Zaskoczenie rozszczepieniem jądra atomowego
77 lat temu odkryto zjawisko rozszczepienia jądra atomowego. Było to jedno z najważniejszych odkryć XX wieku, jeśli nie najważniejsze. Ledwie sześć lat później zbudowano bombę atomową i użyto jej dwukrotnie w Japonii. Od tej pory rozwój techniki wojennej związanej z fizyką jądrową wpływa na historię świata. Kontrolowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia jąder stała się też niezwykle obfitym źródłem „pokojowej” energii, aczkolwiek w praktyce wymaga zaawansowanej technologii i stosowania się do licznych norm bezpieczeństwa. Paliwo jądrowe, w obliczu kryzysów lub nawet wyczerpania paliw kopalnych i w obliczu wzrastającej populacji ludzkości, może pomóc zabezpieczyć energetyczne potrzeby świata.
W połowie lat 30. XX wieku wyróżniały się cztery czołowe ośrodki zajmujące się dynamicznie rozwijającą się fizyką jądrową: pracownia Enrico Fermiego w Rzymie, laboratorium Rutherforda w Cambridge, małżeństwa Joliot-Curie w Paryżu i Lise Meitner w Berlinie.
Fermi rozpoczyna badania
Neutron, odkryty w 1932 r., jako cząstka pozbawiona ładunku elektrycznego, w jądrze atomowym oddziałuje siłami jądrowymi i w przeciwieństwie do cząstek alfa nie oddziałuje elektrycznie z protonami z jądra. Jest dobrym narzędziem do wytwarzania sztucznej promieniotwórczości (patrz: „Młody Technik” 1/2016).
Po odkryciu zjawiska sztucznej promieniotwórczości Enrico Fermi przeprowadzał reakcje, w których za pomocą napromieniowania neutronami otrzymywał dalsze przykłady sztucznej promieniotwórczości. Bombardował neutronami właściwie wszystkie pierwiastki z wówczas znanej tablicy Mendelejewa. Neutrony otrzymywał, mieszając beryl ze źródłem cząstek alfa, radem (226Ra). Wynikiem tej reakcji był węgiel i neutrony, czyli 6Be + a 12C + n. W tych doświadczeniach zatrzymał się na dłużej dopiero na końcu ówczesnego układu okresowego, na uranie, z liczbą atomową 92. W tym przypadku otrzymywał szereg rozpadów beta. Produkty tych reakcji nie miały właściwości podobnych do znanych pierwiastków w pobliżu uranu w układzie okresowym. Dlatego Fermii wydedukował, że ma prawdopodobnie do czynienia z nowymi pierwiastkami, o liczbie atomowej począwszy od 93, które zyskały sobie nazwę „transuranowych”.
Grupa berlińska
Lise Meitner – profesorka fizyki na uniwersytecie w Berlinie, będąc wówczas na bieżąco w głównym nurcie badań jądrowych, zajęła się tym samym zagadnieniem. Jako fizyczka, wiedziała, że będzie potrzebować ścisłej współpracy chemików i namówiła do niej Ottona Hahna, swego długoletniego kolegę i przyjaciela, z którym już kiedyś pracowała i w 1917 r. razem odkryli protaktyn o liczbie atomowej 91. Następnie dołączył do nich Fritz Strassmann, młodszy chemik z tego samego instytutu. Rozpoczęli wspólną pracę i pod koniec 1934 r. doszli do wstępnych wniosków, że Fermi miał rację. Doprowadziły ich do tego m.in. dwa błędne założenia, uznawane wówczas za obowiązujące. Były one wnioskami ze znanych wtedy faktów doświadczalnych. Pierwsze głosiło, że w reakcjach jądrowych występują tylko małe zmiany składu jądra. Drugie – że pierwiastki transuranowe mają mieć właściwości podobne do pierwiastków przejściowych.te procesy. Prace kontynuowali Meitner, Hahn i Strassmann.
