Szemelvények a nukleáris tudomány történetébõl

Szemelvények a nukleáris tudomány történetébõl Gondolkodók, gondolatok, eredmények Szerkesztette

VÉRTES ATTILA

AKADÉMIAI KIADÓ, BUDAPEST

Megjelent a Magyar Tudományos Akadémia Könyv- és Folyóirat-kiadó Bizottsága,

valamint a Paksi Atomerõmû Zrt. támogatásával

Írták Berei Klára, Fülöp Zsolt, Gyürky György, Horváth Dezsõ, Inzelt György, Klencsár Zoltán, Környei József, Köteles György, Krasznahorkay Attila, Lévay Béla, Radnóti Katalin, Sárándi István, Schiller Róbert, Szatmáry Zoltán, Szilvási István, Tóth Gyula, Vértes Attila, Wojnárovits László, Zaránd Pál, Zoletnik Sándor

A hátsó fedélen az ITER-projekt által tervezett fúziós reaktor vázlatos képe látható

ISBN 978 963 05 8642 9

Kiadja az Akadémiai Kiadó, az 1795-ben alapított Magyar Könyvkiadók és Könyvterjesztõk Egyesülésének tagja 1117 Budapest, Prielle Kornélia u. 19. www.akademiaikiad.hu

Elsõ magyar nyelvû kiadás: 2009

© Vértes Attila (szerk.) 2009

Minden jog fenntartva, beleértve a sokszorosítás, a nyilvános elõadás, a rádió- és televízióadás, valamint a fordítás jogát, az egyes fejezeteket illetõen is

ELÕSZÓ

Könyvünk célja, hogy bemutassuk a nukleáris tudomány fontosabb eredményei felfedezésének körülményeit, illetve az elõzményekbõl történõ kikristályosodás folyamatát. Azt reméljük, hogy ezek a szakirodalmi turkálások érdekelni fogják a szakterületen munkálkodó kollégákat, sõt, talán még más, természettudományos területek kutatói számára is hasznos olvasmányok lesznek az ilyen témájú írások. Esetleg, csak a természettudományok iránt érdeklõdõk számára is nyújthatnak olvasmányélményt az ilyen fajta irodalomfeldolgozások. Az egyes fejezetek között vannak átfedések. Ez természetes, hiszen a nukleáris tudomány egyes eredményei, felfedezései egymásra épülnek, egymással kapcsolatban vannak. Egy-egy témát körüljárva, érintenünk kell más területeket is. Úgy gondolom, ennek a körülménynek is lesz haszna az olvasó számára, hiszen érdekes lesz látni, hogy két (vagy több) szerzõ mennyire más szempontokat vesz észre vagy hangsúlyoz ugyanazon történések leírása során. A könyv elkészülését sokan segítették. Köszönettel tartozunk számos kollégának. Marek Tamásnak az internetes adatgyûjtésben nyújtott segítségéért, Csotó Attila néhány fejezet szerzõjének kiválasztásában adott tanácsokat. Barát Pál grafikusmûvész az egyéniségeket tükrözõ portrékat készítette. Szabóné Tunyogi Helga a szöveg- és ábraszerkesztést végezte igen gondosan és elkészítette a névmutatót. Silberer Vera olvasószerkesztõ precíz munkája növelte a kötet értékét. Köszönet illeti a kötet megjelenését támogatókat: az MTA Kémiai Tudományok Osztályát és Fizikai Tudományok Osztályát, a Paksi Atomerõmû Zrt.-t és az OTKÁ-t a K62691 számú pályázattal nyújtott támogatásáért. Köszönet az Akadémiai Kiadó munkatársainak, akik bábáskodtak a könyv megjelenésénél. Budapest, 2008. április 30. Vértes Attila

