Jádro ve službách Pavel Cejnar

Ústav částicové a jaderné fyziky

Matematicko-fyzikální fakulta UK

Přednáška v rámci cyklu „Potkal jsem Einsteina, pánové“, podzim 2017

J. E. Lodge, "New triumphs in age-old quest for perfect timepiece" in Popular Science Monthly, New York, Vol. 119, No. 6, Dec. 1931, p. 53

Vazbová energie jádra

),(),( ZNpnZNmZmNm proton

Z

N neutron

hmotnost

jádra hmotnost

neutronů

hmotnost

protonů

„hmotnostní

schodek“

2mcE Ekvivalence hmotnosti a energie

2

),(

22

),( cmcmZcmNB ZNpnZN

Vazbová energie jádra – energie, která se uvolní, když

se protony a neutrony přiblíží a vytvoří vázaný systém (jádro):

2

),( cZN

R ≈ 1-8·10−15 m

ρ ≈ 2·1017 kg/m3

mn=1.675·10−27 kg mp=1.673·10−27 kg

]MeV[A

B

Vazbová energie jádra

]MeV[A

B

ZNA

V roce 1935 odvodil C.von Weizsäcker pro vazbovou energii

jader jednoduchou formulku, která vysvětluje

stabilitu jader v přírodě a ukazuje, že těžká jádra

mají menší vazbovou energii než středně těžká jádra.

Carl Friedrich

von Weizsäcker

1912-2007

von Weiszäckerova formule

A

ZNa

A

ZaAaAaB

ACSV

2

3

1

2

3

2 )(

]MeV[A

B

Vazbová energie jádra

ZNA

V roce 1935 odvodil C.von Weizsäcker pro vazbovou energii

jader jednoduchou formulku, která vysvětluje

stabilitu jader v přírodě a ukazuje, že těžká jádra

mají menší vazbovou energii než středně těžká jádra.

Carl Friedrich

von Weizsäcker

1912-2007

Obyčejné

hoření, např.

C+O2→CO2,

uvolní na

1 vzniklou

molekulu

asi 1-10 eV ≈108 x víc energie

Při štěpení 1 jádra 235U

se uvolní celkem cca

210 MeV energie

(z toho cca 180 MeV

okamžitě a cca 30 MeV

při následných rozpadech)

1 eV =1.6·10−19 J

Řetězová reakce

Leo Szilard 1898-1964

HeHeLip 4

2

4

2

7

3

n

n

n

2n

2n

V r. 1934 koná Enrico Fermi pokusy s bombardováním uranu neutrony

(částice objevená v r.1932). V témže roce podává

Leo Szilard patent předjímající neutrony

vyvolanou řetězovou reakci jader. Jeho návrh byl

sice nereálný,

ale obsahoval

zárodek správné

myšlenky…

V r. 1932 navrhli John Cockroft a Ernest Walton

(vynálezci prvního urychlovače částic) uvolnění

energie jádra pomocí reakce s urychlenými protony

. Jejich návrh zkritizoval

Ernest Rutherford (objevitel atomového jádra).

Podle něj energie jádra nemůže být prakticky využita.

Štěpení jader neutron

neutrony

Rozdělení

hmotnostních

čísel štěpných

produktů (pro

různá štěpená jádra)

Aparatura, na níž Hahn a Strassmann

v Ústavu císaře Wilhelma v Berlíně objevili

štěpení (Deutsches Museum, Mnichov)

Otto Hahn 1879-1968

Lise Meitner 1878-1968

Ida Noddack

1896-1978

V prosinci 1938 nachází Otto Hahn

a Fritz Strassmann (v Berlíně) ve

vzorcích uranu ozářeného neutrony

lehčí jádra. Lisa Meitner a Robert

Frisch (v Dánsku) to vysvětlují jako

výsledek štěpení jádra uranu.

V lednu 1939 je proces štěpení

potvrzen přímými experimenty

v ionizační komoře

(Kodaň, New York) Pozn.: Možnost štěpení uranu navrhla

na základě Fermiho experimentů již

v r. 1934 Ida Noddack.