Po ponad dwóch latach wysiłków zapisali trzy procesy, o których myśleli, że zachodzą: napromieniowanie uranu neutronami miało dawać pięć kolejnych rozpadów beta minus, a produktami byłyby pierwiastki o liczbie atomowej od 93, przez 94, 95, 96 do 97. W drugim procesie byłyby trzy rozpady beta minus z produktami – pierwiastkami o liczbie atomowej od 93 do 95. Czasy połowicznego rozpadu w tych procesach były bardzo różne, od 10 sekund do 66 godzin. W trzecim procesie byłby tylko jeden rozpad beta minus, z czasem rozpadu połowicznego 23 minuty, w wyniku którego powstawałby pierwiastek z liczbą atomową 93.
Jeśli chodzi o pierwsze dwie reakcje, to wg Lise Meitner istniało podejrzanie dużo postępujących po sobie rozpadów beta minus. Wydawało jej się, że najbardziej prawdopodobnym mógł być proces trzeci. Wyprzedzając bieg wypadków, powiem, że taka reakcja zachodzi, a pierwiastek o numerze 93, należący do ziem rzadkich, w roku 1940 zidentyfikowali Edwin McMillan i Philip Abelson. Żadna z istniejących wówczas w fizyce jądrowej teorii nie dawała wskazówek, co naprawdę się dzieje. Błędem grupy było przywiązanie do drugiego założenia, że należy szukać pierwiastków o właściwościach podobnych do grupy pierwiastków przejściowych. Trzeba było szukać właściwości także innych pierwiastków.
W wyniku doświadczeń napromieniowania uranu za pomocą neutronów otrzymywano produkty emitujące elektrony. Tło w tych doświadczeniach było bardzo duże, a pozostającego osadu było niezmiernie mało. Utrudniało to wyjątkowo określenie wyników eksperymentów.
Na wiosnę 1935 r. grupa fizyków rzymskich pod przewodnictwem Enrico Fermiego przestała badać te procesy. Prace kontynuowali Meitner, Hahn i Strassmann. Po ponad dwóch latach wysiłków zapisali trzy procesy, o których myśleli, że zachodzą: napromieniowanie uranu neutronami miało dawać pięć kolejnych rozpadów beta minus, a produktami byłyby pierwiastki o liczbie atomowej od 93, przez 94, 95, 96 do 97. W drugim procesie byłyby trzy rozpady beta minus z produktami – pierwiastkami o liczbie atomowej od 93 do 95. Czasy połowicznego rozpadu w tych procesach były bardzo różne, od 10 sekund do 66 godzin. W trzecim procesie byłby tylko jeden rozpad beta minus, z czasem rozpadu połowicznego 23 minuty, w wyniku którego powstawałby pierwiastek z liczbą atomową 93.
Jeśli chodzi o pierwsze dwie reakcje, to wg Lise Meitner istniało podejrzanie dużo postępujących po sobie rozpadów beta minus. Wydawało jej się, że najbardziej prawdopodobnym mógł być proces trzeci. Wyprzedzając bieg wypadków, powiem, że taka reakcja zachodzi, a pierwiastek o numerze 93, należący do ziem rzadkich, w roku 1940 zidentyfikowali Edwin McMillan i Philip Abelson.
Niesłuchane zdanie
We wrześniu 1934 r. Ida Noddack, chemiczka nieorganiczna z Niemiec, komentowała działalność Fermiego. Pisała, że powinien on porównywać otrzymane pierwiastki radioaktywne do wszystkich pierwiastków i spekulowała, że można by sobie wyobrazić, iż takie jądro może rozpaść się na większe fragmenty, które byłyby izotopami innych pierwiastków, a nie pierwiastków sąsiednich do napromieniowanych neutronami. Wszyscy zainteresowani przeczytali pracę Noddack, ale treści tam zawarte były tak wykraczające poza ówczesną wyobraźnię, że nikt tych błyskotliwych sugestii się nie uchwycił, nawet ona sama.