7

TARTALOM

Ajánlás (VÉRTES ATTILA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A kezdetek (VÉRTES ATTILA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otto Hahn – egy „primitív” Nobel-díjas a radiokémia hajnalán (SCHILLER RÓBERT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A Rutherford-iskola (VÉRTES ATTILA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hevesy György és a nyomjelzéstechnika (VÉRTES ATTILA) . . . . . . . . . . . . . . . . . „Bámulattal szemléljük a testek önsugárzását…” Az atomkorszak magyar úttörõi (RADNÓTI KATALIN, INZELT GYÖRGY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A magsugárzás kölcsönhatása az anyaggal (VÉRTES ATTILA) . . . . . . . . . . . . . . . A neutron felfedezése (VÉRTES ATTILA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A részecskefizika kezdetei (VÉRTES ATTILA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Egy zseniális ötlet és a Szilárd–Chalmers-effektus (BEREI KLÁRA) . . . . . . . . . . . A mesterséges radioaktivitás felfedezése (LÉVAY BÉLA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A transzuránelemek elõállítása: a maghasadás felfedezése (VÉRTES ATTILA) . . . Az atomenergia hasznosítása (SZATMÁRY ZOLTÁN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pozitronannihiláció és az egzotikus pozitróniumatom (LÉVAY BÉLA) . . . . . . . . . A Mössbauer-effektus (KLENCSÁR ZOLTÁN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A magfizika az elemek születésének nyomában (FÜLÖP ZSOLT, GYÜRKY GYÖRGY). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Szimmetriák és részecskék (HORVÁTH DEZSÕ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Egzotikus alakú atommagok (KRASZNAHORKAY ATTILA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A fúziós álom (ZOLETNIK SÁNDOR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A sugárkémia kezdetei, eredményei és az újabb fejlemények (WOJNÁROVITS LÁSZLÓ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sugárbiológiai és sugár-egészségtani szemléletek (KÖTELES GYÖRGY). . . . . . . . . Radioaktív nyomjelzés az élõ szervezetben: nukleáris medicina (KÖRNYEI JÓZSEF, SÁRÁNDI ISTVÁN, SZILVÁSI ISTVÁN, TÓTH GYULA) . . . . . . . . Fejezetek a radioaktív nuklidok terápiás alkalmazásából (ZARÁND PÁL) . . . . . . . Névmutató . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 17 35 47 55 69 107 123 131 143 153 157 193 233 245 269 285 329 339 383 409 435 457 473

AJÁNLÁS

A nukleáris tudomány meglehetõsen népszerûtlen napjainkban, a „nukleáris” szó szinte már szitokszónak számít. Ez a közvélekedés persze érthetõ, ha a Hirosima és Nagaszaki felett 1945. augusztus 6-án és augusztus 9-én felrobbant urán-, illetve plutóniumtöltetû atombombákra vagy az 1986. április végén Csernobilban történt eseményekre gondolunk. De arról nem a tudomány tehet, hogy a maghasadást éppen a második világháború elõestéjén fedezte fel Hahn és Strassmann 1938. december 17-én Berlinben, és amikor a fizikusok látták és publikálták, hogy a maghasadás révén óriási energiákat lehet felszabadítani, akkor a tehetõsebb kormányok arra adtak pénzt és támogatást, hogy a magenergiák felhasználásával romboló eszközök készüljenek a katonai potenciálok növelésére, és csak az 1950-es években épültek az elsõ, kísérleti, villamos energiát termelõ atomreaktorok (Idaho, USA, Obnyinszk, Szovjetunió és Calden Hall, Anglia). Ezen reaktorok teljesítménye 5–45 MW volt. (A Pakson mûködõ négy reaktor mindegyikének átlagos teljesítménye ~450 MW.) Az történt, mint sokszor a történelemben: a tudomány, a tudósok eredményeit a politika, a politikusok elõször az emberek ellen, az emberek irtására hasznosították és csak késõbb a társadalom hasznára. (Ez a megállapítás általános érvényû, és akkor is igaz, ha elfogadjuk azt a feltevést, hogy a Japánra ledobott atombombák meggyorsították a háború befejezését.) A csernobili eseményeket emberi mulasztások sorozata okozta, és ez szintén nem a tudomány bûne. A nukleáris tudományról kialakult negatív véleménnyel szemben az az igazság, hogy ez a tudományterület volt a 20. század természettudományának motorja. Ezt az állítást egyszerûen lehet bizonyítani, ha meggondoljuk, hogy a 20. században száz alkalommal adtak ki fizikai Nobel-díjat és ugyanennyiszer kémiait, és a kétszáz alkalommal átadott fizikai és kémiai Nobel-díj között ötvenhét olyan elismerés volt, amelyet a nukleáris tudomány területén elért eredményért adtak. Ez a közel 30%-os részesedés azt jelzi és bizonyítja, hogy a nukleáris tudomány szolgáltatta az elmúlt század természettudományának dinamizmusát és ezen tudományterület eredményei segítették megérteni az anyag, a környezetünk és az univerzum szerkezetét és kialakulását.

