Tri vedrá vody a jadrová fyzika: upratovačka, ktorá náhodne pomohla jadrovým fyzikom (Komentár)
Oblasť jadrovej fyziky je vo väčšine vnímaná ako doména mužov. Napriek tomu však v tejto sfére zohrali mimoriadne významnú rolu aj ženy. Samozrejme, že tie, ktoré boli pri kolíske jadrovej fyziky, boli väčšinou vtiahnuté do vedeckého bádania, poprípade aj priamo do vedeckých experimentov. Mnohé z nich boli celý život zatienené mužskými kolegami, aj keď neoprávnene…
Čitateľom možno netreba pripomínať tie najslávnejšie, ale ony si to zaslúžia. Takže tu je aspoň niekoľko z nich:
Fyzička Marie Curieová–Skłodowská (1867 – 1934) bola prvou z troch generácií žien v jadrovej vede. Bola taktiež prvou ženou, ktorá získala Nobelovu cenu, ako aj prvou osobou, ktorá získala dve Nobelove ceny v dvoch rôznych vedeckých kategóriách (rekord, ktorý platí dodnes). Marie Curie a jej manžel Pierre objavili prvok rádium. Ich vedecká tímová práca viedla k objavu rádioaktivity a položila základy modernej liečby rakoviny. Počas prvej svetovej vojny vedkyňa vynašla mobilné röntgenové jednotky a vyškolila ženy, aby pochopili technológiu a pomáhali zraneným vojakom priamo na fronte.
Jej dcéra, Irène Joliot-Curieová (1897 – 1956), nasledovala jej kroky a získala Nobelovu cenu za chémiu, ktorú zdieľala so svojím manželom Frédéricom za objav prvých umelo vytvorených rádioaktívnych atómov. To vydláždilo cestu k nespočetným medicínskym objavom vrátane liečby rakoviny a biomedicínskeho výskumu.
Irenina dcéra Hélène Langevin-Joliotová (1927 – súčasnosť) je profesorkou jadrovej fyziky (dnes už na dôchodku). Odkedy Hélène ukončila kariéru vo výskume, venuje sa aktivizmu zameranému na povzbudzovanie žien a dievčat k účasti v oblastiach STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics). Jej aktivity sú zamerané aj na podporu väčšej vedeckej gramotnosti širokej verejnosti.
Fyzička Lise Meitnerová (1878 – 1968) je jednou z najvýznamnejších vedkýň 20. storočia vďaka objavu jadrového štiepenia. Meitnerová bola prvou profesorkou fyziky v Nemecku a pomohla objaviť rádioaktívny prvok protaktínium. Jej kolega, chemik Otto Hahn, si za neskorší spoločný úspech a objavenie jadrového štiepenia, za ktorý získal Nobelovu cenu, pripísal plnú zásluhu. V roku 1966, tesne pred jej smrťou, jej americké ministerstvo energetiky udelilo (spolu s Hahnom) cenu Enrica Fermiho za vynikajúce výsledky vo výskume v oblasti energetiky a technológií, ktoré slúžia ľudstvu. V roku 1997 bol na jej počesť pomenovaný chemický prvok 109 – meitnerium.
Americká fyzička Katharine Wayová (1902 – 1995) sa preslávila založením Projektu jadrových údajov (Nuclear Data Project), ktorý sa snažil organizovať a zdieľať jadrové údaje. Počas druhej svetovej vojny bola zároveň jednou z popredných vedkýň projektu Manhattan a neskôr profesorkou fyziky na Dukeovej univerzite. Medzi jej vedecké príspevky patrí „Wayovej-Wignerov vzorec“, ktorý vyvinula spolu s fyzikom Eugenom Wignerom a ktorý vypočítava rýchlosti beta rozpadu produktov štiepenia. Okrem napísania mnohých článkov o jadrových údajoch pomohla aj so založením vedeckých časopisov Nuclear Data Sheets a Atomic Data and Nuclear Data Tables.
