Tento článok bol zverejnený v jeho obľúbenom aperiodiku Myšlienky a fakty, v 13. ročníku, v MaF 2007, str. 20 – 27, ISBN 978-80-969282-7-9. Opäť sa jedná o pomerne rozsiahly článok a preto som ho rozčlenil na dve časti, s obrazovou prílohou v každom ich závere. Táto, svojím spôsobom, predstavuje aj spomienku na plk. Pavla Šebestu – „výtvarného redaktora“ MaF – ako som o tom pri podobnej príležitosti už písal. [1]
J A D R O V Á F Y Z I K A
už v druhom storočí
Časť fyziky, ktorej objektom skúmania sú jadrá atómov, nesie pomenovanie jadrová fyzika. Ako každá moderná veda sa skladá z teoretických, aj experimentálnych oblastí. Jej vznik sa spája so začiatkom 20. storočia s menami, ako Max Planck, Henry Becquerel, Maria Curie, Ernst Rutherford, Frédéric Joliot-Curie a desiatkami ďalších.
Z nej vychádzajú, podľa predmetu záujmu, novšie vedné disciplíny: Fyzika elementárnych častíc, fyzika kozmického žiarenia, neutrónová fyzika, neutrínová astronómia, jadrová energetika, medzi lekárskymi vedami sú to: nukleárna medicína, rádiológia, dozimetria, rádiohygiena, radiačná ochrana, rádiobiológia, rádioekológia, rádiochémia. Jej úplne čerstvá aplikácia, rádioenvironmentalistika, vznikla koncom 20. storočia. Aplikácie jadrovej fyziky sú mnohostranné a pre svoju nákladnosť sú medzinárodne sústreďované do niekoľkých centier svetového významu, napr. CERN v Ženeve, v Dubne pri OIJaI, celoštátneho významu Řež pri Prahe, CCSR v Bratislave, KFKI Budapešť, pri významných univerzitách vo Francii, Taliansku, Nemecku, V. Británii, Japonsku, USA, Kanade. Pred rozšírením INTERNETU boli informačným médiom jadrových fyzikov špecializované, medzinárodne monitorované tzv. curentované časopisy, ako Nuovo Cimento, Journal of Nuclear Physics, Physicalische gerichte, a mnohé ďalšie.
Každá oblasť jadrovej fyziky má svoje dosiaľ neriešené otázky, ako otázky štruktúry neutrónov, uplatnenia jadrovej fúzie ako zdroja energie, nukleónová terapia, elektrónová a nukleónová sterilizácia, nukleónová recyklácia odpadov a ďalšie.
Tvorba pojmu jadrová fyzika je proces, ktorý sa tiahne dejinami ľudstva od čias gréckych mysliteľov od piateho storočia pred n.l. O jadrovej fyzike v dnešnej podobe možno hovoriť v ostatných dvoch storočiach, kedy úzko súvisí s pokrokom v zdanlivo nesúvisiacich vedných oblastiach, akými sú optika, elektrina a magnetizmus, a v technike dosahovania nízkych tlakov a fotozáznamu. Prvé zaznamenané predstavy o nedeliteľných časticiach látky atómov pochádzajú z polovice 5. storočia pred n.l. z čias Demokrita z Abdéry. V roku 1808 publikoval John Dalton moderný výklad vlastnej atómovej teórie. Koncom 19. storočia bádatelia vyzbrojení optickými spektrometrami odhaľovali zákonitosti usporiadania spektrálnych čiar svetelného žiarenia atómov. Patril k nim Johann Jakob Balmer, Johanes Robert Rydberg. A. K. Krönig v roku 1856 sformuloval kinetickú teóriu tepla, ktorá sa opierala o tézu existencie atómov a molekúl. V roku 1864 J. M. Maxwell vypracoval svoju teóriu elektromagnetizmu. Dmitrij Ivanovič Mendelejev dal v roku 1871 svojmu periodickému zákonu prvkov konečnú podobu. J. J. Thomson začal v roku 1881 študovať už 22 rokov známe katódové žiarenie – toky elektrónov. Dôsledky ich interakcie s látkou preštudoval v roku 1859 Wilhelm C. Röntgen. Elektrický náboj elektrónov určil o 20 rokov neskôr Róbert Andrews Millikan. Henri André Becquerel objavil pri uránových soliach jav, pripomínajúci fosforescenciu, ktorý neskôr Mária Curie nazvala spontánnou rádioaktivitou. Štúdiom prenikavosti