Základy jadrovej fyziky

Základy jadrovej fyziky
 
Úvod
Jadrová fyzika je nevyčerpateľným zdrojom informácií. Je veľmi ťažké spracovať tieto informácie do siedmich strán. Túto tému som si vybral, lebo ma veľmi zaujíma radiácia, atómové bomby a fyzika celkovo. Je veľmi zaujímavé ako ľudia na niektoré princípy a vzorce prichádzali. Preto som rád že môžem týmto projektom otvoriť oči aj iným ľudom. Fyzika je všade okolo nás a bez nej by sme možno boli, možno neboli alebo by sme vyzerali úplne inak. Vo fyzike je stále čo objavovať. Hlavne vesmír o ktorom nevieme teoreticky nič a zase naopak, atómy a ešte menšie častice ako napr. gravitácia o ktorej vieme tiež veľmi málo. Dúfam že sa vám bude moja prezentácia páčiť. Urobte si pohodlie a poďte so mnou objavovať časti fyziky.
 
1. Jadrová fyzika
Alebo nukleárna fyzika (z lat. nucleus = jadro) je časť fyziky zaoberajúca sa javmi v jadre atómu. Jadrová fyzika pozostáva z teoretickej a experimentálnej časti. Predmetom skúmania jadrovej fyziky je jadro atómu, jeho štruktúra ako aj reakcie medzi jadrami. Popis jadrových reakcií sa robí prostredníctvom účinného prierezu. Účinný prierez predstavuje pravdepodobnosť reakcie častice s určitou energiou a jadra.
 
2.Objavenie rádioaktivity 
Vyše štyroch rokov vyčerpávajúcej práce prežila chemička poľského pôvodu Mária Curieová so svojím manželom vo veľkej ošarpanej drevenej kôlni neďaleko ich parížskeho bytu. Tam počas neskorej septembrovej noci roku 1902 konečne objavili rádioaktívny prvok, ktorý nazvali rádium - z latinského radius (lúč). Rádium umožnilo prvé účinné riešenie niektorých typov rakoviny tým, že choré ľudské bunky bombardovalo rádioaktívnymi časticami, a tak ich ničilo. Historický deň prežívali Curieovci tak, že práve prelievali odmerky čistého smolinca do posledných asi 6000 odparovacích misiek. Mária Curieová verila, že tento čierny nerast obsahuje celkom nový dynamický prvok, ktorého lúče by mohli ničiť choré ľudské tkanivo. Dúfala, že pri neprestajnom opakovanom filtrovaní smolinca stále unikajúci prvok v miskách nakoniec vykryštalizuje. Keď v ten večer odchádzali domov, zázrak ešte nenastal. Až krátko pred spaním sa Mária rozhodla ešte raz sa pozrieť na vzorky v miskách a náhlivo sa s Pierrom vybrali do matne osvetlených ulíc.   Odomkli tmavú kôlňu s radmi drevených stolov a spleťou laboratórneho zariadenia a Mária požiadala Pierra, aby nerozsvecoval. Opatrne vošli dnu a tam všade okolo nich, z misiek prikrytých sklom vychádzali lúče svetla. Vyžarovali mäkký, nachovo modrý jas.

