Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 08_6_Jaderná fyzika Mgr. Miroslav Indrák

1. Vlastnosti atomových jader 2. Radioaktivita 3. Jaderné reakce 4. Jaderná energetika 5. Využití radionuklidů a ochrana životního prostředí 6. Elementární částice 7. Urychlovače částic

1. VLASTNOSTI ATOMOVÝCH JADER

Atomové jádro zaujímá nepatrnou část atomu o rozměrech řádově 10-15 m (model: 100 m 1 mm). Rutherfordův pokus. Je tvořeno protony a neutrony, které se společně nazývají nukleony. Protony nesou kladný elektrický náboj e (tj. opačný náboj než mají elektrony), neutrony jsou elektricky neutrální. Klidové hmotnosti protonů a neutronů jsou řádově stejné a jsou zhruba 1 840 krát větší než je klidová hmotnost elektronu. Počet protonů v jádře udává protonové číslo Z, počet neutronů neutronové číslo N. Nukleonové číslo A udává součet počtu protonů a neutronů v jádře: A = Z + N.

Velikosti kladného náboje jader se rovnají celočíselným násobkům náboje elektronu Z e. Hmotnosti jader se přibližně rovnají celočíselným násobkům jádra vodíku. Např. pro uhlík 12: Q 6 e, m 12 m H Pro mnohé prvky v periodické soustavě prvků toto zdánlivě neplatí. Jejich relativní atomová hmotnost není přibližný násobek hmotnosti protonu. Např. pro chlor 17Cl: Q 17 e, m 35, 45 Vyskytují se dva druhy (izotopy) chloru: 75,4 % má, 24,6 % má m 35m H m 37m m H Jádra obsahují různý počet neutronů, které mají hmotnost téměř stejnou jako protony. H

Nuklid je látka, která je složena z úplně stejných atomů (stejné protonové i nukleonové číslo). Nuklidy prvků se často zobrazují do grafu, kde je jejich poloha určena protonovým (svislá osa) a neutronovým (vodorovná osa) číslem. http://www.nndc.bnl.gov/chart/recenter.jsp?z=1&n=0 Co z grafů zjistíme? Jádro se nemůže skládat z libovolné kombinace neutronů a protonů. V lehčích jádrech je obou druhů částic přibližně stejně, u těžších jader narůstá převaha neutronů. Většina jader není stabilní a časem se samovolně rozpadá. Nejtěžším stabilním jádrem je. Neexistují stabilní jádra s více než 83 protony. Pracovní list kvarta str. 33. 209 83 Bi

Je zřejmé, že počet neutronů u lehkých jader ovlivňuje fyzikální vlastnosti prvku více než u jader těžkých (znatelný rozdíl v hmotnosti u lehkých jader). Síly v jádře atomu Př. 1: Velikost atomového jádra je řádově 10-15. Jak velkou elektrostatickou silou se budou odpuzovat dva protony v jádře atomu? Jak velkou gravitační silou se budou přitahovat? = 6,67 10-11, m p = 1,67 10-27 kg, e = 1,6 10-19 C, ε 0 = 8,85. 10 12, r = 10-15 m 4 2 He

Z velikosti síly, kterou se odpuzují protony v jádře, vzniká otázka, jak vlastně drží atomové jádro pohromadě. Stabilitu jádra nelze objasnit stejně jako v případě molekul a atomů elektromagnetickými silami, ale pouze působením nového druhu sil - přitažlivých jaderných sil. Tyto síly často označujeme jako silnou interakci.

Jaderné síly mají tyto vlastnosti: 1. Jsou to přitažlivé síly velmi krátkého dosahu (řádově 10-15 m), ale na těchto vzdálenostech značně překonávají síly elektromagnetického odpuzování. 2. Působí bez rozdílu mezi protony i neutrony. 3. Projevují vlastnost nasycení - nukleon je schopen přitahovat jadernou silou pouze omezený počet nukleonů. (Neznáme přesnou zákonitost.) Jsou to tedy přitažlivé síly, které drží jádro neuvěřitelně velkou silou, když je přiblížíme na dostatečně malou vzdálenost: pokud je chceme odtrhnout, musíme jim dodat energii, během spojování energii vyzáří.

Vazebná energie U každého systému můžeme hovořit o tzv. vazebné energii E v : Vazebná energie E v dané soustavy je rovna práci, kterou je nutné vykonat k rozložení soustavy na její jednotlivé části. Pro určení vazebné energie využijeme zajímavý problém: hmotnost jádra je menší než hmotnost částic, ze kterých je vytvořeno. Rozdílu hmotností jádra a oddělených částic se říká hmotnostní úbytek. Hmotnostnímu úbytku odpovídá vazebná energie: E v m 2 c

Vazebná energie v jádře : 4 2 He Jádro je o 5,05 10-29 kg lehčí, než by mělo být. Vazebná energie pro jádro He 4 2 a pro jeden nukleon: Celková vazebná energie jader je velká, pohybuje se od 2,22 MeV až po 1800 MeV (pro těžká jádra).

112 Př. 2: Vypočítejte vazebnou energii nukleonu kadmia. 48Cd Hmotnost tohoto nukleonu je 111,902756 m u. m u = 1,660539 10-27, m e = 9,109382 10-31 Hmotnost celého atomu v kg: 1,858189 10-25 Hmotnost jádra atomu: 1,85775175 10-25 Hmotnostní úbytek: 1,706 10-27 Celková vazebná energie: 1,5333 10-10 J = 956,999 MeV Vazebná energie na jeden nukleon: 8,5 MeV

Vazebné energie pro jeden nukleon Fe 56 26

Př. 3: Vysvětlete z grafu, jak závisí vazebná energie na jeden nukleon na počtu nukleonů? Nukleon železa 56 dělí danou křivku na dvě části: část vzestupnou (až na několik výjimek u lehkých jader) a mírně sestupnou v oblasti těžších jader. Vazebná energie tedy zpočátku významně roste a potom mírně klesá. Důležitá je možnost využití jaderné energie. Z vazebných energií prvků před a po jaderné reakci plyne, že jadernou energii můžeme uvolňovat dvěma způsoby: slučováním (prvky na začátku grafu) a štěpením (prvky na konci grafu). Př. 4: Z následujícího grafu vypočítejte hodnoty vazebných 1 2 3 3 4 energií celých jader nuklidů: 1H, 1H 1H, 2He, 2He.

