Munkássága

Mozgó alkatrész nélküli hűtőgép

Szilárd Leó Berlinben több szabadalmat adott be, melyek közül legjelentősebb az, amit 1927-ben Einsteinnel együtt nyújtott be egy hűtőfolyadékok áramoltatására alkalmas mágneses szivattyúra. Ebben nincsenek könnyen meghibásodó alkatrészek (dugattyúk, forgórészek), ezért az 1950-60-as években a tenyésztő atomreaktorok hűtőrendszerének alapja lett.

Ciklotron-elv

A ciklotron Szilárd Leó ötlete és szabadalma volt, de az első működő ciklotront Ernest Lawrence építette meg Kaliforniában. A ciklotron nem más, mint egy gyórsítóberendezés, melyet protonok és könnyű atommagok gyorsítására használnak.
A ciklotron nagy elektromágnes, melynek pólusai között henger alakú vákumtartály helyezkedik el.
A tartályban izzókatód-módszerrel, ütközési ionizáció révén állítják elő a megfelelő gáz (például hidrogén) gyorsítására váró, töltéssel rendelkező részecskét (ionokat).
Ezek a pozitív ionok a mágneses térben körpályán mozognak, így visszajutnak a gyorsító elektródák sarkai közé, az úgynevezett gyorsítórésbe, melynek sarkaira időben gyorsan változó elektromos teret kapcsolnak.
Az ionok növekvő sebességgel azonos idő alatt egyre nagyobb és nagyobb köröket futnak be, végül kivezetik őket a gyorsítóból. A részecskék a ciklotronban körülbelül a fénysebesség 1/10-éra gyorsíthatók.
Modern ciklotronokkal 100 MeV részecskeenergia is elérhető.
A ciklotronnal felgyorsított protonokkal gyors neutronokat keltettek, amiket az urán befogott: n+238U -> 239U.
A keletkezett atommagban túlságosan sok a neutron, ezért az egyik kötött neutron béta-bomlással protonná alakul: 239U -> 239Np+e-. Az első uránon túli elem, a neptúnium nem stabil: 239Np -> 239Pu+e-. A második transzurán elem a plutónium.
A 239Pu még alkalmasabb hasadóanyagnak bizonyult, mint a 235U, mert benne több a pozitív proton, amelyek elektromosan taszítják egymást. Előnye, hogy nem csak ciklotronnal, hanem atomreaktorban neutronbefogással is előállítható 238U-ból.
Mivel a plutónium az urántól különböző elem, kémiailag elválasztható az urántól. Így tiszta hasadóanyag nyerhető.

Neutronok láncreakciója, a kritikus tömeg elve

1934-ben Szilárd kidolgozta a neutronok láncreakciójának és a kritikus tömeg elvének szabadalmát.
Ugyanebben az évben a Nature szeptemberi számában jelent meg Szilárd és Chalmers cikke, a később róluk elnevezett effektusról, ami egy új tudományág, a "forróatom-kémia" megszületését eredményezte.
Az effektus lényege az, hogy a neutronbefogást követő sugárzás
400-500 eV visszalökési energiája kiszakítja az atommagot a kémiai kötésből, és az így szétválasztott radioaktív végtermék hatékonyan összegyűjthető.
Etiljodidot egy Ra-Be fotoneutron-forrással besugározva állították elő a 128I radioizotópot a 127I(n, ) reakcióban.
Szilárd felismerte, hogy a neutronok a berilliumból nagyfeszültségű elektrongyorsítóban keletkező kemény röntgensugárzással is kiválthatók.
A Berlin-London közös kísérletben, amelyet a Nature 1934. decemberi számában közöltek, megállapították, hogy a 9Be(,n)2 reakciónak 1,5 ˇ106 és 2,0 ˇ106 V gyorsító feszültség között éles küszöbe van, vagyis létezik egy kritikus hullámhossz, amelynél a neutronok az atommagból kilépnek.
Ma ezt a jelenséget magfotoeffektusnak nevezik.

Hasadási neutronok energiaspektruma

Szilárd és Zinn 1939. március 16-i keltezéssel a Physical Review Lettershez beküldött dolgozatukban beszámoltak arról, hogy az uránból hasadásonként körülbelül két neutron lép ki, amit megerősített a Fermi és munkatársai által más módszerekkel egyidejűleg kapott eredmény.
Ezen kutatásokat folytatva Zinn és Szilárd elsőként közölte (Physical Review, 1939. október) a hasadási neutronok energiaspektrumát, amelyet hidrogénnel töltött ionizációs kamrával mértek meg, felhasználva Schwinger és Teller 1937-ből származó elméleti számítását a neutron-proton szórási hatáskeresztmetszet energiafüggésére.
Az energia hitelesítést a 2H(d, n)3He reakcióban keletkező 2,5 MeV energiájú neutronokkal végezték el. Vizsgálataik alapján megállapították, hogy hasadásonként átlagosan 2,3 neutron keletkezik, a hasadási hatáskeresztmetszet 2 barn, míg a sugárzásos befogásé 1,2-1,3 barn.
Következtetésük szerint a természetes urán által elnyelt egyetlen termikus neutronból 1,4 újabb keletkezik, ami lehetővé teszi a nukleáris láncreakció létrejöttét.