EN

Ostrov stability na obzore

Periodickú tabuľka chemických prvkov si mnohí z nás pamätáme zo školských čias. Vieme, že končí ťažkými a nestabilnými prvkami. Čo však ak existujú ešte ťažšie, dodnes neobjavené stabilné prvky? A prečo je táto možnosť zaujímavá?


Stabilita a nestabilita


Len pre zopakovanie, periodickú tabuľku chemických prvkov prvý krát zostavil ruský vedec Dmitrij Ivanovič Mendelejev, ktorý zistil, že prvky sú zoradené v tabuľke podľa istého vzoru a tak sa mu podarilo ešte v dobe, keď ľudia poznali len 64 chemických prvkov, predpovedať objav a vlastnosti ďalších. Chcelo to len čas a nové prvky v tabuľke utešene pribúdali. Dnes ich už poznáme oveľa viac, presne 112. Tieto prvky sa delia na tri hlavné skupiny, kovy (napr. železo), polokovy (napr. kremík) a nekovy (napr. vodík).
 

Otec periodickej tabuľky prvkov.


Prvky sú v tabuľke zoradené podľa viacerých parametrov, nám pre vysvetlenie toho o čo nám ide budú stačiť tzv. protónové a nukleónové číslo niekedy nazývané aj hmotnostné číslo. Číselná hodnota protónového čísla vyjadruje počet Protónov v jadre atómu. Pre ilustráciu takéhoto označenia si predstavme napríklad Urán 238. Je to rádioaktívny prvok, používaný v jadrovom priemysle pri výrobe energie štiepnou reakciou. Má 92 Protónov (Protónové číslo) a 146 Neutrónov. Protóny a Neutróny označujeme jednotným názvom Nukleóny. Ak spočítame Protóny a Neutróny v jadre Uránu dostaneme 238 Nukleónov a teda nukleónové číslo. Urán je ťažkým prvkom, pričom skoro všetky ťažké prvky sa rozpadajú na stabilnejšie prvky a tie opätovne na ešte stabilnejšie až pokiaľ sa nerozpadnú na stabilné prvky. Je ťažké v prírode nájsť prirodzene sa vyskytujúce prvky, ktoré sú ťažké a zároveň stabilné. Takéto prvky by boli zaujímavé zo štúdijných, ale najmä praktických dôvodov.

Stabilita

Dnes vieme, že do protónového čísla 83 sú všetky prvky stabilné (presnejšie majú aspoň jeden stabilný izotop) a nepodliehajú žiadnemu druhu rádioaktívneho rozpadu. Prvky s protónovým číslom nad 83 sú už rádioaktívne. Niektoré majú polčas rozpadu niekoľko milión rokov, iné s protónovými číslami nad 108 sú extrémne nestabilné a vydržia len pár mikro či nanosekúnd v lepšom prípade sekúnd. Práve tieto prvky môžu mať unikátne vlastnosti a vedci ich usilovne študujú, žiaľ to je tým ťažšie, čím je prvok nestabilnejší. Predpokladá sa, že nad protónovým číslom 111 (tj. pre čísla 112 až 126) by mohol existovať Ostrov Stability s veľmi ťažkými prvkami, ktoré by boli stabilné „v mori“ nestabilných susedov. Niektoré pár sekúnd, iné pár minút a niektoré dokonca tak stabilné ako napríklad Kyslík, čo by umožnilo ich použitie na ďalšie experimentovanie a pozorovanie. Neskôr využitie ich unikátnych vlastností v elektrotechnike, medicíne a ďalších oblastiach vedy a techniky.

Nestabilita

Polčas premeny alebo polčas rozpadu je charakteristický parameter popisujúci nestabilitu každého prvku vo vesmíre.

Polčas premeny úzko súvisí s kvantovou mechanikou, riadi sa podľa jej zákonov. Pri určovaní polčasu rozpadu prvku sa zisťuje čas za ktorý sa rozpadne polovica jeho atómov. Napríklad za aký čas sa nám rozpadne polovica atómov Uránu 210. Konkrétne pri tomto izotope Uránu je to 22.3 roku. Ak teda položíte na poličku kilo Uránu 210 a vrátite sa ho skontrolovať o 22 rokov, zistíte, že máte už len pol kilogramu Uránu, druhá polovička sa rozpadla na ľahšie prvky. Pri inom izotope Uránu si počkáte iný čas, napríklad pri izotope 205 to bude 15 miliónov rokov. Rozpad konkrétneho jedného jadra však nevieme presne predpovedať. Vieme povedať len pravdepodobnosť s ktorou sa rozpadne. Rôzne jadrá toho istého prvku sa nám rozpadnúť zakaždým v inom čase. To čo vieme je za aký čas sa nám rozpadne veľký počet jadier.

