Już więcej niż 2000 lat temu mówiono o atomach. Demokryt, jeden z największych uczonych starożytnej Grecji, przyjmował, że wszelka materia składa się z najmniejszych, niepodzielnych dalej cząstek, które nazwał atomami. Był on zdumiewająco bliski prawdy. Wielu innych greckich filozofów i uczonych zajmowało się wtedy materią i kosmosem. Z dużą dokładnością wyznaczo no obwód Ziemi, znano odległość od Ziemi do Księżyca i wiedziano, że nasza planeta kręci się dookoła Słońca. Prawie wszystkie zdobycze poznawcze tego okresu dziwnym trafem popadły w zapomnienie. W kolejnych wiekach ludzie znacznie bardziej interesowali się imperiami, wojnami, katedrami i procesami czarownic. Dopiero koło roku 1800 podjęto ponownie prastarą ideę atomu. Wnioskowano, że muszą istnieć różne rodzaje atomów, by dało się wyjaśnić różnorodność wystepujących w naturze substancji i zjawisk. W 1803 r. angielski nauczyciel John Dalton odkrył, że istnieją substancje, składające się wyłącznie z jednego rodzaju atomów. Nazywano je pierwiastkami chemicznymi. Należą do nich złoto, żelazo, tlen. Czyste żelazo składa się wyłącznie z atomów żelaza, czyste złoto tylko z atomów złota. Atom żelaza jest najmniejszą możliwą cząstką żelaza. Można go wprawdzie rozbić, ale powstałe wtedy składniki nie są już żelazem. Podobnie ma się sprawa ze złotem i wszystkimi pozostałymi pierwiastkami chemicznymi. Stąd w wielu książkach chemicznych znajdujemy następujące wyjaśnienie pojęcia "atom": "Atom jest to najmniejszy składnik pierwiastka chemicznego, który bez utraty właściwości typowych dla danego pierwiastka nie da się dalej podzielić". Atomy mają różne masy. Najlżejszy jest atom wodoru, atomy żelaza są cięższe, a ważne dla naszych rozważań atomy uranu mają jeszcze większą masę. Atomy w porównaniu z przedmiotami codziennego użytku są znikomo małe. Gdyby człowiek miał rozmiary atomu, wtedy 100 milionów ludzi zmieściłoby się wygodnie na główce od szpilki. Z całej pięciomiliardowej ludności zamieszkującej współcześnie Ziemię można by w tym przypadku utworzyć szereg o długości ok. 50 cm.
W 1913 r. wielki duński fizyk Niels Bohr opublikował swój słynny model atomu wodoru, który jeszcze dziś jest bardzo bliski rzeczywistości. Według niego, atom jest zbudowany podobnie do pomniejszonego układu słonecznego. W układzie słonecznym planety takie, jak Merkury, Wenus, Ziemia czy Mars krążą w dużej odległości wokół obarczonego dużą masą Słońca. Podobnie jest w atomie. W jego centrum znajduje się jądro atomu, małe rozmiarami, ale o dużej masie. Wokół jądra krążą w "olbrzymich" odległościach znikomo małe i lekkie cząstki - elektrony. Jądro jest naładowane elektrycznie dodatnio, elektrony zaś ujemnie. Są one utrzymywane na swych torach siłami elektrostatycznego przyciągania jądra, podobnie jak planety związane są ze Słońcem siłami grawitacyjnymi. Jak małe są jądra atomowe ilustruje następujący przykład. Kropla wody składa się z ok. 6 x 1021 czyli 6 000 000 000 000 000 000 000 atomów. Choć atom jest mały, to jego jądro jest jeszcze znacznie mniejsze. Wypełnia ono zaledwie 1/1 000 000 000 000 objętości atomu. Gdyby jądro atomu było wielkości wiśni i leżało na środku stadionu piłkarskiego, wtedy tory elektronów przebiegałyby w górnych rejonach widowni. Choć jądro zajmuje zaledwie bilionową część objętości atomu, to jest w nim skoncentrowana prawie cała jego masa. Materia jądrowa jest niesłychanie mocno zagęszczona. Gdyby stworzyć opisane wyżej jądro wielkości wiśni, ważyłoby ono ok. 30 milionów ton i oczywiście nie pozostałoby na boisku lecz zagłębiłoby się w ziemię.