Štěpení jader neutron

řetězová

reakce!

Otto Hahn 1879-1968

Lise Meitner 1878-1968

Ida Noddack

1896-1978

V prosinci 1938 nachází Otto Hahn

a Fritz Strassmann (v Berlíně) ve

vzorcích uranu ozářeného neutrony

lehčí jádra. Lisa Meitner a Robert

Frisch (v Dánsku) to vysvětlují jako

výsledek štěpení jádra uranu.

V lednu 1939 je proces štěpení

potvrzen přímými experimenty

v ionizační komoře

(Kodaň, New York)

Štěpení jader

Niels Bohr

1885-1962

John

Archibald

Wheeler

1911- 2008

Ein

stei

nů

v d

op

is R

oo

seve

lto

vi

2. 8

. 19

39

Ro

ose

velt

ova

od

po

věď

1

9. 1

0. 1

93

9

září začátek 2. světové války

1939

1938

prosinec

leden

srpen A.Einstein (na popud L.Szilárda) píše

dopis prezidentu USA Rooseveltovi

březen Německo obsazuje (štěpí) Českoslo-

vensko a získává jeho zásoby uranu

Začátek války

O.Hahn + F.Strassmann a

R.Frisch + L.Meitner objevují

štěpení uranu neutrony, rozebíhá

se horečné zkoumání (N.Bohr…)

Heisenbergova tajná zpráva německému úřadu pro zbraně (Heereswaffenamt, Army Weapons Bureau)

"O možnosti produkce technické energie štěpením uranu" 6. 12. 1939 (část I) 20. 2. 1940 (část II)

březen Německo obsazuje (štěpí) Českoslo-

vensko a získává jeho zásoby uranu

září začátek 2. světové války

1939

1940

červen Německo dobývá Norsko

a ovládá výrobu těžké vody

1938

prosinec

leden

prosinec

únor

Werner Heisenberg iniciuje

vývoj německého jaderného

reaktoru (Uranmaschine)

květen Německo dobývá Belgii a získává

zásoby uranu v belgickém Kongu

srpen A.Einstein (na popud L.Szilárda) píše

dopis prezidentu USA Rooseveltovi

Začátek války

O.Hahn + F.Strassmann a

R.Frisch + L.Meitner objevují

štěpení uranu neutrony, rozebíhá

se horečné zkoumání (N.Bohr…)

V Kodani s N. Bohrem 1933, 1934, 1937

Případ Heisenberg Werner Heisenberg byl spoluzakladatel kvantové

mechaniky a přítel Nielse Bohra. V září 1941 navštívil

Bohra v Kodani. Obsah jejich setkání dodnes nebyl

zcela vyjasněn, ale Bohr jej interpretoval jako důkaz

loajality Heisenberga (který sám byl před válkou

nacisty napadán) nacistickému Německu. To ještě více

urychlilo jaderný výzkum spojenců. Nicméně role

Heisenberga v německém

vojenském programu byla

pravděpodobně přeceňována.

Werner Heisenberg

1901–1976

Bomba versus reaktor

Priscilla nuclear test, 24.6. 1957

„Jaderná fáze“ exploze je extrémně rychlý proces

( ≈ 1 μs ) vyžadující vysoce účinný štěpný materiál

– ne 238U, ale 235U ! Ten se v přírodním uranu

nachází jen s příměsí 0,72 %. Uran pro bombu

se proto musí obohacovat! Kritická hmota čistého 235U (ve sférické geometrii bez odrážeče neutronů) je asi 50 kg (s odrážečem

méně!). Němci (Heisenberg) toto množství silně nadhodnotili…

Jaderná bomba

(a) podkritické

množství

(b) kritické množství (c) vliv neutronového

odrážeče

Bomba versus reaktor

Může jako palivo využívat i neobohacený uran. Podmínkou je účinné a

bezztrátové zpomalování neutronů. Nejefektivnější zpomalování neutronů

probíhá na lehkých jádrech jako vodík, které však nesmí neutrony pohlco-

vat – kandidáti: deuterium (těžká voda, D2O) nebo čistý uhlík (grafit).

aktivní zóna moderního reaktoru

palivová tyč palivová tyč

moderátor moderátor moderátor

Jaderný reaktor

moderátor

regulační tyč

neutrony neutron

štěpení

štěp

ení

zpomalování

zpomalování

U

U

U

U

rychlé pomalý

Bonus: V reaktoru s přírodním uranem vzniká plutonium 239Pu, které se

dá použít v bombě podobně jako 235U !