Fyzička Chien-Shiung Wuová (1912 – 1997), ktorej meno v preklade znamená „odvážna hrdinka“, je známa svojim prínosom v oblasti jadrovej a časticovej fyziky. Bola prvou ženou, ktorá prednášala na katedre fyziky na Princetonskej univerzite, a prvou žijúcou vedkyňou, po ktorej bol pomenovaný asteroid. Wuová pracovala počas druhej svetovej vojny na projekte Manhattan a hoci jej slávny „experiment Wu“, založený na beta rozpade kobaltu-60, rozbil základný koncept jadrovej fyziky a bol akceptovaný viac ako 30 rokov, nebola nominovaná na Nobelovu cenu. V roku 1973 sa však stala prvou držiteľkou Wolfovej ceny za fyziku.
Fyzička Leona Woods Marshall Libbyová (1919 – 1986) bola dôležitou súčasťou projektu Manhattan. Bola najmladším členom a jedinou ženou v tíme zodpovednom za prvú riadenú jadrovú reťazovú reakciu na svete v pokuse Chicago Pile-1 (CP-1). CP-1 bol prvý jadrový reaktor na svete, ktorý sa dostal do kritického stavu a podnietil budúci výskum národných laboratórií ministerstva energetiky s cieľom pomôcť vyvinúť prvé námorné a jadrové reaktory.
Ida Noddacková (1896 – 1978), rodená Tacke, bola nemecká chemička a fyzička. Už v roku 1934 ako prvá vyslovila myšlienku neskôr nazvanú jadrové štiepenie. Spolu so svojím manželom Walterom Noddackom a Ottom Bergom objavila prvok rénium. Bola trikrát nominovaná na Nobelovu cenu za chémiu, ale nikdy ju nezískala.
Elizabeth Ronaová (1890 – 1981) bola maďarská jadrová chemička, známa svojou prácou s rádioaktívnymi izotopmi. Po vývoji vylepšenej metódy prípravy vzoriek polónia bola medzinárodne uznávaná ako popredná odborníčka v oblasti separácie izotopov a prípravy polónia. V rokoch 1914 až 1918, počas svojho postdoktorandského štúdia u Georga de Hevesyho, vyvinula teóriu, že rýchlosť difúzie závisí od hmotnosti nuklidov. Keďže bolo identifikovaných len niekoľko atómových prvkov, jej potvrdenie existencie „uránu-Y“ (dnes známeho ako tórium-231) bolo významným príspevkom k jadrovej chémii.
V roku 1933 jej Rakúska akadémia vied udelila Haitingerovu cenu. Po emigrácii do Spojených štátov v roku 1941 získala štipendium z Carnegieho nadácie na pokračovanie vo výskume a poskytovala technické informácie o svojich metódach extrakcie polónia projektu Manhattan. Neskôr sa stala profesorkou jadrovej chémie na Oak Ridge Institute of Nuclear Studies a o 15 rokoch neskôr prešla do Inštitútu morských vied na University of Miami. V Oak Ridge aj v Miami pokračovala vo svojej práci na geochronológii prvkov morského dna a rádiometrickom datovaní. V roku 2015 bola posmrtne uvedená do Siene slávy žien v Tennessee.
Elizabeth Riddle Gravesová (1916 – 1972) bola americká jadrová fyzička, ktorá bola priekopníčkou vo fyzike neutrónov a v detekcii a meraní rýchlych neutrónov. Počas druhej svetovej vojny pôsobila v metalurgickom laboratóriu projektu Manhattan a v laboratóriu Los Alamos. Po vojne sa stala vedúcou skupiny v divízii experimentálnej fyziky v Los Alamos.
Edith Smaw Quimbyová (1891 – 1982) bola americká lekárska výskumníčka a fyzička, známa najmä ako jedna zo zakladateľov nukleárnej medicíny. Jej práca zahŕňala vývoj diagnostických a terapeutických aplikácií röntgenového žiarenia. Jednou z jej hlavných starostí bola ochrana osôb manipulujúcich s rádioaktívnym materiálom a zabezpečenie toho, aby liečení dostali najnižšiu potrebnú dávku.
Sameera Moussaová (1917 – 1952) bola egyptská atómová vedkyňa a fyzička, prvá egyptská jadrová fyzička. Moussa mala doktorát z atómového žiarenia. Dúfala, že jej práca jedného dňa povedie k dostupnej lekárskej starostlivosti a mierovému využívaniu atómovej energie. Zorganizovala konferenciu o atómovej energii pre mier a sponzorovala výzvu, ktorá iniciovala medzinárodnú konferenciu pod heslom „Atómy pre mier“. Bola prvou ženou, ktorá pracovala na Káhirskej univerzite.