Jądra atomowe składają się z dwóch rodzajów cząstek - protonów i neutronów. Obydwie cząstki mają prawie równe masy i są około 2000 razy cięższe od elektronów. Proton posiada ładunek dodatni równy liczbowo ujemnemu ładunkowi elektronu, neutron - zgodnie z nazwą - jest neutralny, czyli pozbawiony ładunku elektrycznego. Wartość ładunku elektrycznego protonu czy elektronu nazywamy ładunkiem elementarnym. Protony i neutrony są często określane wspólną nazwą nukleonów i same składają się z jeszcze drobniejszych cząstek, zwanych kwarkami.
Liczba protonów w jądrze decyduje do jakiego pierwiastka dane jądro należy. Przykładowo atom wodoru ma w jądrze jeden proton, atom helu - dwa, atom węgla sześć, a atom uranu aż 92. Jeśli jądro atomu ma 6 dodatnich protonów, to jest ono okrążane przez 6 ujemnych elektronów, dzięki czemu cały atom jest elektrycznie obojętny. Jeśli taki atom utraci jeden elektron, wtedy sześciu protonom przeciwstawia się pięć elektronów. Atom posiada więc ładunek +1. Takie naładowane atomy nazywamy jonami.
Wszystkie atomy tego samego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów i elektronów, mogą jednak różnić się między sobą liczbą neutronów. Najlżejszy najprostszy pierwiastek- wodór istnieje w trzech różnych odmianach, z O, 1 lub 2 neutronami w jądrach. Normalny wodór ma w jądrze jeden proton i ani jednego neutronu. Inny rodzaj wodoru, deuter, ma w jądrze proton i neutron, a jądro trylu zawiera prócz charakterystycznego dla wodoru pojedynczego protonu aż dwa neutrony. Powyższe trzy odmiany wodoru nazywamy izotopami pierwiastka wodoru. Ogólnie określa się atomy pierwiastka o identycznej liczbie protonów, ale różnej liczbie neutronów, jako izotopy danego pierwiastka. Dla przykładu uran występuje w przyrodzie w odmianach, które zawierają 234, 235 lub 238 nukleonów. Wiemy już, że wszystkie jądra uranu mają 92 protony. Stąd trzy izotopy uranu mają odpowiednio 142 (234-92), 143 i 146 neutronów w swoich jądrach atomowych. Oznaczamy je jako U-234, U-235 i U-238. Sumaryczna ilość nukleonów danego izotopu nazywana jest często liczbą masową, zaś liczba protonów - liczbą porządkową. U-235 ma więc liczbę masową 235 oraz liczbę porządkową 92, izotop wodoru deuter ma liczbę masową 2 i liczbę porządkową 1.
Jak wiadomo, dwa dodatnie ładunki odpychają się wzajemnie. Podobnie jest z dwoma ładunkami ujemnymi, podczas gdy ładunek dodatni przyciąga ładunek ujemny. W taki to sposób elektrony utrzymywane są w ruchu wokół dodatnich jąder. Wiemy jednak, ze jądra atomowe składają się z neutronów i dodatnich protonów. Jądra te powinny się właściwie natychmiast rozpaść, gdyż ładunki dodatnie się wzajemnie odpychają. Jak to jest możliwe, by w jądrze atomu węgla sześć dodatnich protonów pozostało razem w tak ciasnej przestrzeni? Bierze się to stąd, że między składnikami jądra atomowego działają inne, znacznie większe siły, tzw. siły jądrowe, ale tylko wtedy, gdy nukleony są bardzo blisko siebie.
