If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Pokud používáš webový filtr, ujisti se, že domény: *.kastatic.org and *.kasandbox.org jsou vyloučeny z filtrování.

Hlavní obsah

Protonové číslo, nukleonové číslo a izotopy

Základní popis atomů pomocí protonového čísla, nukleonového čísla a relativní atomové hmotnosti. Protonové (neboli atomové) číslo je počet protonů v atomu, nukleonové (neboli hmotnostní číslo) je počet všech jaderných částic. Izotopy mají stejný počet protonů (protonové číslo), ale liší se v počtu neutronů.

Úvod

Slovo radioaktivita na nás čas od času vyskočí ze zpráv. Skloňuje se v diskuzi o použití jaderné energie, mluvilo se o ní v souvislosti s havárií japonské jaderné elektrárny ve Fukušimě, nebo ukrajinské jaderné elektrárny v Černobylu. Probíhají jednání o jaderných zbraních a snahy o jejich likvidaci. A tak není divu, že se radioaktivita dostala i jako téma do seriálů a filmů: Asi znáš seriál Černobyl z roku 2019 nebo si možná vybavíš některý popkulturní příběh o superhrdinech bojujících s padouchy, kde došlo i k ozáření. Třeba ve Spidermanovi se řeší případ pokousání radioaktivním pavoukem. Ale co to přesně znamená, když je něco radioaktivní?
Radioaktivita je ve skutečnosti vlastnost atomu. Radioaktivní atomy mají nestabilní jádra a ta se přeměňují za vzniku stabilnějších jader a při tom se uvolňují elementární částice, které se šíří prostorem. A tyto malé částice mají současně charakter záření (elektromagnetického vlnění). Mnoho prvků se vyskytuje jak v radioaktivní tak i stálé „verzi“, které se od sebe liší počtem neutronů, které obsahují. Ať už jsou nebo nejsou radioaktivní, tyto různé „verze“ prvků se nazývají izotopy a malá množství radioaktivních izotopů se často vyskytují v přírodě. Například v atmosféře existuje malé množství uhlíku, tzv. radioaktivního uhlíku-14, a množství uhlíku-14 nalezeného ve zkamenělinách umožňuje paleontologům určit jejich stáří.
V tomto článku se podrobněji podíváme na elementární částice, ze kterých skládají atomy všech prvků, a na to, proč jsou některé izotopy radioaktivní.

Protonové číslo, atomová hmotnost a relativní atomová hmotnost

Atomy každého prvku obsahují určitý počet protonů. Počet protonů určuje, o jaký prvek se jedná a jak ho nazýváme (např. všechny atomy se šesti protony jsou atomy uhlíku); počet protonů v atomu se nazývá protonové číslo (někdy také atomové číslo, podle anglického atomic number). Naopak počet neutronů daného prvku se může lišit atom od atomu. Verze atomu stejného prvku, které se liší pouze počtem neutronů, se nazývají izotopy. Celkový počet protonů a počet neutronů určuje nukleonové číslo (někdy také hmotnostní číslo, podle anglického mass number): nukleonové číslo = počet protonů + počet neutronů. Protony a neutrony se dohromady značí nukleony podle toho, že jsou v jádře a jádro je řecky nucleus. Pokud chceme spočítat, kolik neutronů má atom, prostě odečteme počet protonů – neboli protonové číslo od nukleonového čísla.
Vlastnost úzce spojená s nukleonovým, nebo také atomovým číslem je atomová hmotnost. Hmotnost jednoho atomu je jeho celková hmotnost a obvykle je vyjádřena v jednotkách atomové hmotnosti nebo amu. Atom uhlíku se šesti neutrony, uhlík-12, má z definice atomovou hmotnost 12 amu. Atomové hmotnosti atomů jiných izotopů obvykle nejsou celočíselné. Důvody, proč tomu tak je, přesahují rámec tohoto článku. Obecně se však atomová hmotnost blíží nukleonovému číslu s menší odchylkou za desetinnou čárkou.
Vzhledem k tomu, že izotopy jednoho prvku mají různé atomové hmotnosti, vědci mohou také určit relativní atomovou hmotnost— někdy se nazývá atomová váha — pro daný prvek. Relativní atomová hmotnost je váženým průměrem atomových hmotností všech různých izotopů ve vzorku, kde se každý izotop započítává podle svého výskytu na Zemi. Relativní atomové hmotnosti najdeme v periodické soustavě prvků – zde jako příklad uvádíme vodík. Relativní atomové hmotnosti jsou zjištěny na základě studia skutečných vzorků na naší planetě a proto se v nich projevuje relativní zastoupení izotopů daných prvků, jaké je na Zemi v přírodních vzorcích. Díky tomu je lze používat pro chemické výpočty, které fungují se reálnými vzorky látek, se kterými se běžně setkáváme. U vzorků z vesmírných těles, třeba z asteroidu nebo komety, se toto zastoupení izotopů může významně lišit a relativní atomové hmotnosti z našich tabulek tu neplatí.
Na obrázku vidíme „anatomii“ políčka daného prvku v periodické tabulce, jak je nejčastěji uspořádáno. Vlevo nahoře je protonové číslo, tedy počet protonů. Uprostřed je zkratka pro daný prvek (tedy například H). Dole je relativní atomová hmotnost vypočtená pro izotopy přirozeně se vyskytující na Zemi. Úplně dole je název prvku (tedy například vodík). Ale různé tabulky mohou vypadat i poněkud jinak.
Obrázek převzat a upraven z OpenStax Biology

