N O -ASTRO NO M IC ZN A
J A N B L A T O N
E N E R G IA
JĄDRA ATOMOWEGO
I JEJ WYZYSKANIE
P A Ń S T W O W E z a k ł a d y w y d a w n i c t w s z k o l n y c h
W A R S Z A W A 1948
E N E R G IA
JĄDRA ATOMOWEGO
I JEJ WYZYSKANIE
p a ń s t w o w e z a k ł a d y w y d a w n i c t w s z k o l n y c h
W A R S Z A W A 1948 J A N B L A T O Ń
BIBLIOTEKA FIZYCZNO-ASTRONOMICZNA
POD R E D A K C JĄ S. B Ą K O W S K IE G O
Ilu s tro w a ł D r L . J E Ś M A N O W IC Z
Z a tw ie rd zo n e do u ż y tk u szkolnego pism em M in is te rs tw a O ś w ia ty n r V I O c - 997/47 z d n ia 29 czerwca 1947 r., ja k o książka pom ocnicza polecona do b ib lio te k lice a ln ych .
t
Podpisano do druku dn. 2. 1 .48 E-40142 ^ N akład 10.000 egz.
A rk . d r u k .: 5 Zarządz. 318 Zamówienie n r 1501
Z A K Ł . G R A F. PAŃ S TW O W Y C H Z A K Ł A D Ó W W Y D A W N IC T W S ZK O LN Y C H -BYDGOSZCZ
C z ę ś ć I
P o d s t a w y f i z y c z n e
§ 1. W stęp
W je d ne j ze swych ta k ogrom nym darem proroczym ob
darzonych książek opisuje Jules Verne w yp ra w ę na Księżyc w zam kniętej kabinie. N ie w ą tp liw ie , zdobyte w ostatnich latach m ożliw ości w yzyskania energii atom ow ej przenoszą zagadnienie ra k ie t i podróży m iędzyplanetarnych w sferę ko n kre tn ych mo
żliw ości.
Istotn ie , w spaniałe perspektyw y roztaczają się przed ludz
kością w następstw ie ostatnich' odkryć. A le nowe źródła ener
g ii mogą służyć nie ty lk o postępowi. E n e rg ia atom owa może być w yko rzysta na dla celów d e stru kcyjn ych . Ludzkość stanęła przed a lte rn a ty w ą bądź dalszych w ojen, któ re mogą za sobą pociągnąć zm ierzch obecnej c y w iliz a c ji, bądź też w przęg
nięcia te j e n e rg ii do celów k o n s tru k ty w n y c h , co stanow iłoby brzask now ej, w spanialszej c y w iliz a c ji.
Książeczka ta ma na celu popularne przedstaw ienie zasad, na k tó ry c h opiera się w yko rzystyw a n ie nowego źródła energii, oraz om ówienie ta k zwanej bom by atom ow ej, będącej n a .ra z ie je d y n y m p ra ktyczn ym zastosowaniem te j energii. Rozważania te są oparte na w yd a nym w sie rp niu 1945 ro ku urzędowym a m erykańskim raporcie H . D. Sm ytha, w k tó ry m zostały ogło
szone częściowo w y n ik i prac nad energią atom ową. Bardzo w ie lu szczegółów dotychczas nie opublikow ano dla zachowania ta je m n ic y p ro d u k c ji bom by atom ow ej. Ogłoszona część w y n i
k ó w w ystarcza jednak, aby się zorientow ać w zasadniczych problemach.
W tekście książeczki a u to r s ta ra ł się dokładnie omówić każde nowowprowadzone pojęcie. A b y je d n a k u ła tw ić C zytel
n ik o w i operowanie n ow ym i dla niego pojęciam i, zamieszczono na końcu przypisy, w k tó ry c h zestawiono ważniejsze pojęcia i pra w a używane w te j książeczce.
§ 2. Równoważność m asy i energii
że ogrom ne energie drzem ią u k ry te w m a te rii, o ty m fiz y kom ju ż wiadom o od kilkudziesięciu la t. To odkrycie fu n d a m entalne zawdzięczamy E in ste in o w i, k tó r y w 1905 ro ku na drodze rozważań teoretycznych doszedł do pra w a rów now ażno
ści m asy i energii. W m yśl te o rii E in ste in a m a te ria je s t ja k b y skondensowaną postacią e nergii. W zrost m asy ciała oznacza wzbogacenie e ne rg ii tego ciała i na o d w ró t: p rz y w ydzielaniu ene rg ii masa ciała maleje. Rów now artość energetyczną masy o trz y m u je m y mnożąc masę ciała w yrażoną w gram ach przez k w a d ra t prędkości św ia tła , czyli przez liczbę niezm iernie dużą, rów ną 9.1020 (c m /s e k )2. W ten sposób masie 1 gram a je s t ró wnoważna energia 9.1020 ergów. Jeżeli energię tę w y ra z im y w jednostkach częściej używ anych w życiu p ra ktyczn ym , t j.
w kilow atgodzinach (s k ró t k W h ), to o trzym am y 1 g ra m = 25 m ilio n ó w kW h.
In n ą powszechnie używaną jednostką e n e rg ii je s t ta k zwa
na duża k a lo ria (s k ró t K a i), czyli ilość e ne rg ii cieplnej po
trzebna do podniesienia te m p e ra tu ry 1 k g w ody o 1° C. W ty c h jednostkach m a m y:
1 g ram = 22 m ilia rd y K ai.
A le to, że m a te ria je s t ta k im kolosalnym z b io rn ik ie m
•energii, me m ów i jeszcze, ja k tę energię ko n kre tn ie w yzw o iić w postaci pracy, ciepła lu b prom ieniow ania. Już dawno np.
obliczono, że na skutek u b ytku ogrom nej ilości e nergii, k tó rą Słońce w ysyła w postaci prom ieniow ania, m usi ono tra c ić masę 4 m ilio n ó w ton w ciągu 1 sekundy. D opiero ostatnie dziesię
ciolecie pozw oliło w y ja ś n ić procesy, dzięki k tó ry m Słońce za
m ienia masę na energię prom ienistą.
§ 5. Budowa atomu
żeby zrozumieć m echanizm zam iany m asy na energię, m u
sim y sięgnąć do procesów atom owych. D la chem ików atom je s t tą ostatnią cegiełką, z k tó re j zbudowana je s t m ateria. Jak m a łym i tw o ra m i są atom y, uzm ysłow i nam następujący o b ra z : atom am i jednego ty lk o m ilig ra m a uranu, u sta w io n ym i w sze
reg w odstępach 0,1 m m , m oglibyśm y opasać ku lę ziemską wzdłuż ró w n ik a 6 m ilio n ó w razy.
B adania R u th e rfo rd a w ykazały, że ten niezm iernie m ały atom je s t skom plikow anym tw o re m zbudowanym podobnie, ja k układ p lanetarny. W środku atom u zn a jd u je się ją d ro skupia
jące w sobie p ig w ie całą masę atomu. Jądro to je s t elektrycznie naładowane i posiada nabój dodatni. Naokoło ją d ra krążą ujem nie naładowane elektrony, k tó re są tysiące ra zy lżejsze od ją d ra . Ic h nabój u je m n y rów now aży nabój dodatni ją d ra . W szystkie znane nam do niedaw na procesy ro z g ry w a ją się w powłoce elektronow ej atomu. Jądro, głęboko u k ry te pod w a r
stw ą elektronow ą, żyje, że ta k pow iem y, w „sp le n d id iso la tion “ , strzeżone przed dodatnio naładow anym i in tru z a m i sw oim w ła snym dodatnim nabojem , a przed ujem nie naładow anym i — przez elektrony.
M im o że w ją d rze skupiona je s t p ra w ie cała masa atomu, to jednak ro z m ia ry ją d ra są bardzo małe w porów n a niu z roz
m ia ra m i całego atomu. W yobraźm y sobie, że oglądam y np.
atom "chloru w powiększeniu s tu m ilia rd o w y m . W obrazie ty m e le ktro n y k rą ż y ły b y po o rb ita ch o prom ieniach od 50 cm do 15 m etrów , prom ień zaś ją d ra znajdującego się w środku atomu w y n o siłb y niecały m ilim e tr.
G łów nym przedm iotem naszych rozważań będzie ją d ro ato
mu, siedlisko ty c h ogrom nych, now ych źródeł e nergii, któ re stanow ić będą o obliczu św ia ta w n ajbliższej epoce. E nergie te przekraczają m ilio n y ra z y energie, k tó re m o ż e m y . uzyskać z pow łoki elektronow ej atom u. E nergie w yzw alane w reakcjach chem icznych, a więc w procesach ro zg ryw a ją cych się w powłoce
e lektronow ej atom ów, są więc znikom e wobec tych, któ re może
m y uzyskać z ją d ra atomu.
Budowę ją d ra om ów im y n a jle p ie j na paru p rze jrzystych przykładach.
a) R ozpocznijm y od atom u w odoru (sym bol chem iczny H ) , ja k o najprostszego atom u, ponieważ naokoło ją d ra w odoru k rą ży ty lk o jeden elektron. B adania nad ją d re m w odoru w ykazały, że is tn ie ją aż trz y rodzaje wodoru, znam y bowiem tr z y rodzaje ją d e r wodorowych.