10

VÉRTES ATTILA

::::::::::::::::::::::::::::::::::: Egy évben egy, két vagy három kutató kaphatja meg a Nobel-díjat ugyanazon tudományterületen. Ha két vagy három kutató között osztják meg a díjat, akkor általában közös kutatást díjaznak (például 1958-ban Cserenkov, Frank és Tamm kapta a fizikai Nobel-díjat a Cserenkov-sugárzás felfedezéséért és elméletének kidolgozásáért), de néha az is elõfordul, hogy különbözõ témában dolgozó kutatók osztoznak a díjon (például 1961-ben Mössbauer a róla elnevezett effektus, a gamma-fotonok visszalökõdés-mentes magrezonancia-abszorpciójának felfedezéséért, míg ugyanebben az évben Hofstadter az atommagokon történõ elektronszórás vizsgálatáért és a nukleonok szerkezetének felfedezéséért kapott fizikai Nobel-díjat). ::::::::::::::::::::::::::::::::::: Az 1. táblázat felsorolja a magfizikai és magkémiai eredményekért odaítélt Nobel-díjakat. A nukleáris Nobel-díjak között kétszer annyi fizikai volt, mint kémiai a század közepéig, de a 20. század második felében már csak egy Nobel-díjas eredmény született a nukleáris kémia területén. (Libby kapott kémiai Nobel-díjat a 14C-kormeghatározás kidolgozásáért.) 1977-ben a nukleáris medicina területén elért eredményeket ismertek el orvosi Nobel-díjjal: Rosalin Yalow radioimmunológiai kutatásaiért kapta a díjat. 1. táblázat A nukleáris tudomány Nobel-díjas eredményei A Nobel-díjat eredményezõ tevékenység éve(i)

A díjazott(ak) neve

A díj odaítélésének éve

A radioaktivitás felfedezése

1896

H. A. Becquerel M. Curie P. Curie

1903 (fizikai)

A polónium, 84Po és a rádium, felfedezése

1898

M. Curie

1911 (kémiai)

A radon, 86Rn és az a- és b-sugárzás felfedezése

1900

E. Rutherford

1908 (kémiai)

Az energiakvantum felfedezése

1901

M. Planck

1918 (fizikai)

Elméleti fizikai munkái és a fotoelektromos jelenség törvényének megalkotása

1902–1905

A. Einstein

1921 (fizikai)

Az elektromosság elemi töltésével és a fotoelektromos jelenséggel kapcsolatos munkáért

1910–1914

R. A. Millikan

1923 (fizikai)

1912

C. T. R. Wilson

1927 (fizikai)

Az elismerést kiváltó eredmény

88Ra

Ködkamra

11

AJÁNLÁS

A Nobel-díjat eredményezõ tevékenység éve(i)



A kozmikus sugárzás felfedezése

1912

V. F. Hess

1936 (fizikai)

Nyomjelzés-technika

1913

Hevesy Gy.

