Atóm: Je neviditeľný, ale ovplyvňuje všetko

Atóm je nám často neznámy: ani ho nevidíme, ani necítime, pritom ovplyvňuje všetko a je všade. Podobné je to napríklad aj s rádioaktivitou: tento bežný proces v prírode chápeme skôr ako obavu o naše zdravie, pritom nielenže je prirodzenou súčasťou prírody a života, ale máme ju aj v sebe. Naše vlastné telo "žiari" vďaka prítomnosti rádioaktívnych izotopov. Rádioaktivita sa dá využiť mnohorakými spôsobmi v priemysle, nehovoriac o jadrovej energetike, ktorá energiu uvoľnenú z atómov premieňa na elektrinu - určite aj vo vašej zásuvke - a dokáže to robiť už skoro sedem desaťročí bezpečne a spoľahlivo. 

Zaujímavá téma atómu nás priviedla na Katedru chémie Pedagogickej fakulty Trnavskej univerzity, kde interná doktorandka Dominika Koperová (DK) vymyslela projekt Atóm v chémii. Na katedre chcú pripraviť učebnicu chémie, ktorá bude látku o atóme ladiť viac výskumne a prakticky. K interview sa pridali aj prof. PhDr. Ľubomír Held, CSc. (ĽH) a doc. RNDr. Martin Pipíška, PhD. (MP).

V rozhovore s odborníkmi z katedry chémie na Trnavskej univerzite sa dozviete:

 o čo ide v projekte Atóm v chémii,

aký je ich názor na jadrové elektrárne,

či je žiarenie všade okolo nás,

ako to, že ľudská bunka prežije žiarenie,

prečo žiari aj naše vlastné telo.

Atóm v chémii: Naši žiaci majú vedomosti na formálnej úrovni

Čo je cieľom vášho projektu Atóm v chémii?

DK: Projekt sa zameriava na riešenie aktuálnej problematiky v oblasti prírodovedného vzdelávania zapojením konštruktivistických prvkov. V projekte navrhujeme zmenu prístupu vo vyučovaní a implementáciu výskumne ladenej koncepcie, ktorá predstavuje perspektívny edukačný nástroj, ktorým sa rozvíja prírodovedná gramotnosť. Tá sa dostáva do popredia hlavne v spojení  s meraním PISA (Programme for International Student Assessment, medzinárodné meranie vzdelávania), ktoré nastavuje akési pomyselné „zrkadlo“ nášmu stavu vzdelávania. Do popredia tak vystupuje skutočnosť, že naši žiaci síce majú vedomosti, no hlavne na formálnej úrovni, čo znamená, že ich poznatky nie sú využiteľné pri riešení problémov či argumentácii.

V čom by ste chceli skvalitniť vyučovanie o atómoch v učebniciach chémie?

DK: Učebnice chémie sú pomôckou, ktorá je vo vzdelávaní najdostupnejšou nielen žiakom, ale aj učiteľom. Ich skvalitňovanie  je otvorenou otázkou, nakoľko kvalitná učebnica nemusí znamenať vždy kvalitného učiteľa a naopak. Tu je otázkou samotné skvalitnenie vyučovania chémie. To sa nemusí dominantne odvíjať len od učebníc, ale skôr od prístupu učiteľa k chémii ako takej. Chémia predstavuje poznatky, ktoré boli získané aktívnou činnosťou, bádaním, skúmaním a zhodnocovaním údajov, a toto sú „veci“, ktoré nie každá učebnica chémie (alebo inej prírodnej vedy) žiakom ponúka. A to je to, čo vo vyučovaní žiakom chýba – ich vlastná aktívna činnosť, to, aby svoje poznatky (nielen o atóme a jeho štruktúre) „objavili sami“ – skúmaním, pozorovaním a vyhodnocovaním získaných údajov. Tak získajú nielen trvácnejšie poznatky, ale aj pozitívnejší postoj k vede, ktorá pre nich zrazu nepredstavuje len množstvo faktografických poznatkov.

Vyšší stupeň vzdelávania, sofistikovanejší model atómu

Poznáme viaceré modely atómu, ktorý je momentálne využívaný najčastejšie?