Počas niekoľkoročného intenzívneho výskumu Curieovci zistili, že smolinec - ktorý obsahuje veľké množstvo rádioaktívneho oxidu uránu - popálil Márii prsty. Na podráždenej pokožke sa jej vyhodili červené vriedky. Ale pomaly sa zahojili, a tak Mária usúdila, že keď žiarenie môže bez škodlivých následkov ničiť zdravé bunky, mohlo by sa použiť aj na zničenie zhubných buniek.
  V roku 1898 oznámili verejnosti, že samovoľné lúče, ktoré nazvala rádioaktívne, -to znamená vysielajúce atómové žiarenie, -vychádzajú aj z kovového prvku tória. Tušila, že je na stope nepolapiteľného rádioaktívneho prvku v smolinci. Vzhľadom na to, že tak dlho odolával vedeckému objaveniu, usúdila, že zrejme existuje v estrémne malých množstvách - v zložení smolincovej rudy tvorí možno len jednu milióntinu. V Európe sa veľké množstvo smolinca ťažilo v jáchymovských baniach na západe Česka. Uránové soli, ktoré sa z neho vylúhujú, sa tam používali pri výrobe skla. Zvyšok sa vyvážal do blízkeho borového lesa. S pomocou rakúskej vlády tonu tohto zvyšku odoslali Curieovcom. Manželia stáli pred najťažšou úlohou: vytriediť rudu na jenotlivé prvky. Pierre sa ujal presnej laboratórnej práce na výskume rádioaktívnych substancií uránu a polónia (Mária ho objavila na začiatku roku 1898 a pomenovala podľa rodného Poľska). Mária zatiaľ v zaprášenej blúzke, pofŕkanej kyselinou, drela na dvore. Miešala veľké kotly so smolincom a udržiavala pod nimi vo dne aj v noci oheň.

Práca pokračovala bez prestania ďalšie štyri roky, až konečne počas onej jesennej noci v roku 1902 prišiel zaslúžený úspech. Mária uvidela svoje "čarovné modré svätojánske mušky". Len čo rádium úspešne izolovali, Pierre úmyselne nastavil lúčom svoju ruku. Jeho vedecké srdce zajasalo, keď sa na ruke objavila popálenina. Po necelých ôsmich týždňoch ostala z popáleniny len drobná sivá škvrnka. Pierre opakoval pokus na zvieratách. Rádium malo rovnaký účinok a aj on nadobudol presvedčenie, že tieto silné lúče môžu ničením chorých buniek vyliečiť rakovinové bujnenie.

V roku 1903 Curieovcom spoločne s Henrim Becquerelom udelili Nobelovu cenu za fyziku - za objavenie rádioaktivity. O dva roky na to sa rádium stalo bežných komerčným výrobkom ako zbraň proti rakovine a vyrábalo sa v továrňach po celej Európe. 

3.Objavenie umelej rádioaktivity
Ako to často býva, aj v tomto prípade to bolo niekoľko šťastných okolností, ktoré priviedli týchto dvoch geniálnych ľudí k spoločnej práci i k spoločnému životu. Už roku 1930 sa manželia CURIEOVCI intenzívne zaoberali štúdiom záhadného žiarenia, ktoré vznikalo pri bombardovaní berýlia alfa časticami. Vtedy im šťastie nežičilo, objav neutrónu im unikol doslova o vlások. Nasledujúcimi prácami však hmotnosť neutrónu zmerali a dokázali jeho nestabilitu voči beta rozpadu.

Pri ožarovaní hliníka žiarením alfa (z polónia) objavili roku 1934 tzv. Indukovanú alebo umelú rádioaktivitu. Vložili alfa žiarič (polónium) do hliníkovej nádobky a pozorovali prenikavé žiarenie, ktoré pokračovalo aj po odstránení polónia. Meraním zistili, že intenzita tohto žiarenia s časom klesá rovnako (exponencionálne) ako pri ostatných rádioaktívnych preparátoch. Z toho usúdili, že s hliníka vzniká rádioaktívny izotop fosforu. Tento rádioaktívny izotop fosforu sa s poločasom 3 minúty 15 sekúnd mení na kremík, pričom vysiela pozitróny.

Objav má dvojaký význam: 
· Po prvý raz bol vytvorený umelý rádioaktívny prvok
a po prvý raz bol vyprodukovaný pozitrón v laboratórnych podmienkach.
· Takto vyprodukované pozitróny v dobre definovaných laboratórnych podmienkach sa dali využiť na ďalšie výskumy. Neskôr Joliotovci objavili pozitrónovú rádioaktivitu i v ďalších atómoch.

