Transcript Atomy, jádra a částice ve vývoji lidského myšlení

Atomy, jádra a částice ve
vývoji lidského myšlení
Jaderná fyzika – věda o složení, vlastnostech a přeměnách
atomových jader.
Vznik jaderné fyziky jako samostatné vědecké oblasti je
možné datovat do konce 19. a začátku 20. století.
Úzká souvislost mezi třemi oblastmi fyzikálních věd o
mikrosvětě: - fyzika elektronového obalu (atomová fyzika),
- fyzika atomového jádra,
- fyzika subjaderných („elementárních“) částic.
Radiační fyzika (fyzika ionizujícího záření) – část fyziky
mikrosvěta zabývající se ionizujícím zářením.
Ionizující záření – záření vyvolávající při svém průchodu a
interakci s látkou ionizaci.
Ionizace – děj, při němž vznikají ionty změnou náboje
elektronového obalu atomu nebo molekuly a uvolňují se
elektrony (utváří se pár nosičů nábojů – kladný iont a
elektron, kladný a záporný iont, pár elektron-díra).
Literatura:












Мухин, К.Н.: Експериментальная ядерная физика I. Москва,
Энергоатомиздат 1983.
Musílek, L.: Úvod do fyziky ionizujícího záření. Praha, SNTL 1979.
Petržílka, V.: Základy jaderné fyziky I, II (skripta). SPN, Praha 1968.
Lapp, R.E. – Andrews, H.L.: Nuclear Radiation Physics. Prentice Hall,
Engelwood Cliffs (N.J.) 1972.
Vanovič, J.: Atómová fyzika. Alfa, Bratislava 1980.
Usačev, S. a kol.: Experimentálna jadrová fyzika. Alfa, Bratislava 1982.
Úlehla, I. – Suk, M. – Trka, Z.: Atomy, jádra, částice. Academia, Praha
1990.
Povh, B. – Rith, K. – Scholz, Ch. – Zetschke, F.: Particles and Nuclei.
Springer, Berlin 1999.
Magill, J. – Gally, J.: Radioactivity, Radionuclides, Radiation. Springer,
Berlin 2005.
Martin, B.R.: Nuclear and Particle Physics. Wiley, Chichester (U.K.) 2006.
ČSN-ISO-31-9: Veličiny a jednotky – Atomová a jaderná fyzika.
ČSN-ISO-31-10: Veličiny a jednotky – Jaderné reakce a ionizující záření.
Antické počátky:
První dochované filosofické úvahy o atomu:
Démokritos z Abdér (cca 460 – 370 př.n.l.)
– nejvýznamnější představitel antického
atomismu.
Základ světa: dva principy – atomy (plno,
jsoucno) a prázdno (nejsoucno).
Atomy (atomos = nedělitelný) jsou věčné,
neproměnné a nedělitelné, je jich
nekonečný počet a věčně se pohybují.
Věci vznikají, mění se a zanikají spojováním a rozlučováním
různých atomů.
Za zakladatele atomismu je považován Leukippos (500 – 440
př. n.l.) patrně Démokritův učitel – jeho dílo se ale dochovalo
pouze v pozdějších odkazech (jediná doslovná citace: „ Ani
jedna věc nevzniká bez příčiny, vše vzniká z nějakého důvodu
nebo příčiny“) – někteří historikové se domnívají, že jde jen o
literární fikci.
Démokritovo učení bylo toto: Počátky všeho jsou atomy a
prázdno… Světů je neomezené množství, vznikají a
zanikají. Nic nevzniká z ničeho a nezaniká v nic. Atomy jsou
neomezené co do velikosti a co do počtu, jsou unášeny ve
vesmíru vířivým pohybem, a takto vytvářejí všechny
složeniny, oheň, vodu, vzduch a zemi, neboť i tyto živly
jsou spojením určitých atomů. Atomy jsou neporušitelné a
neměnné pro svou tvrdost.
