Czy są szanse na reakcję łańcuchową w uranie, czyli osiągnięcia fizyki jądrowej w roku 1939
Enrico Fermi (1901-1954) otrzymał Nagrodę Nobla w 1938 r. z fizyki (1). Na uroczystość jej wręczenia zabrał do Sztokholmu całą rodzinę. Nie wrócili już do Włoch pod rządami Mussoliniego – udali się do Stanów Zjednoczonych. Żona Fermiego, Laura (2) była pochodzenia żydowskiego i w Italii groziło jej coraz większe niebezpieczeństwo. Rodzina Fermich dotarła do Nowego Jorku 2 stycznia 1939 r.
16 stycznia do Stanów Zjednoczonych przypłynął na statku Niels Bohr (3) (1885-1962). Wiedział już o rozszczepieniu jądra uranu („Młody Technik 3/2016”), ale miał czekać na wiadomość od Ottona R. Frischa, kiedy komunikaty o interpretacji tego odkrycia oddane zostaną do druku, by nie rozgłaszać nowiny, zanim pierwszeństwo autorów, czyli Lise Meitner i Ottona Frischa nie zostanie udokumentowane w druku. Bohrowi w drodze przez Atlantyk towarzyszył Leon Rosenfeld, który o odkryciu rozszczepienia wiedział, ale nie o obietnicy Bohra danej Frischowi.
Po zejściu ze statku towarzysze podróży się rozdzielili. Rosenfeld udał się do Princeton, gdzie od razu nowinę rozgłosił wszem i wobec. Nie ma się co dziwić, że była to też główna wiadomość na Piątej Waszyngtońskiej Konferencji Fizyki Teoretycznej, otwartej już niedługo, bo 26 stycznia 1939 r., poświęconej fizyce niskich temperatur. Artykuł Lise Meitner i Ottona Frischa ukazał się w „Nature” z datą 11 lutego.
Wizjoner
Leo Szilard (1898-1964) był węgierskim fizykiem pochodzenia żydowskiego (4). Co zaskakujące, jako młody człowiek przewidział wynik I wojny światowej. Czytał również powieści George’a Wellsa (5) (1866-1946), m.in. „The World Set Free”. Zadziałało to na jego wyobraźnię. Ok. roku 1933 zdał sobie sprawę, że prawdopodobna może być reakcja łańcuchowa w materiale promieniotwórczym. Jednak im więcej wiedział na temat fizyki jądrowej, w miarę rozwoju tej dziedziny wiedzy, tym jego wiara malała.
I może o pomyśle wszyscy by zapomnieli, gdyby nie odkrycie rozszczepienia jądra uranu. Od razu po usłyszeniu o nim, Szilard przywołał swoją wizję reakcji łańcuchowej i wydało mu się wielce prawdopodobne, że w przypadku rozszczepienia jądra uranu pojawiać się będzie dość neutronów wtórnych, by zachodziła.
Skoro rozszczepienie jednego jądra uranu daje 200 MeV energii, to energia z rozszczepienia makroskopowych ilości, powiedzmy choćby kilogramów uranu byłaby wręcz niewyobrażalna. Natychmiast też zdał sobie jednak sprawę z tego, że myśl o neutronach podtrzymujących reakcję łańcuchową oraz wszystkie kolejne pomysły i przyszłe odkrycia musi się otoczyć tajemnicą, by nie dotarły do Niemców. Nie miał wątpliwości, że najlepsi fizycy niemieccy mogli także wpaść na pomysł przeprowadzenia reakcji łańcuchowej, a następnie budowy bomby atomowej i trzeba zrobić wszystko, by im w tym nie pomóc. Fermi, w przeciwieństwie do Szilarda w obu tych kwestiach – zarówno odnośnie możliwości przeprowadzenia reakcji łańcuchowej, jak i trzymania wyników badań w tajemnicy – był sceptyczny.
W Stanach Zjednoczonych wieść o odkryciu rozeszła się lotem błyskawicy. Wszyscy fizycy jądrowi rzucili się do swej aparatury, by oglądać reakcję rozszczepienia uranu. Prasa pisała o tym odkryciu w niedzielnych wydaniach. Dla fizyków wizja budowy bomby atomowej stała się jasna.
Szilard postanowił zacząć badania sam. Poprosił, aby z Oksfordu przysłano mu jego cylinder z berylu, dalej musiał jakoś zorganizować rad, by móc otrzymywać neutrony.