DK: Využiteľnosť modelu atómu závisí od oblastí, v ktorej model nachádza svoje uplatnenie. Platí, že čoraz vyšší stupeň vzdelávania prináša čoraz sofistikovanejší model atómu a samotná vedecká prax opisuje atóm rovnicami. Ak  teda pozeráme na využitie modelu, je potrebné rozlišovať, v akých podmienkach sa s modelom pracuje. Napríklad na základných školách je najčastejšie využívaný model atómu rozlišujúci jadro a obal a v nich umiestnené elementárne častice. Tieto modely označujeme Rutherfordov (planétový) model alebo Bohrov model atómu. Žiaci pri týchto modeloch nie sú „zaťažovaní“ vlnovým alebo pravdepodobnostným charakterom atómu, ale na strednej škole atóm získava aj tieto „abstraktnejšie“ charakteristiky. Tým sa dostávame ku konceptu kvantovo-mechanického (alebo kvantového) modelu atómu, ktorý sa na vysokej škole hlbšie rozvíja, zdokonaľuje.

V čom je rozdiel, keď sa na atóm pozerá chemik a keď fyzik? Majú tieto vedy „iný“ pohľad na atóm?

DK: Chémia a fyzika sú vzájomne prepojené. Ak sa pozrieme na (chemické) zmeny látok vidíme, že sú ovplyvnené zákonmi fyziky, z čoho plynie zistenie, že „chémia je v podstate fyzika“, a ak človek chce rozumieť chémii, potrebuje rozumieť aj fyzike. Samotný atóm, resp. jeho modely, ktoré používa aj chémia, boli opísané fyzikmi - Rutherford, Bohr, de Broglie, Schrödinger alebo Heisenberg. Chémia a fyzika teda nemajú „iný“ pohľad na atóm, ale skôr sú v akejsi „symbióze“ a ich poznatky vzájomne dopĺňajú.

Som veľký ako nula nič. Kto som?

Prečo je dôležité spoznávať atóm ako taký?

DK: Pred nejakým časom som kládla študentom otázku: „Som veľký asi nula celá nula nula nula nula nič, a predsa všetko ovplyvňujem, kto som?“ A odpoveď je jednoduchá – atóm.

„Som veľký asi nula celá nula nula nula nula nič, a predsa všetko ovplyvňujem, kto som?“ A odpoveď je jednoduchá – atóm.

Myslím, že táto otázka všetko vysvetľuje a atóm, aj napriek svojej „neviditeľnosti“, je okolo nás, či v živých alebo neživých objektoch, a všetko ovplyvňuje. V chémii si všimneme predovšetkým zmeny týkajúce sa chemických väzieb, spojení medzi atómami, ale pekným príkladom vplyv atómu a jeho štruktúry aj na usporiadanie prvkov v periodickej tabuľke – a to, akú „zmenu“ spôsobí nárast alebo pokles počtu protónov a elektrónov, kedy z inertného, vzácneho plynu dostaneme pomerne ľahko a prudko reagujúci prvok. A práve v tom je to čaro. Ak povieme slovo „atóm“, vidíme hneď to „nebezpečné a zlé“, ale nie je to celkom tak.  Ani si to neuvedomujeme, ale s najjednoduchšími „interakciami“ medzi atómami sa stretávame každý deň – elektrizovanie vlasov alebo pleteného svetra, keď sa elektróny v atómovom obale preskupujú a my „cítime“ len výsledok, bez uvedomenia si, čo to spôsobuje. Rovnako je to aj s röntgenovým žiarením, ktoré si pravdepodobne tiež nespájame s atómom.

Najčastejšie sa s atómom stretávame napríklad pri jadrovej energetike či nukleárnej fyzike, všetko súvisí so žiarením, takže potom pribudnú aj priemyselné aplikácie žiarenia.

DK, MP: Človeku sa prirodzene spája atóm s tým, čo je nebezpečné, a to s čím sa stretáva v bežnom živote, napríklad už spomínaná jadrová energetika. No „využitie“ atómu, resp. jeho vlastností, interakcií a poznatkov o ňom, nachádza uplatnenie aj za hranicami priemyselných odvetví. Spomedzi možností aplikácie možno poukázať na medicínske odbory, kde dochádza k prepájaniu poznatkov fyziky, chémie a biológie či anatómie, napríklad rádiobiológia, alebo aj ekológia.

Strach z jadra môžeme prirovnať k strachu z koronavírusu

Na Slovensku prevádzkujeme dve jadrové elektrárne v Mochovciach a Bohuniciach, ktoré nám dodávajú viac ako polovicu elektriny. Ľudia majú často o takýchto typoch elektrárne len málo informácií a často predsudky. Keď si dáme na misky váh pre a proti, čo vám z toho vychádza?