Tikvah Alperová (1909 – 1995) bola renomovaná rádiobiologička a fyzička, ktorej výskum pôvodcu infekcie pri ochorení „scrapie“ spôsobil revolúciu v chápaní chorôb, ako je choroba šialených kráv. Dokázala, že tento infekčný agens neobsahuje nukleovú kyselinu, čo bolo kľúčové pre sformulovanie tzv. priónovej teórie. V rokoch 1962 až 1974 bola riaditeľkou Experimentálnej rádio-patologickej jednotky MRC v nemocnici Hammersmith v Londýne.
Rosalind Franklinová (1920 – 1958) bola chemička a röntgenová kryštalografka, ktorá je najznámejšia svojou prácou o štruktúre DNA, RNA a uhlia. Venovala sa aj špičkovému výskumu molekulárnej štruktúry vírusov, ktoré spôsobujú choroby rastlín a ľudí.
Dorothy Crowfootová Hodgkinová (1910 – 1994) sa narodila v Káhire britským archeológom. Poslali ju domov do Anglicka, kde bola jedným z dvoch dievčat, ktoré mohli študovať chémiu s chlapcami. V 18 rokoch sa zapísala na jednu z oxfordských ženských vysokých škôl a študovala chémiu. Neskôr na Cambridge študovala röntgenovú kryštalografiu, typ zobrazovania, ktorý využíva röntgenové lúče na určenie trojrozmernej štruktúry molekuly. V roku 1934 sa vrátila do Oxfordu, kde strávila väčšinu svojho pracovného života vyučovaním chémie a používaním röntgenovej kryštalografie na štúdium zaujímavých biologických molekúl. Roky zdokonaľovala túto techniku, za ktorú v roku 1964 získala Nobelovu cenu, a určila štruktúry penicilínu, vitamínu B12 a inzulínu.
V roku 2010, pri príležitosti 350. výročia založenia Kráľovskej spoločnosti, vydala britská Kráľovská pošta sériu známok s podobizňami desiatich najvýznamnejších členov tejto inštitúcie. Hodgkinová bola jedinou ženou v tejto skupine, v ktorej figurovali aj Isaac Newton či Benjamin Franklin.
Mohli by sme pokračovať, tých mien by bolo omnoho viac. Ale sú aj také mená, o ktorých sa takmer nevie…
Napríklad pani Cesarina Maraniová. Kto o nej niečo vie? Pravdepodobne skoro nikto. A nebola to ani fyzička, ani chemička.
Bola to úplne obyčajná upratovačka. A v čom spočíva jej prínos pre jadrovú fyziku?
Bola to vlastne úplná náhoda…
Úloha náhody vo vedeckých objavoch.
O otázke a úlohe náhody vo vedeckých objavoch sa vždy diskutovalo a stále mnoho diskutuje. Bolo by zaujímavé pozrieť sa na to systematicky – od príkladov cez vysvetlenia až po to, či sa to dá nejako „vypočítať“ ako pravdepodobnosť…
Náhoda hrá veľkú úlohu
Mnohé veľké objavy vznikli šťastnou náhodou (tzv. serendipita), ale vždy to bolo v kombinácii s pripravenou mysľou (prepared mind), ako to kedysi nazval Louis Pasteur. Platí, že náhoda otvorí dvere, ale vedec musí vedieť, ako cez ne prejsť.
Klasické príklady náhody vo vedeckých objavoch:
Je to teda úplná náhoda?
Nie je. Je to štatistická nevyhnutnosť v správnom prostredí.
- Náhoda nie je „magická“ – je to výsledok veľkého počtu pokusov a otvoreného systému.
- Vedecké laboratóriá sú vlastne “chaotické systémy”: tisíce interakcií, chýb, kontaminácií, neočakávaných podmienok.
- A čím viac experimentov robíme, tým vyššia je pravdepodobnosť, že sa niečo neočakávané stane.
Použime analógiu. Ak hádžeme milión kociek naraz, je „náhoda“, že padne 6-6-6-6-6-6? Nie je. Je to matematicky očakávané pri dostatočnom počte pokusov.
