Az atommag t¨ort´enete Polcz P´eter PPKE Inform´aci´os Technol´ogiai Kar 1083 Budapest, Pr´ater utca 50/a 2010. december 6.
Az atommag felfedez´ ese Az els˝o atommag szerkezet´enek els˝o kutat´oi, Ernest Rutherford, az u ´jz´elandi fizikus, Henri Becquerel ´es a Curie h´azasp´ar. Rutherford eleinte teljesen m´as t´emak¨orben mozog, a h´ırad´astechnika fel´e ´ elandban feltal´al egy elektrom´agneses sug´arz´asokat felvev˝o detektort. Ezt kacsintgat, ´es m´eg Uj-Z´ k¨ovet˝oen o¨szt¨ond´ıjat nyer a cambridge-i Cavendish-laborat´oriumba. Miut´an Wilhelm Conrad R¨ontgen feldezte az X-sugarakat, majd Becquerel a radioaktivit´ast, a Cavendish-laborat´orium kutat´oi is ezen ir´any fel´e kezdenek orient´al´odni. A tudom´any ezen u ´j, ismeretlen a´gazata mag´at Rutherfordot is l´azba hozza ´es v´egleg meghat´arozza k´es¨obbi kutat´omunk´aj´at. Rutherfordot teljesen ´amulatba ejtik az ur´an ´es a t´orium rejt´elyes sug´arz´asai. Paul Villardal, a γ sug´arz´as felfedez˝oj´evel p´arhuzamosan kis´erleteket v´egez annak ´erdek´eben, hogy megk¨ ul¨onb¨oztethesse a k´et sug´arz´ast egym´ast´ol. M´agneses t´erbe vezeti o˝ket ´es detektorok seg´ıts´eg´evel m´eri ezek elhajl´as´anak sz¨og´et. Arra a k¨ovetkeztet´esre jut, hogy egyes sugarak nagyobb ´athatol´ok´epess´eggel rendelkeznek, viszont k¨onny˝ u o˝ket elt´er´ıteni, a m´asik fajta sug´arz´asnak pedig, nagyon kicsi a´thatol´ok´epess´ege, ugyanakkor az el˝oz˝ohoz k´epest l´enyegesebben neh´ez elt´er´ıteni. Elnevezte o˝ket β ´es α sugaraknak. Ezt eg´esz´ıtette ki Villard a γ elektrom´agneses sug´arz´assal, mely tulajdons´agait illet˝oen szoros kapcsolatban a´ll a R¨ontgen ´altal felfedezett X-sugarakkal. Rutherford, k´ıs´erletei alapj´an, bevezeti az atommag fogalm´at, s ez jelenti az atommagfizika tulajdonk´eppeni kezdet´et. Rutherford meg´allap´ıt´as´aig az atom mazsol´as pudig”-modellje volt elfo” gadott, amelyet J.J. Thomson fogalmazott meg miut´an felfedezte a szabad elektronokat. E modell szerint elektronok u ´szk´alnak” egy pozit´ıv t¨olt´es˝ u, homog´en, kocsony´as massz´aban. Rutherford ” k´ıs´erleti eredm´enyei ennek t¨ok´eletesen ellent mondanak. Rutherford 5 MeV energi´aj´ u α r´eszecsk´ek aranyf¨ ustlemezen t¨ort´en˝o sz´or´od´as´at tanulm´anyozza. Sug´arforr´ask´ent pol´oniumot haszn´al, melyet a Curie h´azasp´ar fedez fel. A v´art eredm´eny az, hogy az α r´eszecsk´ek javar´esze kisebb-nagyobb sz¨og allatt elt´er´ıt˝odik, a k´ıs´erleti eredm´enyek viszont azt mutatt´ak, hogy a r´eszecsk´ek z¨ome, pontosabban: 99,9% -a megtartotta egyenes vonal´ u, egyenletes mozg´as´at, ´es csak 0.1% -a t´er¨ ult el, ezek viszont a v´artn´al sokkal nagyobb sz¨og alatt. A k´ıs´erlet teh´at igazolta az atom egy k¨ozponti, atomi viszonylatban nagy t¨omeg˝ u, de par´anyi, s˝ ur˝ u r´esz jelenl´et´et, az atommagot. Az atommag sugar´at is k¨ozel´ıtette. α sugarakkal bomb´azta, ´es azt n´ezte, hogy melyik az a hat´arsebess´eg, amelyikn´el m´eg vannak az atommagokr´ol π radi´anban visszavert r´eszecsk´ek. Ha van ilyen, akkor az energiamegmarad´as t¨orv´eny´et felhaszn´alva, a r´eszecske kinetikus energi´aja egyenl˝o az el´ert legkisebb t´avols´ag eset´en fell´ep˝o elektrosztatikus energi´aval. Ebb˝ol kisz´amolhat´o az atommag ´es α r´eszecske k¨oz¨otti t´avols´ag: qα qmag mv 2 = 2 4πεr