1943 (kémiai)

1913–16

F. Soddy

1921 (kémiai)

Compton-effektus

1923

A. H. Compton

1927 (fizikai)

A kizárási (Pauli-) elv

1925

W. Pauli

1945 (fizikai)

Új, hatékony atomelmélet kidolgozása

1926

E. Schrödinger P. A. M. Dirac

1933 (fizikai)

A ciklotron kifejlesztéséért, az azon elért eredményekért, különösen a mesterséges radioaktív nuklidok elõállításáért

1929–32

E. O. Lawrence

1939 (fizikai)

Az atommag mágneses tulajdonságainak leírása

1930–39

I. I. Rabi

1944 (fizikai)

A koincidencia-módszer kidolgozása és a gamma-kaszkádok vizsgálata

1930–40

W. Bothe

1954 (fizikai)

Magfizikai kutatások tökéletesített ködkamrával

1931–33

P. M. S. Blackett

1948 (fizikai)

A neutron felfedezése

1932

J. Chadwick

1935 (fizikai)

A pozitron felfedezése

1932

C. D. Anderson

1936 (fizikai)

Az atommagok átalakítása gyorsított részecskékkel 0,4 MeV 1H + 7Li ® 2 4He

1932

J. D. Cockcroft E. T. S. Walton

1951 (fizikai)

A proton mágneses momentuma

1933

O. Stern

1943 (fizikai)

1933–37

E. P. Wigner

1963 (fizikai)


A radioaktív anyagok kémiai tulajdonságai és az izotópia fogalmának bevezetése

Az atommag leírását segítõ szimmetriaelvek

12

VÉRTES ATTILA




1934

Frédéric Joliot-Curie Ire`ne Curie

1935 (kémiai)

1934 és 1937

P. A. Cserenkov I. M. Frank I. E. Tamm

1958 (fizikai)

1935

H. Yukawa

1949 (fizikai)

1934–36

E. Fermi

1938 (fizikai)

Magreakciók elmélete, energia felszabadulása csillagokban

1938

H. A. Bethe

1967 (fizikai)

Maghasadás neutronok hatására

1938

O. Hahn

1944 (kémiai)

93Np, 94Pu

1940

E. M. McMillan G. T. Seaborg

1951 (kémiai)

1946

W. F. Libby

1960 (kémiai)

Az atommag mágneses momentuma

1946–48

F. Bloch E. M. Purcell

1952 (fizikai)

A kvantumelektrodinamika elméletének kidolgozása

1946–48

S.-I. Tomonaga J. Schwinger R. P. Feynman

1965 (fizikai)

Újabb mezonok felfedezése

1946–50

C. F. Powell

1950 (fizikai)

Az atommag szerkezete, héjmodell

1948–54

N. GoeppertMayer J. H. D. Jensen

1963 (fizikai)

A buborékkamra kifejlesztése

1952

D. A. Glaser

1960 (fizikai)

Kollektív részecskemozgás az atommagban

1953

A. N. Bohr B. R. Mottelson L. J. Rainwater

1975 (fizikai)

Elektronszóródás atommagon

1953–60

R. Hofstadter

1961 (fizikai)


Az elsõ mesterséges radioaktív 30 nuklid elõállítása 27 13 Al ( a , n )15 P

Cserenkov-sugárzás A mezonok létezésének elméleti bizonyítása Neutronokkal kiváltott magreakciók leírása

elõállítása és kémiája

A 14C-kormeghatározási módszer kidolgozása, amelyet a régészetben, a geológiában és a geofizikai kutatásokban használnak

13

AJÁNLÁS




A neutrínó kísérleti kimutatása

1953–60

F. Reines

1995 (fizikai)

Az elektronspektroszkópia továbbfejlesztése

1954–58

K. M. Siegbahn

1981 (fizikai)

Az antiproton felfedezése

1955

E. G. Segre` O. Chemberlain

1959 (fizikai)

Részecskerezonanciák vizsgálata

1955–57

L. W. Alvarez

1968 (fizikai)

A neutronspektroszkópia és -diffrakció továbbfejlesztése

1955–60

B. N. Brockhouse C. G. Shull

1994 (fizikai)