N ajczęściej spotykanym ją d re m w odoru je s t tzw . proton, cząstka o naboju dodatnim , ró w n ym co do w a rto ści nabojow i elektronu oraz masie 1840 razy w iększej od m asy elektronu.
Jądro to oznaczamy symbolem 1H .
Obok w odoru 'H w ystępuje jeszcze w przyrodzie, ale o wiele i zadziej, w odór, którego ją d ro je s t dwa razy cięższe od protonu.
Jądro to składa się z dwóch cząstek: z protonu oraz cząstki ió w n ie ciężkiej, ja k proton, ale elektrycznie obojętnej. Cząstkę tę nazwano neutronem . Ten d ru g i rodzaj w odoru nosi nazwę ciężkiego wodoru. Oznaczamy go symbolem 2H .
Is tn ie je wreszcie trze ci rodzaj wodoru, nie w ystępujący w praw dzie w przyrodzie, ale o trz y m y w a n y sztucznie. Jądro jfig ó je s t t iz y ra zy cięższe od protonu. Składa się ono z trzech cząstek: jednego protonu i dwóch neutronów (sym bol 3H ) . Ten trzeci rodzaj w odoru je s t zresztą n ie trw a ły . Po pewnyrru.
okresie, wynoszącym średnio kilka d zie sią t la t, ją d ro jego roz
pada się.
Te tr z y rodzaje w odoru przedstaw ia schematycznie ryc. 1.
W szystkie te tr z y ją d ra m ają jedną zasadniczą cecho w s p ó ln ą . niosą ten sam nabój elektryczny, m ianow icie nabój pi otonu. Dlatego też naokoło każdego z tych ją d e r k rą ży jeden elektron. W szystkie te tr z y rodzaje w odoru m a ją bardzo podobne własności fizyczne i chemiczne, ponieważ decyduje o nich w pierw szym rzędzie fa k t krążenia jednego elektronu naokoło ją d ra .
Z w y k ły w odór w ystę pu ją cy w przyrodzie je s t mieszaniną lekkiego w odoru lH i ciężkiego w odoru - l i z bardzo dużą prze-
e le k tr o n
Ryc. 1.
T rz y rodzaje w odoru. Jądra w s z ystkich trzech rod zajó w w odoru za
w ie ra ją po je d n y m protonie, ró żn ią się nato m ia st liczbą neu tro n ów w jądrze. Jądra *H i *H są trw a łe . Jądro jest n ie trw a łe . wagą tego pierwszego (w 1 tonie zwykłego w odoru je s t zale
dw ie 150 gram ów ciężkiego w o d o ru ).
Przez połączenie w odoru z tlenem o trzym u je m y, ja k w ia domo, wodę. Połączenie ciężkiego w odoru z tlenem daje tzw . ciężką wodę. Ciężka woda ma podobne własności, ja k zw ykła woda, je j tem pe ra tura krzepnięcia w ynosi je d na k 3,8° C., zaś tem pe ra tura w rzenia — 101,4° C. .
b) P rze jd ziem y teraz do atomu helu (sym bol H e ). W atom ie helu dokoła ją d ra krążą dwa elektrony. W przyrodzie w ystę
p u ją dwa rodzaje h e lu : ĄHe, którego ją d ro składa się z czte-
Ryc. 2.
S k ła d n ik i trw a ły c h ją d e r helu.
P ro ton y ( + ) i n e u tro n y (zakresko-
wane). • •
rech cząstek, t j . dwóch pro to n ów i dwóch neutronów , oraz zHe, którego ją d ro składa się z trzech cząstek, t j . dwóch p ro to nów i jednego neutronu (Ryc. 2 ). Jądro 4He nosi też nazwę cząstki a.
c) R ozpatrzm y z kolei atom lit u (sym bol L i) . W okół ją d ra krążą tr z y elektrony. Is tn ie ją dwa trw a łe rodzaje ją d e r l i t u : ':,L i (3 p ro to n y + 3 n e u tro n y)o ra z 7L i (3 p ro to n y + 4 n e u tro n y ).
W ten sposób możemy postępować dalej, przechodząc do dalszych p ie rw ia s tk ó w o coraz to w iększej liczbie elektronów krążących w okół ją d ra . Liczba tych elektronów decyduje zawsze o charakterze danego p ie rw ia stka . Liczbę tę nazyw am y l i c z b ą a t o m o w ą lu b też num erem atom ow ym p ie rw ia s tk a
(liczba atom owa w odoru je s t więc 1, helu 2, lit u 3 itd .) . Liczba protonów w ją d rze je s t rów na ilości krążących elektronów , po
nieważ atom ja k o całość je s t elektrycznie obojętny. N a tom iast liczba neutronów wbudow anych w ją d ro określonego p ie rw ia s t- . ka może być rozm aita (w helu 1 lub 2, w lic ie 3 lub 4 ). Te różne odm iany danego p ie rw ia s tk a nazyw am y jego izotopam i.
O m ów iliśm y w naszych przykładach tr z y izotopy w odoru 1H , -H i 3H , dwa izotopy helu 3He i xHe oraz dwa izotopy lit u 6L i i 7L i. Liczbę w szystkich cząstek tw orzących ją d ro (suma protonów i n eutronów ) nazyw am y l i c z b ą m a s o w ą danego izotopu. Liczbę ,tę dopisujem y u g ó ry p rz y symbolu chem icznym p ie rw ia stka .
W y n ik i te można ta k zebrać: c h a r a k t e r c h e m i c z n y p i e r w i a s t k a w y z n a c z o n y j e s t p r z e z j e g o l i c z b ę a t o m o w ą , t o j e s t l i c z b ę p r o t o n ó w w j ą d r z e ; j e g o i z o t o p y r ó ż n i ą s i ę l i c z b ą n e u t r o n ó w w j ą d r z e i m a j ą r ó ż n e l i c z b y m a s o w e .
D la p rzykła du om ów im y jeszcze izotopy węgla (sym bol C ), którego num er atom ow y je s t 6. T rw a łe izotopy węgla m a ją - liczby masowe 12 i 13. Izotopy te oznaczamy przez 12C (6 p ro to - nów i 6 n eu tro nó w ) i 13C (6 protonów i 7 n e u tro n ó w ). W zw y
k ły m węglu, będącym m ieszaniną obu izotopów, je s t około 1%
cięższego izotopu 13C (Ryc. 3).
§ 4. U ran
P rzejdźm y teraz do p ie rw ia s tk a o najw yższej liczbie ato
m ow ej, ja k a w ystępuje w przyrodzie. Jest nim uran, m etal dość rza d ki, którego ru d y w postaci, tzw . blendy sm olistej
z n a jd u ją się w Stanach Zjednoczonych (C olorado), w pół-
• nocnej Kanadzie (W ie lk ie Jezioro N iedźw iedzie), w Czechosło
w a c ji (Jachym ow o) i w Kongo B e lg ijs k im . U ra n będzie nas
Ryc. 3.
Jądra trw a ły c h izoiopów węgla. P ro ton y ( + ) i n eu tro n y (zakreskowane).
szczególnie interesow ał, gdyż dotychczas je s t 011 je d y n y m do
stawcą na większą skalę now ej e ne rg ii, tzn. e ne rg ii ją d ra atomowego. U
N u m e r atom ow y ura nu w ynosi 92, tzn. naokoło ją d ra u ra nu krą żą 92 elektrony. Jądro u ra nu zaw iera w ięc 92 protony.
W p rzyrodzie w ystę p u ją tr z y izotopy uranu o liczbach m asowych 234, 235 i 238, czyli w g oznaczeń § 3 23iU, 235Ł7 i 238L \ Izotop 234U w ystępuje w u ra n ie w ta k znikom ym procencie, że - nie p otrzebujem y brać go pod uwagę. U ra n w ystę pu ją cy w p rzyrodzie je s t m ieszaniną izotopów o składzie procentow ym zawsze ta k im samym, a m ia n ow icie :
235
u
_ o,70/.23817 — 99,3°'.
W je d n ym k ilo g ra m ie zw ykłego u ra nu je s t więc zawsze 7 g 235JJ j 993 g 238u . Te dane trzeba mieć w pam ięci p rz y roz-
*) W e d łu g o statnich danych także p ie rw ia s te k to r (sym bol che
m iczn y Th, n u m e r atom ow y 90) jest w y k o rz y s ty w a n y ja k o źródło energii atom owej.
p a try w a n iu zagadnienia p ro d u k c ji bom by atom ow ej. Jądra izotopów 235u i 238J7 za w ie ra ją oczywiście różną ilość n e u tro nó w :
r35Z7: 235 cząstek = 92 p ro to n y + 143 n e u tro n y 238 U : 238 cząstek = 92 p ro to n y + 146 neutronów N adm ieniam y tu ta j, że ją d ra izotopów u ranu 233I 7 i 23aU nie są ją d ra m i trw a ły m i. Przez w yrzucenie cząstki a (ją d ro 4H e) ją d ro uranu przem ienia się sam orzutnie na inne, znowu n ie trw a łe ją d ro . Izotopy uranu 238U i 233U dają początek dw u rodzinom ciał prom ieniotw órczych. Do je d ne j z ty c h ro d zin należą p ie r
w ia s tk i, ja k rad, polon i inne, o d kryte ju ż w ro ku 1898 przez M a rię Skłodowską-Curie. śre d ni czas, po k tó ry m ją d ro u ranu
~35U,' bądź 2iS[7 sam orzutnie się rozpada, je s t je d na k bardzo ciługi, bo wynosi m ilia rd y la t, i wobec tego w naszych rozważa
niach prom ieniotw órczość tych ją d e r nie gra ro li.