Význam objavu ocenila i Švédska kráľovská akadémia a roku 1935 udelila Joliotovcom Nobelovu cenu za chémiu. Frédéric vo svojej reči prednesenej pri príležitosti udelenia Nobelovej ceny po prvý raz naznačil možnosť reťazovej jadrovej reakcie: ak sa nájde reakcia, pri ktorej jeden neutrón vyrazí z jadra aspoň dva ďalšie, potom nové neutróny by sa dali využiť na ďalšie reakcie , a tým na vznik reťazovej jadrovej reakcie. 
K tejto perspektívnej problematike sa rýchlo pripojili aj ostatné laboratória z celej Európy. Pri bombardovaní atómových jadier neutrónmi dochádzalo k niekoľkým procesom: 
· k zachyteniu neutrónu a vzniku nových izotopov
emisii gama žiarenia
· vzniku nových rádioaktívnych prvkov 
a podobne...

Prístrojové vybavenie bolo vtedy veľmi jednoduché. Rozbor získaných výsledkov vyžadoval zložité fyzikálne a chemické analýzy, ktoré nemohli byť vždy jednoznačné a presvedčivé. To bolo podnetom rozličných sporov medzi jednotlivými laboratóriami. V Berlíne – Dahleme vopred považovali „parížske“ výsledky za podozrivé, nepresvedčivé a pochybné, a naopak. V obidvoch ústavoch sa tak nemálo úsilia vynakladalo na to, aby sa dokázalo, že výsledky konkurenčného ústavu sú zlé alebo aspoň nepresvedčivé. Je veľmi pravdepodobné, že toto plytvanie časom i energiou oddialilo objav štiepenia uránu, aj keď na druhú stranu, znemožnilo tak vyrobiť Nemecku jadrové zbrane ešte pred koncom 2. svetovej vojny.

Keď koncom roku 1938 Otto Hahn so svojimi spolupracovníkmi dokázali chemickou cestou štiepenie uránu pri ostreľovaní neutrónmi, Joliot-Curie krátko nato podal originálny fyzický dôkaz tejto novej jadrovej reakcie a vzápätí objavili spolu s H. Halbanom a L. Kowalským, že pri štiepení vznikajú dva až tri nové neutróny. Tým sa otvárala cesta k uskutočneniu reťazovej štiepnej reakcie. Joliot-Curie sa so svojimi spolupracovníkmi začal zaoberať meraniami potrebnými pre výpočet jadrového reaktora, pričom predbežné výsledky uverejnil už roku 1939. Zakrátko nato sa začala druhá svetová vojna. Ešte pred vpádom nacistických vojsk do Francúzka sa Joliotovi-Curiemu podarilo za pomoci vojenských kruhov prepraviť celosvetovú zásobu ťažkej vody (asi 250 kg) do Francúzka a doslova pred nosom Nemcov odoslal tento vzácny náklad do Anglicka.

4. Jadrová elektráreň
Jadrová elektráreň alebo atómová elektráreň je výrobňa elektrickej energie, resp. technologické zariadenie, slúžiace na premenujadrovej energie na elektrickú energiu.

Skladá sa obvykle z jadrového reaktoru, parnej turbíny s alternátorom a z mnohých ďalších pomocných prevádzok. V princípe ide o parnú elektráreň, v ktorej sa energia získaná jadrovým reaktorom používa na výrobu pary v parogenerátore. Táto para poháňa turbíny, ktoré poháňajú alternátory na výrobu elektrickej energie. Súčasné jadrové elektrárne využívajú ako palivo prevažne obohatený urán, čo je prírodný urán, v ktorom bol zvýšený obsah izotopu 235U z pôvodných zhruba 0,5 % na 2 – 5 %. Podľa odhadov geológov a OECD vydržia známe a predpokladané zásoby uránu najmenej 270 rokov.