=⇒
mv 2 2Ze2 = 2 4πεr
=⇒
r=
e2 Z 1 · πεm v 2
Ahol, e = 1.602 · 10−19 C egy elektron t¨olt´ese ´es ε az elektromos permeabilit´as. Teh´at kifejezt¨ uk a t´avols´agot a r´eszecske sebess´eg´enek f¨ uggv´eny´eben. Amennyiben ide behelyettes´ıtj¨ uk az erre a 1
jelens´egre ´erv´enyes maxim´alis sebess´eget, akkor megkapjuk az atommag sugar´anak fels˝o becsl´es´et. (Nem vett¨ uk figyelembe a nukleonok k¨ozti er˝os k¨olcs¨onhat´asokat, mert ezek hat´ot´avols´aga rendk´ıv¨ ul kicsi)
Radioaktivit´ as A m´ar eml´ıtett ur´an k¨ ul¨onleges sug´arz´asa Marie Sklodowska-Curie-t ´es Pierre Curie-t is megihleti. Felt´arj´ak az ur´ans´ok sug´arz´as´anak mibenl´et´et, ´es kimondj´ak, hogy m´ıg a fluoreszcencia k¨ uls˝o energiaforr´asokb´ol t´apl´alkozik, addig az ur´ans´ok valami bels˝o energia hat´as´ara sug´aroznak. Becquerel-el megosztva, Nobel-d´ıjat kapnak a radioaktivit´as felfedez´es´e´ert. A Curie-h´azasp´ar 3 radioakt´ıv elemet is felfedezett. Felfedez´es menete rendk´ıv¨ ul hossz´ u de ann´al ink´abb p´elda´ert´ek˝ u folyamat volt. Marie Curie ´eszrevette, hogy az ur´an´erc 4-szer olyan er˝osen sug´aroz, mint amennyire egy ur´an tartalm´ u vegy¨ uletnek sug´aroznia k´ene. Ez csak azt jelentheti, hogy az ur´an´erc m´as radioakt´ıv anyagokat is tartalmaz, r´aad´asul ezen anyag sug´arz´asa ak´ar t¨obb sz´azszorta is nagyobb lehet. Megfigyel´esei Pierre Curie figyelm´et is lek¨otik ´es ett˝ol fogva feles´ege mellett folytatja kutat´omunk´aj´at. Marie Curie elhat´arozta, hogy szurok´ercb˝ol (ur´an´ercb˝ol, melyb˝ol az ur´ant m´ar elv´alasztott´ak) ki fogja vonni az u ´j, ismerettlen sug´arz´o anyagot. Kis´erletek sor´an ´eszrevett egy bizmut tulajdons´agokat mutat´o radioakt´ıv elemet, amit pol´oniumnak nevez el, viszont ennek sug´arz´asa h´onapok eltelt´evel ´eszrevehet˝oen cs¨okkent, ez´ert r´adium kinyer´es´ere t¨orekszenek. Neh´any gramm r´adium kinyer´ese v´egett, viszont t¨obb tonna szurok´ercre is sz¨ uks´eg¨ uk volt. Mind a mai napig p´elda´ert´ek˝ u az a rend´ıthetetlen elsz´ants´ag ´es kitart´o munka, ami ˝oket jellemezte. Az ´evekig tart´o gy¨otr˝od´es meghozta gy¨ um¨olcs´et, siker¨ ult 100 gramm r´adiumot kinyerni, melyet m´ar behat´obban is lehet vizsg´alni. Az akt´ınium felfedez´ese is az o˝ nev¨ ukh¨oz k¨othet˝o, de itt m´ar segits´eg¨ ukre van Andr´e Debierne vegy´esz is, aki a h´azasp´ar kis´erletei sor´an fedezi fel az eml´ıtett u ´j elemet. ´ ˝ ´es t´arsai rendkiv¨ Ujra Rutherfordot kell eml´ıtenem. O, uli r´eszletess´eggel boncolgatj´ak a atommag tudom´any´anak cs´ır´ait. Owens tan´ıtv´anya, t´oriummal v´egzett k´ıs´erletei sor´an felfedezi a g´azhalmaza´llapot´ u, radioakt´ıv t´orium-eman´aci´ot. Rutherford, ezen anyag felfedez´es´eig m´eg nem tal´alkozott olyan elemmel, melyen ´eszrevehet˝o lett volna a sug´arz´as er˝oss´eg´enek id˝obeni cs¨okken´ese. T´oriumeman´aci´oval v´egzett k´ıs´erletek ´es elm´eleti sz´amol´asok