FYZIKA VŠEDNÍCH VĚCÍ některé jsou daleko pevnější a k jejich rozbití je zapotřebí mnoho elektronvoltů. Obecně však lze říci, že k rozbití chemické vazby je potřeba pár elektronvoltů. Chemická vazba znamená interakce mezi elektrony ze dvou sousedících atomů, a pokud má dopadající záření dost energie na vyražení elektronu, potom je tato vazba ohrožena. Foton v rádiové vlně má energii jedné miliardtiny elektronvoltu, energie mikrovlny je miliontina elektronvoltu a energie fotonu infračerveného záření je něco mezi tisícinami až desetinou elektronvoltu. Jakékoli elektromagnetické záření v této části elektromagnetického spektra je neionizující. Fotony viditelného světla mají energii dva až čtyři elektronvolty podle barvy, energie ultrafialového fotonu je přibližně deset až sto elektronvoltů, rentgenové záření má energii tisíc elektronvoltů a oblast spektra o nejvyšší energii, která se označuje jako záření gama, má energii kolem milionu elektronvoltů. Rentgenové záření, „záření gama“ a část ultrafialového záření spadá do kategorie ionizujícího záření. Potom existuje ještě energie vyzářená v podobě částic vylétajících vysokou rychlostí z jádra o velikosti pět až deset milionů elektronvoltů – v tomto případě jde o ionizující záření naprosto jednoznačně. „Počkejte okamžik,“ přeruší vás kdosi v zasedací místnosti. „Mikrovlnné trouby využívají k rychlému uvaření jídla jen mikrovlny. Proč potom při jejich používání říkáme, že si jídlo dáme do ‚atomovky‘, když to s jaderným zářením nemá nic společného?“ Přikývnete, poznamenáte, že jde o skvělou otázku, a odpovíte: „Mikrovlnné trouby vyvinuli vědci a technici, kteří výraz ‚záření‘ používají pro jakýkoli druh energie od rychle se pohybujících částic vyzařovaných z jader až po svit plamene svíčky nebo světlo žárovky. V mikrovlnných troubách se používají elektromagnetické vlny vytvářené zařízením, které se z hlediska elektroniky podobá rozhlasovému vysílači. Mikrovlny vznikající v troubě přivedou polární molekuly – třeba vodu ve vašem jídle – k rychlému pohybu sem a tam. Dochází k tomu prostřednictvím interakcí s elektrickým polem mikrovlny, a to úplně stejně, jako lze pomocí vnějšího magnetického pole přimět střelku kompasu, aby mířila daným směrem. Elektrické pole mikrovlny osciluje s frekvencí několika miliard cyklů za sekundu a molekuly vody se tímto tempem přetáčejí a tuto rotační energii přenášejí do vašeho jídla. Mikrovlny a rádiové vlny snadno procházejí pevnými tělesy (proto i uvnitř budovy naladíme rozhlasovou stanici či máme na mobilním telefonu signál), takže mikrovlny proniknou dovnitř jídla a to se všude zahřívá současně – teplo se nešíří od okraje do středu – proto je doba vaření mnohem kratší než ve standardních troubách. Některé obraty, jako třeba ‚strčit jídlo do atomovky‘ se prostě ujaly, ale mikrovlnka ve vaší kuchyni nemá s jadernou fyzikou nic společného.“
100
KAKALIOS - FYZIKA VSEDNICH VECI.indd 100
24.10.2018 6:53:34 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS281476
Obchodní prezentace Abychom pochopili, proč z některých jader vychází záření, musíme se napřed zabývat tím, proč vůbec drží jádra pohromadě. Srdcem všech atomů je jádro složené z mnoha protonů a neutronů natěsnaných do velice malého objemu. Všechny protony mají kladný náboj, zatímco neutrony elektricky nabité nejsou. Kladně nabité protony se vzájemně odpuzují, a jakmile jádro vznikne, měly by z něj odletět. Naštěstí uvnitř jádra působí ještě mohutnější síla, která je celé drží pohromadě. Tato síla se nazývá silná interakce, a i když je přibližně stokrát intenzivnější než elektrická síla, která protony tlačí od sebe, působí pouze na velice krátké vzdálenosti (zhruba do průměru neutronu). To je štěstí, protože pokud by měla dlouhý dosah, potom by takto intenzivní přitažlivá síla stáhla jádra ze všech atomů k sobě do jedné obří koule protonů a neutronů. Kdyby tedy silná interakce byla příliš slabá, všechna jádra by se kvůli odpuzování protonů rozlétla, avšak kdyby silná interakce byla příliš silná, stáhla by všechna jádra do jediného kusu hmoty. Čím větší jádro (tedy čím víc obsahuje protonů a neutronů), tím těžší je namačkat je celé dohromady a vyvážit odpuzování protonů přitažlivostí