Żadna z istniejących wówczas w fizyce jądrowej teorii nie dawała wskazówek, co naprawdę się dzieje. Błędem grupy było przywiązanie do drugiego założenia, że należy szukać pierwiastków o właściwościach podobnych do grupy pierwiastków przejściowych. Trzeba było szukać właściwości także innych pierwiastków.uczonych, udało jej się opuścić terytorium niemieckie pociągiem, na austriackim nieważnym paszporcie i dojechać do Holandii. Następnie, po wizycie u Bohra w Kopenhadze, skierowała się do Szwecji. Na stałe zamieszkała w Sztokholmie. Dynamiczny rozwój wypadków Po połowie października 1938 r. Irène Joliot-Curie i pochodzący z Serbii Pavle Savić opublikowali informację, że izotop istniejący wśród produktów reakcji, o czasie połowicznego zaniku trzech i pół godziny, miał właściwości chemiczne podobne do lantanu, o liczbie atomowej 57. Powróćmy do badań grupy berlińskiej, teraz rozseparowanej. Pomimo napięć politycznych poczta pomiędzy Berlinem a Sztokholmem działała szybko. Lise i Otto ciągle byli w kontakcie listownym i w taki sposób dyskutowali ze sobą na bieżąco. Hahn i Strassmann, spekulując, domyślali się, że substancją, którą dostali Joliot-Curie z Saviciem, o czasie połowicznego zaniku trzy i pół godziny, może być rad. Z radu, dalej przez rozpad beta minus powstawałby aktyn. 13 listopada 1938 r., podczas wizyty Lise Meitner w instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze, udało się spotkać Meitner i Hahnowi, w tajemnicy, poza miastem. Podczas tamtej rozmowy fizyczka ponoć bardzo zdecydowanie protestowała przeciwko temu, że Hahn i Strassmann mieliby zidentyfikować rad. Aby powstał rad musiałyby zaistnieć dwie emisje czą-
Ucieczka z Niemiec
W 1933 r. do władzy w Niemczech doszedł Hitler. Lise Meitner pochodziła z żydowskiej rodziny z Wiednia. W 1906 r. przyjęła chrzest i była protestantką. Jej austriackie obywatelstwo chroniło ją przed narodowymi socjalistami, ale tylko do czasu. Po anszlusie Austrii musiała w lipcu 1938 r. potajemnie uciekać ze swego laboratorium w stolicy III Rzeszy. Pomimo wydanego przez szefa SS Heinricha Himmlera zakazu emigracji
uczonych, udało jej się opuścić terytorium niemieckie pociągiem, na austriackim nieważnym paszporcie i dojechać do Holandii. Następnie, po wizycie u Bohra w Kopenhadze, skierowała się do Szwecji. Na stałe zamieszkała w Sztokholmie.
Dynamiczny rozwój wypadków
Po połowie października 1938 r. Irène Joliot-Curie i pochodzący z Serbii Pavle Savić opublikowali informację, że izotop istniejący wśród produktów reakcji, o czasie połowicznego zaniku trzech i pół godziny, miał właściwości chemiczne podobne do lantanu, o liczbie atomowej 57.
Powróćmy do badań grupy berlińskiej, teraz rozseparowanej. Pomimo napięć politycznych poczta pomiędzy Berlinem a Sztokholmem działała szybko. Lise i Otto ciągle byli w kontakcie listownym i w taki sposób dyskutowali ze sobą na bieżąco. Hahn i Strassmann, spekulując, domyślali się, że substancją, którą dostali Joliot-Curie z Saviciem, o czasie połowicznego zaniku trzy i pół godziny, może być rad. Z radu, dalej przez rozpad beta minus powstawałby aktyn. 13 listopada 1938 r., podczas wizyty Lise Meitner w instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze, udało się spotkać Meitner i Hahnowi, w tajemnicy, poza miastem. Podczas tamtej rozmowy fizyczka ponoć bardzo zdecydowanie protestowała przeciwko temu, że Hahn i Strassmann mieliby zidentyfikować rad. Aby powstał rad musiałyby zaistnieć dwie emisje cząstek alfa (92U + n 88Ra + 2a), co Meitner uważała ze niemożliwe z punktu widzenia energetycznego. Sądziła, że jeden neutron nie byłby w stanie wyrzucić z jądra jednej, a co dopiero dwóch cząstek alfa. Lise prosiła Ottona Hahna, by jeszcze raz to sprawdzić.