sor´an, felfedi a radioaktivit´as id˝obeni v´altoz´as´anak t¨orv´eny´et. A boml´ast¨orv´eny megalkot´asakor a magok egys´egnyi id˝ore es˝o λ boml´asi val´osz´ın˝ us´eg´eb˝ol indult ki. Egys´egnyi id˝o alatt elbomlott atommagok ( mint kedvez˝o esetek”) ´es ” az id˝oegys´eg kezdet´en a m´eg el nem boml´o atomok ( lehets´eges esetek”) sz´amainak ar´anya megadja ” az egys´egnyi id˝ore es˝o boml´asi val´osz´ın¨ us´eg ´ert´ek´et1 , teh´at: ∆N 1 N (t) − N (t + ∆t) dN · =− λ= =⇒ ∆t N N · ∆t =⇒ −λdt = N ∆t → 0 N (t) Z Zt dN = −λ dt =⇒ N a boml´ast¨orv´eny f¨ uggv´enye: t0 N (t0 ) =⇒ N (t) = N0 e−λt t0 ← 0 N (t ) ← N 0
0
Rutherford, Frederick Soddy k´emikus munkat´ars´aval u ´j ismeretekre tesznek szert, kider´ıtik, hogy a t´orium-eman´aci´o nem k¨ozvetlen¨ ul a t´oriumb´ol, hanem egy k¨ozb¨ uls˝o ´allapotb´ol j¨on l´etre. Ezt elnevezik t´orium-X-nek, mivel azt m´eg nem tudt´ak, hogy egy elem radioakt´ıv boml´as sor´an egy m´asik elemm´e alakulhat, ezt csak nem sokra r´a siker¨ ul bebizony´ıtani, ´es ez´altal megalkotni a h´ıres boml´aselm´eletet, 1 B´erces Gy¨ orgy, Erosty´ ak J´ anos, Klebniczki J´ozsef, Litz J´ozsef, Pint´er Ferenc, Raics P´eter, Skrapits Lajos, S¨ uk¨ osd Csaba, Tasn´ adi P´eter, A fizika alapjai ”, 657. oldal oldal, Bp., Nemzeti Tank¨onykiad´o, 2002 ”
2
ami nagy visszhangot kelt a tudom´anyos vil´agban, egyr´eszt a k´emiai alapt´etelek igazs´agt¨oltet´et vonja teljesen k´ets´egbe, m´asr´eszt meg, tudom´anyos kutat´asok kezd˝odnek a boml´assorok kieg´esz´ıt´ese v´egett. ´Igy a t´orium fogh´ıjas boml´asi sor´at Otto Hahn, Rutherford fiatal seg´edje eg´esz´ıtette ki, majd a mester maga a r´adium boml´asi sor´anak fedezte fel els˝o n´eh´any elem´et. A boml´asi sorok h´ezagainak bet¨olt´es´eben Bertram Borden Boltwood, Otto Hahn ´es Lise Meitner is szerepet v´allalnak. Kis id˝o m´ ulva m´ar h´arom radioaktivit´asi sor ´all kez¨ ukben. Mivel a k¨ozbens˝o elemeket akkor m´eg nem tudt´ak beazonos´ıtani, ez´ert ezeket elnevezt´ek az illet˝o sor kezd˝oelem´enek seg´ıts´eg´evel. Az ur´an-r´adium sor´at ´ıgy tudjuk le´ırni (a z´ar´ojelekbe az elem, napjainkban haszn´alatos nev´et ´ırtam): β − 234 β− α 238 → ur´an-X (234 eg nem ismert) −→ 92 U − 90 Th) −→ 91 Pa (akkor m´ α α α 234 eg nem ismert) − → ionium (230 → 226 → 92 U (akkor m´ 90 Th) − 88 Ra − α
β−
α
Ra-eman´aci´o (222 → Ra-A (218 → Ra-B (214 86 Rn) − 84 Po) − 82 Pb) −→ β−
β−
α
β−
214 210 Ra-C (214 → Ra-D (210 83 Bi) −→ Ra-C’ (84 Po) − 82 Pb) −→ Ra-E (83 Bi) −→ α
→ Ra-G (206 Ra-F (210 82 Pb) = stabil 84 Po) − De mi is ez az α ´es β − sug´arz´as? Ramsay-nak ´es Soddy-nak 1903-ban siker¨ ult felfednie az α sug´arz´as mibenl´et´et. Azt vett´ek ´eszre, hogy a r´adiumb´ol folytonosan h´elium keletkezik, innen j¨ott ama elm´eleti meg´allap´ıt´as, hogy akkor az α r´eszecsk´ek nem m´as mint h´elium ionok. Ma m´ar azt is tudjuk, hogy az α sug´arz´as´ert az er˝os k¨olcs¨onhat´as a felel˝os, amit m´ar Rutherford is megsejtett. A β − boml´assal Otto Hahn ´es Lise Meitner foglalkozott behat´obban. 