Dříve než se dostaneme k vlastnímu tématu jaderných elektráren, zmíníme se o elementárních částicích a o současném pohledu na stavbu hmoty. Je třeba podotknout, že přívlastek "elementární" se udržuje spíše z historických důvodů, protože mnohé z těchto částic mají vnitřní strukturu a navíc takovýchto nejrůznějších částic bylo pozorováno několik stovek, což nesvědčí právě o jejich elementaritě. Nicméně pod pojmem elementární částice rozumíme objekty, které tvoří strukturu atomů a molekul a které vznikají při jejich srážkách a přeměnách. Předtím než se pustíme do klasifikace elementárních částic, zmíníme některé jejich vlastnosti.
Hmotnost částice
Mluvíme-li o hmotnosti částic, máme obvykle na mysli klidovou hmotnost, tj. hmotnost
částice, která je vůči nám v klidu, má nulovou rychlost. To proto, že hmotnost částice
není konstantní, ale závisí na rychlosti částice dle vzorce
kde m0 je klidová hmotnost, v je rychlost částice, c je rychlost světla. Pro představu hmotnost elektronu me=9,1091·10-31 kg, hmotnost protonu mp=1,67252·10-27 kg, neutronu mn=1,6748·10-27 kg, fotonu mfot=0 kg.
Atomy jsou složené z protonů, neutronů a elektronů, takže například hmotnost atomu železa mFe=9,27·10-26 kg, atomu uranu mU=3,95·10-25 kg. Hmotnosti organických molekul, např. DNK, RNK atd. jsou opět o řád větší.
Pro uvádění hmotnosti v atomové fyzice se používá atomová hmotnostní jednotka u, která je definována jako 1/12 hmotnosti izotopu uhlíku 126C a je tedy u=1,6606·10-27 kg. Pak pro hmotnost protonu platí mp=1,007277u a pro hmotnost neutronu mn=1,008664u.
Energie
U elementárních částic připadá v úvahu hlavně jejich kinetická energie, tj. energie
spojená s jejich pohybem, popř. klidová energie. V atomové fyzice se energie udává v
jednotkách nazvaných elektronvolt (eV). Tato jednotka má názorný význam:
1 eV je energie, kterou získá částice s nábojem rovným náboji elektronu při urychlení
potenciálovým rozdílem 1 V. 1 eV=1,602010·10-19 J. Jde o velmi malou jednotku,
proto se používají násobky keV, MeV, GeV, TeV.
Pomocí klidové energie bývá někdy také udávána hmotnost částic. Můžeme totiž využít
Einsteinova vztahu
| (2) |
Elektrický náboj
Elementární částice mohou mít kladný, záporný nebo nulový elektrický náboj. Elektrický
náboj je vhodné vyjadřovat v násobcích náboje elektronu, jehož hodnota je
e=1,60210·10-19 C.
Elektrický náboj je kvantován, tj. nabývá pouze diskrétních hodnot - celočíselných násobků náboje elektronu, a platí pro něj zákon zachování elektrického náboje.
Spin
Spin je vlastní moment hybnosti. Jde o ryze kvantovou vlastnost elementárních částic, která
nemá klasickou analogii v makrosvětě. Jednotkou velikosti spinu, resp. velikosti složek
spinu je redukovaná Planckova konstanta (h/2p) = 1,05450·10-34 Js.
Existence spinu byla poprvé prokázána experimentálně u elektronu v roce 1921. Spin získal název na základě představy, že elektron se otáčí kolem vlastní osy (spin=točit se, vrtět se), ale tato představa je nesprávná.
Podobně jako elektron mají spin i jiné mikroobjekty. Spin je kvantován a nabývá celočíselných nebo poločíselných násobků (h/2p). Tato vlastnost rozděluje částice na bosony a fermiony, viz níže.
Magnetický moment
Každá nabitá částice, která má mechanický moment hybnosti, má i magnetický moment hybnosti.