1 1 2 3 3 4 H...0, H...2,2, H...8,4, He...7,7, He... 28MeV 1 1 2 2

1. Slučování jader (jaderná syntéza, jaderná fúze) Ze dvou jader lehčích lze vytvářet jádra těžší, která jsou stabilnější, a při tom uvolnit jadernou energii. Př. 5: Porovnejte vazebné energie na levé a pravé straně rovnice pod obrázkem. 2 1,1 + 3 2,8 28,3 10,6 28,3 Přesný rozdíl energií je 17,6 MeV -(2 1,1 + 3 2,8) = -28,3 + 17,6

2. štěpení jader Z těžkých jader mohou vznikat stabilnější jádra lehčí a přitom se uvolňuje energie. Vazebná energie před rozdělením těžkého jádra je větší než součet vazebných energií vzniklých jader. Pro potřeby využití jaderné energie, probíhá štěpení přirozenou cestou příliš pomalu (málo energie). Více ve 3. kapitole.

2. RADIOAKTIVITA Radioaktivitou se rozumí schopnost některých atomových jader vysílat záření. Přitom se takové jádro může přeměnit v jiné nebo alespoň ztratí část své energie. Při jaderné přeměně se mění struktura jádra, izotop jednoho prvku se mění v izotop jiného prvku. Název radioaktivita pochází z latiny - radius znamená paprsek, activitas činnost Rozlišují se dva druhy radioaktivity: 1. přirozená radioaktivita - jde o radionuklidy, které se běžně vyskytují (nebo vyskytovaly) v přírodě; 2. umělá radioaktivita - radionuklidy jsou uměle vyrobené v laboratoři.

Přirozená radioaktivita Objev přirozené radioaktivity v roce 1896 byl prvním nerozluštěným signálem ze světa atomových jader a znamenal pro fyziky velké překvapení. Překvapující bylo jednak: odkud se bere značná část energie trvale vyzařovaná radioaktivní látkou, samovolná přeměna jednoho prvku v prvek druhý, o níž marně usilovali alchymisté po celá staletí. Objev radioaktivity následoval rok po objevu rentgenového záření v roce 1895 a zasloužil se o něj francouzský fyzik Antoine Henri Becquerel (1852-1908, Nobelova cena v roce 1903).

Becquerel se zabýval výzkumem fosforescence (tj. dlouhodobá luminiscence) některých látek a jejich účinkem na fotografickou desku. Fosforescence nastává ovšem pouze po předchozím osvětlení látky, při němž se její atomy vybudí do vyššího excitovaného stavu. Při přeskocích zpět na nižší energetické hladiny se atomy zbavují přebytečné energie ve formě elektromagnetického záření, které vyzařují. Dochází ke spontánní emisi. Při použití uranové soli Becquerel zjistil, že tato látka vydává záření i bez předchozího osvětlení, a má tedy svůj vlastní vnitřní zdroj energie.

Postupně bylo zjištěno, že existuje několik druhů radioaktivního (jaderného) záření, které se liší svou schopností pronikat látkou a chováním v elektrickém a magnetickém poli. Tyto druhy radioaktivního záření byly označeny jako záření α, záření β a záření γ. Zdroj záření

Záření alfa (α) Toto záření bylo po svém objeviteli nejprve pojmenováno Becquerelovy paprsky. Částice alfa nebo také alfa záření jsou héliová jádra s kladným nábojem, mají dva protony a dva neutrony. Částice alfa jsou vyzařovány některými radioaktivními jádry atomů, tzv. alfa-zářiči. Pohybují se poměrně pomalu a mají malou pronikavost. Pohlcuje je třeba obyčejný papír nebo pokožka ruky. Nebezpečnost záření je však v okamžiku, kdy se zářič alfa dostane do těla například v potravě.

Přeměně alfa podléhá například uran U 238. Při ní se z jádra atomu uvolní dva neutrony a dva protony. Tato alfa částice se začne pohybovat od jádra. Takto nově vzniklé jádro má o dva protony a o dva neutrony v jádře méně a může rovněž podléhat rozpadu. Uran U 238 se samovolně rozpadá právě alfa rozpadem a tak z něj vzniká lehčí jádro thoria Th 234. U 238 Th 234

Interakci záření α s prvkem X můžeme vyjádřit takto:

Záření beta (β) Záření beta jsou částice, které jsou vysílány radioaktivními jádry prvků při beta-rozpadu. Velmi rychle se pohybují. Nesou kladný (pozitrony) nebo záporný elektrický náboj (elektrony) a jejich pohyb může být tedy ovlivňován elektrickým polem. Pronikavost beta záření je větší než u alfa částic, mohou pronikat materiály s nízkou hustotou nebo malou tloušťkou. K jejich zastavení stačí vrstva vzduchu silná 1m, 1 cm vrstva plexiskla nebo olovo o šířce 1 mm. Často se k odstínění používá tenká hliníková fólie. Při beta přeměně se mění v jádře vzájemný počet protonů a neutronů při zachování celkového počtu nukleonů.

Experimenty i teorie ukazují, že existují dva druhy záření β: Přeměna beta minus Jde o jadernou přeměnu, při které se mění neutron v proton a vzniká elektron a elektronové antineutrino. Přeměna beta plus Jde o jadernou přeměnu (u uměle připravených radionuklidů), při které se mění proton v neutron a vzniká pozitron a elektronové neutrino.

Interakci záření β - s prvkem X můžeme vyjádřit takto:

Interakci záření β + s prvkem X můžeme vyjádřit takto:

Záření gama (γ) Záření gama je záření často vyzařované radionuklidy spolu s beta zářením. Proud gama částic má spíše charakter vlnění s podobnými vlastnostmi jako světlo nebo rentgenové záření. Částice gama se pohybují rychlostí světla, nemají žádný elektrický náboj, proto mají velmi vysokou pronikavost a jsou tedy nejnebezpečnější. Pro ochranu před škodlivými účinky gama záření je zapotřebí vzduch o tloušťce 120 m, olovo o tloušťce 13 mm. Způsobuje podobná poškození jako rentgenové záření: popáleniny, rakovinu a genové mutace.

Vysokoenergetická povaha záření gama je využívána jako účinný prostředek hubení bakterií, při sterilizaci lékařských nástrojů nebo při ošetřování potravin, aby déle zůstaly čerstvé. Přestože může samo způsobovat rakovinu, používá se při jejím léčení - přístroj zvaný gama nůž využívá několika paprsků záření zaměřených na místo nádoru, aby zničil zhoubným bujením zasažené buňky. Záření γ objevil francouzský chemik a fyzik Paul Ulrich Villard roku 1900 při studiu uranu. Britský fyzik Bragg roku 1910 ukázal jeho vlnový charakter.

. Schematicky je možné záření γ vyjádřit takto: A Z X A Z X

Neutronové záření (n) Toto záření je způsobeno proudem neutronů, jejichž zdrojem může být například jaderný reaktor. Neutrony nemají žádný elektrický náboj, takže toto záření se nevychyluje v elektrickém ani v magnetickém poli a je velmi pronikavé. Jako materiály, které toto záření pohlcují jsou látky, které obsahují hodně vodíkových jader. V praxi se ke stínění před tímto druhem záření používá voda, parafín či beton.