mezi protony a neutrony, která je zajištěna silnou interakcí velice krátkého dosahu. Mnoho jader se vlastně opravdu rozpadá, a to částečně nebo zcela, či se přinejmenším ustálí ve stabilnější konfiguraci,* a v důsledku toho z nich vychází záření. Tato jádra se označují jako „radioaktivní“. Jakmile se jádro přesune do stabilní konfigurace o nižší energii, dál již radioaktivní nebude. Avšak krychlový centimetr uranu obsahuje téměř bilion bilionů atomů a v kterémkoli okamžiku bude z některých z nich vycházet záření. Přesný moment, kdy dojde k vyzáření z konkrétního nestabilního izotopu, je náhodný a může k tomu dojít ihned, nebo i mnohem později. Je to podobné jako házení kostkami – šestka vám může padnout hned napoprvé, nebo až po mnoha pokusech. „Poločas rozpadu“ je doba, jak dlouho se musí čekat, než v průměru dojde k vyzáření u poloviny všech jader v dané látce. Čím rychleji se jádra rozpadají, tím kratší je zpravidla poločas rozpadu a tím dříve vyčerpá daná hmota všechny radioaktivní izotopy a už nebude dál zářit. Energie potřebná k zachycení protonů v těsné vzájemné blízkosti uvnitř jádra je velmi vysoká, takže když nestabilní jádro zrelaxuje do stavu o nižší energii, energie, kterou uvolní v podobě záření, je také hodně velká. Převažující typy * Když ve fyzice řekneme, že daná konfigurace protonů a neutronů v jádře je „stabilní“, ve skutečnosti tím myslíme to, že tato konfigurace má nižší energii než ta počáteční. Balvan lze na vrcholku kopce vyvážit na libovolně dlouho, stabilnější konfigurace je ale ta, kdy je balvan dole, na úpatí kopce. Přejde-li jádro z jedné vnitřní konfigurace o vyšší energii do stabilnějšího stavu o energii nižší, musí rozdíl energie nějak odvést pryč, a to v podobě záření.
101
KAKALIOS - FYZIKA VSEDNICH VECI.indd 101
24.10.2018 6:53:34 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS281476
FYZIKA VŠEDNÍCH VĚCÍ záření vycházející z nestabilních jader mají podobu pevně svázané dvojice protonů a dvojice neutronů (nazývaných alfa částice), vysokorychlostních elektronů (nazývaných beta částice) nebo elektromagnetických vln ve formě záření gama či rentgenového záření. Toto pojmenování se odvíjí od jejich objevu na přelomu devatenáctého a dvacátého století před tím, než lidé správně pochopili, jak uvnitř funguje atom. Když kladně nabité alfa částice, záporně nabité záření beta nebo gama záření dopadnou na nějakou jinou hmotu, velmi snadno ztratí malou část své kinetické energie, vyrazí některé z elektronů cílového atomu a pokračují dál vysokou rychlostí připravené ionizovat další atom, který potkají. Některé stopové detektory výbušnin používané při bezpečnostních kontrolách na letišti pracují s jistou formou niklu, která vyzařuje beta částice, zatímco jiné verze používají těžší atom, americium, které vyzařuje alfa částice a ionizuje molekuly, jež se mají prověřit v iontovém mobilním spektrometru. Ačkoli ionty se v buňce vyskytují i přirozeně, jejich příliš vysoká koncentrace může vyvolat genetické poškození, a proto když jsou buňky vystaveny velké dávce ionizujícího záření, může to vést k těžkému onemocnění či úmrtí. Jsou-li však buňky mrtvé jako v mase či zelenině, které mají být prodány na trhu, jejich ozáření už další škody nezpůsobí – zabije ale jakékoli dosud živé bakterie na potravinách. Jedním ze způsobů jak zlikvidovat bakterie způsobující salmonelózu a další choroby je vystavit potraviny ionizujícímu záření (záření gama, rentgenovému záření nebo beta částicím). Co se týče usmrcení nežádoucích bakterií, docílí se tím téhož výsledku jako uvařením, aniž bychom však museli zvýšit teplotu potravin. Potraviny, které byly vystaveny záření, se označují jako „ozářené“. Poškození buněk způsobené ionizujícím zářením nevede ke vzniku nových nestabilních radioaktivních jader, a ozářené potraviny tudíž samy o sobě radioaktivní nejsou. Tento zmatek v pojmech „radioaktivní“ a „ozářený“ je nešťastný, protože oba termíny mají samy o sobě takový emocionální náboj, že se mnoho lidí bude vyhýbat jakémukoli procesu, jehož součástí je jaderný rozpad, dokonce i za cenu chorob a úmrtí, jimž je možné předejít.
102
KAKALIOS - FYZIKA VSEDNICH VECI.indd 102
24.10.2018 6:53:34
Ukázka elektronické knihy