Na výrobu elektriny sa jadrový reaktor prvý raz využil 20. decembra 1951 vo výskumnej stanici EBR-I pri meste Arco v štáte Idaho v USA. Zariadenie založené na rýchlom množivomreaktore dodávalo spočiatku výkon okolo 100 kW. Prvá atómová elektráreň bola postavená v ZSSR v meste Obninsk. K rozvodnej sieti bola oficiálne pripojená 27. júna 1954. V 5MW reaktore bol použitý grafit ako moderátor a voda ako chladiace médium. Elektráreň však bola po niekoľkých rokoch odstavená a slúžila iba na výskumné účely. Využitie atómovej energie sa potom rýchlo rozvíjalo. V roku 1960 tvoril inštalovaný výkon menej ako 1 gigawatt (GW), na konci sedemdesiatych rokov už 100 GW, a 300 GW v osemdesiatych rokoch. Od konca osemdesiatych rokov je nárast oveľa slabší a prevažne tvorený výstavbou jadrových elektrární v Číne. V roku 2005 bol inštalovaný výkon 366 GW.
 
5. Jadrové zbrane
Jadrové zbrane (alebo atómové zbrane) sú všetky zbrane využívajúce lavínovité, neriadené uvoľňovanie jadrovej energie alebo priamo štiepenie produktov.  Účinky výbuchu jadrovej výbušnej zbrane sú katastrofálne. Po výbuchu sa najprv ukáže oslnivý svetelný blesk, okolo ktorého sa vytvorí detonačný mrak. Potom vznikne ohnivá guľa, ktorý stúpa hore vytvárajúc akýsi „kmeň“ a berúc so sebou prach, zem alebo vodu, a na zemi pri mieste výbuchu je základný mrak. Výsledný útvar sa nazýva atómový hríb.
Jadrová výbušná zbraň má široké spektrum ničivého účinku:
· tepelný účinok:
  Na mieste výbuchu je teplota niekoľko miliónov stupňov Celzia. V prípade 1  bomby sa napríklad v okruhu 14 km (!) od epicentra sám zapáli papier. Samozrejme, že aj ľudia a živočíchy utrpia popáleniny kože a podobne.
· nárazová tlaková vlna:
Táto je účinná do niekoľkých kilometrov od epicentra. Sprevádza ju hromovitý tresk. V mieste detonácie je pretlak asi 1 milión barov, ktorý potom klesá nepriamo úmerne k vzdialenosti. Po pretlakovej vlne nasleduje podtlaková vlna, ktorá sa prejavuje ako silný ťah smerom k miestu výbuchu.  
· svetelný účinok:
Je účinný do niekoľkých kilometrov.  
· radiácia :

Táto je spôsobená tokom neutrónov (asi z 3%) a gama , alfa a beta žiarenia počas asi 1 minúty (počiatočná radiácia). Pre človeka je smrteľná v okruhu asi 2 km od epicentra. Časť žiarenia, ktorá ostane ešte po 1 minúte sa nazýva zvyšková radiácia. Pozostáva z radioaktívneho spádu a žiarenia indukovaného neutrónmi (alfa, beta, gama žiarenie). Žiarenie asi po týždni od výbuchu klesne na hodnoty bezpečné pre človeka. Radioaktívny spád sa delí na lokálny (padá 10-20 hodín po výbuchu do vzdialenosti 400 km), kontinentálny (padá do týždňa po výbuchu do vzdialenosti 4000 km) a celosvetový (padá až po mesiacoch či rokoch). Podiel radiácie (a najmä neutrónov) sa dá zvýšiť na úkor ostatných ničivých účinkov, potom hovoríme o tzv. neutrónovej bombe (správny názov je „zbraň so zvýšenou radiáciou“).

6. Černobyľská havária
Černobyľská havária sa stala 26. apríla 1986, v černobyľskej atómovej elektrárni na Ukrajine (vtedy časť Sovietskeho zväzu). Ide o najhoršiu jadrovú haváriu v histórii jadrovej energetiky. V priebehu testu nového bezpečnostného systému vtedy došlo k prehriatiu a následne explózii reaktora a do vzduchu sa uvoľnil rádioaktívny mrak, ktorý postupoval cez západnú časť Sovietskeho zväzu, Východnú Európu a Škandináviu. Boli kontaminované rozsiahle oblasti Ukrajiny, Bieloruska a Ruska, čo si vyžiadalo evakuáciu a presídlenie asi 200 000 ľudí. Približne 70 %rádioaktívneho spadu skončilo v Bielorusku. Nehoda zvýšila obavy o bezpečnosť sovietskeho jadrového priemyslu, spomalila na mnoho rokov jeho expanziu a zároveň nútila sovietsku vládu prehodnotiť mieru utajovania. Nástupnícke štáty po rozpade Sovietskeho zväzu – Rusko, Ukrajina a Bielorusko dodnes nesú bremeno pokračujúcich nákladov na dekontamináciu a liečenie ochorení spôsobených černobyľskou haváriou. Je ťažké presne zaznamenať počet úmrtí spôsobených udalosťami v Černobyle – odhady sa pohybujú od stoviek po stovky tisíc. Problém je stále široko diskutovaný a jeho dlhodobým dopadom sa stále celkom neporozumelo.