S atomovým jádrem může neutron reagovat: 1. pružnými srážkami - jádrům předává část své kinetické energie, čímž se neutron zpomalí - zpomalení bude tím větší, čím je hmotnost jader bližší hmotnosti neutronu 2. nepružnými srážkami - při nich se mohou z jader uvolňovat i nabité částice - při nepružné srážce se neutron s jádrem spojí, jádro se tak může dostat do nestabilního stavu - k obnovení stabilního stavu se zbaví části energie tak, že vyzáří částici.

Pronikavost jednotlivých druhů záření

Rozpadový zákon O výzkum přirozené radioaktivity a radioaktivních přeměn se zasloužili Marie Curie - Skłodowska (1867-1934, Nobelovy ceny v roce 1903 a 1911) a Pierre Curie (1859-1906).

V návaznosti na Becquerelův objev měřili stupeň radioaktivity různých látek, zjistili přitom, že rychlost samovolného radioaktivního rozpadu nelze fyzikálně ovlivnit. Manželé Curieovi objevili vedle radioaktivity uranu i radioaktivitu thoria. Při měření radioaktivity jáchymovského smolince zjistili, že je mnohem větší, než odpovídá obsahu obou radioaktivních prvků (uranu a thoria). To je v roce 1898 přivedlo k objevu nových radioaktivních prvků - polonia a radia.

Uvažujme, že určité množství radioaktivního nuklidu, který vysílá záření α nebo záření β se mění na stabilní nuklid. Experimentálně bylo zjištěno, že aktivita vzorku radionuklidu klesá tak, že vždy po uplynutí charakteristické doby T klesne na polovinu. Tato doba T se nazývá poločas přeměny (poločas rozpadu) daného radionuklidu. Radioaktivní přeměna je náhodný proces. Nelze určit, kdy dojde k přeměně konkrétního jádra, pouze pravděpodobnost této přeměny (kvantová fyzika).

Př. 1: Najdi časovou závislost počtu jader radioaktivního nuklidu na čase. Při hledání využij konkrétní rozpad nuklidu s poločasem přeměny 2 s. po 0 s. N jader po 2 s. po 4 s. po 8 s. N N 2 N 1 2 1 2 1 N 2 4 1 2 N 1 2 2 (rozpadla se polovina atomů) Potřebujeme vztah, do kterého se dá dosadit jakýkoliv čas. V exponentu mocniny je vždy dvakrát menší číslo, než je dosazovaný čas:

Počet jader radioaktivního nuklidu v čase t vypočítáme podle t vzorce: 1 T N( t) N0 2 kde T je poločas přeměny daného radionuklidu a N 0 počet jader na začátku. Hmotnost je přímo úměrná počtu částic: 1 T m( t) m0 2 Př. 2: V urychlovači bylo vyrobeno 6 μg radioaktivního jódu 132 s poločasem přeměny 2 h. Kolik mikrogramů látky budeme mít k dispozici po 5 hodinách? Co to znamená pro její využití v lékařství? 1,06 μg. Musíme vyrábět nuklid blízko místa využití. t

V následujícím grafu je znázorněn exponenciální úbytek přeměňujících se radioaktivních jader.

Př. 3: Radionuklid uhlíku 14 6C ve starém kousku dřeva představuje 0,0416 hmotnosti tohoto radionuklidu v živé dřevině. Určete přibližné stáří dřeva, jestliže poločas přeměny radionuklidu je 5 570 roků. m = 0,0416 m 0, T = 5 570 roků; t =? 0,0416 m m( t) m0 0 0,0416 m 0 1 2 1 2 1 2 t T t 5570 t 5570 Stáří dřeva je přibližně 25 500 roků. log 0,0416 log 0,0416 log 1 2 t 5570 t log 5570 t 1,381 5570 t 25555 1 2 0,301

Př. 4: Množství radioaktivní látky se během jedné hodiny zmenšilo o 70%. Urči poločas přeměny. 0,58 h = 34,6 min Př. 5: Obsah uhlíku 14 ve dřevě odpovídá 86% jeho obsahu v atmosféře. Který vladař seděl při své korunovaci na trůně, který je z dřeva vyroben? Poločas rozpadu 5730 let. Strom, ze kterého je dřevo byl pokácen před 1250 lety (tedy v roce 762). Mohl na něm sedět Karel Veliký nebo jeho otec Pipin Krátký. S klesajícím počtem jader stejně klesá i počet přeměn nuklidu aktivita nuklidu A: t 1 T A( t) A0 2 (jednotka becquerel 1 Bq = 1 Hz)

Rozpadové řady Radionuklidy se nemusí nutně rozpadat rovnou na již stabilní jádro. Často se stává, že se daný radionuklid rozpadá na jiné jádro, které není stabilní (je také radioaktivní). Toto jádro se tedy opět rozpadá a vzniklé jádro opět může být radioaktivní. Jeden radionuklid se tedy může přeměňovat na stabilní nuklid postupně. V této souvislosti se mluví o existenci přeměnových řad (rozpadových řad). Na základě rozpadových řad lze určit vlastnosti nuklidů, které se na Zemi v minulosti vyskytovaly, přestože se do současnosti třeba již rozpadly.

Existují celkem čtyři rozpadové řady (tj. řada izotopů, na něž se postupně rozpadá izotop na prvním místě), které bývá zvykem nazývat podle izotopu s nejdelším poločasem rozpadu. 1. Thoriová řada: 232 Th,..., 90 208 82 Pb 2. Neptuniová řada: 237 Np,..., 93 209 83 Bi 3. Uranová řada: 238 U,..., 206 Pb 92 82 4. Aktiniová řada: 235 Th,..., 92 207 82 Pb

Izotopy, které stojí na koncích uvedených řad (tj. ve většině případů izotopy olova Pb ) jsou stabilní a dále se 82 nerozpadají. Poločas rozpadu jednotlivých izotopů v jednotlivých rozpadových řadách se pohybuje od několika minut až po několik miliónů let. Uranová radioaktivní rozpadová řada

Příklad: Jádro uranu 238 92 U je počátečním radionuklidem přeměnové řady, jejímž posledním nuklidem je stabilní jádro olova 206 82 Pb. Kolik přeměn α a β postupně proběhne? Řešení: Pro celkovou přeměnu uranu na olovo můžeme napsat rovnici: 238 92U 206 82 Pb + x. 4 2 He + y. 0 1 e Pro atomová a nukleonová čísla současně platí: 92 = 82 + 2.x y 238 = 206 + 4.x Řešením této soustavy rovnic je x = 8 a y = 6. Uran se mění v olovo postupně probíhajícími 8 přeměnami α a 6 pře-měnami β.