MP: Jednoznačne pre. Mnohí ľudia nemajú predstavu, ako jadrová elektráreň funguje, aká je úroveň bezpečnosti i dopady na životné prostredie. Treba uviesť, že Slovensko má dlhoročné skúsenosti s prevádzkovaním jadrových zdrojov, máme výborných odborníkov, kvalitný dohľad zabezpečovaný Úradom jadrového dozoru SR. Možno za zmienku stojí ešte jeden aspekt a to je náš záväzok k plneniu klimatických cieľov, ktoré nedokážeme bez prevádzky jadrových zdrojov splniť. Jadrová energia je totiž najväčším zdrojom nízkouhlíkovej elektriny u nás zabraňuje vypusteniu miliónov ton emisií CO2. 

Pri pohľade na atómovú elektráreň väčšinou každému napadne „žiarenie“ (rádioaktivita). Pochopiteľne, občas tomu nechýba ani akýsi pocit strachu. Prečo sa žiarenia bojíme?

DK, MP: Strach zo žiarenia (rádioaktivity) je možné vzhľadom na aktuálnu pandémiu prirovnať k strachu z koronavírusu. Rádioaktívne žiarenie, na rozdiel od svetla alebo hluku, nedokážeme vnímať zmyslami, čo strach prirodzene znásobuje. Rovnako ako rádioaktivitu nevidíme ani samotný vírus napádajúci organizmus. Čo však v oboch prípadoch vidíme, sú dôsledky –  zdravotné, často letálne následky vystavenia organizmu nadmernému žiareniu, a možno povedať, že podobne vidíme dôsledky ochorenia spôsobeného vírusom. A tak, ako sa rozširuje „trh s informáciami“, človek si spomedzi správ, ku ktorým má prístup, vyberá „tie zlé“, aby sa prispôsobil, zaujal postoj a hlavne chránil sám seba.  Preto si človek rádioaktivitu (čo je len jeden z typov žiarenia) všíma primárne cez jej negatívny vplyv na okolie. Odmietavý postoj voči rádioaktivite sa spája dominantne s využitím atómovej energie na bojové účely a haváriami atómových elektrární. Tu dochádzalo v krátkom čase k extrémnemu ožiareniu organizmu veľkou dávkou žiarenia, čo spôsobilo negatívne zmeny viditeľné hneď, ale aj tie, čo sa prejavili s časovým oneskorením, a prejavujú sa dodnes.

Žiarenie je prirodzenou súčasťou života. Aj ľudskej bunky

Je žiarenie všade okolo nás?

DK, MP: Žiarenie je prirodzenou súčasťou života, rozdiel je len v tom, či žiarenie vidíme alebo nevidíme, resp. aká je jeho vlnová dĺžka. Ak sa pozrieme napr. na elektromagnetické žiarenie, to má formu rádiových vĺn, mikrovĺn, infračerveného a viditeľného svetla, ultrafialového svetla či RTG žiarenie. Čiže áno, žiarenie je všade, a aj všetky informácie, ktoré sme získali o vesmíre a objektoch v ňom, sú získané na základe štúdia elektromagnetického žiarenia, ktoré na zem prichádza z kozmických telies.

Ako to, že človek, ľudská bunka, vlastne dokáže žiť so žiarením?

MP: Bunky ako také žijú a vyvíjajú sa v prostredí so žiarením ako prirodzenou súčasťou života od svojho vzniku. Napríklad taká ochrana našej kože pred účinkami UV žiarenia je zabezpečovaná melanínom – kožným pigmentom, ktorý UV žiarenie absorbuje. Produkcia melanínu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa expozíciou slnečného žiarenia. Samozrejme, ionizujúce žiarenie má na nechránenú protoplazmu letálne účinky. Súvisí to najmä s poškodením DNA (rôzne zlomy, delécie,...) či vznikajúcim oxidačným stresom. S poškodením DNA, ak nie je veľké si bunka poradí – na to jej slúžia veľmi účinné reparačné procesy.

Naše telo obsahuje rádioaktívne izotopy

Mnohí sú prekvapení, keď o sebe zistia, že „žiaria“ aj oni alebo že majú v sebe rozličné rádioizotopy.