Díogenés Laertios
Vůbec pak mimo Démokrita nikdo o ničem neuvažoval,
ledaže povrchně. On však, jak se zdá, přemýšlel o všem…
Aristotéles
Epikúros ze Samu (341 – 270 př.n.l.) – další
z významných filosofů uvažujících o
atomech – Navazuje na Démokrita, ale na
rozdíl od něho považuje pohyb atomů za do
jisté míry nahodilý – dochází v něm k
odchylkám, jimiž je možné vysvětlit
svobodu lidské vůle.
Titus Lucretius Carus (asi 99 – 55 př.n.l.)
– ve své dochované didakticko-epické básni
De rerum natura podává nejúplnější přehled
antického atomismu, zejména Epikúrova
učení. O jeho životě je však známo jen málo.
Antický atomismus odporuje učení o přírodě
i etice křesťanství => ve středověku není
uznáván.
Znovuzrození myšlenky o atomech v 17. století
Galileo Galilei (1564 – 1642) – znám
především pro své vědecké práce a
pozorování o vesmíru, ale oživuje také
představu, že svět je složen z velmi malých
částeček matérie.
Pierre Gassendi (1592 – 1655) – snaží se
skloubit atomismus s církevním učením –
překonává tím středověkou scholastiku:
základem všech přírodních jevů jsou různá
spojení atomů pohybujících se v prázdnu,
atomy byly stvořeny bohem a je jich konečný
počet, zatímco prostor je netělesný, nehybný
a věčný. Duše má část nerozumovou (složená z atomů,
smrtelná) a rozumovou(nehmotná, stvořená bohem, věčná).
Filosofické úvahy přecházejí ve vědu
Robert Boyle (1627 -1691) – buduje základy
chemie na principu spojování dále
nedělitelných korpuskulí – zároveň ovšem
epikureismus považuje za „odpornou
atomistiku popírající božský princip v přírodě.
Isaac Newton (1643 – 1727) – přijímá
atomistickou hypotézu a tvoří korpuskulární
teorii světla – předchází tak současné
poznatky o fotonech.
Michail V. Lomonosov (1711 – 1765) –
předpokládá, že korpuskule (molekuly) látek
jsou složeny z nejmenších částic, elementů
(atomů).
John Dalton (1766 – 1844) – každý
chemický element je určen specifickým
druhem atomů s přesně určenou atomovou
hmotností – atomy se navzájem slučují v
přesně definovaných poměrech (zákon
jednoduchých poměrů slučovacích).
Hlavní body Daltonovy atomové teorie:
- Prvky jsou tvořeny drobnými částicemi, nazývanými atomy.
- Všechny atomy daného prvku jsou identické.
- Atomy každého jednotlivého prvku jsou odlišné od atomů
kteréhokoli jiného prvku.
- Atomy jednoho prvku se mohou kombinovat s atomy jiných
prvků a tvořit tak sloučeniny. Daná sloučenina má vždy stejné
relativní počty daných druhů atomů.
- Atomy nemohou být stvořeny, rozděleny na menší částice ani
zničeny v chemických procesech. Chemická reakce pouze změní
způsob, jakým jsou vzájemně spojeny.
„Otec moderní chemie“
Vědci 19. století
William Prout (1785 – 1850)
Amedeo Avogadro (1776 – 1856)
Dmitrij I. Mendělejev (1834 -1907)
Ludwig Boltzmann (1844 -1906)
James Clark Maxwell (1831 – 1879)
Johann Wilhelm Hittorf (1841 -1914)
Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923)
1895 objevuje paprsky X
1901 – Nobelova cena za fyziku
Obrázky:
- snímek ruky
paní Röntgenové
- Röntgenův přístroj
- Röntgenova laboratoř
Antoine Henri Becquerel (1852 -1908)
1896 – objev radioaktivity
1903 – Nobelova cena (společně s
P. a M. Curieovými
Diplom o udělení Guinejská
Nobelovy ceny
známka (2001)
Zčernání od uranové soli
na fotografické desce
Pierre Curie (1859 -1906) a Marie Curieová (1867 – 1934)