. Umělá radioaktivita V roce 1934 objevili manželé Frédéric (1900-1958) a Iréne (1897-1956, oba získali Nobelovu cenu za fyziku roku 1935) Joliot - Curieovi umělou radioaktivitu. Zjistili, že ostřelováním hliníku částicemi α vznikne nový v přírodě neexistující nuklid fosforu a neutron podle reakce: 4 27 13 30 15 He Al P 2 1 0 n Fosfor má poločas přeměny pouze 130 sekund a přeměnou β + přechází na stabilní izotop křemíku 30 14 Si.

Umělé radionuklidy se v současné době připravují průmyslově ostřelováním atomových jader nabitými částicemi z urychlovačů nebo neutrony z jaderných reaktorů. Využití radionuklidů v praxi je dáno tím, že radionuklidů bylo získáno již několik tisíc. Umělé radionuklidy vznikají rovněž jako štěpné produkty v energetických jaderných reaktorech nebo při pokusných jaderných explozích. Ostřelováním jader neutrony a těžkými ionty byly získány též radionuklidy s protonovým číslem větším než 92. K nejdůležitějším z nich patří silně toxické plutonium s poločasem rozpadu 24 000 let. Negativní změny může způsobit radioaktivního záření v organismu lidí.

3. JADERNÁ REAKCE Jaderná reakce je jaderná přeměna vyvolaná vzájemným působením (srážkou) s jinými jádry nebo částicemi. Jaderné reakce se zapisují podobně jako chemické reakce rovnice-mi, na jejichž levé straně jsou částice a jádra do reakce vstupující, na pravé straně pak částice a jádra z reakce vystupující. U jaderných reakcí je ovšem důležité psát nejen značky prvků, ale také počty protonů a nukleonů u objektů do rekce vstupujících i z reakce vystupujících. Každá jaderná reakce musí splňovat zákony zachování: 1. zákon zachování energie, 2. zákon zachování hybnosti, 3. zákon zachování elektrického náboje, 4. zákon zachování počtu nukleonů.

Z hlediska energetické bilance mohou být jaderné reakce: 1. endoenergetické reakce - energii je nutno reakci dodat z vnějšího okolí; 2. exoenergetické reakce - energie se při reakci uvolňuje. Z praktického hlediska je zájem pochopitelně zejména o exoenergetické reakce. Uvolněná energie při jaderné reakci má podobu jednak kinetické energie rozlétávajících se částic, jednak ji mohou unášet částice s nulovou klidovou hmotností pohybující se rychlostí světla (fotony).

První jaderná reakce vyvolaná uměle byla uskutečněna E. Rutherfordem v roce 1919 při ostřelování dusíku částicemi α: Povedlo se tak uskutečnit dávný sen alchymistů - záměrnou přeměnu jednoho prvku v druhý. Pomocí jaderných reakcí by bylo možné vyrábět i zlato ze rtuti, jak o tom snily celé generace panovníků a jejich alchymistů. Tato výroba by byla příliš nákladná a nevyplácela by se. Umělé jaderné reakce se z počátku prováděly pomocí částic α získávaných z přírodních radionuklidů. Tímto způsobem byl např. v roce 1932 učiněn objev neutronu:

Jaderné reakce uvolňující energii Reakce, které slouží k uvolňování jaderné energie, jsou: 1. jaderné fúze (anglicky fusion) - při nich dochází ke spojování lehkých jader v jádra těžší; 2. jaderné štěpení (anglicky fission) - dochází ke štěpení těžkých jader na jádra lehčí. Skutečnost, zda se daný prvek bude štěpit nebo slučovat, závisí na jeho separační energii (vazebné energii). Kromě uvolňované energie hraje klíčovou roli také pravděpodobnost reakce.

Jaderná fúze Nejjednodušší reakcí jaderné fúze je spojování dvou jader vodíku na jádro deuteria: 1 1 H 1 1 H 2 1 H e Tato reakce probíhá na Slunci a je výchozí reakcí cyklu, v němž vzniká helium a sluneční záření. K získávání energie na Zemi však není vhodná, protože probíhá velmi pomalu a s malou pravděpodobností v časovém měřítku miliard let. To je důvodem, proč Slunce září pomalu a dlouhodobě.

K získávání energie z jaderné fúze se předpokládá využití reakce mezi jádry deuteria (1) a tritia (2) za vzniku částice α (3) a neutronu (4): H H He 2 3 4 1 1 1 2 0n jejíž energie je 17,6 MeV, a později mezi dvěma jádry deuteria., Deuterium je jádro vodíku, které obsahuje jeden proton a jeden neutron, tritium je jádro vodíku obsahující jeden proton a dva neutrony.

Reakce deuteria a tritia probíhá nejsnadněji a uvolňuje se při ní značná energie. Problém však je v tom, že tritium se vyskytuje v přírodě jen v malém množství, je radioaktivní, dosti toxické a je nutné ho získávat z přírodního lithia (nacházejícím se v zemské kůře a mořské vodě) ozařováním neutrony. Tritium je též možné získávat z lithia pomocnou jadernou frakcí při zachycování neutronů v plášti termojaderného reaktoru. Deuterium je pak možné získávat separací z vody.

Aby mohlo dojít ke spojení jader, je třeba překonat odpudivé elektrostatické síly působící mezi jádry a přiblížit jádra k sobě až na jaderné vzdálenosti. Proto je nutné jádra nejprve urychlit, dodat jim značnou kinetickou energii, tzv. aktivační energii. Je zřejmé, že pokud má jaderná reakce sloužit k produkci energie, pak musí být aktivační energie menší než energie reakce.

Štěpná reakce Pokusy, které prováděl italský fyzik Enrico Fermi (1901-1954, 1938 Nobelova cena) v roce 1934, dále pak němečtí radiochemikové Otto Hahn (1879-1968) a Fritz Strassmann (1902-1980), nakonec vše objasnili Lise Meitnerová (1878-1968) a O. R. Frisch (1904-1979), prokázaly, že neutron zpomalený průchodem vrstvou vody nebo parafinu může rozštěpit těžké jádro uranu 235 92 U na dvě přibližně stejně těžká jádra, podle reakce: 1 n 235 U 144 Ba * 89 Kr * 3 1 n 0 92 56 36 0 hvězdička u symbolu prvku značí jádro v excitovaném stavu.,

Průběh reakce je možné sledovat na obrázku. Pomalý neutron (1) reaguje s jádrem uranu 235 92U (2), které neutron přijme a vznikne nestabilní nuklid 236 92U (3). Ten se při štěpné reakci (4) rozpadá na dva dceřiné produkty (štěpné trosky) (5), přičemž se uvolňuje elektromagnetické záření (6) a 2 až 3 rychlé neutrony (7). Pokud se podaří neutrony moderátorem zpomalit, mohou vyvolat další reakci. Pomalý neutron (8).