Nie wszystkie jądra atomowe są tak niezmienne jak jądro atomu węgla. Wiele jąder rozpada się nagle, wyrzucając przy tym mniejsze z siebie cząstki. Zjawisko to nazywamy promieniotwórczością. Odkrył ją francuski fizyk Henri Becquerel, a badali małżonkowie Piotr i Maria Curie. Przez długi czas nikt właściwie dokładnie nie wiedział, na czym promieniotwórczość polega. Wprawdzie znajdywano wiele pierwiastków wysyłających tajemnicze promieniowanie, które np. zaczerniało płyty fotograficzne, ale długie lata musiały minąć, nim prawdziwa natura tego promieniowania została naukowo zbadana. Dziś wiemy, że istnieją trzy rodzaje radioaktywnego promieniowania: promieniowanie y. (alfa), składające się z jąder helu, promieniowanie /? (beta), złożone z elektronów oraz promieniowanie 7 (gamma) - pozbawione masy kwanty promieniowania, z jakimi spotykamy się także przy świetle czy promieniach Roentgena. Kwanty 7 są znacznie bogatsze w energię niż promieniowanie świetlne czy Roentgena.
Jądra atomowe, szczególnie te bardzo duże i ciężkie, są często nietrwałe i rozpadają się, podobnie jak rozpadłaby się się duża budowla, której ściany nośne byłyby zbyt wątłe. Jądro radu może np. wyrzucić z siebie cząstkę złożoną z dwóch protonów i dwóch neutronów, zwaną cząstką alfa. Po akcie emisji w jądrze brak teraz dwóch protonów, nie jest to więc już jądro radu. Przemieniło się ono w jądro innego pierwiastka, w tym przypadku w jądro radonu. Inne jądra rozpadają się przez wyrzucenie z siebie elektronu, czyli cząstki beta. Cząstka ta powstaje z przemiany neutronu w proton oraz elektron, który następnie zostaje wyemitowany z jądra. Jądro zawiera teraz o jeden proton więcej, zatem i tu mamy do czynienia z przemianą pierwiastka. Jądro powstałe po przemianie najczęściej też nie jest trwałe i rozpada się dalej. W ten sposób powstają szeregi promieniotwórcze, kończące się ostatecznie pierwiastkiem trwałym. Uran przykładowo po 13 przemianach pośrednich przekształca się w ołów.
Nikt nie jest w stanie przewidzieć, kiedy określone jądro atomowe ulegnie rozpadowi. Rozpad określonego jądra radu może nastąpić np. za sekundę, jutro lub za 10 000 lat. Jedno jednak można z całą pewnością przepowiedzieć: ze 100000 jąder radu dokładnie po 1620 latach 50 000, czyli 50% ulegnie rozpadowi. Minie nawet 4,5 miliarda lat, nim połowa jąder bryły uranu U-238 ulegnie rozpadowi. Czas, po którym połowa jąder danego izotopu promieniotwórczego ulegnie rozpadowi, przyjęto nazywać okresem połowicznego zaniku. Jak wyżej podano, okres połowicznego zaniku ura-nu-238 wynosi 4,5 miliarda lat. Dla polonu jest on znacznie krótszy i wynosi ok. 138 dni, zaś dla fransu zaledwie 21 minut. Po upływie czasu równego dwom okresom połowicznego zaniku istnieje jeszcze tylko 1/2x1/2 = 1/4 pierwotnej liczby jąder, a po 10 okresach połowicznego zaniku pozostaje ich 1/2 x 1/2 x x 1/2 x 1/2 x 1/2 x 1/2 x 1/2 x 1/2 x x 1 /2 x 1 /2 = 1/1024. Z jednego kg radu przetrwa po 10 x 1620 latach zaledwie 0,98 g.