Pokračování v Becquerelových pracích
týkajících se radioaktivity
1898 objev polonia a radia
1903 Nobelova cena (společně s A.H.
Becquerelem) za práce spojené s
výzkumem záření objeveného
Becquerelem
1911 Nobelova cena za objev radia a
polonia
Ernest Rutherford (1871 -1937)
Experimentální i teoretické práce
související s radioaktivitou
1899 objev radonu
1908 – Nobelova cena za chemii
1911 – „planetární“ model atomu
Na obrázku schéma experimentu
E. Rutherford a H. Geiger
v laboratoři v Manchestru
(1912)
1919 – první jaderná reakce
14N + α  17O + p
Albert Einstein (1879 – 1955)
1905 – speciální teorie relativity
1911 – 12 – řádný profesor na německé
universitě v Praze
1915 – obecná teorie relativity
1921 – Nobelova cena za přínos v oblasti
kvantové fyziky (fotoefekt)
Werner Horwath (olej na plátně
1999)
Einsteinův pomník ve Washingtonu
Budování kvantové fyziky
Niels Henrik David Bohr (1885 – 1962)
– kvantování atomového obalu
Louis Victor Pierre de Broglie (1892 –
1987) – vlnově-částicový dualismus
Erwin Schrödinger (1887 – 1961) –
Schrödingerova rovnice jako pohybová
rovnice v kvantové mechanice
Werner Karl Heisenberg (1901 – 1976)
– Heisenbergovy relace neurčitosti
Paul Adrien Maurice Dirac (1902 –
1984) – kvantová teorie elektronu
Max Born (1882 – 1970) – statistická
interpretace vlnových funkcí
Hmotnostní spektrometrie (1919)
Francis William Aston (1877 – 1945)
Arthur Jeffrey Dempster (1886 – 1950)
30. léta 20. století
James Chadwick (1891 – 1974) – objev
neutronu
Carl David Anderson (1886 – 1950) – objev
pozitronu v kosmickém záření
Irène Joliot-Curieová (1897 – 1956) a
Frédéric Joliot-Curie (1900 – 1958) –
objev umělé radioaktivity a radioaktivity
β+
Cockroftův a Waltonův lineární elektrostatický
urychlovač
John Douglas Cockroft (1897 – 1967) a Ernst
Thomas Sinton Walton (1903 – 1995) sestrojují
na počátku 30. let minulého století první lineární
urychlovač a realizují první jadernou reakci
vyvolanou uměle urychlenými částicemi
7Li + p  8*Be  4He + 4He
Původní Cockroftův
a Waltonův urychlovač
z roku 1932
Moderní Cockroftův
a Waltonův urychlovač
v Argonne National
Laboratory
Van de Graaffův lineární elektrostatický urychlovač
Robert Jemison Van de Graaff (1901 – 1967)
sestrojuje téměř současně s Cockroftem a
Waltonem urychlovač na podobném principu,
lišící se způsobem generování vysokého napětí
Původní Van de Graafův urychlovač
Odkrytovaný Van de Graafův urychlovač na 2 MeV ze 60. let
minulého století
Cyklotron
Ernest Orlando Lawrence (1901 – 1958) a Milton
Stanley Livingston (1905 – 1986) konstruují v r.
1932 první cyklický urychlovač, cyklotron, který
je později modifikován do relativistických energií
jako synchrocyklotron a izochronní cyklotron.
Dole vlevo: Lawrence (napravo) a Livingston u
svého cyklotronu.
Uprostřed: Moderní „baby cyclotron“ pro
produkci pozitronových zářičů.
Vpravo: Izochronní cyklotron v PSI Villingen na
energii 590 MeV.
Současné velké urychlovače LEP a LHC v CERNu
LEP (Large electron Positron Collider) – obvod tunelu 27 km
provoz zahájen 1989, ukončen 2000. Původní energie srážek
91 GeV, maximální dosažená 209 GeV.
LHC (Large Hadron Collider) – je vestavován do původního
tunelu LEP. Zahájení provozu 2007. Energie srážek protonů 14
Tev, předpokládá se i urychlování iontů olova (1150 TeV)
CERN - LEP
Tunel urychlovače s magnety
DELPHI – jeden z detektorů na
LEP – schéma a pohled do haly
detektoru
CERN - LHC
Model urychlovače v tunelu
Stavba detektoru ATLAS
Schéma detektoru ATLAS
Model drah částic v detektoru
CERN – Les Horribles Cernettes
Rocková kapela hrající a zpívající o kvarcích,
urychlovačích a dalších pozoruhodnostech
Urychlovače pro medicínské účely
První lékařský lineární urychlovač
na západní polokouli (San Francisco
1956)
Moderní lékařský lineární urychlovač
a schéma listového kolimátoru pro
tvarování ozařovacího pole
Objev štěpení jader
Otto Hahn (1879 – 1968), Lisa Meitnerová (1878 –
1968) a Fritz Strassmann (1902 – 1980) dospívají
k závěru, že při ozařování uranu neutrony dochází
ke štěpení jader, v r.1939.