A paritássértés elmélete

1956

T. D. Lee C. N. Yang

1957 (fizikai)

Az univerzum elemeinek keletkezése

1956–65

S. Chandrasekhar W. A. Fowler

1983 (fizikai)

Mössbauer-effektus

1957–58

R. Mössbauer

1961 (fizikai)

Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesített elmélete

1958–70

S. L. Glashow A. Salam S. Weinberg

1979 (fizikai)

1959

R. S. Yalow

1977 (orvosi)

1960–65

M. Gell-Mann

1969 (fizikai)

A müon-neutrínó megfigyelése

1963

L. M. Lederman M. Schwartz J. Steinberger

1988 (fizikai)

A K-mezonok bomlásánál felfedezett szimmetriasértés

1964

J. W. Cronin V. L. Fitch

1980 (fizikai)

A kvarkmodell továbbfejlesztése

1968

J. I. Friedman H. W. Kendall R. E. Taylor

1990 (fizikai)


A peptidhormonok meghatározására alkalmas radioimmunológiai módszerek kifejlesztése Az elemi részecskék osztályozása

14

VÉRTES ATTILA




A sokszálú proporcionális detektor kifejlesztése

1968

G. Charpak

1992 (fizikai)

A részecskefizika matematikai megalapozása

1972

M. J. G. Veltman G. ’t Hooft

1999 (fizikai)

Kritikus jelenségek térelmélete

1972

K. G. Wilson

1982 (fizikai)

A c-kvark felfedezése

1974

B. Richter S. C. C. Ting

1976 (fizikai)

A tau (t)-lepton felfedezése

1974

M. Perl

1995 (fizikai)

A W±- és Z-bozonok megfigyelése

1983

C. Rubbia S. van der Meer

1984 (fizikai)

Atomok Bose– Einstein-kondenzációja

1995

E. A. Cornell W. Ketterle C. E. Wieman

2001 (fizikai)

1973–74

D. J. Gross H. D. Politzer F. Wilczek

2004 (fizikai)


Az aszimptotikus szabadság felfedezése az erõs kölcsönhatásokban

A kutatómunka végzésének és a Nobel-díj odaítélésének ideje közötti kapcsolatot az 1. ábra szemlélteti. A táblázat adatai, remélem, meggyõzték az olvasót a nukleáris tudomány 20. századi jelentõségérõl, így az írást be is fejezhetném. Mégis szeretném részletesebben bemutatni, és reményeim szerint tanulságos, érdekes és izgalmas példákkal is illusztrálni a nukleáris tudomány fontosságát, hasznosságát és szépségét a következõ fejezetekben. Azt is szeretném megmutatni, hogy az atommagtudomány nemcsak a múlté, hanem a jövõé is. Azt, hogy a 21. században a biotechnológia és az informatika mellett ennek a diszciplínának is lesznek fontos eredményei, két dologgal kívánom valószínûsíteni. 1. A 21. század elsõ fizikai Nobel-díjával, a 2001-es díjjal nukleáris eredményt (a Bose–Einstein-kondenzációs vizsgálatokat) jutalmaztak, és a 2004-es fizikai Nobel-díjat is ez a tudományterület nyerte el (az erõs kölcsönhatásokban lévõ aszimptotikus szabadság elméletének kidolgozásáért). 2. Oláh György (Oláh, 1998), az Egyesült Államokban élõ magyar származású vegyész, aki 1994-ben karbokation-kutatásaiért kapott kémiai Nobel-díjat, az Amerikai Kémikusok Egyesületének ezredfordulós kiadványában írt egy fejezetet „Az olaj és a szénhidrogének a 21. században” címmel. Ennek az írásnak mintegy konklúziójaként, Oláh György így fogalmazta meg gondolatait: „A nem megújuló