Poza om ów ionym i izotopam i u ranu w y tw a rz a n y je s t obecnie n ie trw a ły izotop u ranu 239I7, którego nie zn ajdu je m y 'A p rz y i odzie. Posiada on k r ó tk i czas życia, po k tó ry m samo
rz u tn ie przem ienia się na in n y p ierw iastek. P ro d u kcja 239t 7 je s t je d n ym z ważnych o gn iw w w y tw a rz a n iu bom by atom ow ej i dlatego om ów im y to zagadnienie obszerniej w je d n ym z pó
źniejszych p a ra g ra fó w .
Jeszcze kilkanaście la t tem u sądzono, że uran przedstaw ia o sta tn i m o ż liw y p ie rw ia ste k w szeregu atom owym . Istotn ie , w przyrodzie nie spotykam y p ie rw ia s tk ó w o w yższym numerze atom ow ym niż 92.
C złowiek pod ty m względem przew yższył je d na k przyrodę i w ostatnich latach udało się sztucznie w ytw a rz a ć niespotykane na ziem i p ie rw ia s tk i o num erach atom owych 93 i 94. T y m i tzw . tra n s u ra n a m i za jm ie m y się b liże j w dalszych paragrafach.
S 5. Proton i neutron
1. O d d z ia ły w a n ie m ię d zy n e u tro n em i ją d re m ato m u
W idzieliśm y, że elem entarnym i skła d nika m i ją d ra są p ro ton y i neutrony. P roton i neutron posiadają p ra w ie tę samą masę. Masa n eutronu je s t ty lk o o 1 p ro m ille większa od m asy
protonu. Obie te cząstki różnią się je d na k ty m , że p ro to n je s t dodatnio elektrycznie naładowany, neutron zaś nie nosi żadnego naboju elektrycznego: je st on elektrycznie obojętny. B ra k ła dunku elektrycznego neutronu b y ł powodem późnego jego o dkrycia. N ie m ając naboju przechodzi neu tro n n ie jako n ie postrzeżenie przez m aterię, ponieważ s iły elektryczne nań nie działają. D opiero p rz y bardzo siln y m zbliżeniu się neutronu do ją d i'a atom u w ystę p u ją m iędzy neutronem a ją d re m pewne siły, tzw . s iły ją d row e, o k tó ry c h później będzie jeszcze mowa. Ze względu na znikome wobec ro zm ia ró w atom u ro z m ia ry ją d ra ta k ie b liskie spotkania neutronu z ją d re m będą na ogół dość rzadkie i neutron może odbyć względnie dużą drogę, zanim się
„zd e rzy“ z ją d rem , tzn. zanim w ejdzie w zasięg s ił ją d ro w ych . Zderzenia neutronu z ją d re m mogą być elastyczne (sprężyste) lu b nieelastyczne (niesprężyste).
Elastyczne zderzenie neutronu z ją d re m możemy sobie w yobrazić ja k o podobne do zderzenia k u l b ila rd o w ych różnych w ielkości. K u la uderzająca (n e u tro n ) w prow adza w ru ch kulę - tra fio n ą (ją d ro ), a sama tra c i na prędkości. U tra co na przez neu tro n energia kinetyczna przechodzi całkow icie w energię kinetyczną uderzonego ją d ra . Obecność w ten sposób w p ro w ą - dzonego-w ru ch ją d ra można ju ż ła tw o doświadczalnie stw ie rd zić dzięki tem u, że posiada ono nabój elektryczny. T akiem u proce
sowi zawdzięczamy w łaśnie odkrycie neutronu w r. 1932 przez angielskiego badacza Chadwicka.
Zderzenia neu tro nu z ją d re m mogą też być nieelastyczne.
M ó w im y o n ich w tedy, gdy niecała energia kinetyczna, k tó rą n eutron tra c i p rz y zderzeniu, przechodzi w energię kinetyczną uderzonego ją d ra , ale częściowo zostaje w n im nagromadzona (pobudzenie ją d r a ) . Nazwa „zderzenie nieelastyczne" pochodzi stąd, że zderzenia te w yka zu ją pewne podobieństwo^do zderzeń k u l niesprężystych (np. z o ło w iu ), p rz y zderzeniu k tó rych zawsze część e ne rg ii kin e tyczn e j uczestników zderzenia zamienia się na ciepło. W ty m sensie można też m ów ić, że ją d ro atomu p rz y zderzeniu nieelastycznym z neutronem zostaje „o g rza ne ".
Jądro pobudzone (c z y li „o g rz a n e ") w raca po bardzo k ró tk im
czasie do stanu norm alnego, w ydzie la ją c otrzym aną energię w postaci kró tkofa lo w e go prom ieniow ania zwanego p ro m ie niow aniem y.
N e u tro n y s ta ły się je d n y m z najpotężniejszych środków do badania ją d ra atomowego, ponieważ b ra k s ił elektrycznych m iędzy ją d re m i neutronem pozwala tem u ostatniem u prze
n ikn ąć do w n ę trza ją d ra .
N e u tro n w n ik a ją c y do ją d ra może pozostać w jądrze, tw orząc now y izotop o zwiększonej o jeden liczbie masowej.
Powstałe ją d ro je s t wówczas pobudzone i przechodzi do stanu norm alnego w ys y ła ją c prom ieniow anie y . N e u tron może też po w n ik n ię c iu do ją d ra spowodować w yrzucenie in n e j cząstki ją d ro w e j, p rotonu lu b cząstki a.
2. N u kle o n
F a kt, że proton i neutron posiadają p ra w ie rów ne masy, w skazuje na to, że m iędzy protonem a neutronem zachodzi ja kie ś bliskie pokrew ieństw o. Isto tn ie , p rz y jm u je m y d zisia j, że proton i neutron są dwoma stanam i te j samej cząstki nazwanej n u k l e o n e m (nucleus = ją d r o ) .
W m yśl te j hipotezy p ro to n je s t stanem elektrycznie na
ładowanym , neutron zaś — stanem elektrycznie obojętnym n u kleonu. Ze względu na nieco większą masę neutronu je s t on, w m yśl praw a E insteina, bogatszym w energię stanem nukleonu aniżeli proton.
Z tego p u n k tu w idzenia należy p rzyją ć, że w pewnych w arunkach je s t m ożliw a przem iana neutronu w pro to n i na o dw rót.
Obrazowo możemy powiedzieć, że nukleon, ja k a k to r, może występować bądź w r o li uzbrojonego w nabój dodatni protonu, bądź w r o li nieuzbrojonego neutronu. P rz y ty m , aby pozostać p rz y naszym obrazie, nie w id z im y bezpośrednio na scenie prze
chodzenia z jednej r o li w drugą. Zm iana ró l zachodzi' za k u li
sami, w niedostępnym dla w idza ją d rz e atomu.
Jeśli neu tro n przem ienia się w proton, to m usi p rz y ty m powstać dodatni nabój elektryczny, którego nosicielem je s t proton. A le ła d u n ki elektryczne mogą powstawać ty lk o param i, tzn. równocześnie z narodzinam i pewnego naboju dodatniego pow staje ró w n y co do w ielkości nabój ujem ny. C ałkow ita ilość naboju elektrycznego pozostaje bow iem zawsze ta sama. Co się więc dzieje z pow stałym p rz y przem ianie neu tro nu w proton nabojem ujem nym , ró w n ym n a b o jo w i elektronu? N a zew nątrz w y la tu je w tedy zawsze z ją d ra elektron, k tó r y je s t ostatecznym nosicielem tego ujemnego ładunku. W y la tu ją c y elektron je s t zatem na zew nątrz w id o m ym znakiem dokonanej przem iany.
Ryc. 4.
N eutron w jądrze może się zam ienić na proton p rzy równoczesnym w yrzu ce n iu elektronu-
Prawdopodobnie jed na k e le ktron nie pow staje w jądrze od razu p rzy przem ianie n eu tro n u na proton. Is tn ie je dziś hipoteza, że p rz e j
ściowo pow staje p rzy tej przem ianie cząstka do niedaw na jeszcze nieznana, tzw . mezon uje m n ie naładow any, około 200 razy cięższy od e le ktron u, stąd też nazw any ciężkim elektronem . Tego rod zaju cząstka o d k ry ta została w ro k u 1938 w p ro m ie n ia ch kosm icznych. Mezon rozpada się jeszcze w jądrze na e le ktron i drugą, na razie dość ta je m niczą, cząstkę e le ktrycznie obojętną, tzw. neutrino. N e u trin o ma masę zn iko m ą wobec m asy n eutronu, a naw et o w iele m niejszą n iż elektron.