Małżeństwo Joliot-Curie dowiedziało się o rozszczepieniu jądra uranu z czasopisma „Die Naturwissenschaften”, które otrzymali 16 stycznia. Kolejny raz musieli w swoim życiu zawodowym przełknąć gorzką pigułkę. Znów okazało się, że o włos ominęło ich wielkie odkrycie. Fryderyk Joliot od razu zabrał się jednak do pracy, żeby otrzymać i badać rozszczepienie, od razu też zdał sobie sprawę z możliwości powstania reakcji łańcuchowej w uranie.
Dwa izotopy uranu
Do tej pory fizycy równolegle z badaniem uranu prowadzili badania toru, ze względu na podobieństwo tych pierwiastków. Przy energii ok. 25 eV obserwuje się maksimum wychwytu neutronów w torze i w uranie. Taki neutron nie spowoduje rozszczepienia, natomiast powinien wywołać powstanie radioaktywnego izotopu uranu 239, z którego przez rozpad beta minus powinno się otrzymać pierwszy nowy pierwiastek transuranowy o liczbie atomowej 93. W uranie przekrój czynny na wychwyt neutronu o tej energii jest 30 razy większy niż dla elektronów termicznych (0,025 eV). Gdy napromieniowuje się uran i tor szybkimi neutronami (od 1 MeV), to oba ulegają rozszczepieniu. Jednakże zachowania obu tych pierwiastków nie zawsze się kopiowały. Natknięto się na zagadkę: w przypadku napromieniowania powolnymi neutronami tor – w przeciwieństwie do uranu – nie rozszczepiał się.
Bohr wiedział, że w 1935 r. odkryto lżejszy izotop uranu o liczbie masowej 235. Błysk jego myśli polegał na tym, że rozróżnił oba izotopy uranu i stwierdził, że to ten lżejszy izotop rozszczepia się bombardowany powolnymi neutronami. Natomiast tor i cięższy uran 238 rozszczepiane mogą być przy pomocy szybkich neutronów. W naturalnym uranie stosunek lżejszego izotopu do cięższego izotopu wynosi jak 1:139. Co więcej, Fermi wcześniej zorientował się, że gdy jądro przechodzi od nieparzystej do parzystej liczby masowej, to wyzwala się energia równa 1 lub 2 MeV. Aby doprowadzić do rozszczepienia jądra uranu, w wyniku jego rozchwiania, potrzeba energii 6 MeV. W uranie 235 dodaje się więc energia wiązania dowolnego neutronu (5,3 MeV) i energia przewidziana przez Fermiego i już mamy ponad 6 MeV. Zatem neutron o dowolnej energii może spowodować rozszczepienie uranu 235. Natomiast w przypadku uranu 238 (czyli z parzystą liczbą masową) neutron musi mieć jeszcze energię 1 MeV. Naturalny uran, gdzie jest tylko odrobina lżejszego izotopu 235, nie może się samorzutnie rozszczepiać, gdyż w jego cięższym i obfitym składniku następuje wychwyt neutronów. Fizycy berlińscy Hahn i Strassmann, badali oczywiście naturalną mieszaninę obu izotopów w stosunku 1:139, a dokonali odkrycia rozszczepienia w uranie 235, gdyż używali neutronów spowolnionych w parafinie, o energiach mniejszych od wartości energii rezonansowej. Bohr wpadł na to 5 lutego 1939 r. Opisanie zajęło mu dwa dni i oddał tekst pracy do „Physical Review” 7 lutego. Na razie była to hipoteza do sprawdzenia.
Teraz otwarły się dwie strategie – albo wg Johna Dunninga rozseparować izotopy, albo zgodnie z zamysłem Fermiego próbować otrzymać reakcję łańcuchową w naturalnym uranie. Chemicznie izotopy tego samego pierwiastka się nie różnią, więc by je rozdzielić, trzeba znaleźć efektywną metodę fizyczną, polegającą choćby na zasadzie różnicy mas tych izotopów. Istniała szansa, że odrobinę uranu 235 może udać się otrzymać Alfredowi Nierowi za pomocą jego spektrografu masowego.