Pracując dalej zgodnie z tą wskazówką, Hahn ze Strassmannem zorientowali się 17 grudnia, że rzeczywiście nie mają do czynienia z radem, a z barem. Rad przez rozpad beta minus stawałby się aktynem, a bar – lantanem. Przez dwa dni upewniali się, czy dostali aktyn czy lantan. Hahn 19 grudnia napisał o tym do Lise Meitner. W następnym liście, dwa dni później, tak się wyraził: „Nie możemy milczeć o naszych rezultatach, nawet jeśli mogą być fizycznie absurdalne”. Czuł, że stało się coś bardzo ważnego, ale nie miał pojęcia, co. Przed świętami Bożego Narodzenia 1938 r., już 22 grudnia, Hahn i Strassmann złożyli do czasopisma „Naturwissenschaften” pracę, wcześniej napisaną, o próbach identyfikacji radu. W tekście słowo „rad” ujęli w cudzysłów. Na końcu umieścili informację, że otrzymali bar, który po kolejnych rozpadach beta minus daje La i Ce. Spieszyli się z tym, gdyż obawiali się, że Irène Joliot-Curie z Pavlem Saviciem mogą ich uprzedzić. Artykuł ukazał się w najbliższym wydaniu czasopisma, 6 stycznia 1939 r., i jako autorzy wystąpili Hahn i Strassmann. Szczegółowy opis doświadczenia z 17 grudnia został złożony do tego samego czasopisma w dniu 28 stycznia 1939 r., kiedy Hahn ze Strassmannem już wiedzieli, co odkryli.
Teoria rozszczepienia
W czasie świąt Bożego Narodzenia Lise Meitner spotkała się z Ottonem Robertem Frischem, swoim siostrzeńcem, fizykiem, wówczas pracownikiem Instytutu Fizyki Teoretycznej w Kopenhadze. Oczywiście dyskutowali o najnowszych wynikach. Oboje przyjmowali model kroplowy jądra. Frisch zauważył, że w przypadku równie dużego jądra jak jądro uranu napięcie powierzchniowe takiej kropli może być wystarczająco małe, by się rozpadła na dwie krople. Jego ciotka zaraz wyliczyła ze wzoru Einsteina, w pamięci, jak wielka energia (ok. 200 MeV) może być wyzwalana przy takim rozszczepieniu jądra ze „znikającej masy”. 16 stycznia 1939 r. Lise Meitner i Otto R. Frisch złożyli w czasopiśmie „Nature” wspólny artykuł, zawierający powyższe wyjaśnienie rozszczepienia jądrowego. Na razie nie było jeszcze mowy o reakcji łańcuchowej w uranie.
W tym samym dniu Frisch, już bez ciotki, przekazał do tego samego czasopisma drugi artykuł, opisujący, jak w komorze jonizacyjnej w prosty sposób można zaobserwować rozszczepienie jądra uranu. Używane od tej pory w literaturze angielskie określenie nuclear fission wzięło się z wizualnego podobieństwa tego procesu do podziału komórki bakteryjnej.
Warto przytoczyć bardzo spontaniczną reakcję Nielsa Bohra, gdy już 3 stycznia 1939 r. dowiedział się od Frischa o rozszczepieniu jądra: „Ah, jakimi byliśmy wszyscy idiotami! Ah, ale to jest wspaniałe! To jest właśnie tak, jak miało być!”. Fizycy od razu poczuli wagę i możliwe konsekwencje dla ludzkości otrzymania tak dużych energii w odkrytej reakcji jądrowej i wielu z nich od razu rzuciło się do pracy w tej fascynującej i przyszłościowej dziedzinie. W rok później ukazała się słynna teoretyczna praca „Mechanizm rozszczepienia jądrowego” Nielsa Bohra i Johna A. Wheelera. Zawierała już 140 odnośników do prac na ten temat.
Nagroda Nobla
Nagroda Nobla z chemii za rok 1944 r. otrzymał w 1945 r. sam Otto Hahn. Nie uwzględniono zasług ani Lise Meitner, ani Fritza Strassmanna w odkryciu rozszczepienia jądrowego. Decyzja ta budziła i ciągle budzi kontrowersje.
