ATOMOVÁ ENERGIE I. – ATOMOVÁ FYSIKASložení látek a atomů: Všechny látky na zemi - vzduch, voda i naše tělo - jsou složeny z nesmírného počtu drobných částeček, z atomů. Atomy měří jen několik desetimiliontin milimetru, takže je nepostřehneme ani dokonalými mikroskopy. V tuhých látkách jsou atomy molekuly vzájemnou přitažlivostí určovány v pravidelně uspořádanou stavbu, které říkáme mřížka. To je příčinou, proč látky často tvoří v tuhém skupenství pravidelná tělíska - krystaly, jak ukazuje obrázek na příkladu železa, berylu a smaragdu.+38Kolik je atomů v látkách: Jediný krychlový centimetr vzduchu obsahuje 27 trilionů atomů. Stejný počet zrnéček písku vytvořil hromadu, která by pokryla město střední velikosti.Atomy se rozpadají: Před 60 lety byl vědecký svět vzrušen objevem tajuplného záření, které vysílaly některé prvky. Po mnohaletých namáhavých pokusech se podařilo Marii Sklodowské - Curieové /na snímku při práci ve své laboratoři/ a Pierre Curieovi nalézt prvek radium a polonium, jejichž atomy nebyly neměnné, nýbrž rozpadaly se před očima vědců za doprovodu pronikavého záření. Jev byl nazván radioaktivitou.Radioaktivní záření: Podle chování v elektrickém a magnetickém poli a podle pronikavosti se ukázalo, že paprsky záření jsou trojího druhu. Podle stoupající pronikavosti byly nazvány tyto paprsky alfa, beta a gamma.Střelba na atomová jádra: Anglický fysik Rutherford použil rychle letících částic alfa jako střel k bombardování tenkých vzorků látek. Podle odrazu poměrně těžkých, částic alfa i podle úchylek jejich dráhy poznal, že atomy mají téměř všechnu hmotu soustředěnu v tzv. atomovém jádru.Atomové jádro: Kdybychom zvětšili jádro atomu tak, aby bylo velké jako zrnko máku, stěží bychom vtěsnali celý atom do hlediště Národního divadla v Praze.Model atomu: V té době již bylo známo, že z atomů lze poměrně snadno "odtrhnout" i jiné částice, téměř 2000krát lehčí něž jádro. Tyto částice byly nazvány elektrony. Tak mohl být sestrojen model atomu: kolem těžkého atomového jádra obíhají lehounké oběžnice - záporně nabité elektrony, které se pohybují ve společném poli atomu, jež bylo poznáno až v posledních letech. Protože je atom navenek elektricky neutrální, musí nést atomové jádro tolik kladných nábojů, kolik má atom elektronů, aby se náboje rušily. Pokusy se ukázalo, že atomové jádro obsahuje skutečně kladně nabité částice - protony.Zákonitosti elektronového obalu atomu: Seřadíme-li prvky podle počtu protonů v jádře, bude v této řadě od prvku narůstat jejich elektronový „obal". Ten je u těžkých prvků tak rozměrný, že by se na obrázek vůbec nevešel, proto musil kreslíř u uranu jeho elektronový obal "zhustit". Se stejnou zákonitostí, jak se vyplňují dráhy elektronů v obálce, mění se i vlastnosti takto seřazených látek.Mendělejevův objev pomohl chemii a fysice: Dávno před tímto poznatkem objevil tuto zákonitost vynikající ruský chemik D. I.. Mendělejev a vyjádřil ji svou periodickou soustavou.Mendělejevova periodická tabulka prvků v nejnovější úpravě: Mendělejevova periodická tabulka prvků v nejnovější úpravě.Co je atomové číslo a atomová váha: V tabulce prvků má každý prvek tzv. atomové číslo /udává počet protonu v jádře/ a tzv. atomovou váhu, která ukazuje, kolikrát je přibližně atom těžší než atom vodíku /jeho váha byla však později vztažena na 1/16 atomové váhy kyslíku./Neutron: Avšak atomová váha prvků je vady značně větší než atomové číslo, tedy větší než počet protonů v jádře. Tento rozpor objasnil až roka 1932 sovětský vědec Ivančenko. Ukázal, že atomová jádra obsahují kromě protonů ještě jiné, přibližně stejně těžké částice – neutrony, které nemají elektrický náboj. Proto na příklad prvek helium a atomovým číslem 2 a atomovou váhou 4 /zaokrouhleno/ má jádro složeno -ze 2 protonů a ze 4 minus 2, tj. 2 neutronů. Protony a neutrony jsou tedy základním "stavebním materiálem" atomových jader.Co jsou isotopy