Čím je jadro atómu zložené z viacerých Neutrónov, resp. pomer medzi Protónmi a Neutrónmi je väčší v prospech Neutrónov, ako napríklad u Uránu 238, ktorý má 92 Protónov a 146 Neutrónov, tým viac rastie pravdepodobnosť, že sa jadro rozpadne.

Nestabilnosť prvkov má svoje využitie. Napríklad céziové atómové hodiny fungujú na princípe rozpadu jadra Cézia. Ďalšie využitie nájdeme v jadrových elektrárňach, kde využívame nestabilné jadrá na výrobu energie.
 

Čo drží jadro atómu po kope?

Poznáme štyri druhy interakcii. Tie rôznou mierou zodpovedajú za chemické a fyzikálne vlastnosti prvkov.

Gravitácia je sila výhradne príťažlivá, jej dosah je nekonečný, pôsobí na všetkých a na všetko, avšak na atomárnej úrovni je v porovnaní s ostatnými pôsobiacimi silami veľmi malá, v podstate zanedbateľná. Dominantná je gravitácia až na veľkých škálach.

Elektromagnetická sila, je na rozdiel od gravitácie aj odpudivá. Elektrický náboj určuje, či sa objekty priťahujú alebo odpudzujú. Časticu, ktorá elektromagnetickú interakciu „prenáša“ poznáme ako fotón. Elektromagnetizmus sa prejavuje v rôznych formách. Napríklad ako obyčajné viditeľné svetlo, či ako rádiové vlny, vďaka ktorým sa šíri rádiový signál. Elektromagnetická sila taktiež spája molekuly do väzieb, kde vznikajú zložité reťazce molekúl.

Slabá jadrová sila je zodpovedná za beta rozpad nestabilných jadier a ich premeny na iné častice. Častice zodpovedné za túto silu voláme W‘ a Z‘ kalibračné Bozóny. Napríklad Neutrón sa rozpadá na Protón pomocou kalibračného W‘ bozónu. Bozón sa následne rozpadá na Elektrón a elektrónové Antineutríno.

Posledná známa sila v prírode, silná jadrová interakcia, alebo silná sila udržuje po hromade kvarky, ktoré tvoria samotné Protóny a Neutróny. Kvarky delíme na skupiny U ako Up (horný) a d ako Down (dolný), c ako Charming (pôvabný), s ako Strange (podivný), t ako Top (vrchný) a nakoniec b ako Beauty (krásny). Neutrón je zložený z troch kvarkov (u, d, d). Protón z troch kvarkov (u, u, d). Každá rozličná kombinácia vytvára inú časticu. Kvarky držia v jadre Neutrónu práve vďaka Gluónom, čo je prenášač silnej interakcie (podobne ako Fotón u EM sily). Zbytková silná sila potom udržuje aj samotné častice ako Neutrón a Protón spolu a tak nám vzniká jadro atómu. Jej dosah je konečný, veľmi krátky, podobný rozmeru Protónu.

 