Dá sa náhoda vypočítať ako teoretická pravdepodobnosť?
Áno, čiastočne sa dá. Hoci nejaký úplne „konkrétny“ objav (ako napríklad penicilín) je nepredvídateľný, ale frekvencia serendipitných objavov sa dá modelovať napríklad pomocou modelu tzv. Poissonovho procesu (teda náhodnými udalosťami v čase).
Napríklad predpokladajme:
Vedec robí λ = 100 experimentov za rok.
Pravdepodobnosť „serendipitného momentu“ v jednom experimente je p = 0,001 (1 z 1000 – odhad z histórie).
Potom očakávaný počet serendipít za rok: λ × p = 0,1 → raz za 10 rokov.
Štúdia z roku 2011, (Psychological Science), analyzovala 50 veľkých objavov, z nich 30 % malo serendipitný prvok.
Dá sa zvýšiť pravdepodobnosť náhody?
Náhodu, žiaľ, zatiaľ nevieme a nemôžeme naplánovať, ale môžeme vytvoriť vhodné podmienky:
1. Robiť mnoho pokusov (viac dát = viac šumu = viac signálu).
2. Byť otvorený chybám – neskracovať ihneď výsledky o „nepodarky“.
3. Spájať disciplíny – najviac serendipít sa deje na rozhraniach vedeckých disciplín (biológia + chémia, fyzika + medicína).
4. Byť adekvátne pripravený na nové, neznáme (prepared mind) – teda byť vzdelaný, zvedavý, byť schopný vidieť aj to “iné”…
Náhoda je motorom objavov – ale len v spojení s ľudskou pohotovosťou. Nie je to úplná náhoda: je to štatisticky očakávaný jav v systémoch s vysokou variabilitou. Teoreticky sa dá modelovať (Poisson, Monte Carlo simulácie), ale presná predpoveď konkrétneho objavu je nemožná: je to ako predpovedať, ktorá kvapka dažďa spadne na náš nos.
Vráťme sa teraz do Ríma…
O mene Cesarina Maraniová a jej náhodnom prínose do jadrovej fyziky sa verejnosť dozvedela až šesťdesiatsedem rokov po incidente, ku ktorému došlo počas umývania podlahy v slávnom rímskom fyzikálnom inštitúte.
Profesor Enrico Fermi, vedúci legendárneho rímskeho Fyzikálneho inštitútu na Via Panisperna, bol priekopníkom experimentov, pri ktorých bombardoval rôzne prvky neutrónmi. V tom čase však Fermi ešte nedokázal úplne využiť výsledky, pretože nevedel nájsť ten pravý spôsob, ako predpovedať následné úrovne žiarenia.
A práve obyčajné vedrá pani Maraniovej obsahovali tú chýbajúcu zložku, ktorá stabilizovala Fermiho experimenty – obyčajnú vodu.
Náhoda
Keď pani Maraniová umývala dlaždice na chodbe, nechala pod stolom výskumníka, ktorý bol známy tým, že jeho experimenty prinášali nezvyčajné výsledky, vedrá s vodou. Tri vedrá pod stolom výskumníka stabilizovali jeho experimenty spomalením neutrónov, čo bol kľúčový krok v procese, ktorý nakoniec priviedol k štiepeniu atómu uránu a potom v ďalšej budúcnosti až k atómovej bombe.
Objav
Vedrá si všimli ďalší dvaja Fermiho spolupracovníci – Emilio Gino Segrè a Edoardo Amaldi, a keďže mali podozrenie, že spôsobujú anomálne výsledky experimentov, hneď o tom informovali Fermiho.
Vedecký prelom
Fermi si po tomto upozornení uvedomil možné súvislosti a okamžite rozpoznal riešenie svojho vlastného problému. Pochopil, že chýbajúcim prvkom, ktorý by spomaľoval neutróny, čím by sa stali účinnejšími pri bombardovaní iných prvkov, je voda. Bol to kľúčový krok k využitiu sily neutrónov a nasmeroval ho na cestu k vývoju prvej atómovej bomby. Keď experiment robil nad vedrom s vodou, vplyv neutrónov bol silnejší a konzistentnejší.
Prečo je to tak?