prvků?: K přímému-stanovení; váhy atomů byl sestro jen důmyslný spektograf. Tímto spektografem bylo zjištěno, že většina prvků má atomy nestejně váhy, a to pro odlišný počet neutronů v jádře. Takovéto odrůdy prvků, lišících se vahou atomu, avšak se stejnými chemickými vlastnostmi základního prvku byly nazvány isotopy. Isotopy daly odpověď na otázku, proč ani j eden z přírodních prvků nemá atomovou váhu vyjádřenu celým číslem. Tak plyn chlor má atomovou váhu 35,457. Hmotový spektograf podle obrázku rozdělil atomy chloru na lehčí isotop s atomovou vahou 35, a těžší isotop s vahou 37. Plyn chlor je tedy vlastně směsí obou isotopů, jejichž poměr zůstává vždy stejný.Isotopy vodíku: Již sám nejlehčí prvek - vodík - je složen ze dvou isotopů: z lehkého vodíku o váze 1 a těžkého vodíku /tzv. deuteria/ o váze 2. Tvoří však uměle i třetí isotop, tritium, který má jádro složeno ze dvou neutronů, a z jednoho protonu. Rozdíl ve váze isotopů je značný a projevuje se na příklad i u nejrozšířenější sloučeniny vodíku, u vody, tzv. těžká voda /deuterium + kyslík/ má specifickou váhu 1,1 a jeví umrtvující účinky. V 5000 litrech vody se však těžká voda podílí jen jedním litrem.Překvapující hustota atomového jádra: Největší zájem vědců se soustředil na tajemství stavby atomového jádra. Ukázalo se, že na příklad hustota atomového jádra přesahuje všechny fantazie – 1 cm3 jaderného "koncentrátu" by vážil 120 milionů tun.Jaderné síly: Neméně fantastické jsou i síly, které působí v nitru atomových jader. Proti odpudivým elektrickým silám protonů v jádrech působí obrovské síly soudržné. I když jejich podstata ještě není úplně známa, je zřejmě, že jádro je drženo společným polem svých protonů a neutronů, podobně jako jsou atomy v molekulách spojeny elektronovými obaly. Vnitrojaderná "vazba" je však bilionkrát mocnější.Rozbití atomového jádra: Henry Rutherfordovi se roku 1919 podařilo poprvé na světě vyvolat jadernou přeměnu uměle - "rozbít" atomové jádro. Dosáhl toho při odstřelování dusíku částicemi alfa z přirozeně radioaktivního preparátu. Zde začíná cesta ke zdrojům obrovských zásob energie v atomovém jádře.Rozbití atomového jádra viditelné ve Wilsonově komůrce: Wilsonova komůrka, která patří mezi nejjednodušší fysikální přístroje, umožnila, aby se stopa rozbití atomového jádra stala viditelnou. Mlžná nitka vzniklá sražením vodních kapiček na stopách dráhy částice alfa /atomového jádra helia Ha/ se po zásahu jádra dusíku H štěpí: na krátkou a silnější stopu vzniklého jádra prvku kyslíku /O/ a na dlouhou a tenkou stopu jádra vodíku /H/, které vznikly přeměnou, nebo-li transmutací dusíku.Umělé jaderné reakce: Ostřelování a rozbíjení jader částicemi se stalo mocným nástrojem při výzkumu stavby atomového jádra. K uskutečnění přeměny musí mít částice jistou energii. Obrázek ukazuje případ, kdy proton o malé energii jádro pouze "vzbudí" a vlastně se od něho pouze odrazí.Jaderná reakce spojená s přeměnou prvků: Proton o větší energii překoná odpudivé síly jádra a je jádrem pohlcen. Vzniklé jádro beryllia /na obrázku/však není stálé - rozpadne se v krátkém okamžiků na dvě částice alfa. lak z prvku lithia vznikají vlastně dvě jádra prvku helia.Jaderné reakce, které mohou být zdrojem jaderné energie: Přiblíží-li se atom k atomu, mohou jejich jádra splynout. Byla-li vazebná energie splynuvších jader menší než před splynutím, vykonají jaderné síly práci. Tak lze uvolňovat jadernou energii spojováním neboli synthesou jader /na obrázku vlevo/. Rozpadne-li se jádro s malou vazebnou energií na jádro stěsnané/s velkou vazebnou energií/, dochází rovněž k uvolnění jaderné energie, tentokráte však štěpením jader. Rozdíl vazebných energií vyznačený v obou případech červenou čarou, udává zároveň poměr množství uvolněné energie, která je u spojování jader přibližně desetkrát větší než při štěpení jader.Srovnání chemické a jaderné energie: Energie