PÁR SLOV O ATOMECH

S myšlenkou atomu přišel jako první řecký filozof Démokritos asi 400 let př. n. l. Vzal kus klacku a položil si otázku: „Když ten klacek rozpůlím na dva kusy, pak vezmu jeden z těch kusů a znovu ho rozpůlím, tak mohu v půlení pokračovat do nekonečna?“ Odpověděl si důrazným ne. Dříve či později musí dojít do stádia, kdy zbyde tak malé zrníčko hmoty, které už nelze dál rozdělit. „Nedělitelný“ se řekne řecky a-tomos, a proto nazval tento hypotetický prvek slovem atom.

Po téměř 2300 let si ho lidé představovali jako jakousi miniaturní nedělitelnou kuličku, ale dnes už víme, že atom ve skutečnosti dělitelný je. Roku 1897 J. J. Thomson objevil první subatomární částici, která dostala označení elektron. Vznikl tak Thomsonův model atomu, který si lze představit jako kouli, ve které jsou rovnoměrně rozloženy elektrony. Tento model platil do roku 1909, kdy Ernest Rutherford objevil atomové jádro a o dva roky později navrhl tzv. planetový model atomu. Rutherford tvrdil, že kolem hmotného a kladně nabitého jádra obíhají lehké elektrony se záporným nábojem, neuvědomil si však, že atomové jádro s kladným nábojem může obsahovat i neutrální částice. Obě tyto částice byly později objeveny (proton v roce 1919 objevil sám Rutherford, neutron byl objeven roku 1932 Jamesem Chadwickem) a vznikl tak nejznámější model atomu, který se skládá z protonů, neutronů a elektronů. Protony mají kladný náboj, neutrony mají neutrální náboj a společně tvoří tzv. jádro. Kolem jádra obíhají částice se záporným nábojem – elektrony. Jelikož atom obsahuje stejný počet protonů i elektronů, tak celkový náboj je roven nule. Na tom možná není nic zajímavého, ale co zajímavé rozhodně je, je velikost takového jednoho atomu. Vlastně se ani tak nedá moc bavit o velikosti, ale spíš o malinkatosti – například do tečky, která ukončuje tuto větu, by se vešlo asi 10 miliard atomů. Dalším zajímavým faktem je, že 99,99% hmotnosti celého atomu tvoří jeho jádro. A aby to bylo ještě zajímavější, tak jádro je stotisíckrát menší než celý atom!  Tento poměr se dá jednoduše vysvětlit na asijském fotbalovém stadionu. Kdybyste atom zvětšili na velikost fotbalového hřiště, pak jádro atomu by bylo velké asi jako zrnko rýže. A v neposlední řadě je dobré zmínit, že 99,9999999999999% objemu běžné hmoty tvoří prázdný prostor, takže kdyby se nám nějakým zázračným způsobem podařilo vymáčknout toto prázdno ven z atomu, tak bychom mohli celou naši planetu vtěsnat do jediného golfového míčku!

Poměrně jednoduchá představa atomu, kterou vidíte na obrázku, platila až do šedesátých let, kdy se zjistilo, že protony i neutrony se skládají ze subatomárních částic zvaných kvarky. Od té doby se události vyvíjeli překotným tempem a myšlenka, že atom se skládá pouze z elektronů a nukleonů (nukleon = atomové jádro = protony + neutrony), se zcela rozpadla. Téměř každý rok byla objevena nějaká nová částice, která dostala název podle písmen v abecedě. Netrvalo dlouho a částic bylo víc, než písmen v běžné abecedě. J. R. Oppenheimer, americký fyzik známý tím, že řídil vývoj atomové bomby během druhé světové války, dokonce zhnuseně prohlásil: „Nobelova cena za fyziku by měla být udělena tomu fyzikovi, jenž v daném roce žádnou novou částici neobjeví.“ Enrico Fermi, první člověk, který zkonstruoval a spustil jaderný reaktor, si zase postěžoval svým studentům: „Kdybych byl býval věděl, že si budu muset zapamatovat tolik částic, raději bych se stal botanikem, než fyzikem.“

Rozdělení částic:

Pokud nechcete, abych vám zkazil celý den, tak raději vůbec nečtěte tento odstavec. Jak za chvilku uvidíte, jde z toho hlava kolem. Výhodou je, že skoro všechno, co se zde dozvíte, můžete zase zapomenout, protože v následujících textech se s tím už nesetkáte

Nejlepší na začátek by asi bylo, říci si, že částice rozdělujeme několika různými způsoby, přičemž nejjednodušší dělení je podle mě toto:

Máme částice elementární (říká se jim též fundamentální nebo subatomární částice - jsou to prostě nejzákladnější známé částice, které už nelze dále dělit) a složené (ty se překvapivě skládají z těch elementárních). Další rozdělení nám říká, že jsou částice, které tvoří hmotu (tzv. částice látky, mezi ně patří například elektrony a kvarky), a částice, které přenášejí silové působení (tzv. částice pole, sem můžeme zařadit třeba fotony a gluony).