Przez aktywność materiału promieniotwórczego rozumiemy liczbę jąder atomowych, które ulegają rozpadowi w czasie 1 sekundy. Jednostką aktywności jest bekerel (Bq), nazwana tak na cześć wspomnianego odkrywcy promieniotwórczości, Becquerela. Jeśli dla przykładu w określonej substancji rozpadają się 403 jądra na sekundę, to jej aktywność wynosi 403 Bq. Wcześniej używaną jednostką był curie (Ci): 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq. Promieniowanie, występujące podczas przemian jądrowych, stanowi strumień energii całkowicie lub częściowo absorbowany, czyli pochłaniany przez materię. Ilość energii, wchłoniętej przez każdy kg napromieniowanej materii nazywamy dawką. Jej jednostką jest gray (Gy): 1 Gy = = 1 dżul/kg = 1 J/kg. Wcześniej używano jednostki rad (rd): 1 rd = 10'2 Gy = = 1/100 Gy. Choć dawka wielkości 1/100 Gy odpowiada wzrostowi temperatury ciała ludzkiego zaledwie o 0,0001 °C, to jednak u istot żywych może ona spowodować znaczne uszkodzenia radiacyjne. Wchłonięta w krótkim czasie może doprowadzić do zniszczenia ważnych dla życia komórek w naszym ciele. Biologiczne działanie promieniowania zależy nie tylko do energii pochłoniętej na każdy kg wagi ciała. 1 Gy promieniowania a jest, przykładowo, 20 razy bardziej niebezpieczny niż 1 Gy promieniowania beta lub gama. Dlatego wprowadzono tzw. dawkę równoważną, która uwzględnia zróżnicowane zagrożenie poszczególnego promieniowania dla organizmów żywych. Jednostką dawki równoważnej jest sievert (Sv). Do 1985 r. używano także jednostki rem równej 10-2 Sv. Spotykamy się z nią często w starszych książkach o energii jądrowej. 20 Sv promieniowania a odpowiada jednemu Gy promieniowania alfa, ale dwudziestu Gy promieniowania beta lub gama.
Dotąd poznaliśmy jedynie takie jądra atomowe, które rozpadają się samorzutnie. W roku 1938 dwaj niemieccy naukowcy Otto Hahn i Fritz Strassmann dokonali podniecającego odkrycia. Ostrzeliwując neutronami jądra atomowe uranu stwierdzili oni, że niektóre z tych jąder zostały rozszczepione na dwie prawie równe części. Nie wnikajmy w szczegóły; ważne, że w tym przypadku nie było samorzutnego rozpadu radioaktywnych jąder, natomiast neutrony, jak małe pociski przenikając w większe jądra rozbiły je.
Neutrony nadają się dobrze jako pociski dla przemiany lub rozszczepiania jąder, gdyż są one elektrycznie obojętne. Dodatni proton nie jest do tego celu przydatny, byłby bowiem przez także dodatnie jądro odpychany i odchylany. Elektrony są z reguły za lekkie, by wywrzeć wpływ na ciężkie jądro i są ponadto odpychane przez powłokę elektronową atomu. Elektrycznie obojętny neutron nie posiada żadnej z tych wad. Nie jest on spychany ze swej drogi i ma wystarczającą masę, by rozszczepiać jądra atomowe. Szybko zwrócono uwagę na fakt, że powolne neutrony z reguły znacznie częś ciej wnikają do jądra niż prędkie. Kiedyś pewien fizyk skomentował to żartem, że neutrony prędkie najczęściej mijają jądro pędem "nawet dobrze mu się nie przyglądając". Natomiast powolne albo termiczne neutrony przebywają znacznie dłużej w pobliżu jądra i mają więcej czasu, by na nie oddziaływać. Jak na nasze wyobrażenia są one i tak jeszcze bardzo szybkie, ich prędkość wynosi ok. 2,2 km/s. Za pomocą neutronów można nie tylko rozszczepiać jądra, ale także je przemieniać. Zachodzi to wtedy, gdy pocisk neutronowy zostanie pochłonięty przez jądro.