Vzniklá jádra jsou v excitovaném stavu a při reakci se uvolňuje energie přibližně 200 MeV. Při štěpení jader uranu 235 92 U vzniká zároveň i mnoho jiných dvojic přibližně stejně těžkých jader a na každé štěpení se uvolňují v průměru 2 až 3 neutrony. Důležité je, že neutrony uvolněné z reakce mohou po zpomalení štěpit další jádra, a tak může nastat řetězová jaderná reakce. Protože část neutronů se pohltí bez způsobení dalšího štěpení nebo prostě vyletí z materiálu ven, je třeba k uskutečnění řetězové reakce mít k dispozici určité množství štěpného materiálu nazývané kritické množství.

Kritické množství materiálu je takové množství materiálu, v němž je počet neutronů vzniklých ve dvou po sobě jdoucích reakcích stejný. Při dostatečné koncentraci štěpného materiálu a dosažení kritického množství může řetězová reakce probíhat i bez zpomalování neutronů. Zjistilo se, že existují pouze čtyři nuklidy, s nimiž je možné uskutečnit řetězovou jadernou reakci a které proto mohou sloužit jako štěpné materiály k získávání jaderné energie. Jsou to: 1. uran 235 92 U - vyskytuje se v přírodě a lze ho těžit 2. plutonium 239 94 Pu 3. uran 233 92 U 4. plutonium 241 94 Pu

Jaderné reakce probíhající v jaderném reaktoru i v jaderné bombě jsou principiálně stejné. Liší se pouze svým průběhem. V jaderném reaktoru jsou přebytečné neutrony pohlcovány tak, že reakce probíhá stále se stejnou intenzitou (je udržováno kritické množství paliva - obr. vlevo). V jaderné bombě intenzita reakce roste - reakce probíhá v nadkritickém množství materiálu (obr. vpravo).

Nezkreslená věda 8. díl: Jak funguje jaderná elektrárna https://www.youtube.com/watch?v=2fgieudezmk Jaderný reaktor Jaderný reaktor = zařízení, v němž se uskutečňuje řízená jaderná reakce štěpení jader uranu. Jako palivo se v tepelných reaktorech nejčastěji používá obohacený uran, který obsahuje vyšší procento nuklidu 235 U než uran přírodní. 92 Výroba tohoto paliva obohacováním uranu vyžaduje náročnou technologii a zabývá se jí jen několik průmyslově vyspělých států světa.

Jako moderátor, ke zpomalování neutronů, se používá nejčastěji voda, grafit nebo těžká voda, tj. látky obsahující lehká jádra. Lehká jádra totiž snadno pohlcují neutrony. Těžká jádra mají už takovou energii, že další neutrony prostě nejsou schopné pojmout.

Nejdůležitější části jaderného reaktoru REGULAČNÍ TYČE PALIVOVÉ ČLÁNKY MODERÁTOR CHLADIVO

PALIVOVÉ ČLÁNKY (TYČE) konstrukčně vhodně upravená tyč obsahující štěpný materiál uzavřený v obalu, který zadržuje produkty štěpení a zabraňuje reakci mezi štěpným materiálem a chladivem. Ty se vyrábějí tak, že se prášek z keramiky UO 2 slisuje a pak se zapeče, mají délku 4 m. MODERÁTOR látka, která snižuje rychlost neutronů vznikajících při štěpné reakci na hodnotu potřebnou k vyvolání štěpné reakce dalšího jádra - např. grafit nebo voda. REGULAČNÍ TYČE tyče umístěné v aktivní zóně reaktoru vyrobené z materiálu, který silně absorbuje elektrony, sloužící k řízení řetězové reakce v jaderném reaktoru - materiál: bor, kadmium.

CHLADIVO slouží k odvádění tepla z reaktoru, a jde-li o reaktor energetický i k tvorbě páry k pohonu turbíny. Nejčastěji je to voda, CO 2, těžká voda, Vysokoteplotní reaktory pro průmyslové účely bývají chlazeny heliem. Provoz jaderného reaktoru je založen na možnosti ovládat a regulovat řetězovou jadernou reakci. Jejím základním ukazatelem je tzv. multiplikační faktor, který vyjadřuje nárůst počtu neutronů po jednotlivých krocích řetězové reakce. Naštěstí při štěpení jader kromě neutronů uvolňovaných okamžitě vzniká i část neutronů se zpožděním několika sekund, což dává dostatek času k automatické regulaci průběhu reakce.

Rozdělení jaderných reaktorů - podle užívaného moderátoru: Lehkovodní typy - VVER/PWR... vodo-vodní energetický reaktor... Dukovany, Temelín,... VVER 440, VVER 1000, - BWR... boiling water reactor - varný reaktor Grafitem moderované typy - RBMK/LWGR... Černobyl Moderované těžkou vodou - CANDU v Kanadě Letecký snímek - Temelín

Jaderná elektrárna Jaderná elektrárna = je výrobna elektrické energie resp. technologické zařízení, sloužící k přeměně vazebné energie jader těžkých prvků na elektrickou energii. Základní části jaderné elektrárny: Primární okruh - JADERNÝ REAKTOR s OBĚHOVÝM ČERPADLEM Sekundární okruh - PAROGENERÁTOR (výroba páry) - vícestupňová PARNÍ TURBÍNA - KONDENZÁTOR a ČERPADLO Terciální okruh - CHLADÍCÍ VĚŽE - ČERPADLO

Základní části jaderné elektrárny:

Princip jaderné elektrárny: Ohřátá voda primárního okruhu proudí z jaderného reaktoru poháněna čerpadly do výměníku tepla (parogenerátoru), kde dochází k výměně tepla s vodou sekundárního okruhu. Voda sekundárního okruhu se ohřívá a mění se v páru. Pára, která již není radioaktivní, pohání klasickou parní turbínu. Turbína otáčí rotorem generátoru střídavého proudu, v němž elektromagnetickou indukcí vzniká střídavé napětí, které je dále rozváděno do rozvodné sítě. Protože je účinnost reaktoru omezena zákony termodynamiky, využije se k přeměně na elektrickou energii přibližně jen třetina jaderné energie.

Jaderný reaktor nahrazuje parní kotel klasické elektrárny a využívá parního cyklu. Pára, která pohání parní turbínu, je posléze chlazena ve výměníku tepla, který je napojen na chladící věže elektrárny.

5. VYUŽITÍ RADIONUKLIDŮ A OCHRANA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ Jaderná energetika není jediným způsobem využití výsledků jaderné fyziky. Další takovou rozsáhlou oblastí je využívání radionuklidů v nejrůznějších oblastech lidské činnosti. Jako jsou například: změna vlastností materiálů vlivem jaderného záření, lékařské a diagnostické užití, využití tepla z radioaktivní přeměny, určování historie, ochrana životního prostředí.