Obyčajná voda (H₂O) má hneď niekoľko kľúčových úloh a ovplyvňuje jadrové štiepenie viacerými spôsobmi. Je výborným spomaľovačom (moderátorom) neutrónov. Napríklad štiepenie uránu-235 je najefektívnejšie s pomalými, tzv. termálnymi neutrónmi. Rýchle neutróny vzniknuté pri štiepení majú totiž príliš vysokú energiu, takže sa musia spomaliť. Vodík v molekule vody (presnejšie protóny v jadre vodíka ¹H) má takmer rovnakú hmotnosť ako neutrón a pri elastickom náraze odovzdá neutrónu veľkú časť energie (ako keď biliardová guľa narazí do gule rovnakej hmotnosti). Voda je preto výborný a lacný moderátor – a bežne používa sa vo väčšine ľahkovodných reaktorov (PWR, BWR). Čistá voda pohlcuje neutróny (najmä cez reakciu ¹H(n,γ)²H), a preto sa zase v ťažkovodných reaktoroch (CANDU) používa D₂O (ťažká voda), kde deutérium pohlcuje oveľa menej neutrónov, čo umožňuje použiť prírodný urán bez obohacovania.
Fermiho skupina alebo „Panisperna boys“ – Segré, Amaldi, Pontecorvo, Rasetti, D’Agostino – objavila v roku 1934, že neutróny spomalené vodíkom sa zachytávajú v jadrových reakciách oveľa efektívnejšie ako rýchle neutróny. V kľúčovom experimente (október 1934) použili ako zdroj neutrónov: Rn + Be (v sklenenej ampulke) a detekovali striebornú fóliu (reakcia ¹⁰⁹Ag(n,γ)¹¹⁰Ag). Najprv skúšali rôzne materiály okolo zdroja: aktivita striebra stúpla najviac, keď medzi zdroj a striebro dali parafín alebo vodu. A potom prišiel podľa spomienok ten najslávnejší moment: Fermi dal Segrému priniesť z fontány na dvore inštitútu vedro vody, vložili do nej zdroj neutrónov a striebro a aktivita sa zvýšila 10- až 100-násobne. Toto bol prvý dôkaz, že pomalé neutróny sú oveľa účinnejšie.
Dlho bolo ticho.
V priebehu desaťročí sa Fermi a jeho kolegovia mnohokrát o tomto objave rozprávali, ale nikdy neprehovorili o úlohe pani Maraniovej.
Súvislosti objavili až dvaja fyzici, Fabio Cardone a Roberto Mignani, ktorí sa vrátili k Fermiho experimentom pre knihu pripomínajúcu sté výročie jeho narodenia. O upratovačke Cesarine Maraniovej im porozprával Mario Berardo, správca Fyzikálneho inštitútu, ktorý už bol na dôchodku a ktorý bol dokonca aj svedkom experimentu s vedrom tesne pred obedom 22. októbra 1934.
Pani Maraniová pokračovala vo svojej práci v inštitúte nepoznaná a už vôbec nie slávna až do svojho odchodu do dôchodku, zatiaľ čo Fermi sa preslávil vo svete a získal aj Nobelovu cenu. Enrico Fermi preukázal, že k jadrovej premene dochádza takmer v každom prvku vystavenom bombardovaniu neutrónmi, čím otvoril cestu k objavu pomalých neutrónov, jadrového štiepenia a takzvanej teórie beta rozpadu.
V predvečer druhej svetovej vojny Fermi utiekol do USA, aby zachránil svoju židovskú manželku pred Mussoliniho fašistickým režimom. V roku 1944 navrhol a postavil prvý jadrový reaktor v Chicagu a potom sa presťahoval do národného laboratória Los Alamos v Novom Mexiku, aby sa pripojil k projektu Manhattan, v rámci ktorého zostrojili aj prvú atómovú bombu.
Nepodceňujme teda náhodu….
Názory vyjadrené v tomto článku sú názormi autora a nemusia nutne odrážať stanovisko The Epoch Times.
Trénujte si mozog s našimi hrami! Sudoku, šachové úlohy, hľadanie rozdielov, solitaire HRAŤ ▶
Váš názor nás zaujíma! Pomôžte nám zlepšovať obsah hodnotením tohto článku.