Dostali neutrony w rozszczepieniu uranu
Jądra pierwiastków o mniejszej liczbie atomowej mają podobną liczbę protonów co neutronów. Jądra pierwiastków o większej liczbie atomowej mają zwykle więcej neutronów niż protonów. Zatem, gdy jądro pierwiastka o dużej liczbie atomowej, np. uranu, rozszczepia się na dwa dużo mniejsze jądra, to powinien zostać jeden lub dwa „dodatkowe” neutrony, nazwane neutronami wtórnymi. Taki neutron mógłby doprowadzić do rozszczepienia kolejnego jądra uranu i rozpocząć lawinę samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej rozszczepienia.
Do podtrzymania reakcji łańcuchowej potrzeba więcej niż jednego neutronu wtórnego – powiedzmy, lepiej gdyby były dwa, gdyż mogą być one tracone. Wychwyt powolnych neutronów, powodujący produkcję radioaktywnego izotopu U239 z izotopu U238 i absorpcja rezonansowa neutronów w U238 przy energii ok. 25 eV – oba kradną cenne neutrony do przeprowadzenia reakcji łańcuchowej.
W połowie lutego R. Roberts i R. C. Meyer z Waszyngtonu znaleźli opóźnione neutrony z rozszczepienia. Oznaczało to, że w reakcji rozszczepienia wytwarza się nadmiar neutronów.
Aby znaleźć dostatecznie dużo neutronów, należało znaleźć materiał, który spowalniałby je we właściwy sposób, bez ich absorpcji, czyli poszukiwano moderatora. Fermi jeszcze we Włoszech w 1934 r. odkrył, że wodór spowalnia neutrony. Zorientował się o tym w dość zaskakujących okolicznościach. Doświadczenia napromieniowania srebra neutronami prowadzono na dwóch rodzajach stołów, drewnianym i marmurowym. Wyniki takich samych eksperymentów przeprowadzanych na obu rodzajach stołów bardzo się różniły. Gdy Fermi ze współpracownikami zastanawiał się, co się stało, polecił, zgodnie ze swoim pomysłem, na który wpadł bez głębszej refleksji, aby położyć parafinę przy źródle neutronów. Parafina zadziałała podobnie jak drewniany stół. Wodór z parafiny, jak i drewno, spowolnił neutrony.
Wróćmy do początku 1939 r. Aby przekonać się, czy znajdzie się dość neutronów do otrzymania reakcji łańcuchowej, należało wykonać doświadczenia. Pod koniec lutego, Fermi i H. L. Anderson umieścili radonowo- berylowe źródło neutronów w środku pojemnika z wodą o szerokości i głębokości 0,9 m. Wodór z wody służył do spowalniania neutronów zarówno ze źródła, jak i wtórnych.
Detektorem neutronów była folia rodowa, umieszczona w różnych odległościach od źródła neutronów, które wywoływały w niej radioaktywność o czasie połowicznego rozpadu 44 sekundy. Następnie, ustawiając tlenek uranu wokół źródła neutronów, badali, czy w tym przypadku otrzymali więcej neutronów. Szacowali, że na każdy wyłapany neutron mogli dostać ok. dwa neutrony. Artykuł Fermiego, Andersona i H. B. Hansteina trafił do „Physical Rewiev” 16 marca.
Fryderyk Joliot ze współpracownikami, Hansem von Halbanem i Lwem Kowarskim zrobił podobne doświadczenie, tylko rozpuścił uran w wodzie. 18 marca i 22 kwietnia wyszły ich dwie prace na ten temat. Liczbę neutronów wtórnych z rozszczepienia jednego jądra uranu obliczyli na 3,5.
Na początku marca Szilardowi udało się zorganizować 2 gramy radu. Razem z Walterem Zinnem, w cylindrze z berylu, który Szilard dostał pocztą z Anglii, umieścili rad. Jako spowalniacza neutronów użyli parafiny. Neutrony bombardowały tlenek uranu. Mieli osłonę kadmową, której działanie na neutrony też badali. Dostali neutrony emitowane z rozszczepienia uranu. Szacowali liczbę na dwa, na każde rozszczepione jądro. Szilard ocenił prawdopodobieństwo, że kiedyś uda się wyzwolić energię z jądra atomowego na 0,5.