Naturalny uran zawiera trzy izotopy U-234, U-235 i U-238. Z każdego 1000 atomów uranu 993 ma jądra U-238, 7 zaś jądra U-235. Izotopu U-234 ze względu na znikomą zawartość w naturalnym uranie możemy w ogóle nie brać pod uwagę. Powolne neutrony rozszczepiają jedynie jądra U-235. W wyniku tego powstaje najpierw jądro przejściowe U-236. Nie jest ono jednak trwałe i rozpada się na kilka fragmentów, np. jądro baru-144, jądro kryptonu-90 oraz dwa nowe neutrony, l tu dochodzimy do odkrycia, które poprzez bomby atomowe i reaktory jądrowe odmieniło świat: powstałe podczas rozszczepienia odłamki mają mniejszą masę niż ostrzeliwane jądro wraz z pociskiem. Stwierdzamy więc ubytek masy, który zgodnie ze wzorem Einsteina E = mc2 odnajduje się w postaci potężnej porcji energii, tzw. energii jądrowej. Można też tak powiedzieć, że energia wiązania, która zespalała duże jądro, została częściowo uwolniona i umożliwiła teraz częściom rozpadu poruszać się z olbrzymią prędkością. Zderzenia z częściami rozpadu wywołują intensywne drgania sąsiednich atomów. W taki to sposób energia ruchu produktów rozpadu zamienia się w ciepło. Podsumujmy. Podczas rozszczepiania jąder uwalniana jest duża ilość energii. Z jednego grama U-235 można uzyskać 23 000 kWh. Często wynikiem rozszczepienia jądra jest pojawienie się trzech nowych neutronów. Przejściowe jądro U-236 może się rozpaść na jądro baru-144, jądro kryptonu-89 oraz trzy neutrony. Nowo powstałe, lżejsze jądra atomowe z zasady same są radioaktywne i wysyłają niebezpieczne promieniowanie. Natkniemy się na nie ponownie przy omawianiu podstawowego problemu elektrowni jądrowych, jakim jest usuwanie odpadów radioaktywnych. Aby rozszczepić jądro U-238, powinniśmy dysponować neutronami bardzo prędkimi. Powolne wnikają wprawdzie do tego jądra, ale zostają tam pochłonięte tworząc U-239. Ten ostatni podczas stanu przejściowego przemienia się w pluton-239, który już może być rozszczepiany powolnymi neutronami.
W dużej bryle U-235 lub plutonu po krótkim ostrzale neutronami odbyłby się następujący proces. Gdzieś w dowolnym miejscu następuje rozszczepienie pierwszego jądra. Wyrzuca ono z siebie 2 lub 3 neutrony. Niech te neutrony w naszym przykładzie rozbijają 2 dalsze jądra, z których przeciętnie uwolni się 5 neutronów. Jeśli cztery z nich trafią na jądra sąsiadów i je rozszczepią, wytworzy się 8 do 12 nowych neutronów. Te ostatnie - uwzględniając nawet pewne straty - rozbijają dalsze jądra, przy czym każdorazowo wydzielana jest olbrzymia energia. Gdy w kolejnym etapie powstanie okrągło 20 nowych neutronów, a te także trafią w jądra, to widać, że w ułamku sekundy liczba rozbitych jąder, a tym samym ilość wydzielanej energii, będzie wzrastać lawinowo. Proces ten nazywamy reakcją łańcuchową. Przedstawiona tu niekontrolowana reakcja łańcuchowa znajduje zastosowanie w bombie atomowej. Dla jej zapoczątkowania konieczna jest określona minimalna masa paliwa jądrowego, zwana masą krytyczną. Dla uranu-235 wynosi ona ok. 23 kg, co odpowiada kuli o średnicy 13 cm. Gdy ilość paliwa jądrowego jest mniejsza od masy krytycznej, tracimy zbyt wiele neutronów, które opuszczą bryłę uranu, nim zdążą trafić na jakieś jądro. Na szczęście reakcja łańcuchowa może przebiegać także w sposób kontrolowany, gdy dopuszczamy jedynie określoną ilość rozszczepień na sekundę. Tak właśnie dzieje się w reaktorach jądrowych, czemu poświęcony będzie następny rozdział.