Základní jednotka je Am2, v atomové fyzice se používá jednotka jaderný magneton mj
(1mj=[(e(h/2p) )/(2mp)]=(5,0505±0,0004)·10-27 JT-1).
Doba života-poločas rozpadu
Elementární částice mohou být stabilní nebo se rozpadat na jiné částice. Doba života (průměrná
doba života) částic může být od Ą až po 10-23 s.
Interakce
Existují čtyři základní druhy interakcí:
Silná interakce představuje z dnešního pohledu základní interakci mezi kvarky. Někdy bývá nepřesně ztotožňována s pojmem jaderné interakce. Jaderné síly představují však pouze zbytkový projev silné interakce mezi kvarky tvořícími interagující hadrony. Silná interakce je nejsilnější známá interakce. Je krátkého dosahu (řádově 10-15 m). Kvantum silné interakce jsou částice gluony.
Slabá interakce se projevuje univerzálně u všech typů elementárních částic. Je po gravitační interakci druhá nejslabší známá interakce. Má jen velmi malý dosah, řádově 10-18 m. Na rozdíl od ostatních tří typů základních interakcí nevytváří slabá interakce žádné vázané stabilní systémy částic, ale projevuje se pouze rozpadem elementárních částic. Podílí se například na přeměně beta. Kvantem slabé interakce jsou tzv. intermediální bosony.
Elektromagnetická interakce působí mezi částicemi s nenulovým elektrickým nábojem. Po silné interakci je to druhá nejsilnější interakce. Jeji dosah je nekonečně velký. Kvantum elektromagnetické interakce je foton.
Gravitační interakce je velmi slabá, ale působí na všechny částice ve vesmíru, proto je rozhodující silou. Ze všech interakcí má maximální univerzálnost (není známa částice, která by nepodléhala gravitační interakci). Dosah gravitační interakce je nekonečně velký a její velikost se zmenšuje s kvadrátem vzdálenosti. Gravitační interakce je zprostředkována elementárními částicemi gravitony (tyto částice zatím nebyly experimentálně prokázány).
Pokud velikost silné interakce bude rovna jedné, bude pro velikosti jednotlivých interakcí platit:
Antičástice
Ke každé částici (kromě fotonu a neutrálního mezonu) existuje antičástice. Antičástice má stejnou hmotnost,
dobu života, spin, velikost elektrického náboje a magnetického momentu, avšak některé z dalších kvantových
čísel má opačné.
Elementární částice rozdělujeme podle různých kritérií:
Podle spinu
Fundamentální částice (kvarky a leptony) i velká část složených částic (např. protony a neutrony) jsou fermiony. Podle Pauliho principu takové částice nemohou existovat v přesně stejném kvantovém stavu.
Mezi bosony patří
Podle vlastností dělíme elementární částice do tří skupin:
Kalibrační vektorové bosony
jsou částice se spinem 1. Pomocí jejich virtuální výměny se popisují interakce částic.
Mezi kalibrační vektorové bosony patří foton (kvantum elmag. pole), bosony W±, Z
(slabá interakce) a gluony G (silná interakce).
Leptony
jsou lehké částice1
se spinem 1/2. Podle současných představ nemají vnitřní strukturu
ani konečné rozměry. K leptonům patří elektron, mion a tauon a odpovídající neutrina
elektronové, mionové a tauonové. Podléhají pouze slabé, gravitační a
elektromagnetické interakci.