Chociaż is tn ie n ia n e u trin a dotychczas dośw iadczalnie nie udow odnio
no, to is tn ie n ie jego jest dość prawdopodobne.
3. J ąd ra p ro m ie n io tw ó rcze
Jeśli w ją d rze jeden z neutronów zam ienia się w w yżej opisany sposób na p ro to n p rz y równoczesnym w yrzuceniu na zew nątrz elektronu, to taka sam orzutna przem iana wskazuje, że ją d ro w yjściow e nie było trw a łe . N ie trw a le ją d ro może przez pewien czas żyć, t j . pozostawać w stanie p ie rw o tn ym , ale po k ió ts z y m lub dłuższym czasie przem ienia się ono w nowe ja d ro . Takie n ie trw a łe ją d ro nazyw am y ją d re m prom ieniotw órczym .
N ow opowstałe ją d ro aw ansuje w stosunku do dawnego w numerze atom ow ym o jedno miejsce (p rz y b y ł jeden p ro to n ) p rz y niezm ienionej liczbie masowej (u b y ł w to miejsce jeden n e u tro n ).
Jeden z w ielu przykła dó w ta k ie j przem iany obserw ujem y na w spom nianym w § 3 n ie trw a ły m ją d rz e w odoru 3H składającym się z jednego protonu i dwóch neutronów . Jądro to je s t pro m ie niotw órcze, gdyż w yrzuca elektron p rz y równoczesnej zam ianie neutronu w proton. Nowopowstałe ją d ro je s t w m yśl powyższego ją d re m 3He, k tó re ju ż je s t trw a łe .
Taką samą przem ianę przechodzi też n ie trw a le ją d ro n a j
cięższego, nie spotykanego w przyrodzie, izotopu u ranu 239U.
Izotop ten przez w yrzucenie eletrońu przem ienia się po dość k ró tk im żywocie, wynoszącym średnio pół godziny, w nowy, nieznany dotychczas p ie rw ia ste k o numerze atom ow ym 93.
N ow opow stałe ją d ro je s t w ty m w ypadku też n ie trw a le i prze
chodzi dalszą podobną przemianę.
O m ó w iliśm y nieco obszerniej proces p rzem iany neutronu w pro to n w jądrze, ponieważ przem iana ta gra dużą rolę w za
gadnieniu w yzyskania e n e rg ii atom ow ej.
Obok tego procesu m o ż liw y je s t też w ją d rze proces od
w ro tn y : p rzem iany pro to n u w neutron. P rz y ty m procesie nukleon tra c i dodatni nabój, k tó r y nie może zniknąć (p ra w o zachowania n a b o ju !), ale m usi się p o jaw ić na cząsteczce, k tó ra p rz y ty m pow staje. Na zew nątrz ją d ra w y la tu je wówczas cząstka dodatnio naładowana o te j samej masie co elektron.
N azyw am y ją ze względu na dodatni znak naboju p o z y t r o - n e m . (D la s y m e trii należałoby elektron nazwać negatronem ).
Cząstka ta została o d k ry ta w ty m samym ro ku co neutron przez C. D. Andersona w Am eryce. Przyczyną ta k późnego odkrycia je s t duża rzadkość pozytronów . W yrzucanie pozytronu przez ją d ro je s t oznaką, że ją d ro to je s t n ie trw ałe. P rzem ienia się ono na nowe ją d ro o numerze atom ow ym o jeden niższym w stosunku do dawnego (u b yte k jednego p ro to n u ) p rz y nie
zm ienionej liczbie masowej (p rz y b y ł jeden n e u tro n ).
Jąder w yrzucających p ozytrony nie spotykam y w p rz y ro dzie. P o tra fim y je d n a k sztucznie w y tw o rz y ć tego ty p u prom ie
niotw órcze ją d ra . Zostało to po raz pierw szy dokonane w r. 1934 przez małż. Joliot.
W obecnym stadium w yzyskania e ne rg ii atom ow ej ją d ra p rom ieniotw órcze w ysyłające p ozytro n y nie g ra ją ro li.
§ 6. G ranice obrazu cząsteczkowego1)
W spom inaliśm y ju ż, że ją d ro n ie trw a łe , ja k np. ją d ro w o
doru 3H , przem ienia się po pew nym czasie w yrzu ca ją c elektron.
Czas, po k tó ry m następuje sam orzutna przem iana, nie je s t dla w szystkich ją d e r 3H ta k i sam.
R ozpatrzm y zespół bardzo w ie lu ją d e r 3H , np. m ilia rd . Okazuje się, że poszczególne ją d ra rozpadają się w różnych c h w ila c h : n ie któ re ju ż po k ilk u sekundach, inne dopiero po w ie lu latach, zawsze je d na k ta k , że po 31 latach połowa tych ją d e r się rozpadnie. Czas ten nazyw am y c z a s e m p o ł o w i c z n e g o zaniku 3H .
K ażdy p ie rw ia ste k p ro m ie niotw ó rczy posiada sw ój ściśle określony czas połowicznego zaniku. Jego w a rto ść zm ienia się dla rozm aitych p ie rw ia s tk ó w prom ieniotw órczych w bardzo szerokich g ra n ica ch : od m ilio no w ych części sekundy (np. dla ThC ’ , izotopu polonu) do w ie lu m ilia rd ó w la t (np. dla 238Z7 lub 232T h ). M a m y tu ta j p rzykła d pra w a fizycznego odnoszącego się do zbiorow iska bardzo w ielu identycznych atom ów, k tó re jednak nic nie m ó w i o zachowaniu się pojedynczego atomu.
') P rzy pierw szym czyta niu może C z y te ln ik ten §, ja k o nieco tru d n ie js z y , pom inąć.
N asuwa się tu od razu pytanie. Czy nie można dla pojedyn
czego ją d ra przewidzieć c h w ili jego sam orzutnej przem iany?
A jeżeli nie teraz, to może w przyszłości postęp n a u k i pozw oli przewidzieć chw ilę sam orzutnej p rze m ia ny poszczególnego ją d ra ? N im na to pyta n ie odpow iem y, m usim y tu wspomnieć o pewnych doświadczeniach, któ re zm ie n iły bardzo głęboko nasz pogląd na m aterię. Doświadczenia te w ykonane zostały po raz pierw szy w r. 1927 przez Davissona i Germera, a potem zostały w ie lo k ro tn ie potwierdzone przez in n ych badaczy, m iędzy in n y m i w Polsce przez Szczeniowskiego. Dowodzą one, że elektron (ta k - samo zresztą ja k pro to n i n e u tro n ) posiada obok swych w ła sności cząsteczkowych albo, ja k m ów im y, ko rp usku la rn ych pewne cechy falow e. Falę w przestrzeni w yobrażam y sobie ja k o stan, w k tó ry m w re g ula rn ych odstępach m am y „ g ó r y “ i „ d o li
n y ", albo d o k ła d n ie j: pewien stan drgania, k tó r y w regularnych odstępach przechodzi przez m aksim um i m in im um . Odstęp m iędzy dw iem a sąsiednim i g óram i nazyw am y długością fa li.
C ały ten układ „ g ó r “ i „d o lin ” przesuwa się w czasie z pewną prędkością. Jeśli, ja k w y n ik a z przytoczonych w yżej doświad- • czeń, elektron ma być reprezentow any przez falę, to obraz ten w yłącza wyobrażenie elektronu ja k o cząstki, k tó ra się znajduje, w określonym m iejscu. Bo fa la je s t czymś niezlokalizow anym , czymś, co rozciąga się w dużym obszarze przestrzeni, podczas gdy w pojęciu cząstki tk w i ju ż pojęcie je j lo k a liz a c ji (Ryc. 5).
Byc. 5.
Dwoistość m a te rii
Jak więc należy pogodzić te dwa wyłączające się obrazy ele ktro nu, z k tó ry c h każdy na swe uzasadnienie może podać pewne doświadczenia ?
Nasze w yobrażenia o świecie atom ow ym są uform ow ane na podstawie m odeli w ziętych ze św iata bezpośrednio dostępnego naszym zmysłom. A le ś w ia t atom ow y nie je s t bezpośrednio naszym zm ysłom dostępny. N ie możemy śledzić biegu elektronu czy protonu tak, ja k śledzim y bieg p iłk i na meczu footballow ym . Toteż m usim y się pogodzić z ty m , że nasze w yobrażenie o elek
tro n ie ja k o czymś, co posiada cechy cząstki m ającej w' każdej c h w ili określone położenie i określoną prędkość, je s t złudzeniem o p a rtym na nieuzasadnionym przeniesieniu pojęć z m a kro św ia ta do św iata atomowego.
M im o to operow aliśm y pojęciam i elektronu (lu b p ro to n u) ta k, ja k b y ś m y go sobie w yo b raża lj na k s z ta łt m a le ńkiej kuleczki.
Jest to dopuszczalne, ale ty lk o w pewnych granicach. Granice te zakreśla obraz falow y.
