1.1 Protonový model atomového jádra

Tak jako objev elektronu (a objev atomového jádra) hrály důležitou roli při vytvoření prvních modelů atomu, při návrhu první hypotézy o stavbě jádra sehrál důležitou roli objev další elementární částice – objev protonu (1919).

Objev protonu

Rutherford sledoval ve Wilsonově mlžné komoře stopy částic α emitovaných radioaktivním zdrojem. Částice narážely na jádra atomu dusíku. Z místa srážky vycházely stopy dvě. Bylo zjištěno, že jedna stopa patří ionizovanému atomu kyslíku (resp. jádru kyslíku), druhá pak lehké částici, která je totožná s jádrem vodíku. Tato částice byla pojmenována proton.

Došlo vlastně k přeměně atomového jádra, která byla vyvolána srážkou. Taková přeměna se v analogii s chemií označuje jako jaderná reakce. Pro její zápis můžeme použít schematického zápisu, který je podobný zápisu chemické reakce.

Místo značek molekul (např. ) vystupují v jaderné reakci značky atomových jader (značka odpovídajícího prvku, např. O, N) a místo značek atomů (značka prvku, např. O, H) značky elementárních částic (např. e – elektron). Pro proton byla zavedena značka p. Význam indexů u značek vysvětlíme podrobně později. Zatím si jen řekněme, že dolní index představuje náboj částice v násobcích elementárního elektrického náboje. 

Zvětšit       Animace (750kB)

(Pozor! V chemické reakci značky prvků symbolizují atomy, zatímco v jaderné reakci příslušná atomová jádra.)

Poznámky

• Pozorovaná stopa částice není dráhou (trajektorií částice, tj. křivkou ), i když ji z pohledu z dálky připomíná, ale pouze nějakým způsobem zviditelněnou oblastí (s malou, ale konečnou šířkou), jíž částice prochází. V případě mlžné komory je stopa tvořena kapičkami, které vznikají kondenzací přesycené páry na iontech, které byly vytvořeny průletem elektricky nabité částice (ionizace atomů v okolí dráhy částice).

• V mlžné komoře, a obecně to platí i pro další detektory částic, můžeme pozorovat pouze stopy nabitých částic. Jedině ty jsou schopny při průletu prostředím strhávat či odtrhávat působením elektrostatické interakce elektrony atomů tohoto prostředí, které se nachází v blízkosti dráhy letu částice, a tak je ionizovat.

Pokud provedeme bilanci elektrického náboje pro výše uvedenou jadernou reakci na základě zákona zachování náboje , zjistíme, že proton má kladný elektrický náboj s velikostí rovnou hodnotě elementárního elektrického náboje e. Pro jednoduchost vyjádříme náboje jednotlivých částic v násobcích e, tedy Q = Ze. Pak máme a tedy  . Postupně byly určeny další vlastnosti protonu.

Vlastnosti protonu

• Dnes víme, že se jedná o elementární částici ze skupiny nukleonů.

• Jeho spinové kvantové číslo s = 1/2 ( ), proto se řadí mezi částice označované jako fermiony (částice s poločíselnými hodnotami s, liché násobky 1/2).

• Jedná se, jak už bylo řečeno, o částici s kladným elektrickým nábojem, jehož velikost je rovna elementárnímu elektrickému náboji e.

• Klidová hmotnost protonu je (1,672 648 5±0,000 008 6)10^-27 kg. 

• Z-ová složka vlastního magnetického momentu je , kde je jaderný magneton a hodnota Landého faktoru protonu = 2 ´ 2,792 845 6.

• Podle standardních teorií je proton stabilní částicí s neomezenou střední dobou života, podle některých nových teorií by měl mít konečnou střední dobu života, která ale není menší než asi 10³² let. Proton tvoří jádro atomu vodíku. Odtud plyne alternativní značení v jaderných reakcích místo .

Zprvu se zdálo, že proton představuje jakousi obdobu elektronu, což naznačovala stejná velikost náboje, i když s opačným znaménkem, a stejná hodnota spinového čísla.

Proton je ovšem zhruba 1836 krát těžší než elektron a navíc má i odlišnou hodnotu Landého faktoru. Později se ukázalo, že tato odlišná hodnota je způsobena vnitřní strukturou protonu, náboj není rozdělen uvnitř částice rovnoměrně.

Naproti tomu u elektronu žádnou vnitřní strukturu nepozorujeme, navíc na elektron nepůsobí jaderné síly, a proto se jedná o rozdílný typ elementární částice (viz systém elementárních částic).

Na základě objevu protonu byla vytvořena následující představa o složení jádra.

Protonový model atomového jádra

Nedostatky protonového modelu

•   Fyzikové zatím nedokázali objasnit stabilitu jádra sestávajícího pouze z protonů, protože protony s kladným nábojem „natěsnané“ uvnitř jádra se musejí výrazně odpuzovat pomocí elektrostatické interakce. (Ověřte si, že vzhledem k malé hodnotě gravitační konstanty nemůže jádro držet pohromadě prostřednictvím gravitačních sil).

• Závažný rozpor byl ovšem zjištěn v případě hmotnosti jádra. Na základě protonového modelu se předpokládalo, že hmotnost jádra M by měla být alespoň přibližně rovna součtu klidových hmotností protonů v jádře obsažených, tedy . Z experimentu bylo ovšem zjištěno, že pro lehká jádra, počínaje již heliem, ( ) spíše platí přibližný vztah .

Rozpor se snažili fyzikové objasnit návrhem proton-elektronového modelu jádra.