Elementární částice se dělí na bosony a fermiony. Fermiony tvoří hmotu, mají poločíselný spin, a je jich celkem 12 (a také 12 jejich antičástic) a skládají se ze 6 kvarků a 6 leptonů. Bosony zprostředkovávají sílu působící mezi fermiony a mají celočíselný spin.

Složeným částicím se říká hadrony a dělí se na baryony (ty se skládají ze tří kvarků) a mezony (ty se zase skládají z jednoho kvarku a jednoho antikvarku)

Pokud jste o předchozích částicích doposud nic neslyšeli (pak tu ještě máme antičástice, hypotetické částice a spousty dalších "ošklivých" názvů), dokážu si představit, že vám ze všech těch „onů“ točí hlava, takže se pro pořádek podívejte na následující souhn:

Závěrem zbývá jen dodat, že známe 4 druhy základních interakcí. Podrobněji si je popíšeme zde, nicméně pro prvotní představu se sluší alespoň zmínit o tom, že fotony zprostředkovávají elektromagnetickou interakci, gravitony gravitační interakci, intermediální bosony (W+, W- a Z0) jsou odpovědné za slabou interakci a nakonec máme gluony, jenž zprostředkovávají silnou interakci, která drží kvarky v hadronech.

Kvarky:

Kvarky jsou elementární částice, které se vždy vyskytují minimálně v páru. Existuje 6 druhů kvarků (a také 6 jejich antičástic, tedy antikvarků), které se dělí podle šesti různých vůní. Samozřejmě se nejedná o opravdou vůni, to jen fyziky už nebavilo všechno pojmenovávat řeckými písmeny, a tak si vymysleli, že kvarky prostě budou označeny písmeny u (up - nahoru), d (down - dolů), s (strange - podivný), c (charm - půvabný), b (beauty - krásný) a t (truth - pravdivý). Aby toho nebylo málo, tak každá vůně se vyskytuje ve třech barvách - červené, modré a zelené (nemusím snad připomínat, že se opět nejedná skutečnou barvu, mimoto, malovat atomy by bylo vskutku obtížné, neboť vlnová délka viditelného světla je mnohem větší než velikost kvarků). Například takový proton je tvořen dvěmi "u" kvarky a jedním "d" kvarkem a každý z nich má jinou barvu. Neutron se zase skládá ze dvou "d" kvarků a z jednoho "u" kvarku, taktéž jiné barvy. Když zkombinujete všechny barvy, ze kterých se kvarky skládají, dostanete bezbarvý kvarek (červená + modrá + zelená = bílá). To samé platí i pro páry kvark-antikvark, neboť barva + antibarva se opět rovná bílé (např. červená + antičervená = bílá).

Spin:

Každá částice má vlastnost zvanou spin. Ten nemá obdobu v klasické fyzice, a tak se jeho popis často zjednodušuje jako informace, kterak vypadá nějaká částice z různých směrů. Představte si černou kuličku (můžete si klidně představit třeba tyrkysovou, nebo prostě jakou chcete). Shodneme se na tom, že ať kuličku otáčíme jakkoli, tak pořád vypadá stejně - její spin je tedy roven nule. Pokud na ní uděláme světlou tečku, tak budeme potřebovat jednu otočku, abychom jí viděli stejně - její spin tedy bude 1. Jestliže naproti uděláme další tečku, tak nám bude stačit pouze půlotáčka a taková částice tak bude mít spin 2. Čím vyšší spin tedy částice má, tím méně ji pootočíme. Možná to bude znít divně (upřímně řečeno, celá kvantová mechanika trochu odporuje zdravému rozumu), ale existují i částice, které vypadají stejně teprve po několika obratech - tyto částice pak mají spin 1/2, 3/2 atd. a tvoří látku. Částice s celočíselným spinem pak zprostředkovávají silové působení mezi látkou.

Zřejmě se mnou budete souhlasit, že svět atomů není zas tak hezký, jak jsme si původně mysleli. Navrhuji to tedy nenápadně zamést pod koberec a raději si pojďme říct něco málo o Kvantové mechanice.