1911-ben azt vett´ek ´eszre, hogy a β − sug´arz´as folytonos szerkezet˝ u, ami ellentmond a kvantum elm´eletnek, tov´abb´a a Rutherford a´ltal megj´osolt spin-momentum sz´amok sem egyeznek, ez´ert felt´etelezt´ek, egy addig nem ismert, semleges, 1/2 spin-momentum´ u, t¨omeg n´elk¨ uli (az eddig ismert r´eszecsk´ek t¨omeg´ehez viszony´ıtva, elhanyagolhat´oan kicsi t¨omeg˝ u) r´eszecsk´enek a l´etez´es´et. Elnevezt´ek ezt neutr´ın´onak(νe ). K´es¨obb a pozitron megfigyel´ese ut´an, mely Carl David Anderson nev´ehez k¨ottetend˝o, u ´gy tal´alt´ak, hogy + ez ink´abb antineutr´ın´o(ν¯e ), ´es a β boml´asn´al szabadul el az el˝obbiekben eml´ıtett neutr´ın´o. Az u ´j r´eszecske bevezet´es´evel, megfogalmaz´odott a gyenge k¨olcs¨onhat´as fogalma is, mely a tud´osok szerint a β − ´es a β + boml´asok´ert felelnek, mindezek mellett azt is felt´etelezik, hogy ezen felt´etelezett r´eszecsk´ek k¨ozvet´ıtik ezt a bizonyos gyenge k¨olcs¨onhat´ast. Majd arra is f´enyder¨ ult, hogy a neutron t¨omege, valamivel nagyobb, mint egy proton ´es egy elektron t¨omeg´enek ¨osszege, ami azon feltev´est bizony´ıtja, hogy egy neutron spont´an elbomolhat egy protonn´a ´es egy elektronn´a, illetve a gyenge k¨olcs¨onhat´as k¨ozvet´ıt˝oje, az antineutr´ın´o is felszabadul. Teh´at a β − boml´as a´ltal´anos alakja: ( β− A A − Z X −→ Z+1 Y + e + ν¯e n −→ p + e− + ν¯e A β − boml´as k¨ovetkezt´eben az atommag nukleonjainak sz´ama nem m´odosul, ´es akkor l´ep fel, ha stabil a´llapothoz k´epest, a mag t¨obb neutronnal rendelkezik. Ez esetben, a f¨ol¨osleges neutron elbomlik. Az atommag, sug´arz´asa folyt´an, stabil elemm´e t¨orekszik alakulni, pont u ´gy, mint az atomok elektron − felv´etel/lead´as folyt´an. A β boml´as k¨ovetkezt´eben az atommag nukleonjainak sz´ama nem m´odosul. Csak akkor l´ep fel, ha az attommag a neutronok magas sz´ama miatt gerjesztett ´allapotban van. A boml´asi sorb´ol l´athat´o, hogy a β − boml´asok p´arban k¨ovetik egym´ast. Ez annak k¨osz¨onhet˝o, hogy (a tudom´any mai a´ll´asa szerint) az atommag akkor vesz fel t¨ok´eletesen g¨omb alakot, azaz akkor a legstabilabb, ha a magban l´ev˝o protonok ´es neutronok sz´ama p´aros. Ennek f´eny´eben bel´athat´o, hogy egy a β − boml´as ut´an a protonok sz´ama eggyel n˝o, a neutronok´e, eggyel cs¨okken ´es felborul az egyens´ ulyi ´allapot, ´ıgy egy ism´etelt elektron kibocs´at´as sor´an a protonok ´es neutronok sz´ama u ´jra p´aros lesz. De mi a helyzet, ha a protonokb´ol van t¨obb mint kellene. Ekkor egy proton alakul ´at egy neutronn´a, egy pozitronn´a ´es egy nutr´ın´ov´a. A v´egterm´ek t¨omege viszont nagyobb, mint a proton t¨omege, ez´ert ez Einstein f´ele t¨omeg- ´es energiamegmarad´as t¨orv´eny´eb˝ol k¨ovetkez˝oen nagy energiaelvon´assal j´ar. Na, de t´erj¨ unk vissza ism´et h˝osi korszakra, ahonnan indult az atommag tudom´anya. 3
