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

Teorie, objevy, výroby

Teorie

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.

Boyleův-Marriotteův zákon

je historicky prvním zákonem kvantitativně popisujícím izotermický děj probíhající v plynu o stálém množství. Dnes tuto přírodní zákonitost popisujeme slovy, že při izotermickém ději se stálým látkovým množstvím ideálního plynu je součin tlaku a objemu konstantní.

Robert Boyle ve druhém vydání své knihy New Experiments, Physico-Mechanical, Touching the Spring of the Air, and its Effects (Nové fyzikálně mechanické experimenty týkající se vzduchové pružiny a jejich účinků) popsal významný experiment. Použil k němu trubici tvaru „J“. Přiléváním rtuti do otevřeného ramena trubice bylo možno zvětšovat tlak působící na plyn v uzavřeném rameni. Boyle si všiml, že úměrně tomu, jak vzrůstal tlak, zmenšoval se objem plynu, přitom teplota plynu zůstala při těchto měřeních téměř beze změny.

Jak již vyplývá z názvu, autorem tohoto zákona (1662) je Robert Boyle. Podle některých historiků však matematickou formulaci nevypracoval on sám, ale spíše jeho asistent Robert Hooke. Nezávisle na nich dospěl ke stejnému závěru v roce 1676 i francouzský chemik Edme Mariotte.

Teorie elektrolytické disociace

K významným fyzikálním chemikům 19. století patří S. A. Arrhenius, který roku 1887 vyslovil předpoklad, že se elektrolyty v roztoku štěpí na elektricky nabité částice - ionty, které přenášejí elektrický náboj roztokem. Arrhenius ve své teorii elektrolytické disociace vysvětlil i vztah mezi disociací a koncentrací roztoku. I když názor na existenci iontů v roztoku vyslovili již před Arrheniem jiní, teprve Arrheniova disertační práce „Výzkum galvanické vodivosti elektrolytů" znamenala převrat v dosavadních názorech na vlastnosti roztoků. Byla s nadšením přijata W. Ostwaldem a J. H. van't Hoffem, kteří se podíleli na jejím rozpracování. Arrheniova teorie umožnila vysvětlit mnohé vlastnosti roztoků elektrolytů, platila však jen pro slabé elektrolyty a zředěné roztoky. Nedostatek se podařilo vysvětlit teprve mnohem později především G. N. Lewisovi a P. J. W. Debyeovi.

Rozdíl mezi Empedoklovým a Démokritovým pojetím struktury hmoty

Pojetí živlů vysvětluje pozorované pozorovaným. Všechny předměty, které v přírodě pozorujeme, Empedoklés vysvětlil pomocí ohně, vzduchu, vody a země. Sucho a vlhkost, teplo a chlad i další vlastnosti jsou vysvětlovány opět suchem a vlhkostí, teplem a chladem i dalšími vlastnostmi.

Atomistické pojetí vysvětluje pozorované nepozorovaným. Všechny předměty, se kterými se v přírodě setkáváme, Démokritos vysvětlil pomocí atomů. Sucho a vlhkost, teplo a chlad, pružnost a tuhost, barva a chuť věcí jsou vysvětlovány jako odvozené, sekundární vlastnosti, které jsou důsledkem prvotních, skutečných vlastností.

Filozofové a jejich názory na pralátku Arché  (řecky ἀρχή [archí], latinsky principium) neboli pralátka, původ, počátek označovala ve starověké řecké filozofii princip světa, z něhož svět vznikl. Jako první přišel s konceptem arché Tháles z Milétu (asi 624 – 548/547 př. n. l.). Ten za pralátku všech věcí a vesmíru považoval vodu, která byla věčně v pohybu a živá. Tvrdil, že zřeďováním či vypařováním vody vznikl vzduch a oheň, naopak zhušťováním vody vznikly pevné látky. Anaximenés z Milétu (asi 585 – 525 př. n. l.) za pralátku všeho považoval vzduch, který je neomezený, nediferencovaný a stále se pohybující, vzduchem rozuměl i duši. Takto chápaný vzduch byl tím, co vládlo vesmíru a co dávalo mu pohyb a smysl. Ostatní živly vznikly buď zhušťováním, nebo zřeďováním vzduchu. Například řídnutím vzduchu se vzdušné částice od sebe odlučovaly, tím nabývaly větší teploty a přecházely v oheň, naopak zhušťování způsobovalo ochlazování částic a sráželi se ve vítr, mračna, vodu a zem. Herakleitos z Efesu (asi 540/535 – 480/475 př. n. l.) za pralátku všeho považoval oheň. Svět a příroda byly dle Herakleita v neustálém pohybu, přičemž oheň byl ze všech živlů nejpohyblivější. Podle Empedokla z Akragantu (asi 493 – 433 př. n. l.) nebyla možná existence jen jedné pralátky. Uznával tedy existenci více pralátek, které se mezi sebou míchaly a zase oddělovaly. Vzniklé látky a věci, které odpovídaly čtyřem stavům hmoty: země byla výrazem pevnosti a suchosti, voda znamenala stav tekutý, vzduch symbolizoval těkavost a plynný stav a oheň byl nositelem tepla a světla. Démokritos z Abdér (asi 460 – 370 př. n. l.) tvrdil, že podstatou celého světa jsou atomy = nedělitelné a nejmenší částice. Atomy nikdy nevznikly a nikdy nezaniknou. Atomy byly ze stejné hmoty a lišily se tvarem, velikostí a hmotností. Byly nezměnitelné, nestlačitelné, tvrdé a v neustálém pohybu. Shlukováním atomů vznikly různé látky. Dle Aristotela (asi 384/383 – 322 př. n. l.) byly čtyři základní živly nositeli čtyř základních vlastností pralátky; živly se mohly vzájemně proměňovat, neboť pocházely ze společné prahmoty. Vedle již zmíněných čtyř živlů předpokládal Aristotelés existenci éteru – „božské látky“, která byla nehmotná, nezničitelná a byl z něj složen svět stálic.