Na tym etapie fizycy, głównie Eugene Wigner ( 6) (1902-1995) i Szilard, uznali, że władze Stanów Zjednoczonych powinny zostać powiadomione o stanie badań w fizyce jądrowej. Fermi w Departamencie Marynarki Wojennej mówił o tym godzinę. Jednak nie zrobił w wojskowych większego wrażenia. Dzień wcześniej spotkali się Wheeler, Rosenfeld i Edward Teller z Bohrem. Bohr w przeciwieństwie do reszty rozmówców, był bardziej sceptyczny, co do możliwości praktycznego otrzymania energii jądrowej i dalej stał na stanowisku konieczności zachowania jawności w nauce.
Mniej więcej w tym czasie, w Londynie, George P. Thomson (syn odkrywcy elektronu) zamówił tonę tlenku uranu do badań, pod wpływem publikacji Joliota i jego grupy.
Niemcy też zauważyli wszystkie te artykuły. 29 kwietnia odbyła się tajna konferencja w Berlinie. Powstał plan dalszej pracy i III Rzesza zakazała eksportu uranu. Grupa najlepszych niemieckich fizyków jądrowych przyjęła nazwę „Uranverein”.
Natomiast tego samego dnia w Waszyngtonie odbyła się publiczna konferencja. Wnioski z niej ukazały się w „New York Times”. Napisano, że zbudowanie broni atomowej jest bardzo trudne i nie wiadomo, czy możliwe, ale jeśliby się udało, to jej wybuch spowoduje ogromne zniszczenia.
Doświadczenie ze zbiornikiem z roztworem manganu
Szilardowi w połowie kwietnia udało się pożyczyć 230 kg smolistego tlenku uranu, wydobytego na północnym zachodzie Kanady. Przeprowadzono następujące doświadczenie. W zbiorniku o pojemności 541 litrów znajdowało się pośrodku źródło radowo-berylowe. Pojemnik był wypełniony 10-procentowym roztworem manganu, służącego do pomiaru liczby neutronów. Wodór z wody był moderatorem. Mangan bombardowany neutronami zamienia się w izotop promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu ok. 3 godziny. Ponieważ neutrony łatwiej bombardują powierzchnię niż głębsze warstwy uranu, to tlenek uranu upakowany został do 52 puszek o średnicy 5 cm i długości 60 cm wokół źródła neutronów (7).
Były to pracochłonne i czasochłonne doświadczenia. Przed każdym pomiarem, który trwał pół nocy, trzeba było wykonać roztwór manganu i upakować uran do puszek. Szilard zamiast solidarnie z Fermim i innymi pracować przy eksperymencie, wydelegował zastępznajomecę, by samemu nie zakłócać pracą swoich rozmyślań (nie trudno sobie uzmysłowić, że takie okazanie braku solidarności zostało źle przyjęte). W doświadczeniu otrzymano emisję większą niż absorpcję neutronów o ok. 10%. Jeszcze tracono neutrony głównie na wychwyt w U238, bez rozszczepienia, dodatkowo sam wodór pochłaniał neutrony, których nie wolno było tracić. Pracę na ten temat redakcja „Physical Review” otrzymała 3 lipca.
Georg Placzek (1905-1955), patrzący zawsze na wszystko krytycznie, do wody jako spowalniacza miał stosunek sceptyczny. W zamian zaproponował hel.
Dalsze poszukiwania moderatora – grafit
Jak widać, należało opanować umiejętność spowalniania neutronów, aby w U238 zmniejszyć energię neutronów poniżej wartości 25 eV, tak by przede wszystkim tracić jak najmniej neutronów. Wodór z wody lub parafiny był w użyciu, ale okazało się, że absorbcja neutronów przez wodór była za duża, aby móc przeprowadzić reakcję łańcuchową. Szilard, i niezależnie od niego Fermi, zaproponował, by jako następny materiał do spowalniania neutronów wziąć węgiel w postaci grafitu. A gdyby ten źle działał, to wtedy można by skierować uwagę na ciężką wodę. Była jednak droga i trudnodostępna.
Szilard od razu poszukiwał dostawcy dobrego grafitu. Wpadł w lipcu również na pomysł układania w warstwach uranu i grafitu. Fermi, będący z nim w kontakcie listownym, wymyślił niezależnie takie samo rozwiązanie. Takie ułożenie byłoby lepsze od mieszaniny, bo w nim prędkie neutrony lepiej ulegałby spowolnieniu, zanim trafiłyby znów w uran. Następnym pomysłem były małe kulki uranu w graficie. Szilard nazwał to siecią, bo przypominało mu to sieć krystaliczną. Wyliczył, że do przeprowadzenia doświadczenia potrzeba 5 ton uranu i 50 ton grafitu. Wydać na to trzeba by 35 tys. dolarów.
