Kdo je kdo v kvantovém světě

Martin Tůma  |  Věda

Protony, neutrony, elektrony… Jak se chovají, jak vypadají a k čemu vlastně na světě přesně jsou?

Tento článek se měl původně jmenovat Kvantová zoo, nakolik je svět subatomárních částic rozmanitý. Nakonec jsem se ale rozhodl uspořádat tento stručný průvodce mikrosvětem po vzoru slavné knihy Who is who. Chcete se blíže seznámit se světem uvnitř atomu?

Protonovi

Protonovi jsou velmi stará a úctyhodná rodina se stabilním výhledem do budoucnosti. Poprvé jsou zmiňováni již krátce po Velkém třesku, když vesmír zchladl natolik, že kvarky mohly uzavírat pevná spojenectví v jednotlivých protonech. Ano, schválně píšu spojenectví, protože proton není nedělitelný, jak se dříve předpokládalo.

Uvnitř protonu jsou tři menší části, nazývané kvarky. Mezi sebou jsou poslepovány gluony – z anglického glue, lepidlo.

Na samém počátku vesmíru krátce po Velkém třesku došlo k něčemu, čemu se říká baryonová asymetrie. V té době vesmír vychladnul natolik, že se z energie záření vytvořilo kvark-gluonové plazma – jakási nepředstavitelně horká polévka, kde se volně mísily kvarky a gluony, protože toto lepidlo je prozatím nedokázalo udržet smysluplně pohromadě.

Podle teorie by mělo být ve vesmíru stejné množství hmoty před a za pomyslným zrcadlem, tedy hmoty a antihmoty. Jenomže to tak není. Veškerý námi pozorovatelný vesmír tvoří pouze hmota a antihmota je v něm velice vzácná. Navíc není pozůstatkem Velkého třesku, nýbrž výsledkem současných dějů ve vesmíru. Kam se tedy poděly částice zpoza zrcadla?

Je potřeba vědět, že když se tyto částice potkají, není to vůbec přátelské setkání. Okamžitě dojde ke vzájemnému naprostému zničení, odborně anihilaci. Výsledkem je, že místo dvou částic máme teplo a světlo. Na počátku vesmíru muselo tedy být o něco více (i když opravdu jenom o něco málo více) částic než antičástic. Výsledkem je současný vesmír, z antičástic zbylo jenom teplo a světlo.

Ale zpátky k rodině protonů. Jedná se o velmi stabilní svazek dvou kvarků u (jako up, horní) a jednoho kvarku d (jako down, dolní). Stabilita je tak velká, že doposud nebyl zaznamenán žádný případ, že by se toto spojení samo od sebe rozpadlo, proto se poločas rozpadu pouze odhaduje na 1035 let.

Vnitřní struktura protonu: dva kvarky u a jeden kvark d. Zdroj: CC BY-SA 2.5 Arpad Horvath
Vnitřní struktura protonu: dva kvarky u a jeden kvark d. Zdroj: CC BY-SA 2.5 Arpad Horvath

Tato hodnota není „vycucána z prstu“. V minulých letech vědci budovali ohromné podzemní nádrže, ve kterých se kromě jiných pozorování snažili detekovat i rozpad protonu (například Super-Kamiokande). Poločas rozpadu protonu potom odvodili z velikosti nádrže a toho, že se jim nepovedlo žádný přirozený rozpad pozorovat.

Protony tvoří část jádra atomu, mají kladný elementární elektrický náboj +1e, který přitahuje elektrony z obalu atomu. Uvnitř jádra atomu by se ale měly stejně nabité částice navzájem odpuzovat a tudíž by nemělo existovat žádné jádro, které má v sobě více jak jeden proton. Pokud by existovala pouze elektromagnetická síla, bylo by tomu tak, ale na protony působí silná jaderná interakce, která drží celé jádro pohromadě. A kromě toho nejsou v jádře samy, mají tam o trošku hmotnější příbuzné – neutrony.

Mimochodem jako první pozoroval protony Ernest Rutherford v roce 1920.

Neutronovi

Podobně jako Protonovi je to také velmi stará a úctyhodná rodina. Na rozdíl od protonu se ale skládá ze dvou kvarků d a jenom z jednoho kvarku u. Z toho vyplývají různé vlastnosti neutronu ve srovnání s protonem. Především je elektricky neutrální. To proto, že kvark u má náboj o velikosti +2/3e (e = elementární elektrický náboj) a kvark d oproti tomu má náboj o velikost –1/3e. Takže zatímco součet nábojů jednotlivých kvarků v protonu nám dá hezké +1e, v neutronu je to přesně 0.