Následky
203 ľudí okamžite hospitalizovali, z nich 31 zomrelo (28 z nich na akútnu chorobu z ožiarenia). Mnohí z nich boli požiarnici a záchranári snažiaci sa dostať haváriu pod kontrolu, ktorí neboli plne informovaní, aké nebezpečné je radiačné ožiarenie (z dymu). 135 000 ľudí bolo z oblasti evakuovaných, vrátane 50 000 ľudí z blízkeho mesta Pripiať. Ministerstvo zdravotníctva predpokladá počas nasledujúcich 70 rokov 2% zvýšenie úrovne rakoviny u väčšiny obyvateľstva, ktoré bolo zasiahnuté 5 – 12 (informačné zdroje sa rozchádzajú) EBqrádioaktívnou kontamináciou uvoľnenou z reaktora. Ďalších 10 jednotlivcov zomrelo v dôsledku havárie na rakovinu. V januári 1993 vydala IAEA revidovanú analýzu černobyľskej havárie, prisudzujúcu hlavnú vinu konštrukcii reaktora a nie chybe operátorov. Analýza IAEA z roku 1986 pritom označovala za hlavnú príčinu havárie činnosť operátorov.

Sovietski vedci vyhlasovali, že černobyľský 4. reaktor obsahoval asi 190 ton oxidu uraničitého a produktov jadrovej reakcie. Odhady množstva uniknutého materiálu sa pohybujú medzi 13 a 30 percentami.
Kontaminovaný materiál z černobyľskej havárie nebol jednoducho rozprášený po okolitej krajine, ale roztrúsil sa nepravidelne v závislosti od počasia. Správy sovietskych a západných vedcov svedčia o tom, že na Bielorusko dopadlo 60 % z kontaminácie, ktorá postihla územie vtedajšieho Sovietskeho zväzu. Rozsiahla oblasť Ruskej federácie južne od Brjansku bola takisto kontaminovaná, rovnako ako časti severozápadnej Ukrajiny.

Na začiatku bol Černobyľ utajovanou katastrofou. Počiatočné dôkazy, že sa stala veľká jadrová havária, nepriniesli sovietske zdroje, ale pochádzajú zo Švédska, kde 27. apríla pracovníci Forsmarkskej jadrovej elektrárne (približne 1 100 km od Černobyľa) našli rádioaktívne častice na svojom oblečení. Švédske hľadanie zdroja rádioaktivity ako prvé naznačilo vážny jadrový problém v západnej časti Sovietskeho zväzu, potom, ako bolo zistené, že problém nie je vo švédskych elektrárňach.

Záver:
Niečo je dobré niečo je zlé. Možno ak by človek bol hlúpy nebolo by toľko mŕtvych vďaka jadrovým bombám lebo by ich nevedel zostrojiť. Je smutné že ľudia používajú svoj rozum a inteligenciu na to aby zabíjali nevinných ľudí. Na rozdiel od manželov Curieovcov, ktorý svojím objavom obohatili boj proti rakovine. Pevne dúfam a verím že niečo také ako jadrové útoky na Japonsko sa na našej zemi už nezopakujú lebo v tejto dobe by to už nebola 3.svetová vojna ale zánik sveta. Dúfam že som vám svojím projektom niečo dal, niečo čo ste nevedeli, a ak ste to aj vedeli aspoň som vám to pripomenul.