoty, při kterém dojde k přeměně obou podle rovnice E=m·c2 na energii (kde E [J] je množství uvolněné energie; m [kg] celková hmotnost anihilované hmoty), energie je uvolněna ve formě fotonů, tedy elektromagnetického záření. Antihmotou je například pozitron e+, který je antičásticí (antihmotou) k elektronu e- známého z běžné hmoty.

 

Odkazy

[1] HÁLA, Jiří. Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie, 1998. 1. vydání. Brno: KONVOJ, ISBN 80-85615-56-8.   [2] PRÁŠIL, Zdeněk, ŽILKA, Luděk, SATORIE, Zdeněk, PALEK, Miroslav, DUFKOVÁ, Marie. Užitečné záření, 1992. 3. vydání, přepracované. Praha: ČEZ, a.s., ISBN 80-7073-047-1.   [3] ŘÍPA, Milan, WEINZETTL, Vladimír, MLYNÁŘ, Jan, ŽÁČEK, František, Řízená termojaderná syntéza pro každého, 2005. 2. vydání. Praha: Ústav fyziky plazmatu AV ČR, ISBN 80-902724-7-9.   [4] MACHÁČEK, Martin. Encyklopedie fyziky, 1995. 1. vydání. Praha: Mladá fronta, ISBN 80-204-0237-3.   [5] VACÍK, Jiří, BARTHOVÁ, Jana, PACÁK, Josef, STRAUCH, Bohuslav, SVOBODOVÁ, Miloslava, ZEMÁNEK, František. Přehled středoškolské chemie, 1995. 1. vydání. Praha: SPN-pedagogické nakladatelství, a.s., ISBN 80-85937-08-5.   [6] HORÁK, Zdeněk. KRUPKA, František, ŠINDELÁŘ, Václav. Technická fysika, 1961. 3. vydání. Praha: SNTL.   [7] NĚSTĚRENKO, G., SOBOLEV, A., SUŠKOV, J. Atomová letadla, 1959. Vydání první. Praha. Naše vojsko, z ruského originálu Primeněnije atomonych dvigatělej v avijaciji.   [8] WILCZEK, Frank. The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces, 2008. New York: Basic Books. České vydání: Lehkost bytí aneb Bytí jako světlo, 2011. První vydání vydaly společně nakladatelství Paseka (ISBN 978-80-7432-146-7), Argo (ISBN 978-80-257-0544-5), Dokořán (ISBN 978-80-7363-395-0).  
33
47. Úvod do světa nejmenších rozměrů
[9] GARLÍK, Bohumír. Energie elektromagnetického pole, inteligentní budovy a lidský organismus, Energetika, číslo 12, 2012, ročník 62. Praha: ČSZE, ISSN 0375–8842.   [10] ATKINS, P. W. Periodické království: cesta do země chemických prvků. Praha: Academia, 2005. Mistři vědy. ISBN 80-200-1185-4.   [11] PEIERLS, R. E. Zákony přírody, 1963. Praha: Orbis. Z anglického originálu "The Laws of Nature", vydaného nakladatelstvím George Allen & Unwin v Londýně roku 1957.   [12] VESELOV, Michail Grigor'jevič. Úvod do kvantové teorie atomů a molekul. Přeložil Zdeněk HERMAN, přeložil Stanislav, VAVŘIČKA. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1966. Teoretická knižnice inženýra.   [13] VOHLÍDAL, Jiří. JULÁK, Alois. ŠTULÍK, Karel. Chemické a analytické tabulky, 1999. První vydání, dotisk 2010. Praha: Grada, ISBN 978-80-7169-855-5.   [14] BĚHOUNEK, František. Svět nejmenších rozměrů, 1945. Praha: Jaroslav Tožička.   [15] BĚHOUNEK, František. Od atomu k vesmíru. 2. přeprac. a dopl. vyd. Praha: Orbis, 1954.   [16] HEISENBERG, Werner. Část a celek: rozhovory o atomové fyzice. Olomouc: Votobia, 1997. Velká řada (Votobia). ISBN 80-7198-216-4.   [17] KRAUSS, Lawrence Maxwell. Vesmír z ničeho. Praha: Knižní klub, 2013. ISBN 978-80-242-4145-6.   [18] ASIMOV, Isaac. Slova vědy-co se za nimi skrývá, 1978. Praha: nakladatelství Panorama. Do češtiny přeloženo z amerických originálů Words of Science and History behind them a More Words of Science vydané nakladatelstvím Houghton Miffin Company, Boston v letech 1959 a 1972. České vydání doplnil a upravil Koryta Jiří.   [19] FIKR, Jaroslav. Jak porozumíme chemickým vzorcům a rovnicím, dopl. a rozš. vyd. Brno: Barrister & Principal, 2010. ISBN 978-80-87029-94-7.   [20] FEYNMAN, Richard Phillips. Neobyčejná teorie světla a látky: kvantová elektrodynamika. Vyd. 2. Přeložil Jiří ADAM, přeložil Dagmar ADAMOVÁ. Praha: Aurora, 2014. ISBN 978-80-7299-107-5.   [21] KEAN, Sam. Mizející lžíce, růžový sníh a jiskřící bonbóny: fascinující příběhy o vědě, šílenství a lásce z periodické tabulky prvků. Přeložil Marek ČTRNÁCT. Praha: Grada Publishing, 2016. ISBN 978-80-247-5844-2.   [22] JUNGK, Robert. Jasnější než tisíc sluncí: osudy atomových vědců. 2. vyd. Praha: Mladá fronta, 1965. Máj (Mladá fronta).   [23] HESLOP, R. JONES, K. Anorganická chemie. Vydání první. Praha: SNTL.   [24] McMURRY, John. Organická chemie. Přeloženo z anglického originálu John McMurry: Organic chemistry, sixth Edition, 2004, Brooks/Cole, a thomson Learning Company ISBN: 0534389996. ISBN 978-80-214-3291-8.   [25] LINSTROM P.J. MALLARD, W.G., Eds., NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 20899, https://doi.org/10.18434/T4D303, (cit. 2018-11-19).   [26] ŠINDELÁŘ, Václav, Ladislav SMRŽ a Zdeněk BEŤÁK. Nová soustava jednotek SI. 3. vydání Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1989. [27] MOBERG, Daniel R.; BECKER, Daniel; DIERKING, Christoph W.; et al. The end of ice I. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA ‏ Volume: ‏ 116 Issue: ‏ 49 Pages: ‏ 24413-24419 Published: ‏ DEC 3 2019. &nbpsp; [28] HOUSER, Pavel. Nejmenší kousek ledu: stačí jen 90 molekul vody, sciencemag.cz, 2019-11-6, [cit. 2021-01-17]. Praha: Nitemedia s.r.o.   [29] VOL'KENŠTEJN, Michail Vladimirovič. Křižovatky vědy. Praha: Horizont, 1979. Malá moderní encyklopedie (Horizont).   [30] MIODOWNIK, Mark. Neobyčejné materiály: podivuhodné příběhy látek, které vytvářejí náš svět. Přeložil Aleš DROBEK. Praha: Dokořán, 2016. Aliter (Dokořán). ISBN 978-80-7363-765-1.   [31] GRAY, Theodore W. Prvky: obrazový průvodce všemi známými atomy ve vesmíru. V Praze: Slovart, 2012. ISBN 978-80-7391-544-5.
 

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Úvod do světa nejmenších rozměrů, Transformační technologie, 2006-10, [last updated 2021-02-09]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z https://www.transformacni-technologie.cz/47.html.
34