Az els˝ o magreakci´ o Rutherford nem pihen. K´ıs´erleteit p´aratlan lelem´enyess´eggel, ´es v´egtelen tudatoss´aggal szervezi. Mer´esz gondolatainak javar´esze, a technika fejl˝od´es´evel igazol´odtak. A legb´atrabb kijelent´esei m¨og¨ott is komplex logika ´allt. K´ıs´erleti eredm´enyeit rendk´ıv¨ uli pontoss´aggal dolgozta fel, melyek szekvenci´alisan meghat´arozt´ak a k¨ovetkez˝o k´ıs´erlet indok´at ´es hogyanj´at. Rugalmas ´es nagy figyelmet szentel a k¨ ulvil´ag tud´osainak eredm´enyeire ´es v´elem´enyeire. Egy alkalommal nitrog´ent p´aszt´azott v´egig α sugarakkal mint l¨oved´ekr´eszecsk´ekkel. A k´ıs´erlet eredm´enyei azt engedt´ek felt´etelezni, hogy az α r´eszecsk´ek a Nitrog´en atommagokb´ol ki¨ utnek egy-egy protont. K´es˝obb az is kider¨ ul, hogy egy α r´eszecske, nem csup´an kil¨oki a protont, hanem ennek hely´ere is l´ep. Ett˝ol a perct˝ol kezdve l´epett ´eletbe a mesters´eges mag´atalak´ıt´as” fogalma. Az elhangzott magreakci´o k´eplete: ” 14 7 N
1 + 42 α → − 17 8 O + 1p
A semleges elem jelent˝ os´ ege Az 1920-30-as ´evekben a magfizika fejl˝od´ese kisebb param´eterekkel b¨ uszk´elkedhetett, ugyanazokat a k´ıs´erleteket v´egzik folyton egym´as ut´an, ugyanazokkal az eredm´enyekkel, kis t´ ulz´assal mondhatni, stagn´al. Viszont a neutron felfedez´ese egy hirtelen l¨oketet ad a tudom´anyos fejl˝od´esnek. B´ar Rutherford m´ar 1920 o´ta sejtette a neutron l´et´et. Meg´erz´es´et tudom´anyos alapokra fektette. Abban az id˝oben azt m´ar tudt´ak, hogy az atommag pozit´ıv t¨olt´es˝ u protonokb´ol ´all, ami egy rendk´ıv¨ ul szoros, egys´eget alkot, viszont ez, figyelembe v´eve az elektrosztatikus er˝ok l´et´et, fizikai k´eptelens´eg, ez´ert Rutherford roppant lelem´enyess´egel azt felt´etelezte, hogy l´etezik egy eddig m´eg nem ismert r´eszecske, melynek t¨omege megk¨ozel´ıti a proton t¨omeg´et, ´es ezek k¨oz¨ott hat egy bizonyos er˝o, ami az atommag r´eszecsk´eit, a nukleonokat ´ıly szoros egys´egben tartja. Sejt´es´et az is indokolhatta, hogy az akkor m´ar felfedezett t¨omegspektroszk´op seg´ıts´egevel, meg lehetett m´erni egyes ionok t¨omeg´et, viszont az elv´art eredm´ennyel ellent´etben 1-n´el nagyobb rendsz´am´ u elemek atommagjai eset´en nem kapt´ak vissza a hidrog´enmag (proton) atommt¨omeg´enek, az illet˝o elem rendsz´am´aval szorzott t¨obbsz¨or¨os´et. James Chadwick, Rutherford munkat´arsa 1932-ben igazolta Rutherford sejt´es´et, amit kes˝obb, 1935-ben N´obel-d´ıjjal jutalmaztak. Mint minden felfedez´esnek, u ´gy ennek is voltak el˝ozm´enyei. Fontosnak tartom megeml´ıteni Walther Bothe ´es H. Becker k¨ ul¨onleges ´eszrev´etel´et. 1930-ban, azt tal´alt´ak, hogy ha nagy energi´aj´ u α r´eszecsk´evel l´ıtiumot, ber´ılliumot, vagy b´ort p´aszt´aznak, akkor ebb˝ol irdatlan nagy a´thatol´ok´epess´eg˝ u r´eszecsk´ek sz´aguldanak tova. Ezt, eleinte nagyon kem´eny γ sug´arz´asnak tulajdon´ıtott´ak. Mindezek ut´an Joliot-Curie h´azasp´ar is vizsg´al´odni kezdtek e t´eren ´es azt tapasztalt´ak, hogy ha a kapott, az akkor m´eg k´erd˝ojeles identit´as´ u r´eszecsk´et paraffinra bocs´ajtj´ak, akkor ebb˝ol protonokat u ¨tnek ki. Ezt elektrom´agneses sug´arz´asokkal csak nagyon mer´esz felt´etelez´esek mellett lehet magyar´azni. Ezen eredm´enyek ut´an Chadwick r´aharapott a lehet˝os´egre, majd k´ıs´erletek u ´tj´an igazolta, hogy ezen ismeretlen r´eszecske nem m´as mint, amit munkat´arsa t¨obb mint egy ´evtizede megsejtett, a neutron. Neutronok nyer´es´ere, a k¨ovetkez˝o mesters´eges mag´atalak´ıt´ast v´egezte: ber´ılliumot α r´eszecsk´ekkel bomb´azott, melynek k¨ovetkezt´eben neutronok estek ki a magb´ol: 4 2α