Komentáre (33)
TomKocuR
Odkedy je pre krista ortuť polokovom?
Pavol Bobik
Vdaka za upozornenie, opravene.
16cmfan
Tak to nazveme Prechodný prvok ? Je to prechodový prvok medzi kovom a nekovom. Niektoré zdroje uvádzajú, že vlastne nepatrí ani medzi tie prechodové prvky. Vďaka za korekciu, kam by Ste ho zaradili na mojom mieste ? Ináč na základke sme to mali medzi polokovmi.. ale tak to už je 6-7 rokov... RP dík za rýchlu korekciu :)
TomKocuR
Ortuť je kov, samozrejme. http://sk.wikipedia.org/wiki/Polokov
snap
wiki ako velmy odborny zdroj :D ale ano mas pravdu ortut je toxicky kov...
Buggy
Tak už mě to donutilo se seb zaregistrovat :) Pěkné početníčko na úterní dopoledne. Není od věci se sem tam trochu vzdělat (I když mám zrovna půlku prázdnin :D) Jen tak dál!
16cmfan
Som rád, že som niekoho donútil sa sem registrovať :-))
materik
pekny clanok, mohol by si zacat pisat pre sme, lebo ich google preklady vedeckych clankov su necitatelne toto bolo podane na urovni!
Broslowski
preco by mal pisat pre sme, moze pisat sem.
materik
pravda, nemusi pre nich pisat... len nech im ukaze tento clanok aby vedeli, ako ma odborny clanok vyzerat
bledos
Nechcem byt pesimista, ale podla mna sa uz taky stabilny prvkok nad protonove cislo 100 neda najst, lebo jadrova sila proste uz na take velke jadro nestaci - ma maly dosah... A keby take jadro bolo stabilne urcite by uz niekde vo vesmire vzniklo a uz by sme ho davno niekde detekovali.
Ondro1
Veď práve. Absolútne súhlasím, fan je niekedy príliš optimistický, no fakt, že ani len v našej sústave nejestvuje ťažší prvok než 92, znamená to, že tieto superťažké prvky musia mať polčas rozpadu aspoň pod 2,5mld rokov, resp. v praxi oveľa, oveľa menej, pretože sa, samozrejme, nejaké 126 protónové jadro nebude rozpadať rovno na Urán či Rádium, to je nemožné, teda nečakajme nejakú superextramega stabilitu typu stability olova, no môže aj byť, že z nejakých príčin tieto prvky nevytvorí ani výbuch supernovy, veľa o tom nevieme, no ale však nechajme sa prekvapiť.
kakocool
Ako chces detekovat nieco, comu nepoznas vlastnosti. Na spektrometriu potrebujes poznat absorbcne pasy. A nieje nahodou aj vodik trochu kov?
bledos
Absorbcne pasy sa daju pomocou metod kvantovej chemie priblizne spocitat pre akykolvek prvok si zmyslis - aj taky co neexistuje a nikdy existovat nebude :)
passco
Určite existuju prvky o ktorych nemame ani paru a myslime si ze nemozu existovat .. vo vesmire je tolko druhov podmienok kde mozu mat prirodzene prostredie .. jednou z teorii je ze v strede ciernej diery je supermasivna hmota a ta je z coho ? Z atomu vodika? Este jedna vec ma zaujima ta jadrova sila vznika a trva vdaka comu a vdaka comu tak dlho existuje len vdaka protonom a neutronom?
bledos
Podobne ako elektricka sila, ktorej "prenasacmi" su fotony, ma aj jadrova sila svoje "mediatory" interakcie a tie sa volaju gluony - existuje 8 rôznych gluónov. Sú elektricky neutrálne a nemajú hmotnosť. Nazov tych castic nenadarmo znamena "zlepovat", lebo fakt drzi pokope castice, ktore by inak vdaka silnej elektrostaticke odpudivej sile len tazko koexistovali v tak tesnej blizkosti (preto je napr. atomova bomba taka destruktivna).
passco
Dakujem za vysvetlenie :) Uz mam v tom trosku viac svetla :)
bledos
Nepredstavuj si jadro ako nejaky staticky objekt v ktorom je urcity pocet neutronov a protov, ktore tam "ticho" sedia zlepene nejakou zvlastnou jadrovou silou. Je to skor neuveritelne horuci hotol, aky si ani nevieme predstavit, kde vobec nie jasne co je proton a neutron, skor by sa to dalo prirovnat ku bublajucej "gluonovej" polievke v ktorej "plavaju" kvarky :) Preto by som aj tie "magicke" cisla co sa objavuju v clanku bral z velkou rezervou a skor suvisia s poctom a vzajomnym pomerom tych kvarkov z ktorych su tie protony a netrony zlozene...
M1ch4l
krasny clanok :) mohol si mozno viac napisat o tom potencialnom vyuziti takych tazkych stabilnych prvkov, ale pripadne nabuduce
predatormx5
Udelujem pochvalu za takyto clanok a cakame na pokracovanie :)
16cmfan
Páni, ďakujem Vám za pozitívne reakcie, to vie neuveriteľne potešiť :) Snáď niekedy v budúcnu sa k tomu ešte vrátime, resp. máme ešte iné veci naplánované, máte sa načo tešiť :).