uvolňovaná z atomového jádra je při některých přeměnách miliónkrát větší než energie uvolňované na příklad při hoření. Zatímco lokomotiva na obrázku po spálení 1 kg uhlí ujede se zátěží přibližně 30 m, získala by při jaderné reakci štěpeními kg uranu energii ke dvojnásobnému objetí zeměkoule a při jaderné reakci synthesou 1 kg vodíku by překonala vzdálenost od Země k Měsíci a zpět.Reakce s neutrony: Poznatku, že neutronům nestojí v cestě odpudivé elektrické síly, takže snadno pronikají do jader, využil italský fyzik Enrico Fermi k uskutečnění, neutronových reakcí. Tak se jádro zlata Au-197 po pohlcení neutronu přemění na isotop zlata Au-198, který vysílá přebytek energie v podobě záření beta a gamma. Tímto způsobem se dneska příklad vyrábí většina radioaktivních isotopů proprůmyslové a vědecké účely.Štěpení jader uranu: Na počátku druhá světové války se podařilo Hahnovi, Meitnerové, Strassmanovi, prof. Joliot-Curieovi a sovětským vědcům Flerovovi a Petražakovi uskutečnit jadernou reakci, která se stala klíčem k uvolnění jader energie. Ukázalo se, že, jádra uranu U 235 po pohlcení neutronu, rozpadnou se na dvě středně těžká jádra. Část uvolněné energie plynoucí z rozdílu vazebných energií uranu a vzniklých odštěpků se přeměnila na jejich pohybovou energii. Rychlý pohyb odštěpků se vzápětí mění na obrovská množství tepla.Řetězová reakce uranu: Z rozštěpeného jádra uranu se uvolňují také 2 – 3 neutrony. Tak se může jednou začatý proces šířit bez vnějšího zásahu dále. Je to tzv. řetězová reakce.Kritické množství uranu: Od svého vzniku k pohlcení v dalším jádře U 235 urazí neutron dráhu dlouhou asi 10 cm. Kdyby byl pohromadě jen maličký kus uranu nebo i větší, avšak znečištěný atomy látek, které neutrony intenzivně pohlcují, řetězová reakce by vůbec nenastala /obrázek vlevo/. Jakmile se však vytvoří tzv. kritické množství štěpného materiálu, při němž se z každého rozštěpeného jádra – využije alespoň jednoho neutronu k dalšímu štěpení, probíhá jednou začatá reakce již sama od sebe. Kritické množství čistého uranu U 235 ve tvaru koule činí necelých 10 kg, u čistého plutonia dokonce jen 1 kg.Řetězová reakce s rychlými neutrony: V náhle vytvořeném kritickém množství čistého štěpného materiálu /uranu U 235 nebo plutonia Pu 239/ proběhne řetězová reakce takovou rychlostí, že v milióntině vteřiny zachvátí většinu přítomných jader. Na tomto principu je založena atomová puma, jejíž pokusný výbuch u Bikinského atolu roku 1946 ukazuje snímek.Moderátory: Při studiu štěpení se ukázalo, že čím pomaleji se neutrony pohybují, tím spíše se v jádře U 235 pohltí. Zpomalování neutronů je možno provádět srážkami neutronů s atomy látek, které je nepohlcují. Jsou to tzv. moderátory. Čím jsou atomy moderátoru lehčí, tím lépe zpomalují neutrony, nejlepším moderátorem je těžká voda, grafit, beryllium, obyčejná voda a některé - umělé hmoty,Podíl isotopu U235 v přírodním uranu: V přírodním uranu je štěpitelný isotop uranu U 235 obsažen jen zlomkem procenta. K průmyslovému uvolnění jaderné energie by bylo zapotřebí tento isotop oddělit. Takový postup je však příliš složitý a nákladný.Atomový reaktor: V atomových reaktorech se používá jiné cesty. Rychlé neutrony uvolněné v kritickém množství přírodního uranu jsou zpomaleny moderátorem, který obklopuje uranové tyče. Uran U 235 se štěpí zpomalenými neutrony, kdežto uran U 238, tvořící hlavní složku uranu, je pouze odráží a nepohlcuje je. Teplo, vzniklé pohybem odštěpku postupně štěpených jader U 235 lze uvolňovat řízenou rychlostí, odvádět je a využívat ho.Výzkumné reaktory: Reaktor na obrázku slouží pro výzkumné účely. Teplo je u něho odpadem, avšak mohutného toku neutronů a intensivního záření gamma při reakci je využito k výrobě radioisotopů, k ozařování materiálů, k fysikálnímu, chemickým a lékařským pokusům. Z tohoto důvodu jsou silným ochranným krytem reaktoru vedeny desítky pokusných