+94 Be →1 26 C +10 n + 5, 67 MeV
A felfefez´es az´ert is forradalmi jelleg˝ u, mert ezek ut´an a neutront is lehet haszn´alni, mint l¨oved´ekr´eszecsk´et, ´es az α r´eszecsk´evel szemben m´eg azzal az el˝onnyel is dicsekedhet, hogy semleges t¨olt´es´eb˝ol ad´od´oan, nem kell a hatalmas elektrosztatikus er˝ot legy˝oznie, ´ıgy ez k¨onny˝ uszerrel hozz´af´erhet az atommaghoz. E felfedez´essel ´elve, Otto Hahn elkezd ur´ant neutronokkal p´aszt´azni. Egy ilyen alkalommal azt veszi ´eszre, hogy a term´ekek atommagjai a v´artn´al j´oval kisebbek, ami csak arra enged k¨ovetkeztetni, hogy az ur´an atommag k´et kisebb r´eszre bomlott. Otto Hahn teh´at, felfedezte az ur´an maghasad´as´at. Az u ´j lehet˝os´egek Enrico Fermit is felbuzd´ıtj´ak. B´ar m´eg nagyon u ´j sz´am´ara ez ter¨ ulet, igen hamar elmer¨ ul benne ´es r´aj¨on, hogy az atommag lass´ u neutronokat nagyobb es´ellyel 4
fogad be. Ezen o¨tlet alapj´an, az atommagreakci´ok sor´an a magokb´ol kil´ep˝o nagy energi´aj´ u neutronokat hidrog´eng´azba vezeti, ahol protonokkal tort´en˝o k¨olcs¨onhat´asok k¨ovetkezt´eben energi´aj´anak jelent˝os r´esz´et elvesz´ıti, mivel a protonok t¨omege megk¨ozel´ıt˝oleg azonos a neutron´eval, ami az´ert fontos, mert az enegergia- illetve impulzusmegmarad´as t¨orv´enyeib˝ol ad´od´oan, egy test akkor ad ´at maxim´alis energi´at, ha a vele u ¨tk¨oz˝o test t¨omege megegyezik saj´at t¨omeg´evel. Ezen m´odszerrel Ferminek k¨ ul¨onb¨oz˝o mesters´eges radioakt´ıv sugarakat siker¨ ult l´etrehozni. K´es˝obb viszont, a fasizmus megjelen´es´evel Amerik´aba k´enyszer¨ ult menek¨ ulni. Itt, Szil´ard Le´o ´es Albert Einstein h´ıres levele ut´an, Roosevelt eln¨ok elkezdte finansz´ırozni a ur´ankutat´ast att´ol tartva, hogy a n´emet tud´osok atombomba meg´ep´ıt´es´en spekul´alnak. Az a´llam egyre t¨obb p´enzt fektet az atombomba kutat´as´aba. A fizikusoknak teh´at, minden lehet˝os´eg adva van a siker el´er´es´ehez. Ferminek ´ıgy siker¨ ul megalkotni az els˝o nukle´aris m´agly´at. Az atomm´agja fel´ep´ıt´es´enek l´enyege az, hogy egy neutron sug´arforr´ast ur´an rudakkal fognak k¨orbe, melyek atommagjai a sug´arz´asnak k¨osz¨onhet˝oen folytonos maghasad´ast szenvednek, ´ıgy ´alland´o energi´at bocs´atanak (radioakt´ıv sug´arz´as ´es nagy mennyis´eg˝ u h˝o form´aj´aban), amit alternat´ıv m´odszerekkel a´talak´ıtanak termikus, majd elektromos energi´av´a. (Az egyik ilyen m´odszer az, hogy a termelt h˝ot a´tadj´ak higanynak, mely vizet forral, az elp´arolgott g˝oz pedig turbin´at forgat, de vil´agh´abor´ u idej´en csak az atombomba megalkot´asa volt a c´el) Az atomm´aglya feltal´al´as´aban seg´ıts´eg´ere volt Wigner Jen˝o, a Magyarorsz´agr´ol emigr´alt tud´os. A kutat´asok k¨ovetkez˝o, eredm´enyesebb szakasza az u ´jonnan fel´all´ıtott Los Alamos kutat´ok¨ozpontban kezd˝odik, a pusztas´ag kell˝os k¨ozep´en, melynek megszervez´es´et J. Robert Oppenheimerre b´ızt´ak. Ezzel p´arhuzamosan N´emetorsz´agban is folynak