W naturalnym uranie reakcja łańcuchowa nie może się samoistnie rozwinąć. Składa się ona bowiem w ponad 99% z U-238. Te dwa lub trzy neutrony, które powstają podczas rozszczepienia jądra, są z jednej strony najczęściej za prędkie, by rozbić jedno z nielicznych jąder U-235, a z drugiej strony są za wolne dla rozszczepienia jąder U-238. Zostają one jedynie przez nie wchłonięte. Pojedyncze rozszczepienie jądra nie może więc bez specjalnych zabiegów spowodować reakcji łańcuchowej. Aby do niej doprowadzić, można obrać dwie drogi: 1. należy podwyższyć zawartość U-235, by uzyskać więcej materiału rozszczepialnego; 2. uzyskane podczas rozszczepienia neutrony należy spowolnić. Na przykład, aby otrzymać paliwo użyteczne w typowej elektrowni jądrowej w RFN, należy zawartość U-235 podwyższyć z 0,7% do 3%. Proces taki nazywamy wzbogacaniem.
Samo wzbogacenie paliwa do 3% jeszcze nie wystarcza, gdyż neutrony powstałe podczas rozszczepienia są za szybkie. Zostałyby one pochłonięte przez jądra obecnego w znacznym stężeniu U-238 nie powodując ich rozszczepienia, a obok większości jąder U-235 potrzebujemy bowiem powolnych neutronów. Na szczęście istnieją materiały, które mogą neutrony wyhamowywać. Nazywamy je moderatorami. Węgiel dobrze się do tego nadaje. Jeśli umieścić go w postaci grafitu między bryłami czy blokami uranowymi, to zahamuje on przechodzące przezeń neutrony do tego stopnia, że przy ponownym spotkaniu z jądrem U-235 mogą już spowodować jego rozszczepienie. Także woda i beryl są dobrymi moderatorami.
Istnieje jeszcze inna metoda uzyskiwania energii jądrowej. W wysokiej temperaturze i przy bardzo dużym ciśnieniu może dojść do połączenia jąder deuteru z trytem. Powstaje wtedy jądro helu oraz neutron. Obydwie nowo utworzone cząstki mają w sumie nieco mniejszą masę niż dwa jądra wyjściowe. Utracona masa przekształca się w sposób opisany wcześniej w olbrzymią ilość energii. Taki proces nazywamy syntezą jądrową. Wszystkie gwiazdy, nasze Słońce, ale także bomba wodorowa uzyskują swoją energię na tej drodze.
We wnętrzu Słońca - upraszczając - zachodzi następujący proces. Przy temperaturze 15 milionów stopni i niewyobrażalnym ciśnieniu 20 miliardów megapaskali tworzy się z każdych czterech jąder wodoru jedno jądro helu. To ostatnie jest nieco lżejsze niż jego 4 składniki wyjściowe. Ubyło masy, została ona zamieniona w duże ilości energii. W każdej sekundzie Słońce zużywa 564 miliony ton wodoru, by z niego otrzymać 560 milionów ton helu. Pozostałe 4 miliony ton, czyli 0,7% paliwa, zamienia się w energię słoneczną. Moc całkowita Słońca wynosi 383 000 000 000 000 000 000 000, czyli 3,83 x 1023 kW; metr kwadratowy Słońca wypromieniowuje 62 900 kW. Odpowiada to w przybliżeniu mocy 62 000 radiatorów elektrycznych, względnie 1 miliona żarówek.