Hadrony
jsou těžké částice s vnitřní strukturou. Podléhají všem druhům interakcí, hlavní roli
pro hadrony hrají silné interakce. Podle spinu se dělí na dvě skupiny:
Předpokládá se, že hadrony jsou složené z kvarků (baryony jsou složené ze tří kvarků
a mezony obsahují jeden kvark a jeden antikvark). Současná teorie fundamentálních
částic předpokládá, že veškerá hmota se skládá z:
1. 6 druhů leptonů
2. 6 druhů kvarků
3. částic zprostředkujících interakce (gluony, fotony, bosony, gravitony)
| Název | Hmotnost [GeV/c2] | Náboj |
| u up | 0,005 | +2/3 |
| d down | 0,01 | -1/3 |
| c charm | 1,5 | +2/3 |
| s strange | 0,2 | -1/3 |
| t truth | 180 | +2/3 |
| b beauty | 4,7 | -1/3 |
| Název | Hmotnost [GeV/c2] | Náboj | |
| ne | e neutrino | < 7·10-9 | 0 |
| e- | elektron | 0,000511 | -1 |
| nm | m neutrino | < 0,003 | 0 |
| m- | mion | 0,106 | -1 |
| nt | t neutrino | < 0,03 | 0 |
| t- | tauon | 1,7771 | -1 |
Například proton obsahuje kombinaci kvarků uud, neutron udd. Kvarky jsou, jak bylo řečeno, fermiony a proto by v tomto případě vznikl nesoulad s Pauliho vylučovacím principem. Problém se podařilo vyřešit tak, že fyzikové kvarky "obarvili". Vyslovili předpoklad, že kvarky existují ve třech barvách: červené, zelené a modré, a každá barva znamená vlastně jiný stav. Antikvarky mají barvy doplňkové - azurovou, purpurovou a žlutou.
Kvarky se nepodařilo z hadronů uvolnit a možná, že to ani není principiálně
možné, že kvarky vůbec nemohou samostatně existovat. Vznikla hypotéza, že
samostatně mohou existovat jen bílé, nebarevné částice. Každý hadron totiž
při složení barev jeho kvarků dostane nakonec barvu bílou.
V běžném světě naštěstí vystačíme s mnohem menším počtem částic, než zde bylo uvedeno:
elektronem, protonem, neutronem, elektronovým neutrinem a jejich
antičásticemi.
Elementární částice, o nichž byla řeč, jsou stavebními kameny atomů. Atomy se skládají z atomového jádra a elektronového obalu, přičemž elektronový obal a tím i celý atom má rozměr 10-10 m, zatímco jádro je oblast o rozměrech řádově 10-14 m. Elektronový obal je tvořen, jak již název napovídá, elektrony, a je odpovědný za chemické a spektrální vlastnosti atomu. V atomovém jádře je soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu, zároveň atomové jádro nese elektrický náboj +Z|e|, kde Z je atomové číslo atomu a e náboj elektronu. Jádro je složeno z protonů a neutronů, které souhrnně nazýváme nukleony. Počet protonů v jádře určuje celkový náboj jádra a tím i atomové číslo Z prvku a tedy i zařazení atomu v periodické soustavě prvků. Celkový počet nukleonů v jádře udává hmotnostní číslo A, počet neutronů je N=A-Z. Číslu N se někdy říká neutronové číslo.
Atomy s určitým počtem protonů a neutronů (tj. s daným jádrem) jsou označovány jako nuklidy. Jádra téhož prvku (tzn. se stejným Z) s různým A tvoří izotopy daného prvku, lišící se hmotností. Nuklidy různých chemických prvků, jejichž jádra obsahují stejný počet nukleonů (se stejným A) tvoří různé izobary.
Některá atomová jádra zůstávají neměnná po libovolně dlouhou dobu bez ohledu na to, jakými změnami atom prochází. Tato jádra se nazývají stabilní. Značně větší počet atomů však obsahuje jádra, která se samovolně rozpadají a vyzářením částic se mění na jádra jiná. Těmto jádrům říkáme radioaktivní a zmíněný děj nazýváme radioaktivita. Změny atomových jader je možno dosáhnout také při vzájemných srážkách jader. Takovým procesům, které zpravidla vyvoláváme uměle, říkáme jaderné reakce.
1Původně označení leptony znamenalo lehké částice. Tetno název se však udržuje pouze z historických důvodů, protože zejména po objevu těžkého leptonu (jiné označení pro tauon) ztratil termín "lehká částice" svůj význam.