a kutat´asok, s ahogy Braunbek fogalmaz, megkezd˝odik a versenyfut´as a puszt´ıt´asban”. Hamarosan kider¨ ul, hogy a n´emetek sz´am´ara ez csup´an ” ´ rem´enytelen hajsza, mert, b´ar itt is megvannak a felk´esz¨ ult, eredm´enyes kutat´ok, az Egyes¨ ult Allamok a k¨or¨ ulm´enyeket ´es a technikai felszerelts´eget illet˝oen messzemen˝okig fel¨ ulm´ ulja a n´emeteket. Los Alamos kutat´ocsoportj´anak reprezent´ans szem´elyis´egei: Enrico Fermi, Niels Bohr, az amerikai Bacher Allison, James Chadwick, a h´arom n´emet emigr´ans, Bethe, Kennedy ´es Smith, s a magyar Teller Ede. N´emetorsz´agban pedig, Otto Hahn, Heisenberg ´es t´arsai pr´ob´alkoznak rem´enyvesztve. 1944 k¨or¨ ul m´ar sziv´arognak a h´ırek, hogy Amerika k¨ ul¨onleges fegyverrel rendelkezik, bevet´esre k´eszen. Ek¨ozben Hans Bethe 1938-ban munkat´arsaival felfedezte a magf´ uzi´o jelens´eg´et, melynek sor´an a Nap ´ıly hatalmas energia mennyis´eget k´epes sug´arozni. Ez a felfedez´es, be¨ ultet egy bogarat Teller Ede fej´eben, ´es mindv´egig az´ert harcolt, hogy megkezdjenek egy kutat´asi projektet a hidrog´en bomba megalkot´asa v´egett, mely a deut´eriumok ´es tr´ıciumok magf´ uzi´oj´an alapul. Teller Ede szerint, ez egy a´tlagos atombomba energi´aj´at j´oval fel¨ ulm´ uln´a. Terv´et sokan el´ıt´elik, egyr´eszt az´ert, mert megval´os´ıthatatlannak gondolj´ak, m´asr´eszt, gyilkos ¨otlet´et h´abor´ us usz´ıt´asnak m´ın˝os´ıtik. A h´abor´ u v´eg´en a n´emet tud´osok, kutat´ok z¨ome 1945 ´es 1947 k¨oz¨ott ´elet´et vesz´ıtette (gondolok most Hans Geiger-re ´es Wolfgang Gaede-re, a nagyteljes´ıtm´eny˝ u v´akuumszivatty´ u felfedez˝oj´ere), vagy bety´aros ´eletk¨or¨ ulm´enyek k¨oz¨ott k´arhoztatott ´elni. Otto Hahn-t ´es t´arsait pedig, Angli´aban ˝orizetbe vett´ek. Hahn itt tudja meg, hogy a stockholmi Nobel-bizotts´ag neki ´ıtelte oda a 1944-es k´emiai Nobel-d´ıjat, az atommag hasad´as´anak felfedez´es´e´ert. Majd megkezd˝ot¨ott az atomenergia b´ek´es felhaszn´al´as´anak a kutat´asa is: egy olyan atomreaktort ´ep´ıtettek, amiben csak 235-¨os ur´an izot´opok dolgoznak, moder´ator n´elk¨ ul, azaz neutront lass´ıt´o anyag n´elk¨ ul, gyors neutronokkal, a k´admiumrudak seg´ıts´eg´evel. A k´admium nagyon j´o neutron elnyel˝o anyag, ami itt arra szolg´al, hogy a neutronok t´ ulzott elszaporod´asa eset´en a rendszer a k´admiumrudakat hirtelen, a neutron t¨obblet f¨ uggv´eny´eben becs´ usztatja a reaktorba, ´ıgy a´lland´o ´ert´eken tartva a sz´aguld´o neutronok sz´am´at. Ennek hi´any´aban az atomreaktor atombombak´ent viselkedne. Viszont a 235-¨os ur´an izot´opot ki is kell vonni, ami csup´an nagyon kis sz´azal´ek´at adja a term´eszetben el˝ofordul´o ur´annak, teh´at e neh´ezkes m˝ uvelet ut´an sok 238 atomt¨omeg˝ u ur´an marad meg. Ezt a marad´ek ur´ant az atomreaktorban felszabadul´o neutronokkal bomb´azt´ak, ´ıgy a magreakci´o sor´an 239-es plut´onium izot´opokk´a alakultak. A hidegh´abor´ u viszont, tov´abbra is puszt´ıt´o jelleg˝ u kutat´asra k´enyszer´ıtette a kutat´okat. Mikor egy sz¨ovets´egi sikl´orep¨ ul˝o atombomb´ara utal´o sug´arz´asokat ´eszlelt Szib´eria f¨ol¨ott, az amerikaiakban p´anik t¨ort ki. Itt l´ep ism´et sz´ınre a magyar Teller Ede, aki v´egig cs¨ok¨ony¨osen harcolt a hidrog´enbomba 5
