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 hmotnost jádra m hmotnost neutronů N m hmotnost protonů Z m ( N, Z ) n p ( N, Z ) m n =1.675 10 27 kg hmotnostní schodek m p =1.673 10 27 kg R 1-8 10 15 m ρ 2 10 17 kg/m 3 proton Z B Ekvivalence hmotnosti a energie E mc 2 Vazbová energie jádra energie, která se uvolní, když se protony a neutrony přiblíží a vytvoří vázaný systém (jádro): N m c 2 Z m c 2 m c 2 ( N, Z ) n p ( N, Z ) 2 ( N, Z ) c N neutron
Vazbová energie jádra 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. B [MeV] A Carl Friedrich von Weizsäcker 1912-2007 B [MeV] A von Weiszäckerova formule B a V A a S A 2 3 a C Z A 2 1 3 a A ( N Z) A 2 A N Z
Vazbová energie jádra 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. B [MeV] A Carl Friedrich von Weizsäcker 1912-2007 Obyčejné hoření, např. C+O 2 CO 2, uvolní na 1 vzniklou molekulu asi 1-10 ev Při štěpení 1 jádra 235 U se uvolní celkem cca 210 MeV energie (z toho cca 180 MeV okamžitě a cca 30 MeV při následných rozpadech) 10 8 x víc energie 1 ev =1.6 10 19 J A N Z
Řetězová reakce V r. 1932 navrhli John Cockroft a Ernest Walton (vynálezci prvního urychlovače částic) uvolnění energie jádra pomocí reakce s urychlenými protony p 7 4 3Li 2He 4 2 He. Jejich návrh zkritizoval Ernest Rutherford (objevitel atomového jádra). Podle něj energie jádra nemůže být prakticky využita. V r. 1934 koná Enrico Fermi pokusy s bombardováním uranu neutrony (částice objevená v r.1932). V témže roce podává n Leo Szilard patent předjímající neutrony vyvolanou řetězovou reakci jader. Jeho návrh byl sice nereálný, 2n ale obsahoval zárodek správné n myšlenky Leo Szilard 1898-1964 2n n
Štěpení jader 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) neutron neutrony Pozn.: Možnost štěpení uranu navrhla na základě Fermiho experimentů již v r. 1934 Ida Noddack. Ida Noddack 1896-1978 Otto Hahn 1879-1968 Lise Meitner 1878-1968 Aparatura, na níž Hahn a Strassmann v Ústavu císaře Wilhelma v Berlíně objevili štěpení (Deutsches Museum, Mnichov) Rozdělení hmotnostních čísel štěpných produktů (pro různá štěpená jádra)
Štěpení jader 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) neutron Ida Noddack 1896-1978 Otto Hahn 1879-1968 Lise Meitner 1878-1968 řetězová reakce!
Štěpení jader Niels Bohr 1885-1962 John Archibald Wheeler 1911-2008
Rooseveltova odpověď 19. 10. 1939 Einsteinův dopis Rooseveltovi 2. 8. 1939 Začátek války 1938 prosinec 1939 leden březen srpen září O.Hahn + F.Strassmann a R.Frisch + L.Meitner objevují štěpení uranu neutrony, rozebíhá se horečné zkoumání (N.Bohr ) Německo obsazuje (štěpí) Československo a získává jeho zásoby uranu A.Einstein (na popud L.Szilárda) píše dopis prezidentu USA Rooseveltovi začátek 2. světové války
Začátek války 1938 prosinec 1939 leden březen srpen září prosinec 1940 únor květen červen O.Hahn + F.Strassmann a R.Frisch + L.Meitner objevují štěpení uranu neutrony, rozebíhá se horečné zkoumání (N.Bohr ) Německo obsazuje (štěpí) Československo a získává jeho zásoby uranu A.Einstein (na popud L.Szilárda) píše dopis prezidentu USA Rooseveltovi začátek 2. světové války Werner Heisenberg iniciuje vývoj německého jaderného reaktoru (Uranmaschine) Německo dobývá Belgii a získává zásoby uranu v belgickém Kongu Německo dobývá Norsko a ovládá výrobu těžké vody 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)
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 V Kodani s N. Bohrem 1933, 1934, 1937