Změna vlastností materiálů vlivem jaderného záření Pod vlivem radioaktivního záření řada materiálů mění své vlastnosti - křehne, mění zabarvení, Např. jaderným ozářením byl docílen nahnědlý odstín silikátového skla na budově Nové scény Národního divadla v Praze. Radioaktivním zářením lze ovlivnit polymeraci látek, vulkanizaci kaučuku, odstraňování elektrostatického náboje, Pomocí jaderného záření se sterilizují lékařské nástroje, vata a další předměty v uzavřených kontejnerech, ošetřují se jím potraviny, aby se zabránilo jejich zkažení nebo klíčení,

Změna vlastností materiálů vlivem radioaktivního záření je dána tím, že při ozáření daného materiálu určitým typem záření materiál pohltí určité částice. A ty pak ovlivní jeho mechanické vlastnosti, optické vlastnosti, elektrické vlastnosti, chemické vlastnosti,

Lékařské a diagnostické užití V medicíně se používá radionuklidů k diagnostickým účelům: 1. sledování průtoku krve - radionuklid technecium v excitovaném stavu jako zdroj γ záření (s poločasem přeměny 6 hodin) a sodík (poločas přeměny 15 hodin); 2. zjišťování činnosti štítné žlázy - jód (poločas přeměny 2 hodiny) Postup je následující: Pacientovi se podá radionuklid a na základě měření intenzity záření vycházejícího z těla pacienta lze zjišťovat, do jakých oblastí těla se radionuklid dostal, s čím a jak reaguje. Na základě toho lze usuzovat na správnou nebo chybnou

Dále se radionuklidy používají k léčení zhoubných nádorů (kobalt, cesium, ) a revmatických chorob. Radionuklidy je možné použít i k výrobě léčiv a speciálních obvazových materiálů, z nichž se dlouhodobě uvolňují antibiotika.

Využití tepla z radioaktivní přeměny Tepla uvolňovaného při radioaktivní přeměně je možné využívat ke konstrukci termočlánků na výrobu elektřiny. Jaderné baterie jsou malé, mají výkon několika wattů a mohou pracovat neomezeně dlouho v meteorologických stanicích, systé-mech automatické registrace na odlehlých místech v kosmu.

Určování historie Radionuklidy jsou velmi účinným pomocníkem geologů, archeologů a historiků. Víme, že olovo obsažené v horninách, v nichž je přítomen uran, vzniklo jeho radioaktivní přeměnou jako konečný produkt rozpadové řady. Tato skutečnost umožňuje měřit stáří hornin, zemské kůry a naší Země. Datování stáří organických materiálů v rozsahu přibližně 50000 let je možné provádět uhlíkovou metodou. Atmosférický radionuklid uhlíku se totiž během života organismu asimiluje spolu s obyčejným uhlíkem v a vytváří

Po úmrtí organismu se přeměňuje na dusík s poločasem rozpadu 5730 let. Porovnáním obsahu radionuklidu uhlíku s jeho množstvím v živých organismech je možné určit stáří dřeva, kůry, papíru, ohnišť pravěkých lidí, Určí se počet rozpadů (aktivita) uhlíku v nalezeném vzorku, jehož stáří chceme určit, a aktivita uhlíku současného. Na základě rozpadového zákona a ze znalosti poločasu rozpadu lze určit čas, po který se uhlík rozpadá.

Ochrana životního prostředí Radionuklidy se uplatňují v kouřových detektorech a hlásičích požárů, při sledování toku a rozptylu škodlivých exhalací, přítomnosti toxických látek, Pomocí radionuklidů je možné sledovat koloběh látek v přírodě. Přidáme-li do vody radionuklid fosforu nebo draslíku, je možné sledovat cesty těchto prvků rostlinami a jinými živými organismy. Na čištění plynných i kapalných výpustí (např. z tepelných elektráren, ) je možno použít svazek urychlených elektronů, který může iniciovat nebo katalyzovat průběh chemických reakcí. Tyto elektrony mají energii řádově 1 MeV, což znamená, že elektron do úplného zbavení se energie stihne zareagovat řádově 10 5 krát.

Urychlené elektrony projdou přes tenkou fólii (nejlépe z titanu), aby neztratily příliš mnoho energie, a nechají se reagovat s plynem. Elektron reaguje s elektronovým obalem jednotlivých atomů. Při reakci může dojít k: 1. ionizaci k vytržení valenčního elektronu; 2. excitaci když energie elektronu není dostačující k ionizaci.

6. ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE Elementární (též fundamentální nebo základní) částice je ve fyzice označení užívané pro obecně nejzákladnější známé částice.

Dělení částic podle náboje kladné (proton q = +1,602.10-19 C) záporné (elektron q = -1,602.10-19 C) neutrální (neutron q = 0 C) Kvark down má q = - 1/3 e, kvark up má q = 2/3 e.

Spin (vnitřní vlastnost elementárních částic) Spin nás informuje o tom, jak vypadá částice z různých směrů. Částice s nulový spinem se nám jeví ze všech stran stejná Částice se spinem 1 se při otáčení jeví různě, a aby znova dosáhla počátečního vzhledu, musí se kolem osy otočit o 360 Částice se spinem 2 dosáhne původního vzhledu již po otočení o 180 Částice se spinem ½ se musí otočit dvakrát

Základní dělení částic (podle spinu) Fermiony Spin nabývá hodnoty ½. Jsou to částice, které tvoří látku vesmíru. Kvarky, elektrony Bosony Mají celočíselný spin 0, 1 a 2. Jsou to částice, které zprostředkovávají silové působení mezi fermiony. Např. foton (má spin1)

Fermiony Mají poločíselný spin. Patří k nim všechny leptony (elektrony a neutrina) a kvarky. K fermionům také patří částice složené ze tří kvarků (tzv. baryony neutron, proton,...). Splňují Pauliho vylučovací princip (PVP): Dvě částice nemohou být nikdy ve stejném kvantovém stavu. Právě proto různé elektrony v atomovém obalu zaujímají různé kvantové stavy a tím vytvářejí různorodé chování chemických prvků. Kvark neexistuje samostatně.

Bosony Mají celočíselný spin (mezony a všechny tzv. polní částice, tj. foton, W +, W, Z 0, gluony,...). Nesplňují Pauliho vylučovací princip. Při nízkých teplotách má každý boson ze systému tendenci zaujmout nejnižší energetický stav.