Plutonium bylo objeveno na přelomu 1940-41 na cyklotronu v Berkeley Lab.

Němci možnost výroby štěpitelného jádra v reaktoru začali zvažovat od 1941.

krit.hmotnost 10 kg (ve sférické geometrii,

bez odrážeče)

Těžká voda

Továrna na

těžkou vodu

v Rjukanu,

1935

1 jádro D připadá na 6400 jader H.

D20 se dá získávat mnohonásobnou elektrolýzou H20.

Výroba těžké vody probíhala od r.1935 v Norsku.

1940: odvoz 185 kg těžké vody do Francie (později do GB) – Joliot-Curie.

Po úplném obsazení Norska Německem je

Norsk Hydro terčem diverzních akcí:

říjen 1942: operace Freshman – seskok

4 norských parašutistů, přistání 2 kluzáků s 32 muži,

havárie, část zahynula, ostatní zajati a popraveni…

únor 1943: operace Gunnerside – seskok

6 norských parašutistů, pochod 50 km na lyžích,

průnik do továrny, odpálení náloží, úspěšný návrat

listopad 1943: bombardování továrny

únor 1944: potopení trajektu

SF Hydro, převážejícího

barely D2O přes

jezero Tinn.

Dramatizace operace

v roce 1948

únor 1942

duben–říjen

1941

Leipzig Berlin

Uranprojekt

únor 1942

červen 1942

K.Diebner, A.Esau, W.Gerlach,

O.Hahn, W.Bothe, K.Clusius,

E.Schumann, P.Harteck,

W.Heisenberg, C.v.Weiszäcker

…..

Různé návrhy experimentálního „reaktoru“ pro výzkum produkce

neutronů při štěpení

Uranprojekt – Lipská nehoda Exploze „jaderného reaktoru“ 23. 6. 1942

Příčina: chemické vznícení uranu. Důsledky: zpomalení německého

výzkumu, ale paradoxně i zvýšené obavy spojenců...

Snímky z natáčení

seriálu Génius

říjen 1942

květen 1943

Berlin

Haigerloch

→ 1945

Uranprojekt po 1942

Nový design: neobohacený U (kovová forma)

těžká voda

Spojenci rozebírají reaktor

Heisenbergova přednáška

Zürich, 18.12.1944 Pokus o zabití Heisenberga při jeho návštěvě

ve Švýcarsku americkým agentem Morrisem

„Moe“ Bergem. Heisenberg se ale zdál být

pohlcen svým výzkumem v kvantové teorii

a Berg od záměru upouští...

Tabule z natáčení

seriálu Génius

Útěk Nielse Bohra V září 1943 utíká Niels Bohr („otec kvantové teorie“

a spolutvůrce jaderné fyziky) z Kodaně do Švédska,

odtud je v říjnu transportován do GB a dále do USA,

kde se připojuje k Manhattan Project.

rychlý bombardér

de Havilland DH.98 Mosquito

Cesta do GB se mu málem stala

osudnou…

Niels Bohr

1885-1962

Manhattan Project Od konce 1939 USA a GB zkoumaly možnost vojenského použití uranu. Na

konci 1941 se úsilí sjednotilo v rámci tzv. projektu Manhattan (1942-1946)

Někteří známí fyzikové: R. Oppenheimer, N. Bohr,

E. Fermi, J.von Neumann, R. Feynman, E. Wigner,

L. Szilard, P. Auger, F. Bloch, I. Rabi, S. Anderson,

J. Chadwick, R. Glauber, J. Cockroft, E. Condon,

B. Pontecorvo, S. Ulam, N. Rosen, E. Teller, E. Segré,

F. Reines, R. Peierls, A. Bohr …..…………………

Představy o U-bombě

kolem 1942

2. 12. 1942 bylo v Chicagu (pod sedadly stadionu Stagg Field )

pod vedením E. Fermiho uskutečněno první řízené štěpení

uranu v reaktoru Chicago Pile-1 (přírodní uran, grafitový

moderátor).

