Částicová fyzika, radioaktivita a lidské tělo

Existujeme ve světě plném různých druhů částic. Nejde ale o jen tak ledajaké částice. Jsou to částice, které svou jedinečnou hmotou a energií umožňují lidskou existenci. Níže je uvedeno několik zajímavostí o elementárních částicích, částicové fyzice a energii lidského těla, které jste možná dosud neznali.

Částice, ze kterých jsme složeni

Přibližně 99 % našeho těla je tvořeno atomy vodíku, uhlíku, dusíku a kyslíku. Ve zbývajícím jednom procentu se skrývá mnoho jiných prvků ve stopovém množství, které jsou přesto nezbytně nutné pro náš život.

Většina buněk lidského těla projde během 7-15 let obnovou. Mnoho částic, které jsou součástí těchto buněk, však existují již milióny let. Atomy vodíku v nás, vznikly již při velkém třesku. Atomy uhlíky, dusíku a kyslíku jsou produkty hořících hvězd. Velmi těžké prvky vznikly pří hvězdných explozích.

Velikost atomu řídí umístění jeho elektronů. Jádro je zhruba stotisíckrát menší než velikost vlastního atomu. Pokud by mělo jádro velikost lískového ořechu, potom by se dala velikost atomu přirovnat k basebalovému stadiónu. V případě, že bychom eliminovali veškerý volný prostor atomů v našem těle, vešlo by se pohodlně do prachového zrnka. Celé lidstvo by pak nebylo větší než kostka cukru.

Rozptýlené částice tvoří pouze malou část naší hmotnosti. Protony a neutrony uvnitř jádra atomu se skládají každý ze tří kvarků. Hmotnost kvarků pochází z interakcí s Higgsovým polem a tvoří jen několik procent hmotnosti protonu a neutronu. Gluony nesou jaderné síly, které drží tyto kvarky pohromadě. Samy jsou zcela nehmotné.

Složení protonů a neutronů – spolu s elektrony určují vlastnosti atomů. V roce 1964 přišli pánové Gell-Mann a Zweig s teorií, že protony nejsou nejmenší částice, ale skládají se z několika menších „kvarků“. Vznesená hypotéza byla experimentálně potvrzena o tři roky později. Existují dva druhy kvarků, ze kterých jsou protony a neutrony složeny. Protony obsahují dva kvarky typu „u“ (horní) a jeden kvark typu „d“ (dolní). Naproti tomu neutrony obsahují jeden kvark „u“ a dva kvarky „d“.

Pokud tedy naše hmotnost nepochází z hmotnosti těchto částic, kde se vzala? Energie. Vědci se domnívají, že téměř veškerá hmotnost našeho těla pochází z kinetické energie kvarků a vazební energie gluonů.

Gluony – pokud bychom kvarky nazvali stavebními prvky protonů a neutronů (např. cihly), potom gluony fungují jako spojovací hmota (malta). Jsou to elementární částice, které umožňují interakce mezi kvarky a následně vznik jádra atomů.

Tělo je takový malý důl radioaktivních částic. Ročně obdržíme dávku 40 miliremů přirozené radioaktivity pocházející přímo z nás. To je stejné množství radiace, jaké absorbujete po čtyřech rentgenech hrudníku. Svou radiační dávku zvyšujeme i tím, že denně usínáme vedle milované osoby.

Rem – jednotka dávkového ekvivalentu. Vyjadřuje energii ionizujícího záření i jeho biologické účinky na lidskou tkáň. V Evropě se často setkáváme s jednotkou Sievert (Sv). 1 rem = 0,01 Sv.

Naše těla produkují radioaktivní záření z jídla, které jíme, nápojů, které pijeme a i vzduch, ve kterém jsou obsaženy radionuklidy jako draslík 40 a uhlík 14, je zdrojem působící radiace. Tyto radionuklidy se začlení do našich molekul, rozpadají se a produkují v těle radioaktivní záření.

Když se draslík 40 rozkládá, uvolňuje pozitron, který je antihmotovým dvojčetem elektronu. Každý z nás má v sobě nepatrné množství antihmoty. Průměrný člověk produkuje více než 4000 pozitronů za den, což je přibližně 180 za hodinu. Za krátkou dobu po vzniku narazí do našich elektronů, čímž se oba změní na záření ve formě paprsků gama.

Částice, se kterými jsme v kontaktu

Radioaktivita vznikající uvnitř našeho těla je pouze zlomkem přirozeného záření, se kterým se denně dostáváme do kontaktu. Průměrný člověk absorbuje ročně dávku o velikosti přibližně 620 milirem. Domy, ve kterých žijeme, a půda, na které se pohybujeme, vyzařují nízkou míru radioaktivity. Jen konzumace brazilského ořechu, nebo návštěva zubaře zvýší úroveň dávky o několik milirem. Kouření cigaret může zvýšit dávku radiace až o 16 000 milirem.

Kosmické záření, vysokoenergetická radiace z vesmíru, neustále dopadá do naší atmosféry. Zde se srazí s dalšími jádry a produkuje mezony, které se rozpadají na částice jako miony a neutrina. Tyto částice nás sprchují s periodou asi 10 částic za vteřinu. Přidávají dalších 27 miliremů k naší roční dávce. Kosmické částice mohou způsobit modifikace naší DNA a vyústit v drobné mutace druhu. Jde tedy o faktor, který se podílí na naší evoluci.

Neutrina – elementární částice s velmi nízkou hmotností, bez elektrického náboje. Vznikají při jaderných reakcích zahrnujících rozpad beta.

Navíc jsme neustále bombardováni fotony, které určují, jak vidíme svět okolo nás. Naše Slunce dále uvolňuje částice zvané neutrina. Neutrina jsou stálí návštěvníci našeho těla. Pronikají našim tělem četností 100 triliónů neutrin za vteřinu. Kromě Slunce emitují neutrina i jiné zdroje, včetně jaderných reakcí ostatních hvězd a na naší planetě.

Mnoho neutrin vzniklo v prvních vteřinách po vzniku vesmíru. Jsou dokonce starší než samotné atomy. Ale tyto částice s okolím reagují tak slabě, že námi prochází bez jakýchkoliv známek své návštěvy.

Přijde neutrino do baru. Barman: „Neutrinům nenaléváme.“ Neutrino: „Nevadí, já jen procházím.“

Nejspíš jsme také neustále pod útokem částic temné hmoty. Temná hmota nevyzařuje, neodráží ani nedokáže absorbovat světlo a je tedy velmi obtížné ji detekovat. Dle současných poznatků se však vědci domnívají, že tvoří 80 % veškeré vesmírné hmoty.

Podíváme-li se na hustotu výskytu temné hmoty v celém vesmíru, dle vědeckých výpočtů zjistíme, že stovky až tisíce částic temné hmoty prochází každou vteřinu našim tělem a o trochu méně částic se často střetává s našimi atomy. Temná hmota však jen velmi slabě interaguje s hmotou, ze které se skládáme, proto s největší pravděpodobností nemá na naše tělo žádný znatelný vliv.

Zdroj úvodní fotografie: Brookhaven National Laboratory