Jak pokazuje doświadczenie, fa la , k tó rą należy przypisać e le ktron o w i o zadanej prędkości, posiada ściśle określoną d łu gość (ta długość fa li je s t odw rotnie p ro porcjonalna do szyb
kości e le k tro n u ). Falę związaną z elektronem możemy na
zwać „fa lą wiadom ości o e le ktron ie 1*, ponieważ w każdym m iejscu je j a p ip litu d a (najw iększe w ychylenie p rz y d rg a n iu ) m ó w i nam, ja k ie są szanse na znalezienie elektronu w ty m m iejscu.
Jeśli elektron posiada określoną prędkość, to obraz fa lo w y m ó w i nam, że jego położenie je s t nieokreślone, ponieważ fala o danej długości f a li m usi się rozciągać po całej przestrzeni.
Jeśli n atom iast o elektronie w iem y, że zn a jd u je się on w pe
w n ym bardzo m ałym obszarze przestrzeni, to „ fa la wiadom ości o elektronie** m usi znikać wszędzie poza ty m obszarem. Fala taka, nazwana „paczką falową**, nie posiada ju ż określonej d łu gości f a li (Ryc. 6 ).
Można ją je d na k otrzym ać przez nałożenie w ie lu fa l mono
chrom atycznych ( t j. fa l, z k tó ry c h każda ma sw oją określoną długość), je że li te fale ta k dobierzemy, aby się one w zajem nie wygaszały poza rozw ażanym obszarem (in te rfe re n c ja f a l) . Po
nieważ w paczce fa lo w e j reprezentowane są fa le o różnych
długościach fa li, to „paczka fa lo w a wiadom ości o elektronie*' określając położenie elektronu pozostawia jego prędkość n ie określoną.
Ry?. 6.
Paczka falow a. Paczką fa low ą możemy otrzym ać n a k ła d a ją c na siebie szećeg fa l m onochrom atycznych o różniących sią nieco długościach
fa li. (O dpow iednik w akustyce — dudnienie).
f
Model elektronu ( ja k rów nież protonu i n eu tro nu ) ja k o m a
łe j kuleczki możemy więc stosować ty lk o w ty m w ypadku, jeżeli nie p rzyp is u je m y ele ktron o w i określonego położenia i określo
nej prędkości równocześnie. Wobec zasadniczej nieoznaczoności prędkości elektronu w danym położeniu, nie można dokładnie przewidzieć, gdzie elektron znajdziem y po pewnej c h w ili.
Równoczesne własności falow e i korp usku la rn e elektronu, p rotonu i neutronu nie dadzą się więc pogodzić z m ożliwością przew idzenia przyszłych losów poszczególnej cząstki.
Obecna teoria kw antów , oparta na te j dwoistości falow o- cząsteczkowej, pozwala je d na k przew idzieć średnie zachowanie się cząstki w szeregu ta k ic h samych sytu a cji.
C ały szereg p ra w fiz y k i atom ow ej ma więc ch arakte r statystyczny. Tego ro d zaju pra w a statystyczne rządzą też prze
m ianą ją d er. Dlatego nie p o tra fim y określić c h w ili, w k tó re j statystyczny. Tego rodzaju praw a statystyczne rządzą też p rz e m ianie, możemy ty lk o obliczyć czas połowicznego zaniku dla bardzo wrie lk ie j ilości ją d er.
W dalszych p a rag ra fach nie będziemy się ju ż odw oływ ali do obrazu falowego, a to jedynie dlatego, że nie w ykła d am y tu - 18
ta j całej te o rii ją d ra atomowego, lecz p ragniem y je d ynie po
glądowo uzm ysłow ić pewne w y n ik i te o rii.
Dobrze je d na k je s t zdać sobie sprawę z g ra n ic stosowalno
ści obrazu cząsteczkowego, aby uniknąć w yciągania częstokroć błędnych wniosków .
§ 7. S iły jąd ro w e
M iędzy cegiełkam i budow y ją d ra , tzn. p ro to n am i i neutrona
m i, muszą działać pewne siły , k tó re s p ra w ia ją , że ją d ro nie ro z la tu je się, lecz je s t tw o re m trw a ły m . Rodzaj ty c h sił nie je s t jeszcze ostatecznie w y ja śn io n y. O pewnych własnościach tych s ił możemy je d na k w nioskow ać na podstawie naszych w ia domości o ją d rach . S iły wiążące cegiełki ją d ra w jedną całość nazyw am y s iła m i w iązania lub też s iła m i ją d ro w y m i.
S iły elektryczne w ją d rze pow odują odpychanie się wza
jem ne ró w noim iennie naładowanych protonów . W skutek tego s iły te nie d zia łają wiążąco na ją d ro , lecz o dw rotn ie — rozsa- dzająco. S iły elektryczne nie mogą wobec tego być siła m i w ią zania ją d ra . N a obojęttie elektrycznie neu tro ny s iły te w ogóle nie działają,
działają.
S iły w iązania są więc s iła m i zupełnie now ej n a tu ry . Muszą one być s ila m i p rzyciągania m iędzy w szelkim i nukleonam i, n ie zależnie od tego, czy w ystę pu ją one w r o li protonów , czy neu
tro nó w . Różnią się one od sił elektrycznych jeszcze jedną w łas
nością. S iły elektryczne d zia łają na znaczną odległość. (W edług p ra w a Coulomba s iły te są o dw rotn ie proporcjonalne do k w a d ra tu odległości m iędzy naładow anym i cząstkam i, tzn. p rz y d w u k ro tn e j odległości siła ta m aleje czte ro k ro tn ie ). Z nikom e w sto
sunku do w ielkości całego atom u ro z m ia ry ją d ra w skazują, że s iły ją d row e m a ją o wiele m n ie jszy zasięg niż s iły elektryczne.
Ten sam wniosek możemy wysnuć z fa k tu , że s iły m iędzy n e u tro nem a ją d re m w ystę p u ją dopiero p rz y bardzo s iln y m zbliżeniu neutronu do ją d ra ( ja k to o m ów iliśm y w § 5 ).
M a ły zasięg działania s ił ją d ro w y c h spraw ia, że każdy nu
kleon w ją d rze w y w ie ra s iły ją d ro w e ty lk o na swoich n a jb liż
szych sąsia-dów, a nie działa ju ż na b ardziej odległe nukleony tego samego ją d ra . Jądro atom u dość często nprów nyw a się z kro p lą cieczy: podobnie ja k d ro b in y k ro p li d zia łają ty lk o na d ro b in y bezpośrednio z n im i sąsiadujące, ta k s iły ją d row e dzia
ła ją ty lk o m iędzy bezpośrednio ze sobą sąsiadującym i nukleona
m i w jądrze. Podobnie ja k w cieczy d robiny, nukleony w jądrze są gęsto*obok siebie ułożone (por. ryc. 2 i 3 ). W skutek tego objętość ją d ra je s t w p ro s t propo rcjo n alna do liczb y nukleonów w jądrze. Poza ty m je d na k w ystę pu ją w ją d rze s iły odpychania elektrycznego, działające jeszcze m iędzy ty m i p rotonam i, któ re są b ardziej oddalone od siebie.
W zajem na gra s ił ją d ro w y c h i sił odpychania elektrycznego spraw ia, że nie każda kom binacja protonów i neutronów może tw o rzyć ją d ro . N ie znam y np. ją d ra składającego się z samych protonów (g d y liczba ich przekracza 1). W idocznie s iły odpy
chania elektrycznego w zię łyb y w ty m p rzypadku górę nad siła m i ją d ro w y m i przyciągania rozsadzając natych m ia st ją d ro . Pewna liczba neu tro nó w w ją d rze je s t więc niezbędna, aby s iły p rzyciągania przew ażyły s iły odpychania elektrycznego. T ylko wówczas ją d ro może istnieć.
Osobliwy, ch a ra k te r s ił ją d ro w y c h narzuca rów nież pewną górną granicę dla liczby neutronów w jądrze. G ranica ta zależy od liczby obećnych w ją d rze protonów , czyli od ro d zaju p ie rw ia stka chemicznego. Liczba neutronów w ją d rze danego p ie rw ia stka może wahać się w pew nych granicach, co oznacza możliwość is tn ie n ia szeregu izotopów. N ie k tó re z ty c h izotopów są trw a łe , inne n ie trw ałe, czyli prom ieniotw órcze. Izotop prom ieniotw ói*- czy ulega po pew nym czasie sam orzutnej przem ianie na in n y p ie rw ia ste k w edług następującego p ra w a :
ją d ro posiadające w ięcej neutronów aniżeli jego trw a le izo
to p y zam ienia jeden z n eutronów na proton, p rz y czym na ze
w n ą trz w y la tu je elektron ;
ją d ro posiadające m n ie j neutronów aniżeli jego trw a łe izotopy zam ienia jeden z pro to n ów na neutron, w yrzu ca ją c na zew nątrz pozytron ;
ją d ro n ie trw a łe o pośredniej licżbie neutronów (w g ra n i
cach określonych przez trw a łe izotopy) ulega bądź pierw szej, bądź d ru g ie j przem ianie (por. ryc. 7 ) . 1)
Ryc. 7.