MP: Telo sa skladá z chemických prvkov (napr. uhlík, kyslík, vodík, dusík, vápnik, horčík, draslík či fosfor). Viaceré z nich obsahujú aj rádioaktívne izotopy (draslík, uhlík, fosfor). Ak by sme sa na tieto údaje pozreli cez reálne čísla, tak napríklad 70 kg muž má v tele cca 140 g draslíka, z toho asi 17 mg predstavuje rádioaktívny izotop 40K.

Prečo je naše telo rádioaktívne?

MP: Súvisí to s prítomnosťou rádionuklidov v ňom, napríklad uhlíkom 14C. Uhlík je druhým prvkom s najvyšším percentuálnym zastúpením v ľudskom tele. V prírodnom prostredí sa 1 atóm  uhlíka 14C vyskytuje na každých 1 000 000 000 000 atómov stabilného uhlíka 12C. Pri čase polpremeny uhlíka 14C 5760 rokov dostaneme špecifickú rádioaktivitu 0,19 Bq na 1 gram uhlíka. Potom pri 23% zastúpení uhlíka v našom tele bude rádioaktivita uhlíka 14C v 70kg mužskom tele asi 3000 Bq. V menšej miere sú zastúpené aj izotopy 210Pb a 210Po, a to prevažne v kostiach. Zaujímavosťou je, že vyšší obsah polónia sa dokumentoval u fajčiarov. Niektoré rádionuklidy sa však do organizmu dostávajú aj z kontaminovaného životného prostredia prostredníctvom potravovej reťaze – cézium-137, stroncium-90 po haváriách jadrových reaktorov v Černobyle i Fukushime.

Učí sa dostatočne o atómovej energii napríklad vo fyzike? Prečo je dôležité ovládať aj túto vzdelávaciu „látku“?

ĽH: Možno nie, ale problémom je učiť sa o veciach povrchne, v podobe známej argumentácie „vedci zistili“. Množstvo našich poznatkov je veľmi povrchných dokonca aj u vysokoškolákov, preto je jednou z tendencií v prírodovednom vzdelávaní učiť žiakov len také veci (javy, teórie), ktoré sú im prístupné vzhľadom na ich poznatkové vybavenie a úroveň psychického vývinu. Nie je dobré využívať príliš veľkú názornosť tam, kde neexistuje alebo náročné abstraktné situácie  animovať  či dramatizovať.

Navyše bežný žiak či občan nezasahuje do jadrovej bezpečnosti. Naopak zaoberať sa klimatickými zmenami, znižovaním emisií oxidu uhličitého ako skleníkového plynu, triedením odpadu a podobne je potrebné oveľa skôr, lebo tento problém je oveľa väčšej miere v rukách bežného človeka.

Život bez žiarenia? To sa nedá ani predstaviť

Viete si predstaviť život bez žiarenia, bez rádioaktivity?

DK: Život bez žiarenia je náročné a priam nemožné si predstaviť. Bez žiarenia by sme nemali teplo, svetlo, nepoznali by sme dnešné „výdobytky“ techniky, nemali by sme rádiové vlny, neohriali by sme si jedlo v mikrovlnke, nemali by sme k dispozícii prístroje, ktoré často zachraňujú ľudské životy (len napríklad bežný röntgen) a nebola by taká široká paleta možností výskumu (napr. práca s atómovým absorpčným spektrofotometrom). Prirodzenú rádioaktivitu v prírode nezmeníme (ak si pozrieme mapu Slovenska, kde sú zaznamenané oblasti so zvýšenou rádioaktivitou, vidíme, že samotných miest so zvýšenou rádioaktivitou je pomerne veľa). Pri prirodzenej rádioaktivite ide o premenu nestabilných jadier, ktorá sa „zastavuje“ pri premene na stabilný prvok, čo nespôsobuje až také „problémy“. Otázkou, samozrejme, ostáva umelá rádioaktivita a jej často negatívne dôsledky, kedy sa nestabilita jadra vyvoláva umelo a je riadenou alebo cielenou, často ťažko zastaviteľnou jadrovou reakciou.

foto: archív D. Koperovej, TRUNI/Barbora Likavská, Unsplash

 

Chcete študovať chémiu? Podajte si prihlášku do 31. marca 2021!

Zaujímajú vás informácie z diania na TRUNI? Prihláste sa na odber nášho newslettra.

Trnavskú univerzitu môžete sledovať aj na sociálnych sieťach. Ďakujeme!