SZEMELVÉNYEK A NUKLEÁRIS TUDOMÁNY TÖRTÉNETÉBÕL

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)... 9 A kezdetek (VÉRTES ATTILA)... 17 Otto Hahn egy primitív Nobel-díjas a radiokémia hajnalán (SCHILLER RÓBERT)... 35 A Rutherford-iskola (VÉRTES ATTILA)... 47 Hevesy György és a nyomjelzéstechnika (VÉRTES ATTILA)... 55 Bámulattal szemléljük a testek önsugárzását Az atomkorszak magyar úttörõi (RADNÓTI KATALIN, INZELT GYÖRGY)... 69 A magsugárzás kölcsönhatása az anyaggal (VÉRTES ATTILA)... 107 A neutron felfedezése (VÉRTES ATTILA)... 123 A részecskefizika kezdetei (VÉRTES ATTILA)... 131 Egy zseniális ötlet és a Szilárd Chalmers-effektus (BEREI KLÁRA)... 143 A mesterséges radioaktivitás felfedezése (LÉVAY BÉLA)... 153 A transzuránelemek elõállítása: a maghasadás felfedezése (VÉRTES ATTILA)... 157 Az atomenergia hasznosítása (SZATMÁRY ZOLTÁN)... 193 Pozitronannihiláció és az egzotikus pozitróniumatom (LÉVAY BÉLA)... 233 A Mössbauer-effektus (KLENCSÁR ZOLTÁN).... 245 A magfizika az elemek születésének nyomában (FÜLÖP ZSOLT, GYÜRKY GYÖRGY)... 269 Szimmetriák és részecskék (HORVÁTH DEZSÕ)... 285 Egzotikus alakú atommagok (KRASZNAHORKAY ATTILA)... 329 A fúziós álom (ZOLETNIK SÁNDOR)... 339 A sugárkémia kezdetei, eredményei és az újabb fejlemények (WOJNÁROVITS LÁSZLÓ)... 383 Sugárbiológiai és sugár-egészségtani szemléletek (KÖTELES GYÖRGY)... 409 Radioaktív nyomjelzés az élõ szervezetben: nukleáris medicina (KÖRNYEI JÓZSEF, SÁRÁNDI ISTVÁN, SZILVÁSI ISTVÁN, TÓTH GYULA)... 435 Fejezetek a radioaktív nuklidok terápiás alkalmazásából (ZARÁND PÁL)... 457 Névmutató... 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 14 C-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 Az elismerést kiváltó eredmény 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, 84 Po és a rádium, 88 Ra felfedezése 1898 M. Curie 1911 (kémiai) A radon, 86 Rn és az - és -sugárzás felfedezése 1900 E. Rutherford 1908 (kémiai) Az energiakvantum felfedezése 1901 M. Planck 1918 (fizikai) Elméleti fizikai munkái és a fotoelektromos jelenség törvényének megalkotása Az elektromosság elemi töltésével és a fotoelektromos jelenséggel kapcsolatos munkáért 1902 1905 A. Einstein 1921 (fizikai) 1910 1914 R. A. Millikan 1923 (fizikai) Ködkamra 1912 C. T. R. Wilson 1927 (fizikai)

AJÁNLÁS 11 Az elismerést kiváltó eredmény A Nobel-díjat eredményezõ tevékenység éve(i) A díjazott(ak) neve A díj odaítélésének éve A kozmikus sugárzás felfedezése 1912 V. F. Hess 1936 (fizikai) Nyomjelzés-technika 1913 Hevesy Gy. 1943 (kémiai) A radioaktív anyagok kémiai tulajdonságai és az izotópia fogalmának bevezetése 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 Az atommag mágneses tulajdonságainak leírása A koincidencia-módszer kidolgozása és a gamma-kaszkádok vizsgálata 1929 32 E. O. Lawrence 1939 (fizikai) 1930 39 I. I. Rabi 1944 (fizikai) 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 1 H+ 7 Li 2 4 He 1932 J. D. Cockcroft E. T. S. Walton 1951 (fizikai) A proton mágneses momentuma 1933 O. Stern 1943 (fizikai) Az atommag leírását segítõ szimmetriaelvek 1933 37 E. P. Wigner 1963 (fizikai)

12 VÉRTES ATTILA Az elismerést kiváltó eredmény A Nobel-díjat eredményezõ tevékenység éve(i) A díjazott(ak) neve A díj odaítélésének éve Az elsõ mesterséges radioaktív 27 30 nuklid elõállítása 13 Al(, n ) 15P 1934 Frédéric Joliot-Curie Irène Curie 1935 (kémiai) Cserenkov-sugárzás 1934 és 1937 P. A. Cserenkov I. M. Frank I. E. Tamm 1958 (fizikai) A mezonok létezésének elméleti bizonyítása Neutronokkal kiváltott magreakciók leírása Magreakciók elmélete, energia felszabadulása csillagokban 1935 H. Yukawa 1949 (fizikai) 1934 36 E. Fermi 1938 (fizikai) 1938 H. A. Bethe 1967 (fizikai) Maghasadás neutronok hatására 1938 O. Hahn 1944 (kémiai) 93 Np, 94 Pu elõállítása és kémiája 1940 E. M. McMillan G. T. Seaborg 1951 (kémiai) A 14 C-kormeghatározási módszer kidolgozása, amelyet a régészetben, a geológiában és a geofizikai kutatásokban használnak 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. Goeppert- Mayer 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)

AJÁNLÁS 13 Az elismerést kiváltó eredmény A Nobel-díjat eredményezõ tevékenység éve(i) A díjazott(ak) neve A díj odaítélésének éve 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. Segrè 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) A peptidhormonok meghatározására alkalmas radioimmunológiai módszerek kifejlesztése 1959 R. S. Yalow 1977 (orvosi) Az elemi részecskék osztályozása 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)

14 VÉRTES ATTILA Az elismerést kiváltó eredmény A Nobel-díjat eredményezõ tevékenység éve(i) A díjazott(ak) neve A díj odaítélésének éve 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 ( )-lepton felfedezése 1974 M. Perl 1995 (fizikai) AW ± - 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) Az aszimptotikus szabadság felfedezése az erõs kölcsönhatásokban 1973 74 D. J. Gross H. D. Politzer F. Wilczek 2004 (fizikai) 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 10 9 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.