Příloha č. 4 Vytvořený studijní materiál („verze pro tisk“) masarykova univerzita

20. století

Na počátku 20. století ještě dominovaly světu evropské koloniální mocnosti. Nejmladší z nich, Německo (2. nejsilnější stát světa), však s dělením světového koláče, k němuž přišlo jako poslední, zásadně nesouhlasilo a nespokojenost dávalo najevo intenzívním zbrojením. Mnozí z těch, kteří posléze v srpnu 1914 narukovali na fronty války později označené jako 1. světová, věřili, že bude krátká a slavná. V jejím závěru však vypukla v Rusku komunistická revoluce. Tím se stalo, že mír, který po čtyřech letech zavládl, byl příliš nekompromisní i nekonstruktivní a podpořil nástup totalitních vlád. Agresivní nacistická ideologie vedla k další světové válce, avšak přinesla novou zkušenost a zároveň snahu prostřednictvím mezinárodních institucí (OSN) zastavit útočné postoje států. Poválečným létům však nakonec vštípila charakter studená válka mezi blokem států řízených komunistickým Sovětským svazem a blokem demokratických států vedených USA. Tento stav, probíhající více než tři desetiletí, nakonec zviditelňovala jen dílčí měření sil obou uskupení ve snaze posunout jazýček vah v ten či onen prospěch (Korea, Vietnam,...) a krize s neustálou hrozbou globálního jaderného konfliktu. Teprve 90. léta přinesla uvolnění mezi Východem a Západem způsobené rozpadem komunistického bloku.

Vědeckotechnické a hospodářské dějiny 20. století se ocitají ve výrazném vleku politického vývoje. Překotný rozvoj dopravy, komunikace a nových technologií (rozšířené používání kovů a jejich slitin, rozvoj chemie a biologie) zavedených do výroby na sklonku 19. století odstartoval doslova závody ve zbrojení iniciované Německem (završené postupně dvěma světovými válkami), přičemž válečné konflikty rozvoj těchto strategicky důležitých disciplín ještě urychlily. Po roce 1945 jsme svědky nové (3.) fáze průmyslové revoluce, v níž věda předbíhá technickou realizaci a výrobu. Jejím nejzřetelnějším projevem se stává využití jaderné energie, mikroelektroniky, kybernetiky a chemie. Ve výrobě probíhá komplexní automatizace a robotizace.

20. století - století elektronu

Objev elektronu těsně před začátkem 20. století (J. J. Thomson, 1897) měl rozhodující vliv nejen na další vývoj chemie, ale na veškeré přírodní vědy. Pokud 19. století může být charakterizováno jako století atomu, pak století dvacáté je stoletím elektronu, subatomární částice, která vztahuje atom ke spektroskopii a vede k novým možnostem chápání chemických kombinací.

Objev částice mnohem lehčí než atom vodíku vědeckou komunitu šokoval, přestože řada dřívějších objevů v chemii i fyzice tomuto objevu připravila půdu. Ukázalo se, že elektron je součástí všech druhů atomů a že hlavní teoretické problémy chemie i fyziky jsou spojeny s rolí elektronu ve struktuře atomů, v chemických reakcích a v elektrických i optických jevech. Pochopení role elektronů v elektrických jevech vedlo k vývoji neuvěřitelného množství elektrických přístrojů, které následně našly uplatnění v chemickém výzkumu i v řízení průmyslu.

Výsledkem získávání stále nových znalostí ve 20. století byla vědecká "exploze", která svojí silou zasáhla nejen chemii, ale i matematiku, fyziku, geologii, astronomii, biologii. Revolucí byly zasaženy průmysl, zemědělství i medicína a byly využity i válečné zkušenosti.

Vědecká "exploze" změnila i organizaci vědy. Přestože výzkumná aktivita je ve 20. století více než kdy dříve soustředěna na univerzitách, finance a vedení přicházejí z větší části od vlády a průmyslu. Zatímco na počátku 20. století byl výzkum pojímán jako činnost profesorů v době mezi vyučováním, po První světové válce se stal nedílnou součástí univerzitního života, občas až do té míry, že výuka začala být chápána jako nezbytné zlo mezi výzkumem.