Becquerelovho žiarenia postupne rozlíšili tri druhy spontánnou rádioaktivitou vznikajúceho žiarenia: α, v roku 1909 identifikovaného Rutherfordom ako dvojnásobne ionizovaný atóm hélia, β, ako tok už známych elektrónov a v roku 1900 P. Villardom objavené extrémne krátkovlnné elektromagnetické žiarenie γ. V roku 1900 odvodil svoj zákon absolútne čierneho telesa, zosúladiac Wienov a Rayleighove-Jeansove zákony zavedením pojmu energetického kvanta a po ňom nazvanej konštanty, ktorej hodnotu aj určil Max Planck. Tým otvoril éru kvantového myslenia, dôležitého pre fyziku mikrosveta. V prvých rokoch 20. storočia vznikali naivné predstavy o stavbe atómov, ktoré zodpovedali prvotným informáciám o ich vlastnostiach. V roku 1900 vyslovil Wilard Thomson (lord Kelvin) predstavu o kladne nabitom jadre atómu. Experimentálne ju potvrdil o 11 rokov neskôr Rutherford. V roku 1903 navrhol J. J. Thomson predstavu predstavu guľového útvaru, s kladným elektrickým nábojom, v ktorom sú rozmiestnené v priestore silovo vyvážené elektróny, takže celok je neutrálny a stabilný, tzv. pudingový model atómu. Philip Lenard, pochádzajúci z Bratislavy, dospel k predstave, že atóm je prevažne prázdny, a priestor, ktorý zaberá, je vyplnený malými kladnými a zápornými časticami a ich vyváženým elektrickým poľom, ktoré ,nazval dynamidy. Súčasne G. Moseley poukázal na súvislosť poradového čísla atómu z Mendelejevovej sústavy s elektrickým nábojom atómu. Albert Einstein v roku 1905 vysvetlil fotoelektrický jav a použijúc Planckovu predstavu zaviedol kvantovú predstavu svetla. V roku 1913 Niels Bohr po oboznámení sa s výsledkami meraní rozptylov častíc alfa na tenkých kovových fóliách v Rutherfordovom laboratóriu v Cambridge, vypracoval svoj planetárny model atómových jadier vodíka. V roku 1919 vytvoril Rutherford prvú jadrovú reakciu, keď časticami α vyrazil z atómu dusíka protón a dusík pretvoril na jadro kyslíka. Prebehla prvá známa laboratórne vytvorená jadrová reakcia
14,7 N + 4,2 He → 17,8 O + 1,1 H
a začal sa skúmať samostatne protón a reakcie s ním, ktoré dali veľa poznatkov o jadrových silách a stavbe jadier. Dvanásť rokov od Botheho a Beckerovho objavu veľmi prenikavého elektricky neutrálneho žiarenia, vznikajúceho reakciou častíc α na atómy berýlia, ktoré sa mylne považovalo za žiarenie γ, ukázal James Chadvick meraním impulznou a ionizačnou komorou, že ide o elektricky nenabité častice s veľkým dobehom a hmotnosťou len o málo väčšou ako mali protóny. Chadvickovi sa obvykle pripisuje objav neutrónu, keďže určil jeho charakteristiky meraním dráh vo Wilsonovej hmlovej komore a nazval ich neutrón. Rokom 1932 mohli Igor Jevgenjevič Tamm, Dmitrij Dmitrijevič Ivanenko, a nezávisle W. K. Heisenberg ustáliť, že jadrá atómov sa skladajú z protónov a neutrónov a nevyskytujú sa v nich elektróny. Tieto sa tvoria počas rozpadu β zmenou energetických stavou nukleónov v jadrách podobne, ako fotóny pri prechodoch elektrónov elektrónov v obaloch atómov. Tým sa vysvetlilo viac dotiaľ nepochopiteľných javov, ako nesúhlas medzi hodnotou možného a nameraného spinu nuklidu dusíka (14,7 N), tzv. dusíková katastrofa, vysvetlila sa existencia izotopov a výrazným úspechom bolo vysvetlenie existencie deutéria, čo viedlo Washburna k vypracovaniu elektrolytickej metódy separácie izotopov vodíka. Táto metóda získavania ťažkej vody (2,1 H2O) sa využívala od roku 1934 v Nórsku na produkciu 0,5 kg ťažkej vody denne. Záujem o ňu prejavili Nemci počas druhej svetovej vojny, chtiac ju použiť pri výrobe jadrovej bomby.