Kvarky Př. 1: Na obrázku je schéma částice, která se skládá z kvarků. Urči, zda se jedná o proton nebo neutron. Kvark down má q = - 1/3 e, kvark up má q = 2/3 e. Pak nakresli schéma druhé částice. Na obrázku je proton, neutron se skládá ze tří kvarků d, d, u. Kombinací 6 typů kvarků vznikají desítky dalších částic

Kvarky Na konci 50. a v průběhu 60. let se fyzikové pokoušeli vysvětlit podstatu silné interakce i chování tzv. těžkých částic pomocí různých modelů. Částice tvořené kvarky nazýváme hadrony. Tento název pochází z řeckého hadros, což znamená těžký, silný. Tyto částice podléhají působení silné (jaderné) interakce. Mezi nejznámější hadrony patří částice tvořící atomové jádro proton a neutron, které nazýváme souhrnně nukleony. Tyto snahy vyústily v kvarkový model navržený nezávisle Gell- Mannem a Zweigem v roce 1964. Dnes podle tohoto modelu předpokládáme, že hadrony jsou tvořeny z šestice kvarků a šestice antikvarků, které korespondují s šesticí leptonů a šesticí antileptonů.

V roce 1969 bylo na experimentech potvrzeno, že se protony skutečně skládají z elementárnějších komponent, kvarků down (dolů, d) a up (nahoru, u). Kvark strange (podivný, s) byl nalezen zanedlouho. Kvark charm (půvabný, c) byl objeven v roce 1974. V roce 1976 byly objeven kvark bottom (dolní, b). Dlouho očekávaná existence posledního kvarku top (horní, t) byla potvrzena až v roce 1994 v komplexu Fermilab. d u s c b down kvark dolů up kvark nahoru strange podivný kvark charm půvabný kvark bottom (beauty) spodní (krásný) kvark t top (truth) horní (pravdivý) kvark

Kvarky Gell-Mann nazval podle románu Jamese Joyce Smuteční hostina na počest Finnegana. Hrdina románu vidí ve snu racky, kteří při letu za lodí křičí: Tři kvarky pro pana Marka. Toto podivné slovo se v románu již nikde jinde nevyskytuje. Sám Gell-Mann zavedl první čtveřici kvarků, vymyslel pro ně nejen jména, ale přiřadil jim i jejich obrázky :

Základní vlastnosti kvarků jsou v následující tabulce kvark spin baryonové číslo náboj hmotnost rok objevu d 1/2 1/3 1/3 7 MeV 1969 u 1/2 1/3 + 2/3 5 MeV 1969 s 1/2 1/3 1/3 150 MeV 1969 c 1/2 1/3 + 2/3 1,4 GeV 1974 b 1/2 1/3 1/3 4,3 GeV 1976 t 1/2 1/3 + 2/3 176 GeV 1994

Příklady částic z kvarků Baryon Δ (++) obsahuje u, u, u, Baryon Δ (+) obsahuje u, u, d, Baryon Δ (0) obsahuje u, d, d, Baryon Δ ( ) obsahuje d, d, d, Mezon K (0) je složen z kvarku d (down) a antikvarku, Mezon K (+) je složen z kvarku u (up) a antikvarku, Mezon K ( ) je složen z kvarku s (strange) a antikvarku,

Částice podle chování při přeměnách Leptony Lehké. Slabě interagují (Např. elektron) Hadrony Velmi silně interagují. Jsou to částice, které jsou složeny z dalších menších částic - z kvarků. Mezony Středně těžké. Baryony Těžké. (Např. proton a neutron)

Leptony (elektrony a neutrina) Slovo leptos znamená v řečtině lehký, ale ne všechny leptony mají malou hmotnost. K leptonům patří elektron a jemu příbuzné částice. U leptonů nepozorujeme žádnou vnitřní strukturu. Spin všech těchto částic je 1/2 a jde tedy o fermiony. Všechny leptony interagují slabou interakcí a neinteragují silně. Elektricky nabité leptony (elektrony) interagují navíc elektromagneticky, což způsobuje intenzivní interakci s hmotou. Elektricky nenabité leptony (neutrina) interagují s hmotou velmi slabě. Přesto jich je v našem okolí značné množství.

Elektron e Jde o první objevenou elementární částici vůbec. Je stabilní. Hmotnost elektronu je m e = 9,1 10 31 kg a k této hmotnosti vztahujeme hmotnost ostatních částic. Elektron objevil Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitronu) teoreticky předpověděl Dirac v roce 1928. Pozitron byl objeven v roce 1932 Andersonem v kosmickém záření. Elektronové neutrino ν e Tam, kde při různých slabých rozpadech částic vznikne elektron, vzniká i jeho neutrino (přesněji antineutrino). Neutrino bylo objeveno při β rozpadu neutronu n p + + e + ν e Jeho existenci předpověděl Pauli v roce 1930. Název neutrino mu dal Fermi po objevu neutronu v roce 1932 (v italštině znamená neutrino malý neutron). Jeho existence byla potvrzena v roce 1956 v jaderné elektrárně Savannah River v Jižní Karolině.

Mion μ Jde o těžký elektron. Tato částice se chová velmi podobně jako elektron. Má hmotnost 207 m e. Doba života je přibližně 2 10 6 s. Potom se těžký elektron rozpadá na normální elektron a neutrina: μ e + ν e + ν μ Miony s relativistickými rychlostmi vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry. Mion byl objeven Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. Mionové neutrino ν μ Podobně jako elektronové neutrino doprovází při slabých rozpadech elektron, doprovází mionové neutrino mion. Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili Lederman, Schwartz a Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenské národní laboratoři (Long Island, USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988.

Tauon τ Jde o supertěžký elektron. Má hmotnost 3 484 m e. Byl objeven v roce 1977 Perlem. Je to nestabilní částici s dobou života 3 10 13 s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina. V přírodě se dnes běžně nevyskytuje, lze ho připravit uměle na urychlovačích. V raných fázích Vesmíru byl ovšem hojně zastoupen. Tauonové neutrino ν τ Doprovází tauon při slabých procesech. Bylo objeveno v laboratoři Fermilab v roce 1999 v experimentu DONUT (Do Nu Tau). Z rozsáhlého objevitelského týmu jmenujme alespoň P. Yagera a V. Paoloneho.

V následující tabulce jsou uvedena základní fakta o leptonech Částice Hmotnost Doba života Spin Rok objevu Objevitel e 0,51 MeV (1 m e ) stabilní 1/2 1897 J. J. Thomson μ 105,7 MeV (207 m e ) 2 10 6 s 1/2 1937 C. Anderson τ 1777 MeV (3484 m e ) 3 10 13 s 1/2 1977 M. Perl ν e < 2,2 ev oscilace 1/2 1956 F. Reines, L. Cowan ν μ < 170 kev oscilace 1/2 1962 L. M. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger ν τ < 15,5 MeV oscilace 1/2 1999 DONUT (P. Yager, V. Paolone, )

Základní fyzikální interakce Gravitace Elektromagnetická síla Slabá interakce Silná interakce

Gravitační interakce (Isaac Newton) na rozdíl od ostatních interakcí, působí bez výjimky na všechny částice, je vždy přitažlivá a má nekonečný dosah, tzn. její účinky se nedají vyrušit - je rozhodující silou mezi velmi vzdálenými objekty, ze všech interakcí je právě interakce gravitační tou nejslabší, působení mezi dvěma tělesy je vždy vzájemné, což vyplývá z 3. Newtonova zákona, tuto interakci zprostředkovávají hypotetické částice gravitony.