Znane izotopy chloru (Cl). Jądro c h lo ru zaw iera 17 protonów , liczba n e u tro n ó w w aha się od 16 do 21. Izotopy trw a łe oznaczono czarnym i k ó łk a m i. P rzy izotopach n ie trw a ły c h (białe k ó łk a ) znak m in u s (—) w skazuje na rozpad przez w yrzucenie e lektronu, znak plus ( + ) — na
rozpad przez w yrzucenie pozytronu.
Ostatecznie okazują się trw a ły m i ty lk o ją d ra zaw ierające p ro to n y i n e u tro n y w pew nych ściśle określonych proporcjach.
Doświadczenie uczy, że dla ją d e r le kkich (liczba masowa m niejsza od 40) trw a ło ść ją d ra wym aga, aby liczba neutronów była rów na ilości pro to n ów lu b ją ty lk o niecd przewyższała.
D la ją d e r ciężkich trw a ło ść ją d ra w ym aga ju ż znacznej prze
w a g i neutronów . W eźmy dla p rzykła du b rom ( B r ) , gdzie m am y 35 protonów . T rw a łe izotopy brom u za w ie ra ją 44 lub 46 neu tro nó w . Stosunek liczb y neutronów do p rotonów w ynosi tu więc około 1,3. D la ją d e r najcięższych, ja k np. uranu, stosunek ten w ynosi około 1,5.
Jądra zaw ierające w ięcej niż 83 p ro to n y (n u m e r atom ow y 83 przypada na b izm u t B i ) nie posiadają ju ż trw a ły c h izotopów.
D la ją d e r ty c h obserw ujem y (obok przem iany połączonej z w y rzucaniem e le ktron u ) now y, nie w ystę pu ją cy dla lżejszych ją d e r ty p p rzem iany sam orzutnej, polegający na w yrzu ca n iu przez ją d ro cząstki a (por. § 4 ). N asuwa to w*iiosek, że skła d n ik i ją d ro w e są w ty c h ciężkich ją d ra c h ju ż słabiej wiązane.
’ ) P o m in ę liśm y tu nieco rzadziej sp otyka ną przem ianę protonu n a neutron w jądrze" połączoną z pochłonięciem e le ktro n u z p ow łoki e lektronow ej atom u (tzw. przem iana K).
W ją d ra c h najcięższych, zaw ierających 90 lu b w ięcej p ro tonów, spotykam y zupełnie nowe zjaw isko „p ę kan ia ją d ra " , p rz y k tó ry m ją d ro ro z la tu je się na dw ie rów ne części. Proces ten je s t podstawą, na k tó re j opiera się nowe źródło energii.
O m ów im y go obszerniej w § 10.
§ 8. E nergia w iązan ia ją d ra
S iły wiążące p ro to n y i n eu tro ny w jedną całość będącą ją drem atom u pow odują, że do rozbicia ją d ra na jego części skła
dowe, p ro to n y i neutrony, potrzebna je s t pewna praca, czyli pewna ilość energii. E nergię tę nazyw am y energią w iązania ją d ra . Ponieważ energia n ig d y nie ginie, to ta sama ilość ener
g ii, k tó ra je s t potrzebna do rozbicia ją d i’a na poszczególne p ro to n y i neutrony, m usi zostać wydzielona p rz y u tw orzen iu ją d ra z protonów i neutronów. Możemy też w ięc powiedzieć, że ener
gia w iązania je s t tą energią, k tó ra zostaje wydzielona p rz y utw orzeniu ją d ra z p rotonów i neutronów .
1. D e fe k t m asow y
W m yśl pra w a E in ste in a energia je s t rów now ażna pewnej masie. W yobraźm y sobie na chw ilę ją d ro rozłożone na jego części składowe, t j . p ro to n y i neutrony. Dodając do siebie masy tych w szystkich cząstek o trz y m u je m y masę ją d ra , ale ją d ra rozłożonego. Jeśli teraz p ro to n y i n eu tro ny zbliżą się ta k, że u tw orzą gotowe ją d ro , to na skutek w ydzielonej p rz y ty m p ro cesie e ne rg ii w iązania masa tego układu m usi odpowiednio zma
leć. Gotowe ją d ro posiada więc m niejszą masę, aniżeli wynosi ca łko w ita masa jego oddzielnych składników . Różnicę między ty m i dwiem a m asam i nazyw am y defektem m asowym ją d ra . D e fe k t m asowy określa od razu energię wydzieloną p rz y u tw o rzeniu ją d ra , czylhenergię w iązania ją d ra . O m ów iony tu zw ią
zek m iędzy defektem m asowym a energią w iązania posiada do- y niosłe znaczenie. Z n ając dokładnie m asy protonu i neutronu oraz wyznaczając doświadczalnie masę ją d ra , rąożemy ła tw o w yzna
czyć d e fe kt masowy, a zatem energię w iązania.
Zastosujem y nasze rozważania do m ożliw ie prostego p rz y kładu, m ianow icie do ją d ra helu *He. Jądro to składa się z 2 protonów i 2 neutronów . Masa tych cząstek je s t ta k mała.
że niew ygodnie byłoby tu posługiwać się gram em ja k o jednostką masy. Powszechnie używaną w fizyce atom ow ej jednostką ma
sy je s t V i6 część masy atom u izotopu tlenu 160 . Jeśli tę atomową jednostkę masy w y ra z im y w gram ach, to o trzym a m y:
atom owa jednostka masy = l,6603.10—:24 g.
W tych jednostkach masa protonu w ynosi 1,00758, a masa neutronu 1,00893. C ałkow ita masa składników ją d ra helu w y nosi w ięc w ty c h jednostkach:
masa 2 protonów = 2 .1,00758 masa 2 neutronów = 2 . 1,00893
masa skła d nikó w ją d ra = 2.2,01651 = 4,03302.
Masa zaś ją d ra helu wyznaczona z pom iarów w ynosi w tych jednostkach 4,00280. Masa ją d ra helu je s t więc o 0,03022 jedno
s tk i m niejsza niż masa jego oddzielnych składników . Ten de
fe k t masowy określa wydzieloną p rz y tw o rze niu ją d ra helu energię, żeby ją obliczyć, m usim y znać energię rów now ażną w m yśl praw a E in ste in a atom ow ej jednostce masy. W ynosi ona w edług § 2 :
atomowa jednostka masy (Vic masy atomu 160 ) =0,00149 ergów.
Obliczonemu przez nas defektow i masy odpowiada więc energia w iązania ró w n a :
0,00149 ergów . 0,03022 = 0,000045 ergów.
Ta energia w iązania, wynosząca około je d ne j dwudziesto- tysiącznej erga, może się w ydawać C zyte ln ikow i mała, je ś li je d nak uw zględnim y, że w 1 g helu zn a jd u je się 1 5 . 1022 atom ów, to o trzym a m y na energię w ydzieloną p rz y utw orzeniu z p ro to nów i n eutronów 1 g helu w artość rów ną 190000 kW h. Jest to ju ż energia pokaźna, do uzyskania je j w postaci ciepła na
leżałoby spalić 23 to n y węgla.
Z rozważań ty c h w idać, że proces tw orzenia ją d e r, np. helu, z p rotonów i neutronów , b yłb y bardzo ko rzystnym źródłem ener
g ii. N ie znam y je d na k sposobów um o żliw ia ją cych przeprow a
dzenie takiego procesu. A b y sobie uzm ysłow ić inne sposoby w y zyskania e ne rg ii ją d ro w e j, posłużym y się pewną analogią, k tó ra może też u w y p u k lić to, co ju ż pow iedzieliśm y o e ne rg ii w iązania.
2. A n a lo g ia z k lu b e m
W yobraźm y sobie, że pewna ilość lu d zi łączy się w klub, którego s ta tu t wym aga, aby p rz y utw orzeniu k lu b u każdy w stę
p u ją cy w n ió sł jednorazow o pewną kwotę. Całą z tych w kładów uzyskaną sumę k lu b oddaje na „z e w n ą trz ", pow iedzm y na cele społeczne. Łączny m a ją te k zrzeszonych w klu b ie je s t więc o tę kw otę w ydaną na zew nątrz m niejszy od sum y m a ją tk ó w tych ludzi przed ich w stąpieniem do klubu. Jeśli społeczeństwo p ra gnie rozwiązać ten k lu b (bez s tra ty dla cżłonków k lu b u ), to musi ono zw rócić każdemu członkow i jego w kład, a więc wydać łącz
nie tę samą kwotę, k tó rą uzyskało p rz y założeniu klubu. W kład każdego członka k lu b u m oglibyśm y nazwać kw otą w iązania je dnego członka w klubie, bo w y ra ż a ona w kła d pieniężny po
trze bn y do w y rw a n ia tego członka, z zespołu klubowego.