Objav deutéria a jeho jadra deuterónu v roku 1931 poskytol nové experimentálne možnosti. Pre fyziku sa vytvoril objekt pre samotné skúmanie, dá sa povedať, že sa vytvorila samostatná oblasť fyziky – jadrová fyzika, ktorá sa jasne delila na teoretickú, experimentálnu a aplikovanú. Vynorila sa potreba jasnej jednotnej terminológie a symboliky. Tu sa presadila snaha manželov Joliot-Curie o symboliku pozostávajúcu z chemickej značky, hmotnostného čísla (A) a atómového, či protónového čísla Z. Aj rozmiestnenie týchto troch údajov sa vyvíjalo. Od 1. 1. 1975 sa u nás definitívne ustálilo uvádzanie hmotnostného čísla A hore pred chemickú značku a protónového čísla Z dole pred značku. Ich rozdiel (A – Z) udáva počet neutrónov v jadre. V roku 1934 manželia Joliot-Curie objavili umelú rádioaktivitu. Experimentátori na celom svete začali opakovať ich práce, používajúc aj iné častice ako častice alfa, keďže už boli k dispozícii cyklotróny, skonštruované na základe predstavy Ernesta Orlanda Lawrencea z roku 1929 o konštrukcii magnetického rezonančného urýchľovača elektricky nabitých častíc, nazvaného cyklotrón a vysokonapäťového elektrostatického generátora Roberta Jemisona Van de Graafa. V Cavendishovom laboratóriu v Cambridge ešte v roku 1932 vyvolali sir John Douglas Cockroft a Ernst Thomas Sinton Walton protónmi, urýchlenými kaskádnym generátorom na energiu 0,8 MeV, prvú jadrovú reakciu na lítiu (7,3 Li). Následné merania vo Wilsonovej hmlovej komore boli tak presné, že sa nimi potvrdila platnosť Einsteinovho vzťahu E = m.c.c. Spomínaní Cockroft a Walton v roku 1934 vyvolali pomocou urýchlených deuterónov na lítiu aj prvú umelú syntézu jadier
6,3 Li + D → 7,3 Li + p
Bola to prvá umelo vyvolaná priama jadrová reakcia. Ešte v roku 1932 používali Fizer a Harkins v úlohe provokujúcich častíc čerstvo dokázané neutróny, na ktorých využívanie sa upriamil v Ríme mladý Enrico Fermi so svojimi spolupracovníkmi. Hneď v roku 1934 zistili a zrážkami s atómami vodíka vysvetlili spomaľovanie (moderáciu) neutrónov a tým až stonásobne zvýšenie pravdepodobnosti nimi vyvolávaných jadrových reakcií, čo bolo základom pre formuláciu Fermiho zákona, ktorý ukázal svoj význam najmä pri získavaní energie v reťazových štiepnych reakciách, na čo upozornila v roku 1934 pani Eva Nodacková-Tackeová, manželka riaditeľa Ústavu fyzikálnej chémie vo Freiburgu. Honba za stále novoobjavovanými izotopmi vyžadovala pokrok v stavbe hmotnostných spektrometrov. Na to reagoval profesor na univerzite v Chicagu Arthur Jeffrey Dempster a zdokonaliac svoj hmotnostný spektrometer so smerovou fokusáciou priečnym magnetickým poľom pozdĺž polkruhového oblúka, určoval izotopy ťažkých prvkov. Tak v roku 1935 objavil izotop uránu (235,92 U), ktorý zohral významnú úlohu v dejinách ľudstva. Fermiho poznatky o zachytávaní spomaľovaných neutrónov študoval v USA Bethe, Keď sa koncom roka 1935 oboznámil s touto prácou Niels Bohr, pochopil nutnosť zaviesť predstavu zloženého jadra, ktoré môže byť len v určitých energetických stavoch. To dalo veľké možnosti rozvoju teórie. Kardinálnym problémom jadrovej fyziky ostávali otázky jadrových síl. Venoval sa mu japonský fyzik Hydeki Yukawa, ktorý sa špecializoval na mezónovú predstavu výmenných jadrových síl a teórii základných častíc. V tom čase už bolo známe Hessom v roku 1911 objavené kozmické žiarenie, o ktorom sa vedelo, že ide o korpuskulárne žiarenie ktoré prichádza na povrch Zeme z okolitého vesmíru. Jeho existenciu si všimol Viktor Hanz Hess, rakúsky fyzik fyzik, pri skúmaní rôznych druhov žiarenia a elektrických vlastností atmosféry počas svojich letov balónom do výšok 5000 a 9200 m. Sledujúc počas stúpania vybíjanie elektroskopu konštatoval , že po jeho počiatočnom poklese ionizácie s výškou, táto po niekoľko sto metroch stúpania, vytrvale vzrastá. Robert Andrews Millikan o tomto žiarení nahromadil nové poznatky a nazval ho kozmickým žiarením. Prvé desiatky rokov sa robili merania vo výškach, v hlbinných šachtách a pod vodou. Jeho výskum poskytol niekoľko cenných cenných podnetov pre jadrovú fyziku, napr. Andersonov objav pozitrónu v roku 1932, objav μ, π. K mezónov, v druhej polovici 20. storočia sa identifikovali častice s väčšou hmotnosťou ako je hmotnosť protónov, nazvané hyperóny. Ukázalo sa, že zachytením elektricky nabitých častíc s pomerne malou energiou v magnetickom poli Zeme, vznikajú nad rovníkom vo 600 km až 60 000 km dve, tzv. radiačné Van Allenove pásma. Vzdialenejšie na 20 000 km obsahuje prevažne elektróny s energiou 25 až 50 keV, vnútornejšie, od 600 do 6000 km, protóny s energiou blízkou 1 MeV. Elektróny, ktoré sa priblížili k povrchu do vzdialenosti pod 100 km, vyvolávajú polárnu žiaru (Obr.2).