Elektromagnetická interakce (James Clark Maxwell) jedná se o nejlépe prostudovanou silovou interakci, její působení můžeme pozorovat jako projev odporových nebo třecích sil, je silou dalekého dosahu a se vzdáleností klesá, působí pouze na nabité částice, může být buď odpudivá, nebo přitažlivá, tuto interakci zprostředkovávají fotony.

Silná interakce (Hideki Yukawa) působí mezi kvarky, které tvoří hadrony, její náboj se označuje jako barevný náboj, má pouze malý dosah, asi 10-15 m a je nejsilnější ze základních interakcí, zprostředkujícími částicemi této interakce jsou gluony, poutá k sobě nukleony a je zodpovědná za velmi rychlý rozpad hadronů.

Slabá interakce (Enrico Fermi) slabých interakcí se účastní leptony a hadrony; projevují se v rozpadech neutronu či mionu, mají velmi malý dosah 10-17 m a jejich intermediálními částicemi jsou bosony W +, W -, Z 0, při nízkých energiích do 20 GeV jsou dosti slabé, proto jsou označovány jako slabé interakce, při vyšších energiích jsou přibližně stejně silné jako elektromagnetické interakce, je silou, která vyvolává radioaktivní rozpad jader, podílí se na β rozpadu neutronu, kdy za účasti bosonu W - dojde k vzniku protonu, elektronu a elektronového antineutrina.

7. URYCHLOVAČE ČÁSTIC urychlovač částic je technické zařízení, používané pro dodání kinetické energie nabitým částicím nabité částice (ionty nebo elektrony či pozitrony) jsou v urychlovači jednou nebo opakovaně urychleny urychlovače slouží k výzkumu elementárních částic, ale i v technické praxi existují dva základní typy urychlovačů: lineární a kruhový urychlovač částic způsobuje čelní srážky mezi dvěma svazky částic stejného druhu, buď protony, nebo různými typy iontů, především iontů olova při srážce se tyto částice rozptýlí a když mají dostatečnou energii, vznikají přitom další částice (produkty srážky)

částicové urychlovače se využívají ke zkoumání složení hmoty okolo nás atomů, elementárních částic, kvarků za typ urychlovače lze do jisté míry považovat i klasickou starou televizní obrazovku první urychlovače začaly být vyvíjeny na sklonku 20. let 20. století během následujícího desetiletí do roku 1940 byly objeveny základní principy a postaveny podle nich první urychlovače

Lineární urychlovač je tvořen dlouhou přímou urychlovací trubicí obsahující řadu válcových elektrod

částice je urychlovaná elektrostatickým polem mezi elektrodami ty jsou přepólovány v okamžiku, kdy je částice uvnitř elektrody a tudíž na ní elektrostatické pole nepůsobí přepólování elektrod je nutné - částice se mají urychlit, proto musí být částice neustále přitahována k opačně nabité elektrodě - kdyby se polarita elektrod neměnila, částice by byla na části své dráhy brzděna délka jednotlivých elektrod je volena tak, aby se při průletu částice vnitřkem elektrod stihla změnit jejich polarita s nárůstem velikosti rychlosti částice tedy roste i délka elektrod na konci urychlovače částice narazí na terč a jejich interakce registruje detektor částic

nejvýkonnější lineární urychlovač na světě je v Kalifornii ve středisku SLAC je přes tři kilometry dlouhý, částice se v něm urychlí, načež jsou jejich dráhy obráceny, aby se částice mohly čelně srazit

Kruhový urychlovač výhodou kruhových urychlovačů je, že v nich částice dlouho obíhají a mohou být urychlovány při každém oběhu v kruhových urychlovačích se pohybují shluky částic v opačných směrech a setkají se v jednom nebo více bodech na obvodu kruhu pokud se v bodě srážky čelně střetnou dvě částice, využijí veškerou svou energii když naopak svazek narazí do terče, velká část jeho energie se rozptýlí v terči a z hlediska fyzikálních experimentů zůstává nevyužita výhodou kruhových urychlovačů je, že i když jsou srážky mezi jednotlivými částicemi v opačně se pohybujících shlucích

Letecký pohled na CERN spolu s komplexem urychlovačů, z nichž největší, který se nachází v hloubce 50 až 150 metrů pod zemským povrchem, je kruhový o délce 27 km. Je největším zařízením, které lidé vytvořili (na obrázku je naznačen elipsou). Tečkovaná čára představuje hranici mezi Francií a Švýcarskem, která čtyřikrát protíná tunel

Literatura a použité zdroje: ŠTOLL, I. Fyzika pro gymnázia Fyzika mikrosvěta. Dotisk 3. vydání. Praha, Prometheus 2005. 192 s. ISBN 80-7196-241-4. BARTUŠKA, K. Sbírka řešených úloh z fyziky IV. Dotisk 1. vydání. Praha, Prometheus 2003. 200 s. ISBN 80-7196-037-3. LEPIL, O. Fyzika Sbírka úloh pro Střední školy. Dotisk 2. vydání. Praha, Prometheus 2001. 272 s. ISBN 80-7196-204-X. TARÁBEK, P. a ČERVINKOVÁ, P. a kolektiv Odmaturuj z fyziky. Dotisk 2. vydání. Didaktis 2006. 224 s. ISBN 80-7358-058-6. http://fyzika.jreichl.com/

Odkazy na obrázky - internet použité zdroje: snímek 1 vlastní zdroj snímek 26 pronikavost záření snímek 2 vlastní zdroj snímek 28 manželé Curie snímek 6 stavba látek snímek 32 poločas přeměn snímek 7 vazebná energie snímek 34 graf přeměn snímek 11 Becquerel snímek 38 Uranová řada snímek 13 zdroj záření snímek 40 Joliot - Curie snímek 15 alfa částice snímek 47 jaderná fúze snímek 16 video alfa snímek 51 štěpení jader snímek 19 video beta minus snímek 54 řetězová reakce snímek 20 video beta plus snímek 55 první reaktor snímek 23 video gama snímek 57 jaderný reaktor

snímek 60 Temelín snímek 62 schéma VVER440 snímek 74 vlastní zdroj snímek 75 stavba atomu snímek 80 Elementární částice snímek 88 Kvarky snímek 90 interakce snímek 97 lineární urychlovač snímek 99 SLAC snímek 101 CERN