N iechaj teraz społeczeństwo nasze posiada bardzo dużą ilość klu b ów o ro zm a ite j liczbie członków w ahającej się od 20 do 240. W kład członkow ski w każdym klu b ię zależy ty lk o od ilości członków klubu. P rzepisy co do wysokości w kła d ów są nieco osobliwe. N ajw iększe w kła d y, pow iedzm y po 1.000 zł, obow ią
zu ją w klubach o liczbie członków 60. K lu b y o większej i k lu b y o m niejszej ilości członków niż §0 w ym a g a ją w kła d ów człon
kow skich ty m m niejszych, im b ardzie j ich liczba członków od
biega od 60. T ak więc w kła d p rz y 100 członkąch w ynosi po 980 zł, p rz y 140 członkach po 950 zł, a p rz y 240 członkach ju ż ty lk o 860 zł.
Wysokość ty c h w kła d ów członkowskich, w zależności od bczby członków w klubie, obrazuje ryc. 8.
P rzypuśćm y teraz, że pomyślane przez nas społeczeństwo potrzebuje w pew nej c h w ili dość znacznych funduszów i szuka sposobów ich zdobycia. Oczywiście, ła tw o b yłoby m u zdobyć te
fundusze, gdyby is tn ia ł sposób zmuszenia luzem chodzących oby
w a te li do utw orzenia klubów . Wówczas bowiem społeczeństwo otrzym ałoby, w m yśl sta tu tu klubów , k w o ty uzyskane z w kładów
Ryc. 8.
Porów nanie e ne rg ii w ią z a n ia jednej cząstki w jądrze do w k ła d u członkowskiego w k lu b ie
członkowskich. T akie przym usowe łączenie poszczególnych oso
b ników w k lu b y okazuje się je d na k nie do przeprowadzenia. A le m in is te r skarbu naszego społeczeństwa wpada w łaśnie na dosko
n a ły pom ysł. Oto bieg jego m y ś li: „ W klubach bardzo licznych w k ła d y członkowskie są stosunkowo niskie. W ta k im np. klubie o 240 członkach każdy członek w p ła c ił zaledwie po 860 zł, pod
czas gdy w klu b ie o połowę m n ie j licznym , o 120 członkach, w k ła d w ynosi po 970 zł. G dyby m i ktoś znalazł sposób na ro z b i
cie klu b ó w o 240 członkach na dwa m niejsze klu b y, z k tó ry c h b y jeden posiadał np. 100, a d ru g i 140 członków, to każdy z członków starego klubu, przechodząc do nowego klu b u, m u
siałby dopłacić do poprzedniego w kładu różnicę m iędzy wyso
kością w kła d u w sta ry m i now ym k lu b ie ."
» O bliczm y zysk takiego rozszczepienia: w s ta ry m klubie w kła d członka w yn o sił 860 zł, w klu b ie o 100 członkach w kład w ynosi 980 zł, a w klu b ie o 140 członkach w ynosi on 950 zł.
Osoby w stępujące do nowego klu b u o 100 członkach muszą więc
dopłacić po 980 zł — 860 zł = 120 zł, osoby zaś w stępujące do no
wego klubu o 140 członkach - dopłacić po 950 zł — 860 zł = 90 zł.
C ałkow ita dopłata w szystkich członków razem w yniesie więc
100 . 120 zł + 140 . 90 zł = 24600 zł.
Z ysk 24600 zł z rozszczepienia klu b u o 240 członkach na dwa m niejsze je s t więc wcale pokaźny. Masowe rozszczepienie licznych klubów tego rodzaju dałoby więc społeczeństwu b a r
dzo pokaźne fundusze. Temu rozum ow aniu naszego m in is tra fin a n só w nie można nic zarzucić.
W róćm y jednak do ją d ra atomowego. C zytelnik zoriento
w a ł się zapewne, że k lu b y w powyższym obrazie m a ją uzm ysło
w ić ją d ra atomowe, zaś brzęcząca moneta je s t odpow iednikiem energii.
W szczególności kw o ta oddana przez k lu b społeczeństwu p rz y jego założeniu uzm ysław ia energię wydzieloną przez ją d ro p rz y jego utw orzeniu, a w ięc energię w iązania ją d ra . Dzieląc tę energię w iązania przez liczbę cząstek w jądrze, czyli liczbę masową ją d ra , o trz y m u je m y energię w iązania je d ne j cząstki w jądrze, analogicznie do w kła d u poszczególnego członka klubu.
Rozum iem y teraz, dlaczego pochłanianiu neutronu przez ją d ro (§ 5, 1) tow arzyszy w ydzielanie e n e rg ii w postaci p ro m ieniow ania y. Jest to n ie jako w kła d członkow ski w ypłacony społeczeństwu po w stąpieniu neutronu do klu b u jądrow ego.
Jądra trw a łe występujące w przyrodzie w yka zu ją isto tn ie zależność e ne rg ii w iązania jednego nukleonu od liczb y m asowej ją d ra . Za chw ilę pow rócim y do te j sp ra w y i podamy uzasadnie
nie te j zależności. Na razie zadow olim y się stw ierdzeniem , że energia w iązania jednego nukleonu w yka zu je ten właśnie bieg zależności od liczb y masowej ją d ra , k tó ry p rz y ję liś m y dla w kła d ów członkowskich w zależności od ilości członków klubu.
D la przystosow ania w ykresu w kła d ów do ją d ra należy je d ynie liczbę członków klu b u zastąpić przez liczbę masową ją d ra , a w k ła d y w złotych zastąpić odpow iednim i energiam i. W kła dow i 1000 zł odpowiada p rz y ty m 14 m ilio no w ych części erga.
3. Rozszczepienie ciężkiego ją d r a ja k o źródło e n e rg ii
Na podstawie- przykła du z klu b a m i czytelnik zapewne sam doszedł do w niosku, że rozszczepienie bardzo ciężkiego ją d ra na dwa lżejsze ją d ra połączone byłoby z w ydzieleniem pewnej ilości energii, ze względu na większą energię w iązania nukleonu w tych lżejszych jądrach.
E nergię wydzieloną obliczam y w ten sam sposób, ja k m i
n is te r fin a n só w obliczał fundusze uzyskane z rozszczepienia k lu b u na dwa m niejsze. W eźm y dla p rzykła du ją d ro uranu 235Z7. Jeśliby ją d ro to udało się rozszczepić na dwa mniejsze ją d ra o liczbach masowrych 100 i 135, to uzyskalibyśm y energię, k tó re j wielkość obliczam y na podstawie w ykresu ryc. 8.
W ydzielona e ne rg ia = 10 0 . (13,7— 12,0) + 135 (13,4— 12,0)
= 359 m ilio no w ych erga.
G dyby ta k i proces rozszczepiania przeszły atom y 1 g uranu, to w ydzielona energia w zrosłaby 2,56 . 1021- k r o tn ie (ty le je s t bowiem atom ów u ranu w 1 g * * U ) w yniosłaby więc 9,19 . 1017 ergów, czyli około 25000 kW h.
P rz y p o m n ijm y sobie teraz (koniec § 7 ), że bardzo ciężkie ją d ra , np. to ru lu b uranu, mogą ulec „p ę k a n iu " na 2 mniejsze ją d ra . Powyższe rozważania przekonały nas, że proces ten byłb y połączony z w ydzieleniem dość znacznej energii.
Z a ryso w u ją się więc ju ż przed nam i m ożliw ości w yzyska
n ia e nergii ją d ra atomowego. Stoi je d na k przed nam i jeszcze poważny pro ble m : w ja k i sposób „p ę k ą n iu " ciężkich ją d e r nadać c h a ra kte r masowy. Bo podobne procesy dokonane dopiero na ją d ra c h ogrom nej ilości atom ów (np. 1 g) mogą dać nam na
praw dę dużą energię w naszej, a nie atom ow ej ska li energii.
4- Zależność e n e rg ii w ią z a n ia od ilości cząstek
W ykreślona na ryc. 8 zależność e ne rg ii w iązania je d ne j cząstki od liczby cząstek zn ajdu ją cych się w ją d rze daje się ła tw o w ytłum aczyć ja k o w y n ik w spółdziałania s ił ją d ro w y c h i s ił odpychania elektrycznego.
S iły ją d ro w e działają, ja k w iem y, ty lk o m iędzy sąsiadujący
m i ze sobą nukleonam i. Z n a jd u ją c y się na pow ierzchni „ k r o p li ją d ro w e j“ nukleon je s t słabiej w ią za ny niż nukleon z n a jd u ją c y się w ew n ątrz k ro p li ją d ro w e j, ma on bow iem m n ie j bezpośrednich sąsiadów aniżeli nukleon pozostający we w n ę trzu ją d ra . Słabsze wiązanie nukleonów na pow ierzchni k ro p li ją d ro w e j pow oduje obniżenie średniej e nergii w iązania nukleonu w jądrze. E fe k t ten w ystępuje ty m s iln ie j, im większy procent nukleonów z n a j
duje się na pow ierzchni k ro p li. W yobraźm y sobie teraz, że liczbę nukleonów pow iększam y np. d w u krotn ie . Objętość k ro p li ją d ro w e j w zrośnie wówczas też d w u krotn ie . P ow ierzchnia k ro p li w zrośnie je d na k ty lk o 1,6 kro tn ie . (Pochodzi to stąd, że objętość k u li rośnie propo rcjo n alnie do trze cie j potęgi p ro m ienia, pow ierzchnia k u li zaś — p ro po rcjo n alnie do k w a d ra tu p ro m ie n ia ). M im o że liczba nukleonów zn ajdu ją cych się na pow ierzchni k ro p li pow iększy się, to je d na k procentow o będzie ich m n ie j niż poprzednio.