AJÁNLÁS

15

1. ábra. A felfedezés és a Nobel-díj odaítélésének ideje közötti kapcsolat (Nagy, 2006)

fosszilis tüzelõanyagok (kõolaj, földgáz, kõszén) felhasználásán alapuló energiatermelés csak rövid távon jelent megoldást, és még így is komoly környezetvédelmi problémákat vet fel. Az atomkorszak beköszönte csodás új lehetõséget teremtett, de egyúttal veszélyeket és biztonsági problémákat is felvetett. Tragikusnak tartom, hogy ez utóbbi meggondolások miatt az atomenergia további fejlesztése, legalábbis a nyugati világban, gyakorlatilag megállt. Akár tetszik, akár nem, hosszabb távon nincs más választásunk, mint az, hogy egyre növekvõ mértékben a remélhetõen tiszta atomenergiára támaszkodjunk. Nyilvánvalóan ezt akkor tehetjük meg, ha megoldjuk a biztonsággal kapcsolatos kérdéseket, valamint a radioaktív hulladékok elhelyezésének és tárolásának problémáit. Természetesen fontos, hogy rámutassunk a nehézségekre és veszélyekre, és az is, hogy ésszerû szabályozást vezessünk be. Ugyanakkor alapvetõ, hogy megtaláljuk az ezeket a problémákat kiküszöbölõ megoldásokat.” Úgy vélem, Oláh Györgynek igaza van, és csak az általa felvázolt program is sok szép feladatot jelent a 21. század nukleáris fizikusai és kémikusai számára. Oláh György írásának megjelenése óta az Egyesült Államok ismét csatlakozott a magfúziós energiatermelést célzó ITER-programhoz (ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor), és döntés született arról, hogy ~4 × 109 euró költségvetéssel, Franciaországban felépüljön a kísérleti reaktor. Az 1950-es években a világ azt hitte, hogy 30 év múlva energiát fog termelni a magfúzió. Ma, amikor elindult Franciaországban az elsõ ITER-reaktor építése, az elsõ fúziós kísérletek után fél évszázaddal, a világ ismét azt reméli, hogy 30 év múlva steril, olcsó energiát termel majd a magfúzió. Teller Ede reálisan és világosan látta a lehetõségeket ebben a témában is. 1958-ban, a második Atomok a Békéért (Atoms for Peace) konferencián, Genfben ezt mondta:

16

VÉRTES ATTILA

„Úgy gondolom, hogy a termonukleáris energiatermelést meg lehet valósítani, de nem hiszem, hogy még ebben az évszázadban lesz ennek gyakorlati fontossága. … Úgy tûnik, hogy egy olyan bonyolult gépezettel kell foglalkozni, ami emberi kézzel megközelíthetetlen, tehát távirányítással kell kezelni. Viszont a felszabaduló neutron- és gamma-sugárzás megváltoztatja a szerkezeti anyagok tulajdonságát. … Ezek és más nehézségek úgy megdrágítják a kinyerhetõ energiát, hogy az ellenõrzött termonukleáris reakció gazdaságos felhasználása nem válik lehetségessé a 20. század vége elõtt.” A magfúzióról és az ITER-programról kiváló monográfia jelent meg 2002-ben, és a fenti Teller-idézet is onnan származik (Braams et al., 2002). Ami viszont a maghasadáson alapuló reaktorfejlesztéseket illeti, csak az Amerikai Egyesült Államokban jelenleg több mint tíz, IV. generációs technológiafejlesztési program kap állami támogatást.

IRODALOMJEGYZÉK Braams, C. M., Stott, P. E. (2002) Half a century of magnetic confinement fusion research, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia. Nagy, S. (2006) Radiochemistry and Nuclear Chemistry, UNESCO–EOLSS (www.eolss.net) Theme 6.104. Olah, G. A. (1998) Oil and Hydrocarbons in the 21st Century, in: Chemical Research 2000 and Beyond (P. Barkan ed.), American Chem. Soc., Washington, DC and Oxford University Press, New York, pp. 40–54.

Szemelvények a nukleáris tudomány történetébõl

Recommend Documents