kifejleszt´es´e´ert. Az a´llam ´es n´eh´any kutat´ot´arsa t´amogatja Teller sz´and´ek´at, s k¨oz¨os er˝ovel megalkotj´ak a bomb´at, amelyb˝ol t¨obb mint 800-szorta t¨obb energia szadul fel. Oppenheimer teh´at, v´egleg veres´eget szenved, aki t¨obbek k¨oz¨ott, az´ert ellenezte az o¨tletet, mert tr´ıcium nyer´es´ere rengeteg plut´oniumot kell felhaszn´alni, ´es m´egt¨obb p´enzt fel´aldozni. L´athatjuk, hogy a h´abor´ u ´eveiben Amerik´aban a tudom´anyos kutat´as felgyorsul, ´es amit eleinte gyakorlatilag felhaszn´alhatattlannak tartottak, az most rengeteg ember ´elet´et k¨ovetelte, r´aad´asul a k¨ornyezet radioakt´ıv szennyez´es´et m´eg figyelembe sem vett¨ uk. Jap´anban m´eg ma is gyakran el˝ofordulnak, radioakt´ıv sug´arz´as k¨ovetkezt´eben r´akos megbeteged´esek. A versenyfut´as” k´et u ´j ver” ´ senyz˝oje, Amerika ´es a Szovjet Uni´o, egyre nagyobb hidrog´enbomb´akat gy´artanak, s b´ar ´elesben nem volt alkalom bevetni o˝ket, de a pr´obarobbant´asok k¨ovetkezt´eben Elugelab szigete megsz˝ unt l´etezni, a radioakt´ıv felh˝o megker¨ ulte a F¨oldet, a szovjet bomba pedig oly er˝os volt, hogy Norv´egi´aban ´es Finnorsz´agban ablakokat t¨ort. Szomor´ u, hogy a modern vil´ag, a h˝osi korszak nagy eredm´enyeit ´ıgy kiforgatva ´es kihaszn´alva, a nukle´aris energi´at nem az ´elet szolg´al´ataba ´all´ıtotta, hanem ´epp ellenkez˝oen, a palackba z´art szellemet kieresztv´en emberi ´eleteket oltott, term´eszetet k´aros´ıtott, ´es oly m´ert´ekben, hogy ezt ´evsz´azadokik fogj´ak ny¨ogni ut´odaink. Simonyi K´aroly is megjegyzi az atombomba tervez˝oivel kapcsolatban, hogy Los Alamosban a fizikusok els˝o reakci´oja arra a h´ırre, hogy Hirosima nincs t¨obb´e, a megk¨onnyebb¨ ul´es, ” a fell´elegz´es volt: M˝ uk¨odik!! ” 2 Szinov´acz Gy¨orgy pl´eb´anosom szavaival szeretn´em befejezni dolgozatom, aki ´ıgy ´ırt egy level´eben: rem´enye, hogy BENNED a tudom´any hatalom, ami a j´o szolg´alat´aban, csod´akra k´epes”, u ¨zenet ez ” a j¨ov˝o tud´osgener´aci´oinak, de u ¨zenet nek¨ unk is, hogy k´eszs´egeink ´es k´epess´egeink f¨ uggv´eny´eben tud´asunkat az ´elet szolg´alat´aba ´all´ıtsuk. Adja Isten, hogy ´ıgy legyen!
Hivatkoz´ asok [1] Braunbek, Werner, Az atommag reg´enye”, Bp., Gondolat, 1964 ” [2] B´erces Gy¨orgy, Erosty´ak J´anos, Klebniczki J´ozsef, Litz J´ozsef, Pint´er Ferenc, Raics P´eter, Skrapits Lajos, S¨ uk¨osd Csaba, Tasn´adi P´eter, A fizika alapjai ”, VI. A) Atomfizika, 636-662. ” oldalak, Bp., Nemzeti Tank¨onykiad´o, 2002 [3] Simonyi K´aroly, A fizika kult´ urt¨ort´enete”, 5.4 Magszerkezet. Magenergia, Bp., Akad´emiai, ” 1998 [4] Dr. Szalay B´ela, Fizika”, 6. fejezet, B) Magfizika, Bp., M˝ uszaki, 1979 ” [5] P.V. Ciubotaru, T. Angelescu, I. Munteanu, M. Melnic, M.Gall, Fizika tank¨onyv XII. oszt´ aly ” sz´am´ara”, Bukarest, Oktat´asi ´es Pedag´ogiai Kiad´o (Editura Didactic˘a ¸si Pedagogic˘a), 1994
2
Simonyi K´ aroly, A fizika kult´ urt¨ ort´enete, 5.4.13 A fizikusok felel˝ oss´ege - 4
6