Dvě světové války a ekonomická krize ve 20. století stimulovaly vědu a zásadně ovlivnily zkoumané oblasti. Válka směřovala výzkum k potenciálně vojenským možnostem využití. Když byl např. poprvé v První světové válce využit bojový otravný plyn, byli povoláni chemici jak k tvorbě ochranných prostředků, tak i k tvorbě dalších bojových plynů. Během Druhé světové války se pak věda zachovala skutečně bezhlavě, když lidstvu poskytla prostředky schopné během nezodpovědného okamžiku zničit vše živé na této planetě.

Významné směry vývoje chemie ve 20 století:

- Jaderná chemie

- Fyzikální chemie

- Analytická chemie

- Anorganická chemie

- Organická chemie

- Biochemie

- Průmyslová chemie

Jaderná chemie

Na počátku 20. století začínalo být jasné, že atomy nemohou být chápány jako neměnné neviditelné částice, ale jako částice, v nichž významnou roli hrají elektrony. Studie pomocí hmotnostní spektrometrie souhlasily se studiemi produktů radioaktivního rozpadu a poukázaly na existenci izotopů, čímž rozbily Daltonský předpoklad, že všechny atomy daného prvku jsou stejné.

Pokusy s rozptylem α-záření, vykonané v Rutherfordově laboratoři, poskytly klíč k představě atomu jako částice s jádrem a obalem, bylo však nutné, aby Bohr upustil od konceptu klasické fyziky a použil kvantově-chemickou interpretaci k tvorbě vědecky akceptovatelného modelu atomu vodíku. Díky tomu byl schopen objasnit fyzikální význam Rydbergovy konstanty, která se na poli vědy objevila již o 20 let dříve. Bohrův model atomu se však ukázal být nepostačující pro složitější atomy a tak 20. léta 20. století vedla k obrovskému matematickému vylepšení atomové teorie v pracech de Broglieho, Schrödingera, Heisenberga a Diraca.

Objev radioaktivity měl řadu fyzikálních i chemických důsledků, z nichž většina našla své uplatnění po První světové válce. Když Rutherford roku 1919 ozařoval dusík α-částicemi, nejenže dosáhl úspěšné transmutace dusíku na kyslík, ale také objevil proton. Následné vylepšení ozařovacích metod vedlo k objevu neutronu a umělé radioaktivity. Neutron a proton umožnily smysluplnější interpretaci jádra atomu. Neutrony se také staly ozařovacími částicemi pro studium transmutací těžkých prvků, což vedlo k uvolnění jaderné energie a k produkci transuranů. Objev umělé radioaktivity zpřístupnil nejrůznější izotopy, vhodné pro řešení řady vědeckých problémů. Díky vzniku vysokoenergetických urychlovačů částic byla připravena řada subnukleárních částic, což následně vedlo ke zkomplikování představ o atomovém jádru.

Objev struktury atomu a vývoj názorů na jeho stavbu

Objev radioaktivity v 19. století a vysvětlení její podstaty na začátku 20. století si vynutily změnu v nazírání na atom. Bylo třeba opustit představu o neměnném a nezničitelném atomu, na níž byla postavena fyzika i chemie 19. století.

První model atomu navrhl J. J. Thomson roku 1904, když poznal, že elektrony lze uvolnit z atomu kteréhokoli prvku a jsou tedy jeho nezbytnou součástí. Podle tohoto modelu je atom kulový, kladně nabitý útvar, v němž jsou rozptýleny záporně nabité elektrony. Jejich náboj kompenzuje náboj kladně nabitého útvaru. Tento modle umožnil vysvětlit ionizaci atomu, původ rentgenového záření i elektrické vlastnosti látek.

V roce 1909 byly prováděny pokusy, pod vedením E. Rutherforda, které vedly k myšlence, že atom má nepatrné, ale masivní centrum, které nese elektrický náboj. Tento objev byl podnětem k tomu, že Rutherford roku 1911 vytvořil planetární model atomu. Podle jeho představ se každý atom skládal z kladně nabitého jádra, kolem něhož obíhaly záporně nabité elektrony – podobně jako obíhají planety kolem Slunce. Tento model však odporoval poznatkům klasické fyziky o elektřině. Pohybem elektronů kolem jádra by se totiž měla měnit jejich energie. Postupnou ztrátou kinetické energie by se elektron velmi rychle blížil k jádru, až by s ním nakonec zcela splynul.