O słabiający w iązanie nukleonu w p ły w pow ierzchni k ro p li m aleje przeto ze w zrostem ilości nukleonów. W skutek tego energia w ią za nia cząstki pow inna w zrastać w ra z z liczbą czą
stek ją d ra . W zrasta też ona istotnie, ja k w id z im y z w ykresu, p óki ilość cząstek w ją d rze nie przekroczy liczby 60.
N ie u w zg lęd n iliśm y je d na k jeszcze s ił odpychania elektrycz
nego, któ re ro z lu ź n ia ją w iązania, a w ięc rów nież zm niejszają energię w ią za nia cząstki. Ponieważ liczba pro to n ów w ją d rze w zrasta p ra w ie w ty m sam ym stopniu, co liczba masowa ją d ra , to w p ły w odpychania elektrycznego zaznaczy się ty m s iln ie j, im cięższe je s t ją d ro . D la ją d e r liczących w ięcej niż 60 cząstek to osłabiające działanie s ił elektrycznych przeważy ju ż m ale
ją c y e fe kt pow ierzchni i spow oduje zm niejszenie e ne rg ii w ią zania je d ne j cząstki ze wzrostem ilości cząstek ją d ra .
C z ę ś ć I I
Możliwości wyzyskania energii ją d ra atomowego
§ 9. R eakcje łańcuchowe
P rzem iany ją d ro w e związane z wydzieleniem e ne rg ii są ju ż znane od dw udziestu k ilk u la t. Szczególnie po o d kryciu neu
tro n u , a w ięc te j cząstki, k tó ra n a jła tw ie j w n ik a w ją d ro atomu, liczba rodzajów przem ian ją d ro w ych , uzyskanych w laborato
ria ch i związanych z w ydzielaniem energii, w zrosła do kilku se t.
Podam y ty lk o jeden przykład. Jądro lit u ~Li składające się z 3 protonów i 4 neutronów , tra fio n e przez bardzo szybki p ro ton 0 # ) , rozpada się na dw a ją d ra helu *He w g schem atu:
7Lż + 'H = 4He + *He.
Ze względu na szczególnie dużą energię w iązania cząstki w ją d rze helu u w a ln ia się p rz y ty m procesie znaczna energia, k tó ra na 1 k g przemienionego lit u w ynosi 70 m ilio n ó w k ilo w a t- godzin.
Proces tei» je d na k nie daje się w ykorzystać praktycznie ja k o źródło e nergii, poniewraż, ja k w spom nieliśm y, do bom bar
dow ania litu trzeba rozporządzać p ro to n am i o bardzo znacznej prędkości. Jeśli dużą ilością ta k ic h szybkich p rotonów będziemy bom bardow ali lit , to ty lk o znikom y, procent p rotonów w yw oła przem ianę ją d ro w ą , p rzytłaczająca zaś większość protonów u tra c i prędkość na skutek w ie lo k ro tn y c h zderzeń i zostanie w ten sposób stracona dla w yw o ła n ia przem iany ją d ro w e j.
D la praktycznego w yko rz y s ta n ia e ne rg ii atom ow ej je s t rze
czą konieczną, aby w ydajność p rzem iany ją d ro w e j była dosta
tecznie duża, tzn. aby dostatecznie duży p ro c e n t'ją d e r atomo
w ych danego m a te ria łu został o b ję ty przem ianą.
żeby się zorientow ać w m ożliwościach praktycznego w y korzystania e nergii atom ow ej, p rz y j rż y jm y się znanym dobrze procesom spalania ciał, któ re są bardzo powszechnym źródłem energii. W iadomo, że można w odpowiednich w arunkach roznie
cić ogrom ny pożar jedną zapałką. Spalanie węgla polega na g w a łtow n ym u tle n ia n iu go, tzn. na połączeniu atomu węgla z dwoma atom am i tlenu w jedną cząsteczkę. W a ru n k ie m tego połączenia je s t dostatecznie wysoka tem peratura. P rz y samym zaś procesie u tle n ia n ia w yzw ala się pewna energia w postaci e nergii cieplnej, co pow oduje m iędzy in n y m i znaczne podwyż
szenie -tem peratury w n ajbliższym sąsiedztwie. W te j podwyż
szonej tem peraturze nowe atom y węgla mogą się połączyć z tle nem, stw a rza jąc znowu w a ru n k i spalania dla dalszych ato
m ów itd .
Proces spalania węgla ma więc ch a ra k te r re a k c ji łańcu
chowej, tzn. re a kcja u tlen ia n ia, raz rozpoczęta w pew nym m ie j
scu, stw arza w a ru n k i do spalania w sąsiadujących p a rtia c h jtd . Raz rozpoczęte spalanie przenosi się łańcuchowo coraz dalej.
Oczywiście proces ten nie ma nic wspólnego z przem ianam i ją d ro w y m i, ponieważ łączenie atom ów węgla z atom am i tlenu je s t procesem, k tó r y ro zg ryw a się w powłoce elektronow ej ato
m ó w ; ją d ra nie ulegają p rz y ty m n ajm n ie jszym przemianom.
Sama zasada re a k c ji łańcuchow ej daje się je d na k przenieść do przem ian ją d row ych.
Jeśli się uda znaleźć ta k i rodzaj przem iany ją d ro w e j, że przem iana jednego ją d ra może zapoczątkować przem ianę dal
szych ją d e r, to przem iana ją d ro w a , rozpoczęta w je d nym m iejscu, może się przenosić na coraz to dalsze ją d ra , a więc mieć charak- te i re a k c ji łańcuchowej. Tego rodzaju przem iana łańcuchowa, k tó ra w k ró tk im czasie obejm ie dużą ilość ją d e r, może oczyw i
ście być potężnym źródłem energii.
W następnym rozdziale zobaczymy, że możliwość tego ro dzaju le a k c ji łańcuchow ej została isto tn ie o d k ry ta w pewnych specjalnych przypadkach przem ian ją d ro w ych .
§ 10. P ękanie ją d ra uranu
W styczniu 1939 r. stwierdzono, po raz pierw szy, że ją d ro u ra nu tra fio n e przez neu tro n może „pękać“ rozpadając się na 2 m niejsze ją d ra . H is to ria tego niezm iernie ważnego odkrycia była n astę pu ją ca : 6 stycznia 1939 r. H ahn i Strassm ann w B e r
lin ie s tw ie rd z ili, że p rz y bom bardow aniu uranu neutronam i po
w sta je p ro m ie niotw ó rczy izotop baru (sym bol chemiczny Ba, num er atom ow y 56, liczba masowa 135 do 140). W dziesięć dni później L iza M e itn e r i Frisch. w Kopenhadze d ali w yjaśnienie tego zja w iska tłum acząc je pękaniem (po angielsku ,,fissio n “ ) ją d ra ura nu pod w lyw em neutronów na dw ie p ra w ie rów ne części. O dkrycie to w yw ołało w ie lką sensację w śród fiz y k ó w św iata. Jeszcze w ty m samym miesiącu badania prowadzone w P aryżu przez m ałżonków J o lio t p o tw ie rd z iły zja w isko „pę- k a n ia “ i p ra w ie równocześnie k ilk a la b o ra to rió w am erykań
skich otrzym ało te same w y n ik i. W ie lb i te o re tyk duński B ohr dał teorię tego procesu opierając się na kro p lo w ym modelu ją d ra .
K ro p la cieczy, z k tó rą p orów nujem y ją d ro (por. § 7 ), może w ykonyw ać pulsacje, czyli drgania, przy k tó ry c h się d efo rm u je i tra c i k s z ta łt k u lis ty . Każde odchylenie k ro p li od kszta łtu k u listego zwiększa je j pow ierzchnię. S iły napięcia pow ierzchnio
wego działając zawsze w k ie ru n k u zm niejszenia pow ierzchni k ro p li p rze ciw staw ia ją się je j deform acjom . P rzeciw nie dzia
ła ją obecne w k ro p li ją d ro w e j s iły odpychania elektrycznego m iędzy p ro to n am i k ro p li ją d r o w e j: dążą one zawsze do zw ię
kszenia d e fo rm a cji, k tó ra oddala od siebie protony.
P rz y w ie lk ie j liczbie protonów w ją d rze pulsacja k ro p li może ła tw o osiągnąć pewną w artość krytyczn ą, powyżej k tó re j przew ażają ju ż s iły odpychania elektrycznego nad s iła m i napię
cia pow ierzchniowego. K ro p la pobudzona do ta k siln ych pul- sacji nie w ró ci ju ż do stanu pierw otnego, ale będzie się dalej deform ować, aż nastąpi je j rozerwanie.
A b y doprowadzić ją d ro do p u lsa cji k ry ty c z n e j, należy mu dostarczyć pewnej ilości e nergii. W iem y, że p rz y zderzeniu neu