Chicago Pile-1

Enrico Fermi

1901-54

Manhattan Project – jaderné reaktory

Měření neutronového toku

dokazující dosažení stavu

samoudržitelné řetězové

reakce v reaktoru

Manhattan Project – jaderné reaktory

Enrico Fermi

1901-54

2. 12. 1942 bylo v Chicagu (pod sedadly stadionu Stagg Field )

pod vedením E. Fermiho uskutečněno první řízené štěpení

uranu v reaktoru Chicago Pile-1 (přírodní uran, grafitový

moderátor).

Reaktor X-10

V rámci Manhattan projektu pak byly

vybudovány 2 reaktory produkující

plutonium: X-10 v Oak Ridge Lab.

(od listopadu 1943) a B Reactor

v Hanford Site (od září 1944).

B Reaktor Chicago Pile-1

Manhattan Project – obohacování uranu

Bylo vyvinuto několik metod separace

izotopu 235U z přírodního uranu:

• el.mag. separace (projekt Y-12),

• difuze plynu membránou (projekt K-25),

• tepelná difuze plynu (projekt S-50).

Do července 1945 bylo vyprodukováno

celkem 50 kg uranu obohaceného na

89% izotopem 235U. Všechen tento

materiál byl použit v uranové bombě

Little Boy svržené na Hirošimu. Projekt Y-12

Projekt Y-12 Projekt K-25 Projekt S-50

Z práce

Výplata

Projev

Manhattan Project – obyčejný život

V červnu 1944 projekt zaměstnával

celkem 129 tisíc pracovníků

• 84,5 tis. montéři & stavebníci

• 40,5 tis. operátoři

• 1,8 tis. vojáci

• ??? fyzikové

Srovnání: Škoda Auto– celkem 28 tis. pracovníků

Manhattan Project – design bomby

nástřelný typ bomby implozní typ bomby

Uran 235 Plutonium 239 „Little Boy“ „Fat Man“

3,7 m

1,5 m

3,0 m

0,7 m

m=4,7 t

ekvivalent

21 kT TNT

m=4,4 t

Ekvivalent

15 kT TNT

Reportovány 2 nehody

(1944,45) při určování

kritického množství

uranu – při náhodném

zvýšení toku neutronů

se vzorek stal kritickým,

jen zvýšené dávky

ozáření pro operátora

„Lady Godiva device“

Fatální nehoda 21.8.1945: Harry Daghlian

upustil cihlu karbidu wolframu (WC,

používal se jako

odražeč neutronů)

na plutoniuvé jádro,

které se tímto stalo

kritickým…

„demon core“

Trinity test 16. 7. 1945 proveden test plutoniové

bomby (20 kT TNT) v poušti v Novém

Mexiku. Událost měla kódové jméno

„Trinity“.

Robert Oppenheimer (hlavní fyzik

projektu, 1904-67) a gen. Leslie Groves

(vojenský velitel projektu) v září 1945

u paty sloupu, na kterém byla

umístěna testovaná bomba.

16 ms

po explozi

200 m

Hirošima Nagasaki

70-80 tis. mrtvých na místě

70 tis. zraněných

„Little Boy“ „Fat Man“

6. 8. 1945 9. 8. 1945

35-40 tis. mrtvých na místě

60 tis. zraněných

Role Einsteina • Otec zakladatel

E = mc2

• Iniciátor

dopis Rooseveltovi

• Pacifista

a bojovník proti

jaderným zbraním

Zdroje:

• Robert Jungk: Jasnější než tisíc sluncí

• Michael Frayn: hra Kodaň + následné články

• Texty Filipa Grygara o N. Bohrovi a W. Heisenbergovi

• Válečné reporty W. Heisenberga

• Internet, Wikipedia… – data, obrázky, fotky…