Należy też wspomnieć, że jesienią ujrzała światło dzienne obszerna, sławna praca Bohra i Wheelera, omawiająca i podsumowująca dotychczasowe badania nad rozszczepieniem jądra uranu.
Niemcy oczywiście śledzili ukazujące się artykuły o rozszczepieniu. Wpadali też na podobne pomysły jak inni naukowcy. Walther Bothe przeprowadził badania grafitu, ale jego wyniki nie były zadowalające. Przyczyną mogło być np. zanieczyszczenie węgla. Potem Niemcy zwrócili się ku ciężkiej wodzie.
Latem 1939 r. Werner Heisenberg był w Stanach Zjednoczonych. Wykładał, dyskutował z Fermim i innymi o fizyce, hipotetycznej superbombie i polityce. Otrzymał też propozycję pracy w Columbia University, ale w sierpniu wsiadł na statek w drogę powrotną do Niemiec.
List do prezydenta Stanów Zjednoczonych
Szilard stale czuł konieczną potrzebę, by Stany Zjednoczone jako państwo zajęły się możliwością budowy bomby atomowej. Trzech Węgrów – Leo Szilard, Edward Teller (8) (1908-2003) i Eugene Wigner – zdawało sobie sprawę z powagi sytuacji. Należało także zawiadomić Belgów, by nie sprzedali Niemcom uranu z Konga – Einstein (9) znał osobiście królową belgijską Elżbietę, więc mógłby to zrobić. Wigner z Szilardem umówili się Einsteinem (1879-1955), który spędzał lato w Peconic na Long Island, że odwiedzą go 16 lipca. Twórca teorii względności do tego momentu nie zdawał sobie sprawy, że istnieje realne prawdopodobieństwo wywołania reakcji łańcuchowej w uranie. Jednak natychmiast wszystko zrozumiał. W ciągu miesiąca Szilard jeszcze raz spotkał się z Einsteinem, gdyż wpadł na pomysł, by adresatem listu powiadamiającego władze Stanów Zjednoczonych o wadze problemu był nie kto inny, tylko prezydent USA. Teller zawiózł tam Szilarda swoim samochodem i później żartował, że po raz pierwszy zrobił coś istotnego w fizyce, jako kierowca Szilarda. Wspólnym wysiłkiem list był gotów w połowie sierpnia 1939 r.
Trzeba było jakoś dotrzeć do Białego Domu. Szilardowi udało się znaleźć taką osobę – Alexandra Sachsa (1893-1973), ekonomistę i biologa, znajomego i doradcę prezydenta Roosevelta (10) (1882-1945), który mógłby przedstawić mu odpowiednio sprawę. Sachs miał dostęp do prezydenta, jednak w obliczu wydarzeń po 1 września 1939 r., Roosevelt był bardzo zajęty. Sachsowi udało się spotkać z prezydentem dopiero 11 października. Miał ze sobą listy Einsteina i Szilarda, ale Rooseveltowi przedstawił całą sprawę ustnie, zostawiając mu listy. Zaczął od dobrych stron użycia rozszczepienia jądra atomowego, dla pozyskania energii elektrycznej lub w medycynie. Potem powiedział o możliwej budowie bomby atomowej. Roosevelt tak to podsumował: „chodzi o to, byśmy dopilnowali, żeby Niemcy nas nie wysadzili”. Do adiutanta zwrócił się: „trzeba działać”.
Pierwsze posiedzenie „Uranium Committee” odbyło się już 21 października. Byli na nim obecni dyrektor Beaureau of Standards z asystentem, Sachs, Szilard, Wigner, Teller, Roberts i po jednym uczestniku z Wojsk Lądowych i Marynarki. Raport Komitetu z dnia 1 listopada otrzymał prezydent. Mowa była w nim o tym, że uranem można by napędzać łodzie podwodne, a siła hipotetycznej bomby atomowej byłaby wielokrotnie większa niż znanych wówczas środków wybuchowych. Według Komitetu trzeba zabezpieczyć warunki finansowe dla naukowców zajmujących się tą kwestią. A jednak raport ten… powędrował do akt na długie miesiące.
Einstein później gorzko żałował podpisania wspomnianego listu. Zdał sobie sprawę, że Niemcy pierwsi nie dojdą do wyprodukowania bomby atomowej.