Vnitřní struktura neutronu: dva kvarky d a jeden kvark u. Zdroj CC BY-SA 2.5 Arpad Horvath
Vnitřní struktura neutronu: dva kvarky d a jeden kvark u. Zdroj CC BY-SA 2.5 Arpad Horvath

Neutron mimo jádro atomu navíc nemá příliš velkou stabilitu. Ano, v jádře se drží, osamocený mimo jádro atomu se ale rozpadne přibližně do patnácti minut. Říká se tomu beta rozpad a opět za něj mohou kvarky. V podstatě dojde k tomu, že se jeden ze dvou kvarků d změní na kvark u a konečným důsledkem je přeměna neutronu na proton za současného vyzáření elektronu a elektronového antineutrina.

Samozřejmě to jde i na druhou stranu, kdy proton zachytí elektron, vytvoří s ním neutron a vyzáří elektronové neutrino. Tento jev se nazývá inverzní beta rozpad a jedním z jeho praktických využití jsem se zabýval v článku o nízkoenergetických jaderných reakcích LENR je studená fúze-nefúze. Do hry zde vstupuje slabá jaderná interakce. Zjednodušeně se dá říci, že silná jaderná interakce drží pohromadě jádra atomů, zatímco slabá jednotlivé částice.

Elektrony. Proč jsi pořád tak negativní?

Základní přehlídka subatomárních částic by nebyla úplná, kdybychom opomněli částici, která je motorem naší civilizace: elektron, věčně negativní souputník protonů a neutronů. Částice, která pohání všechny naše elektrická zařízení. Do nich proudí elektrony přímo z elektrárny, která přeměňuje mechanickou nebo tepelnou energii na elektrickou. Elektrony pohání i můj mobil, kde jsou v akumulátoru rafinovaně uloženy do formy chemické vazby, aby se na požádání uvolnily a posloužily.

Orbitaly atomů vodíku, znázornění amplitudy pravděpodobnosti výskytu elektronu. Zdroj CC BY-SA 3.0 FlorianMarquardt
Orbitaly atomů vodíku, znázornění amplitudy pravděpodobnosti výskytu elektronu. Zdroj CC BY-SA 3.0 FlorianMarquardt

Pakliže protony a neutrony jsou svazky kvarků držících pohromadě díky slabé jaderné interakci, elektron je single. Je to základní, dále už nedělitelná částice, nosič elementárního elektrického náboje. Nukleony tvoří jádro atomu a elektrony potom jeho obal. Jsou to právě elektrony, které rozhodují o chemických vlastnostech jednotlivých prvků, které vážou mezi sebou atomy do molekul.

Je zajímavé, že elektron nemá rozměr. Jestliže můžeme říct, že proton je sice nesmírně maličká částice, ale pořád je to „kulička“, která má určitý průměr, o elektronu to neplatí. Jeho velikost nedokázal nikdo změřit a v současné fyzice neexistuje ucelená teorie, která by vysvětlovala, co vlastně elektron jako takový je.

V běžném životě se setkáváme hlavně s neutrony, ale existují i hmotnější příslušníci klanu, muony a tauony. A když už se o tom bavíme, musíme zmínit i různá neutrina – elektronové, muonové a taunové. Zatímco druhy elektronů se drží ve své váhové kategorii, neutrina tolik slušnosti nemají a oscilují mezi jednotlivými druhy. Vědci na to přišli, když jim scházela elektronová neutrina ze slunečního záření a naopak jim přebývala muonová neutrina. Tato oscilace je jednou z velkých záhad současné fyziky.

V příštím díle se budeme více věnovat leptonům a možná přijde i pan božský – Higgsův boson.


Stručný slovníček pojmů

  • Nukleony: částice v jádru atomů, tedy protony a neutrony
  • Baryony: částice skládající se ze tří kvarků
  • Hadrony: částice skládající se z kvarků. Obecně baryony a dále mezony, tedy částice, které se skládají pouze z kvarku a antikvarku.
  • Leptony: elementární částice, dále nedělitelné, na které nepůsobí silná jaderná interakce

Nejčtenější