Pracovní stůl O. Hahna,
na kterém realizoval
štěpení
O. Hahn a L. Meitnerová v laboratoři
v r. 1907
První jaderný reaktor (1942)
Enrico Fermi (1901
– 1954) a
spolupracovníci pod
tribunou stadionu
University of
Chicago.
Malba Gary Sheahana
Model Fermiho jaderného reaktoru
Jaderná puma - Hirošima
Vývoj vedl po vědecké stránce
Julius Robert Oppenheimer
(1904 -1967) po
administrativní a organizační
gen. Leslie Groves (1896 –
1970)
Účinky jaderného výbuchu v Hirošimě
Distance from
Ground Zero (km) Killed Injured Population
0 -1.0
86%
10%
31,200
1.0 - 2.5
27%
37%
144,800
2.5 - 5.0
2%
25%
80,300
Total
27%
30%
256,300
Jaderná energie v lodní dopravě
Schéma ponorky na jaderný pohon Ponorka Nautilus (1955)
Ledoborec Lenin (1959)
Ledoborec Arktika (1973)
Jaderná loď Savannah (1962)
NS Savannah Technical
Specifications













Overall length 596 feet
Width 78 feet
Displacement 22,000 tons
Load carrying capacity 14,040
tons
Waterproof compartmetns 14
Loading spaces 6
Crew124
Passengers 60
Top speed 21 knots
Shaft Horsepower 20,300
Reactor 74 MW
Reactor Manufacturer Babcock &
Wilcox
Builders New York Shipbuilding,
Camden, NJ
První experimentální jaderná elektrárna - Obninsk
Reaktor kanálového typu moderovaný
grafitem – výkon 5 MWe (30 MWt)
Uvedena do provozu 26. června 1954,
po 5 letech provozu přeměněna na
výzkumné pracoviště, reaktor ukončil
činnost v r. 2002.
První komerční jaderná elektrárna – Calder Hall
Poprvé připojena k síti 27. srpna
1956, oficiálně uvedena do
provozu za přítomnosti královny
Alžběty II. 17. října 1956.
Součást rozsáhlého jaderného
komplexu Sellafield, kde je
mimo jiné i závod na
přepracování jaderného paliva.
4 magnoxové reaktory
(chlazené plynem, moderované
grafitem) o výkonu 50 MW
každý.
Provoz ukončen v r. 2003.
Principiální schéma jaderné elektrárny
Jaderné elektrárny ve světě
JE Crystal River (1977 – PWR)
JE Cofrentes (1984 – BWR)
JE Cruas (1983-4 – PWR)
JE Ohi (1979-93 – PWR)
JE Dukovany (1985-87)
Celkový pohled
Strojovna
Velín
Reaktorová hala
JE Temelín
JE Temelín
Celkový pohled
Protijaderná
demonstrace
Detekce neutrina
Clyde Lorrain Cowan (1919 – 1974)
a Frederick Reines (1918 – 1998)
2 experimenty v r. 1953 a 1956
Teoretická fyzika 2. poloviny 20. století
Murray Gell-Mann (*1929) – hypotéza, že
všechny hadrony lze složit jako kombinace
tří kvarků a antikvarků
Sheldon Lee Glashow (*1932), Abdus Salam (1926 – 1996)
a Steven Weinberg (*1933) – sjednocení elektromagnetické
a slabé interakce
Nova a supernova
Tokamaky
T-15
ITER
JET
Tokamaky v Ústavu fyziky plasmatu AV ČR
V současnosti – tokamak CASTOR
V budoucnosti – tokamak COMPASS