Atomové jádro, jaderná energie

  • Experimentální výzkum jádra atomů a povahy změn při jaderných přeměnách předpokládal vypracování přesnějších a citlivějších metod výzkumu a vytvoření modernější přístrojové techniky.
  • První používané přístroje (elektroskop - P. Curie; spintariskop - W. Crookes), byly postupně nahrazovány mlžnou komorou (1912 - C. T. R. Wilson), Geiger-Müllerovou trubicí ve spojení s počítačem (1928 -J. W. H. Geiger, W. Müller), scintilační sondou s fotonásobičem (1961) a dalšími citlivými detektory záření.
  • Objev hmotnostního spektrografu umožnil identifikaci izotopů jednotlivých prvků a výklad jaderných přeměn. Od třicátých let 20. století se staly účinným výzkumným prostředkem jaderných fyziků nejrůznější typy urychlovačů částic, umožňujících získat elektricky nabité částice o velkých energiích, schopné vyvolat jaderné reakce u prakticky jakéhokoli atomového jádra.
  • Roku 1896 objevil H. Becquerel radioaktivitu a právě tento objev byl prvním krokem k mnoha dalším významným objevům. O rozvoj výzkumu záření se zasloužili také manželé Curierovi, kteří zjistili, že smolinec vysílá intenzivnější jaderné záření, než odpovídá množství v něm obsaženého uranu. Po úmorné námaze izolovali z desítek tun smolince několik setin gramu sloučenin do té doby neznámých prvků polonia a radia.
  • V letech 1900 až 1903 angličtí vědci E. Rutherford, F. Soddy a W. Ramsay prokázali, že jaderné záření vzniká při samovolném rozpadu jader atomů radioaktivních prvků na jádra atomů jiných prvků, jako je tomu například u radia, které se samovolně rozpadá na radon a helium. Tento jev se nazývá radioaktivní rozpad nebo přirozená radioaktivita.
  • Roku 1919 E. Rutherford zjistil, že ozařováním dusíku částicemi alfa vznikají protony. Tento jev vysvětlil tím, že při zásahu jádra dusíku částicí alfa dojde k jaderné reakci, při níž vznikne jádro kyslíku 17O a uvolní se proton 1H: Tak byla provedena první jaderná přeměna prvků.
  • Dalekosáhlý význam měl však především objev jaderných reakcí, při nichž vznikal umělý, v přírodě se nevyskytující radioaktivní izotop - radioizotop. Takový děj byl nazván „umělá radioaktivita" a o jeho objev se zasloužili F. Joliot-Curie a jeho žena I. Curie v roce 1934. Příprava radioizotopů se stala prakticky významnou, když italský fyzik E. Fermi prokázal, že pomocí neutronů lze umělé radioizotopy získat téměř u všech prvků. Ve dvacátých letech se obecně přijímal názor, že jádra atomů jsou tvořena pouze protony. Ruský atomový fyzik G. Gamov navrhl, aby se jádra atomů nebombardovala částicemi alfa, ale aby se k tomuto účelu použilo protonů. To vedlo ke konstrukci částicových urychlovačů podle návrhu G. Gamova. Britský atomový fyzik J. D. Cockroft a E. T. S. Valton postavili roku 1929 první urychlovač částic. Urychloval protony tak silně, že mohly vyvolávat jaderné reakce.
  • Roku 1930 narazili němečtí fyzikové W. Bothe a jeho spolupracovníck H. Becker na překvapivý jev, když bombardovali beryllium pomocí částic α. Vznikalo velmi pronikavé záření, jaké bylo známé do té doby jen u paprsků gama. Proto je oba němečtí fyzikové považovali za totožné. Správný výklad podal teprve roku 1932 anglický fyzik J. Chadwick. Navrhl pro nové částice označení „neutrony".
  • Pro W. Heisenberga byl objev neutronů impulsem k teorii, podle které se atomová jádra neskládají pouze z protonů, jak se dosud předpokládalo, nýbrž z protonů a neutronů. Jeho teorie vysvětlila, proč je velká část atomových jader stabilní. Kladně nabité protony by se musely silně vzájemně odpuzovat. Podle Heisenberga jsou spolu drženy pomocí neutronů. Přitom musí být u lehkých atomů v jádře na jeden proton nejméně jeden neutron, u těžkých atomů musí neutrony dokonce převažovat. U velmi těžkých prvků se vyskytuje menší počet neutronů, jejich jádra jsou však radioaktivní a rozpadají se. Pomocí nové Heisenbergovy teorie bylo možno také lépe vysvětlit a popsat izotopy. Objev neutronu otevřel cestu k největšímu objevu jaderné fyziky 20. století - ke štěpení jader atomů.
  • K objevu štěpných reakcí vedly práce, které zahájil v Římě E. Fermi se svými spolupracovníky. Štěpení jader provázelo uvolnění velkého množství energie, ale praktické uplatnění se začalo jevit reálné až tehdy, když se prokázalo, že při štěpení jádra uranu se uvolňuje několik rychlých neutronů. Každý z těchto neutronů po zpomalení může vyvolat štěpení dalších jader atomů uranu a může tak být vyvolána řetězová štěpná reakce.
  • Další vývoj v této oblasti však ovlivnily politické události (2. světová válka). Nové objevy byly prohlášeny za přísně tajné a přestali se zveřejňovat. Někteří vědci museli ze svých vlastí uprchnout před fašismem (například A. Einstein, E. Fermi, M. Born, L. Meitnerová, L. Szilard, N. Bohr). Existovala reálná obava, že fašistické Německo bude usilovat o vývoj atomové zbraně. Proto z popudu některých fyziků začali na její výrobě pracovat i v USA. Již v roce 1939 A. Einstein referoval prezidentu Spojených států amerických F. D. Rooseveltovi o možném vývoji atomové bomby. Práce se rozběhly v roce 1942 ustavením projektu Manhattan (krycí název pro utajený vývoj atomové bomby). Byl sestaven vědecký tým a bylo vybudováno výzkumné středisko v Los Alamos, továrny na výrobu a obohacování uranu. V čele vědců stál R. Oppenheimer, považovaný za „otce americké atomové pumy". Když bylo zřejmé, že se Němcům nepodaří vyrobit atomovou zbraň, někteří vědci navrhovali, aby byly práce na výrobě atomové bomby zastaveny, nebo aby nebylo výsledků tohoto úsilí dále použito. Tyto snahy však nebyly vyslyšeny a atomová bomba byla svržena 6. a 9. srpna 1945 na japonská města Hirošima a Nagasaki, která byla prvními a dodnes jedinými cíly atomových bomb. Jen několik dní předtím (16. července) vyzkoušeli nukleární zbraň američtí vědci na poušti White Sands poblíž města Alamogordo v Novém Mexiku.
  • Kromě vývoje zbraní na podkladu spontánní štěpné reakce, začaly i práce na využití štěpné reakce kontrolované. V USA se tímto problémem zabývala skupina vedená E. Fermim. Té se podařilo 2. 12. 1942 na fotbalovém hřišti chicagské univerzity spustit první atomový reaktor. Palivem byl přírodní uran, moderovaný grafitem a reakce probíhala 28 minut.
  • S mírovým využíváním jaderné energie se začalo brzy po válce. První jaderný reaktor v Evropě postavil v Paříži F. Joliot-Curie v roce 1948.