kanálů, v nichž se ozařování provádí.Energetické reaktory: V posledních letech byla zahájena stavba velkých atomových reaktorů, které využívají uvolněného tepla k pohonu tepelných elektráren. Atomové elektrárny mají před sebou velkou budoucnost.Jaderné výzkumy: Fysikové se nespokojují dosavadními objevy. K tomu, aby mohl být zdokonalen "výtěžek" energie při řetězové reakci, aby mohla být průmyslově prováděna synthesa lehkých prvků na těžší v podobě řízených thermonukleárních reakcí, musí ještě důkladněji poznat stavbu atomové ho jádra, vysvětlit podstatu jaderných sil a vazby jaderných částic. "Rozvědčíky", kterých vědci používají při průzkumu světa nejmenších rozměrů, jsou urychlené jaderné částice. Jejich odraz, pohlcování a změna vlastností při průchodu terčíky zkoumaných látek se stávají hybnou silou rozvoje jaderné fysiky. Zdrojem urychlených částic jsou dnes obří stroje - urychlovače: elektrostatické urychlovače, lineární urychlovače, cyklotrony, synchrocyklotrony a synchrořazotrony. Snímek ukazuje urychlovací komoru prvého československého betatronu, který urychluje elektrony na energii 2,5 milionů elektronvoltů.Cyklotron: Urychlování Částic se provádí ve vyčerpané komoře vložené mezi obrovité elektromagnety. Rychle se střídající napětí na elektrodách A přetahuje částici střídavě sem a tam. Při průchodu mezerou je částice urychlena. Magnetické pole neustále stáčí dráhu částice do kruhu. Výsledný pohyb částice je podobný spirále.Urychlené částice: Z cyklotronu jsou odchylovací elektrodou vyvedeny z komory v podobě namodralého paprsku, jehož záření vyvolává srážka urychlených částic a atomy plynů vzduchu. Svazek bývá soustředěn na terčík-s bombardovaným vzorkem látky.Synchrocyklotron Spojeného ústavu jaderných výzkumů: Sovětský fysik V.I. Veksler odstranil hlavní nedostatek cyklotronu - zpožďování částic za rytmem měnícího se napětí elektrod vlivem jejich přibývající setrvačné hmoty - konstrukcí tzv. synehrocyklotronu. U synchrocyklotronu se frekvence napětí ke konci urychlovacího cyklu automaticky snižuje. Největším strojem tohoto typu je sovětský urychlovač: na obrázku, umístěný v laboratoři Spojeného ústavu jaderných výzkumů. Urychluje protony na energii až 680 milionů elektronvoltů.Největší urychlovač na světě: Sovětský synchrofazotron pro urychlování protonů na energii až 10 miliard elektronvoltů je největším urychlovačem a výzkumným zařízením na světě vůbec. Průměr prstencového elektromagnetu tohoto stroje činí téměř 60 metrů a váží 36 tisíc tun. Šlak v prstenovitém tunelu, v němž se pomocí elektrody urychlují protony, smí být jen několik miliardtin atmosféry.Úspěchy soudobé jaderné fysiky: Mezi největší úspěchy soudobé jaderné fysiky patří objev nové jaderné částice - antiprotonu. V částicích vyletujících z destičky mědi, bombardované protony urychlenými obrovským urychlovačem Berkeleyské laboratoře, byly dne 21. září 1955 shledány protony se záporným, nábojem! Nové částice mají stabilní vlastnosti a umožňují předpokládat i takový druh hmoty, která má jádra složena z neutronů a antiprotonů. Netušené možnosti jaderných výzkumů v příštích letech jako by již dávno tušil vynikající vědec Izac Newton /1643-1727/ svým proroctvím: "Příroda miluje přeměny, těší se. jimi. Proč by nemohla měnit světlo v tělesa a tělesa ve světlo?" Zatím co vědci ve skvěle vybudovaných laboratořích pronikají do tajemství největší laboratoře světa -naší přírody, vyrůstají ve velkých státech první velké atomové elektrárny a motory pro dopravní prostředky. Lidstvo stojí na prahu věku mírového využití atomové energie.׋›Atomová energie I.díl Atomová fyzikaVýrobceDPrahaRok1956Délka42 okénekAutor kresebSamešová VěraAutor textuTůma Jan Ing.PředlohaFYZKOznačení2476Další diafilmy výrobceVýcvik operátorů RL č.D-40MVýživa a hnojení ovocných dřevin IVšechno, co lid vytvořil, musí být spolehlivě chráněnéVýcvik operátorů RL č.I-2C