(Poznámka: Všetky obrázky patriace k článku nájde čitateľ v obrazovej prílohe – str. 25, 26, 27.)
Jedine kozmické žiarenie dnes poskytuje možnosť študovať reakcie častíc s energiami nedosiahnuteľnými pozemskými urýchľovačmi, teda nad 10(na štrnástu) eV. Nevýhodou takýchto energetických kozmických častíc je ich malá početnosť. Na hornú hranicu zemskej atmosféry neustále dopadá až 10 000 častíc na m2 za sekundu. Nazýva sa primárne kozmické žiarenie. Jeho žriedlom je väčšinou Slnko a priemerná energia jeho častíc je 10(na desiatu) eV. Mimo našej galaxie má pôvod len málo častíc, no dosahujú energiu až 10(na devätnástu) eV. Usudzuje sa, že sprevádzajú výbuchy supernov a v obrovských vzdialenostiach ich urýchľujú premenlivé magnetické polia vesmírnych telies ako v betatronoch, alebo ako sa premiestňujú elektróny v sekundárnych transformátoroch. Naša Zem sa pohybuje v izotropnom toku týchto častíc. Izotropiu vyvoláva zemské magnetické pole v toku častíc dopadajúcich na atmosféru. Tok nabitých častíc závisí od geomagnetickej šírky, čo je známy šírkový efekt kozmického žiarenia. Okrem toho sa dráha kladných častíc odchyľuje na východ a záporných smerom na západ, čo sa prejavuje dĺžkovým efektom. Väčší tok primárnych častíc dopadá na hranicu atmosféry zo západného smeru. Pri vniknutí do atmosféry naráža primárne žiarenie na atómy atmosféry, vytvárajúc jadrové reakcie, atómy sa trieštia, pričom vznikajú sekundárne nukleóny, hyperóny, dvojice častíc a ich antičastíc, mezóny a žiarenie γ. Primárne častice len zriedka preniknú na povrch Zeme, pričom vyvolávajú lavíny sekundárnych častíc. Tieto, známe ako široké spŕšky, sa rozkladajú na ploche až 1 km2. Tieto spŕšky sa sledovali teleskopmi zloženými z GM detektorov a fotoemulzií aj u nás na Lomnickom štíte. Ukázalo sa, že na plochu 100 m2 zemského povrchu dopadne denne priemerne jedna častica s energiou väčšou ako 10(na devätnástu) eV. Diagram, znázorňujúci tvorbu spŕšok kozmického žiarenia a zvislosť hustoty toku kozmického žiarenia od výšky nad povrchom Zeme je na Obr.1. Vidno, že vo výškach viac ako 60 km nad hladinou mora je ešte hustota toku takmer stála. Okolo 50 km sa začínajú reakcie zrážok s atómami ovzdušia množiť. Maximum dosahujú vo výškach 20 km. Vo výške asi 100 m nad povrchom je hustota toku kozmického žiarenia minimálna. V našich zemepisných šírkach je to z priestorového uhla jeden steradián asi 110 častíc ionizujúceho žiarenia na 1 m2 za 1s. Bližšie k povrchu sa začína prejavovať príspevok, spôsobovaný rádioaktivitou atómov pripovrchových vrstiev litosféry. Tu sa vyskytujú predovšetkým γ kvantá, neutróny a μ mezóny. Neutrína prenikajú bez prekážky celou zemeguľou. Fyzika kozmického žiarenia sa dve desaťročia rozvíjala samostatne, až Andersonov objav pozitrónu z roku 1932 zosúladil teoretické predstavy jadrovej fyziky a fyziky kozmického žiarenia.