Izotopy a rozklad radioaktivních látek

Jak už jsme si řekli výše, izotopy jsou různé formy prvku a mají stejné množství protonů, liší se v množství neutronů. Mnoho prvků - například uhlík, draslík, uran - mají více přirozeně se vyskytujících izotopů. Neutrální atom uhlíku-12 obsahuje šest protonů, šest neutronů, a tak je jeho nukleonové číslo 12 (šest protonů plus šest neutronů). Neutrální uhlík-14 obsahuje šest protonů, osm neutronů a šest elektronů a jeho nukleonové číslo je 14 (šest protonů plus osm neutronů). Tyto dvě formy uhlíku jsou dva izotopy uhlíku.
Některé izotopy jsou stabilní, jiné se zbavují elementárních částic, aby dosáhly stabilnější konfigurace o nižší energii. Takovým nestálým izotopům říkáme radioizotopy a procesu, při kterém se zbavují elementárních částic, říkáme rozklad. Rozklad radioaktivních látek vede ke změně počtu protonů v jádře. Když k tomu dojde, změní se totožnost atomu (například se z uhlíku-14 rozkladem stane dusík-14).
Jednotlivé atomy daného izotopu se rozpadají náhodně, ale vzhledem k vysokému počtu částic, které jsou obsaženy i v malém vzorku, se ve výsledku projeví jako exponenciální děj. Popisuje ho poločas rozpadu izotopu, což je doba, během které dojde k rozkladu poloviny látky na jiný typ – relativně stabilního – produktu. Poměr původního izotopu k produktu rozkladu a ke stabilním izotopům se mění předvídatelným způsobem. Tato předvídatelnost umožňuje to, že je relativní zastoupení izotopů možné využít k výpočtu času uplynulého od přidání izotopu (například ve zkamenělině, do které se nemůže radioaktivní izotop dostat jinak, než s živou organickou hmotou) do současnosti a tedy jejího stáří.
Graf radioaktivního rozpadu uhlíku-14 v čase. Množství uhlíku-14 se s časem exponenciálně snižuje. Doba, za kterou přesně u poloviny původního množství uhlíku-14 dojde k rozkladu – a polovina stále zůstává – je poločas rozpadu. U uhlíku-14 to je 5 730 let. Pozn.: Pojem poločas rozpadu je poněkud nevýstižný, přesnější by byl např. „čas polorozpadu“, ale to se nepoužívá.
Obrázek převzat a upraven z CK-12 Biology
Jako příklad si uveďme uhlík, který se v atmosféře běžně vyskytuje ve formě plynů jako oxid uhličitý a existuje ve třech izotopických formách - uhlík-12 a uhlík-13, které jsou stabilní, a uhlík-14, který je radioaktivní. Tyto formy uhlíku v atmosféře nalezneme v relativně stabilním poměru - uhlík-12 je hlavní formou a představuje cca 99 %, uhlík-13 je vzácnější - představuje cca 1 %, a uhlíku-14 je jen velmi maličké množství.1 Když rostliny ze vzduchu odebírají oxid uhličitý, aby jej zabudovaly při fotosyntéze do cukrů, relativní množství uhlíku-14 v jejich pletivu se bude rovnat koncentraci uhlíku-14 v atmosféře. Živočichové pak zkonzumují tyto rostliny, případně živočichy, kteří je zkonzumovali, a koncentrace uhlíku-14 v jejich tělech bude také odpovídat koncentraci uhlíku-14 v atmosféře. Když organismus zahyne, přestane přijímat uhlík-14 a poměr uhlíku-14 vůči uhlíku-12 v jeho pozůstatcích, například zkamenělých kostech, se sníží - uhlík-14 se postupně rozloží na dusík-14.2
Po uplynutí poločasu rozkladu cca 5 730 let bude polovina uhlíku-14, který byl původně přítomen, přeměněna na dusík-14. Díky této informaci můžeme relativně přesně odhadovat, jak staré jsou předměty organického původu jako kosti či dřevo. Porovnáním poměru koncentrace uhlíku-14 vůči uhlíku-12 v předmětu a poměru těchto v atmosféře v minulosti, dokážeme stanovit, jaké je množství izotopů, u kterého ještě nedošlo k rozkladu. Na základě této hodnoty dokážeme zjistit věk materiálu s docela dobrou přesností, není-li předmět o mnoho starší než 50 000 let. Izotopy jiných prvků mají jiný poločas přeměny, je tak možné stáří zjišťovat podle více izotopů současně a údaje tak zpřesňovat. Například draslík-40 má poločas přeměny 1,25 miliardy let a uran-235 má poločas přeměny cca 700 milionů let – je proto používán na zjišťování stáří měsíčních hornin.2

Chceš se zapojit do diskuze?

Zatím žádné příspěvky.
Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.