Bomba versus reaktor Jaderná bomba Jaderná fáze exploze je extrémně rychlý proces ( 1 μs ) vyžadující vysoce účinný štěpný materiál ne 238 U, ale 235 U! Ten se v přírodním uranu nachází jen s příměsí 0,72 %. Uran pro bombu Priscilla nuclear test, 24.6. 1957 se proto musí obohacovat! Kritická hmota čistého 235 U (ve sférické geometrii bez odrážeče neutronů) je asi 50 kg (s odrážečem méně!). Němci (Heisenberg) toto množství silně nadhodnotili (a) podkritické množství (b) kritické množství (c) vliv neutronového odrážeče
štěpení Bomba versus reaktor regulační tyč moderátor moderátor moderátor moderátor palivová tyč palivová tyč U štěpení U pomalý rychlé neutron neutrony U zpomalování zpomalování U aktivní zóna moderního reaktoru Jaderný 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 pohlcovat kandidáti: deuterium (těžká voda, D 2 O) nebo čistý uhlík (grafit). Bonus: V reaktoru s přírodním uranem vzniká plutonium 239 Pu, které se dá použít v bombě podobně jako 235 U! krit.hmotnost 10 kg (ve sférické geometrii, bez odrážeče) Plutonium bylo objeveno na přelomu 1940-41 na cyklotronu v Berkeley Lab. Němci možnost výroby štěpitelného jádra v reaktoru začali zvažovat od 1941.
Těžká voda 1 jádro D připadá na 6400 jader H. D 2 0 se dá získávat mnohonásobnou elektrolýzou H 2 0. 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 D 2 O přes jezero Tinn. Továrna na těžkou vodu v Rjukanu, 1935 Dramatizace operace v roce 1948
Uranprojekt K.Diebner, A.Esau, W.Gerlach, O.Hahn, W.Bothe, K.Clusius, E.Schumann, P.Harteck, W.Heisenberg, C.v.Weiszäcker.. Berlin Leipzig duben říjen 1941 Různé návrhy experimentálního reaktoru pro výzkum produkce neutronů při štěpení únor 1942 únor 1942 červen 1942
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
Uranprojekt po 1942 Berlin říjen 1942 květen 1943 Nový design: neobohacený U (kovová forma) těžká voda Haigerloch Spojenci rozebírají reaktor 1945
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. Cesta do GB se mu málem stala osudnou Niels Bohr 1885-1962 rychlý bombardér de Havilland DH.98 Mosquito
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
Manhattan Project jaderné reaktory 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). Enrico Fermi 1901-54 Měření neutronového toku dokazující dosažení stavu samoudržitelné řetězové reakce v reaktoru Chicago Pile-1
Manhattan Project jaderné reaktory 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). 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). Enrico Fermi 1901-54 Reaktor X-10 Chicago Pile-1 B Reaktor
Manhattan Project obohacování uranu Bylo vyvinuto několik metod separace izotopu 235 U 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 235 U. Všechen tento materiál byl použit v uranové bombě Little Boy svržené na Hirošimu. Projekt Y-12 Projekt S-50 Projekt K-25 Projekt Y-12
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 Z práce Výplata Projev
Manhattan Project design bomby Little Boy Uran 235 Plutonium 239 nástřelný typ bomby implozní typ bomby m=4,4 t Ekvivalent 15 kt TNT m=4,7 t ekvivalent 21 kt TNT Fat Man 0,7 m 1,5 m 3,0 m 3,7 m 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. 16 ms po explozi 200 m 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.
Hirošima Little Boy Nagasaki Fat Man 6. 8. 1945 9. 8. 1945 70-80 tis. mrtvých na místě 70 tis. zraněných 35-40 tis. mrtvých na místě 60 tis. zraněných
Role Einsteina Otec zakladatel E = mc 2 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