16cmfan
@BLEDOS - príď aj na naše fórum niekedy "pokecať", vidím, že Ťa fyzika baví a máš prehľad.
Ondro1
Článok je perfektný, no veta "Dmitrij Ivanovič Mendelejev, ktorý zistil, že prvky sú zoradené v tabuľke podľa istého vzoru" trošku nedáva zmysel, keďže tú tabuľku vytvoril, skôr by som povedal "Dmitrij Ivanovič Mendelejev, ktorý zistil, že prvky sa dajú zoradiť podľa istých vzorov"
16cmfan
Tak ono na tom až tak nezáleží, kedže už v jeho dobe poznal periodicitu a určitý vzorec budúcich vlastností prvkov. Obidve vety sú správne. A dík za pochvalu :)
Ondro1
Veď ja viem, je to pravda, akurát to blbo znie :)
pilgrim
Pekný článok, poučný, vďaka. Dovoľujem si však nesúhlasiť s touto vetou: "Napríklad céziové atómové hodiny fungujú na princípe rozpadu jadra Cézia." Céziové atómové hodiny totiž využívajú veľmi presnú rezonančnú frekvenciu 9 192 631 770 Hz - avšak STABILNÉHO izotopu cézia Cs133, čo súvisí s prechodom medzi dvoma energetickými stavmi tohto atómu. Týmto sa synchronizuje mikrovlnný oscilátor, dosahovaná presnosť je asi 1 sekunda za 1.4 milióna rokov. Nič tak presné nemožno ani zďaleka dosiahnuť na princípe rádioaktívneho rozpadu. BTW, neslávne známy je rádioaktívny izotop Cs137 s polčasom rozpadu asi 30 rokov, máme ho všade okolo vďaka Černobyľu aj Fukušime.
16cmfan
133Cs - veď jadro sa rozpadá, nevidím problém. Každé jadro vyžaruje EM o určitej frekvencii. Resp. všetko. Len mi príde divná formulácia, ktorá určuje to kmitanie pri 0K. Pri 0K nič nežiari predsa (zase tá slávna wiki). A ešte jedna vec, 133Cs vyžaruje kvantá energie pri deexitácii, nie ? Či sa mýlim ? Vyžarovať a rezonovať je rozdiel. Ešte dodatok napísaný 10:05. Ak sa nad tým tak zamyslím, v prírode vlastne neexistuje zdroj "čistého" gamma žiarenia. To vzniká až po deexitácii vzbudeného jadra, ktoré vyžiarí Beta/Alfa žiaranie - to vzbudí zase susedné jadro. Hmm, takže môžem povedať, že vďaka slabej interakcii tu máme Gamma žiarenie... Môžme pokračovať v diskusii tu ? http://pretaktovanie.zoznam.sk/viewtopic.php?f=109&t=77726&start=30 Je to prehliadnejšie.
pilgrim
133Cs sa nerozpada, je to jediny stabilny izotop z dvanastich existujucich izotopov Cezia. O ceziovych hodinach je toho na webe vela - napr. http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock
bledos
"Pri 0K nič nežiari predsa (zase tá slávna wiki)" Pozor - mylna je predstava, ze pri 0 K nic neziari - teda skor nepohybuje, praveze sa musi pohybovat (kmitat), ide o tzv. nultu vibracnu hladinu - vsetko musi byt v pohybe - vyplyva to z Heisenbergoveho principu neurcitosti -> pri ziadnom pohybe by bola hybnost nulova a lokalizacia takej castice, alebo systemu by musela byt nekonecna, resp. ziadna... Je to zaujimavy paradox, ze to co existuje musi byt v pohybe...
16cmfan
@Pilgrin - už som tomu pochopil, RP mi to vysvetlil :) Teraz ku teplote - Najbližšie k takýmto predstavám má Bose-Einsteinov kondenzát, kedy prejdú všetky atómy do jedného spoločného stavu a dajú sa popísať (resp. dá sa) jedinou vlnovou funkciou. Ale fakt si nie som istý, či je vôbec dobré sa zaoberať niečim, čo nie je možné dosiahnuť. Btw, máš k tomu nejaké linky ? Či už SK/CZ alebo aj ENG ? Hlavne o tej nultej vibračnej hladine atp. všeobecne o teórii, ktorá by mohla opisovať ako sa správa systém pri 0K. Vďaka :)
bledos
Nieco na wikipedii: http://en.wikipedia.org/wiki/Zero-point_energy a nasiel som este jeden pekny clanok nielen o tom (kapitola:Bond stretching and infrared absorption): http://www.chem1.com/acad/webtext/chembond/cb01.html
doCHtor
Pekny clanok. V poslednej casti, "Čo drží jadro atómu po kope?" je asi chyba v deleni quarkov. Neviem o tom ze by sa pouzival typ b ako "beauty"... asi by malo ist o bottom co by slo v tomto pripade asi najlepsie prelozit ako "spodny". Resp. potom by sa malo napisat pre Top a Bottom ze su Truth a Beauty, co bolo stare pomenovanie. Takto to je mix noveho a stareho :)
sucho13
prvok s protonovym cislom 43 - Technecium je antropogenny a nema ziaden stabilny izotop.opravte si prosim tvrdenie ze do protonoveho cisla 83 maju vsetky prvky aspon 1 stabilny izotop
Pridať nový komentár
TOPlist