Rozpory E. Rutheforda odstranil N. Bohr, který s ním v letech 1912-1913 spolupracoval. Vyslovil hypotézu, že zákony klasické mechaniky a elektrodynamiky makroskopických těles neplatí pro částice atomových jader a elektrony. Podle jeho teorie se mohou elektrony pohybovat pouze po tzv. stacionárních drahách o určité energii a jejich moment hybnosti může nabývat pouze určitých hodnot. Dále vycházel z předpokladu, že elektrony na těchto drahách nevyzařují žádnou energii. Jen tehdy, když elektron mění svou dráhu, vyzařuje nebo absorbuje atom energii o určitých dávkách - kvantech. Model umožnil vysvětlit i chemické chování prvků. Kvantová čísla, zavedená k popisu elektronové struktury, představovala užitečnou pomůcku, ale chyběl jim reálný fyzikální význam. Tento model sice některé problémy objasnil, vyvolal však řadu dalších otázek.

V roce 1916 se A. Sommerfeld pokusil zpřesnit Bohrův model atomu tím, že elektrony obíhají kolem jádra nikoliv po kruhových, ale obecně po eliptických drahách. Ani tímto modelem se však nepodařilo plně vysvětlit spektra atomů.

S. Goudsmit a G. Ulenbeck zavedli k vysvětlení rozporu další kvantové číslo – spinové.

Nejvýznamnější experimenty, které potvrdili kvantování energetických hladin elektronů v atomech, byly provedeny J. Franckem a G.Hertzem. Oba experimentátoři zkoumali od roku 1911, jaká energie je potřebná na uvolnění elektronu z atomu. Důležité byly jejich experimenty z roku 1914, kdy zkoumali srážky elektronů se rtuťovými parami. Z pokusu bylo zřejmé, že urychlené elektrony se pružně odrážejí od atomů rtuti, pokud nedosáhnou určité potřebné energie (4,9 eV), tzv. ionizační energie. N. Bohr měl vůči této interpretaci námitky a vyslovil myšlenku, že se jedná spíše o přechod elektronu z jedné stacionární hladiny na druhou. V roce 1919 J. Franck a G. Hertz tuto Bohrovu interpretaci přijali.

Zásadní změnu v nazírání na povahu elektronu a celkově všech hmotných částic přinesly práce L. de Broglieho kolem roku 1922. Všiml si, že spíše než planetu obíhající kolem Slunce připomíná elektron v atomu chování stojatého vlnění, prostorově omezeného na bezprostřední okolí kladně nabitého jádra. Je-li vlnění vázáno na určitý omezený prostor, nemůže kmitat s libovolnými frekvencemi, nýbrž pouze s takovými, jaké jsou určeny tvarem a rozměry omezujícího prostoru. V atomu je elektron poután k jádru elektrickou silou a elektronová vlna, která podle de Broglieho elektronu přísluší, je tím prostorově omezena na bezprostřední okolí jádra. Vzniká stojaté vlnění; přitom tvar a velikost atomu, v němž je elektron vázán, určuje přípustné kmitové stavy, v nichž se elektron může nacházet. Tyto přípustné frekvence vypočetl rakouský fyzik E. Schrôdinger roku 1926. Je-li elektronová vlna v určitém kmitovém stavu, pak atom nezáří. Pouze při přechodu z vyššího kmitového stavu do nižšího atom vysílá elektromagnetické záření.

Představou o vlnové povaze elektronu v atomu se podařilo vysvětlit chování atomů, vlastnosti atomů, jako je jejich značná stabilita vůči nárazům a zásahům zvenčí a schopnost zachovávat si svou chemickou identitu a podařilo se také velmi přesně předpovědět charakteristické frekvence vyzařované atomy.

Podle myšlenky E. Schrôdingera roku 1926 by elektron neměl jednou provždy definovaný tvar, nýbrž by přijímal takový, jaký mu vymezuje působící silové pole (v případě atomu je jím elektrické pole kladně nabitého jádra).

Zkoumání elektronových stavů v atomu potvrdilo intuitivní názor, že při popisu elektronových stavů nevystačíme s představou kulovitého tělíska, nezavedeme-li současně pojem elektronové vlny. De Broglie postuloval, že vlnová délka příslušející letícímu elektronu je určena jeho hybností (λ=h/p): čím je hybnost větší, tím je vlnová délka menší. Tato de Broglieova hypotéza je v podstatě výrokem o dualistické povaze částic, povaze korpuskulární a povaze vlnové. Elementární částice se někdy chovají jako částice (korpuskule), jindy jako vlny; každému druhu částic přísluší vlnění o jiné vlnové délce.

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.