Wstęp

Fizyka zajmuje się badaniem struktury i własności materii. Własności materii wynikające z jej struktury obserwowane są w zjawiskach fizycznych - fizyka zaś formułuje prawa, które opisują przebieg tych zjawisk w czasie i przestrzeni. Chociaż fizyka, jako nauka podstawowa, nie zajmuje się bezpośrednio zastosowaniem praw fizycznych, to jednak wiemy, że właśnie zastosowanie wiedzy z fizyki określa postęp techniczny od gospodarstwa domowego poczynając aż po podboje kosmosu.
Zastosowania fizyki jądrowej budzą najwięcej kontrowersji. Motywacją wszelkich obaw jest strach przed czymś potężnym, a nieznanym. Eksplozje jądrowe i katastrofa w Czarnobylu pokazały niszczącą siłę energii jądrowej i procesów jądrowych, a (niestety) braki w podstawowym wykształceniu, potęgują strach. 

Historia aplikacji zjawisk jądrowych przechodziła także odwrotne tendencje. Był okres, kiedy w zjawiskach jądrowych doszukiwano się zbawiennych własności pozwalających przywrócić zdrowie, urodę i młodość. Podłoże tych optymistycznych oczekiwań było analogiczne - brak wiedzy. 

Powyżej - próbny wybuch jądrowy,  z prawej - plakat z lat 20-tych ubiegłego wieku reklamujący maść radioaktywną  

Źródłem strachu przed promieniowaniem jądrowym jest fakt, że aż do wysokich dawek nasze zmysły nie rejestrują tego promieniowania oraz, że promieniowanie to może przenikać przez typowe osłony chroniące człowieka przed żywiołami natury. Wiedza o własnościach procesów jądrowych i promieniowania jądrowego nie tylko umożliwia "zobaczenie" tego promieniowania, ale także wykorzystanie go z korzyścią dla człowieka. Podstawą jest znajomość elementarnych składników budowy materii oraz ich własności.

Z czego zbudowany jest kawałek materii trzymany w ręku? Kiedy w myśli powiększalibyśmy coraz bardziej jego drobny fragment, oczom naszej wyobraźni ukazywałyby się kolejno obrazy podobne do pokazanego poniżej.

 

Od czasów Demokryta wiemy o istnieniu atomów, traktowanych przez wieki jako „niepodzielne”. Maria Skłodowska Curie obserwując sto lat temu nieznany rodzaj promieniowania sugerowała jednak,  że pochodzi ono z wnętrza atomu. Istnienie jądra atomowego stwierdził Rutherford w swym słynnym doświadczeniu. Badania przemian jądrowych otworzyły drogę do poznania struktury jądra atomowego oraz jego składników, neutronów i protonów, zwanych wspólnie nukleonami. Wewnętrzna struktura nukleonów uwidoczniła się w ich zderzeniach zachodzących przy bardzo wysokich energiach. Pojęcie „elementarności” zmienia się i wcale nie jesteśmy pewni, czy powiedziane jest już ostatnie słowo. 

Trzymając się określenia Demokryta, za cząstki elementarne uważa się te cząstki, które nie posiadają struktury wewnętrznej. Ich własności oraz prawidłowości ich wzajemnych oddziaływań stanowią klucz do zrozumienia mechanizmów tworzenia się struktur bardziej złożonych, a w dalszej konsekwencji - do poznania praw przyrody. Obecnie za elementarne uważa się leptony i kwarki. Protony i neutrony są cząstkami złożonymi i składają się z trójek kwarków typu u i d: proton=(uud), neutron=(udd) .

Prezentowana poniżej fotografia przedstawia relację pomiędzy zjawiskami atomowymi i jądrowymi. Fotografia ta pokazuje ślady cząstek naładowanych, rejestrowanych w tzw. komorze pęcherzykowej

To, że możemy obserwować ślady cząstek naładowanych w komorach pęcherzykowych zawdzięczamy zjawiskom zachodzącym w skali atomowej. Cząstka, taka jak proton czy jądro atomu węgla, przebiegając przez ośrodek materialny wywołuje jonizację, czyli odrywanie elektronów z powłok atomów ośrodka wypełniającego komorę. Zjawisko to ma charakter kwazi ciągły, dzięki czemu możemy obserwować ślad cząstki w postaci prawie ciągłej linii, co widać na fotografii. Widzimy tu wiele śladów o różnych grubościach i różnych kierunkach.

W dwóch miejscach zdarzyło się coś zasadniczo odmiennego. W dwóch punktach  nastąpiło zwielokrotnienie śladów. Jest to żywą ilustracją doświadczenia Rutherforda - istnienia na drodze przebiegających komorę cząstek obiektów zasadniczo różnych od elektronów, których obecność nie ma bynajmniej kwaziciągłego charakteru i które w swej strukturze, rozbitej przez uderzające cząstki, ujawniają istnienie wielu drobniejszych składników wyrzucanych z miejsca zderzenia.

Te obiekty o znacznie mniejszych od atomów rozmiarach, ale o wielkiej masie i złożonej strukturze to właśnie - jądra atomowe. 

Skalę wielkości jąder atomowych w stosunku do wielkości atomu prezentuje rysunek obok. Typowa wielkość atomu to rozmiar rzędu 10-10 metra, typowa wielkość jądra atomowego, to rozmiar rzędu 10-14 metra. Stosunek czterech rzędów wielkości można obrazowo przedstawić porównując rozmiar atomu z rozmiarem stadionu sportowego. Rozmiar jądra atomowego odpowiadać będzie wówczas rozmiarowi piłki, i to raczej nie piłki nożnej, ale tenisowej. 

Dlaczego energia jądrowa jest tak ogromna? Wszystko opiera się na słynnym E=mc2, przy czym człowiek spożytkowuje tylko korzystną energetycznie zmianę konfiguracji atomów lub cząsteczek (energia chemiczna - np. spalanie paliwa w silnikach samochodowych) lub jąder atomowych (energia jądrowa - np. procesy rozszczepienia uranu). Jak duża jest różnica pomiędzy przemianami na poziomie atomowym i przemianami na poziomie jądrowym? Zauważmy dla przykładu, że kiedy pojedynczy akt jonizacji atomu wymaga np. dla powietrza energii około 35eV, to w pojedynczym akcie rozszczepienia uranu uwalnia się energia około 200MeV=200 000 000 eV.