Tridsiate roky 20. storočia nahromadili v jadrovej fyzike toľko experimentálneho a teoretického materiálu, že bolo reálne pomýšľať na využívanie jadrovej energie. Vývoj svetovej politiky tak znervóznil jadrových odborníkov, že presadili úsilie o získanie nadvlády ovládnutím energie atómového jadra. Tým sa začína nová oblasť jadrovej fyziky, známa pod názvom jadrová energetika. Za prechodné obdobie možno pokladať rok 1939, naplnený pozorovaniami Otta Hahna a Fritza Strassmanna, ktoré interpretovala Liese Meittnerová ako reakciu štiepenia uránu. Jej teóriu o rozpade jadier potvrdil Otto Robert Frisch a o tri roky neskôr, 2.12.1942 na jej základe spustil do činnosti Enrico Fermi prvý zdroj tepelnej energie, využívajúci energiu atómových jadier uránu – jadrový reaktor. Samotná jadrová fyzika si kládla za cieľ zdokonaliť jestvujúce modely jadier a dospieť ku konzistentnej predstave o štruktúre jadra a jadrových častíc, čo sa chápe ako oblasť subjadrovej fyziky alebo fyziky častíc, kde v roku 1963 vznikol kvarkový model hadrónov a báza pre štúdium kvarkov ako zložiek jadrových častíc. L. W. Alvarez pochopil, že pri ich vzájomných interakciách vznikajú krátkožijúce objekty látkového charakteru tzv. rezonancie, za čo dostal v roku 1968 Nobelovu cenu za fyziku. V druhej polovici 20. storočia prerástla pôvodná jadrová fyzika , ktorej objektom skúmania bolo jadro atómu, do oblasti všestranne využívajúcej poznatky o jadrách atómov a to v zdravotníctve a iných oblastiach ľudskej činnosti, o ktorej sa dá bez rozmýšľania povedať, že ľudstvo na jednej strane buduje, na druhej strane ničí. Preto si človek uvedomil, že je schopný vyvolať jadrový výbuch, teda jadrovými reakciami vzniknutými v malom objeme látky náhle uvoľniť jadrovú energiu, reprezentovanú kinetickou energiou rozmetaných zostatkových jadier a produktov reakcií, čím vyvolá v blízkom okolí tlakový a teplotný náraz, sprevádzaný výronom elektromagnetického žiarenia širokého spektra frekvencií a výtokom ionizujúceho žiarenia, elektrónov a jadrových častíc, predovšetkým neutrónov. Človek pochopil, že jadrový výbuch je špecifický tým, že pre svoj vznik a ďalší priebeh nepotrebuje kyslík. Nejedná sa totiž o chemický proces skladania atómov do molekúl, počas ktorého sa na jeden gram zúčastnenej látky uvoľní niekoľko tisíckrát menej tepelnej energie, ako počas deštrukcie jadier jedného gramu látky, ktorá podstúpila počas jadrového výbuchu exotermickú jadrovú reakciu, na ktorú sa do roku 1952 používali štiepne reakcie a po 1.11.1952 reakcie fúzie.
Obrazová príloha
Pokračovanie.
Pramene:
[1] Z myšlienok prof. Jána Chrapana ml., IIIa
https://cudzis.blog.sme.sk/c/513324/z-myslienok-prof-jana-chrapana-ml-iiia.html
Do pozornosti stálym čitateľom mojich článkov:
Vážení priatelia, v poslednej dobe dostávam do svoje e-mailovej schránky cufr@centrum.sk od facebooku zoznamy mien ľudí, ktorí by azda chceli so mnou komunikovať cez facebook. Za všetky ponuky na tento kontakt vám srdečne ďakujem, no (predbežne) zo - subjektívnych dôvodov - nechcem pobývať na facebooku, aj keď ponúka možnosť chatu. Preto každého, kto má záujem o nejaké doplňujúce informácie k mojim myšlienkam, alebo dokonca záujem o nejakú (aj jednorázovú) formu spolupráce so mnou, nateraz odkazujem na uvedený e-mailový kontakt. Dúfam, že vás to neurazí ani neodradí od vašich zámerov v súvislosti so mnou. Ďakujem vám za porozumenie.
