Jak zrozumienie natury uczyniło bombę atomową nieuniknioną

Bomby atomowe przyśpieszyły koniec II wojny światowej, ale rozpoczęły inny rodzaj wojny – zimną wojnę, która zagroziła całej planecie nuklearną zagładą. W 75. rocznicę wybuchu bomby atomowej, która spustoszyła Hiroszimę (6 sierpnia 1945 r.), warto też zastanowić się nad naukową historią tego, jak powstała bomba atomowa.

Nie jest łatwo wskazać początek tej historii. Rozszczepienie jądra atomu – źródło energii bomby – zostało odkryte w 1938 roku, mniej niż siedem lat przed Hiroszimą. Ale nauka stojąca za energią jądrową powstała dziesiątki lat wcześniej. Można powiedzieć, że rok 1905, kiedy Einstein ujawnił światu, że E = mc^2 . A może lepiej zacząć od odkrycia radioaktywności przez Henri Becquerela w 1896 roku. Radioaktywność ujawniła nowy rodzaj energii – ogromnej ilości – ukrytej w najdrobniejszych składnikach materii, składających się na atomy.

W każdym razie, kiedy nauka zaczęła pojmować świat subatomowy, żadna siła nie była w stanie powstrzymać ostatecznego ujawnienia mocy atomu.

Ale droga od podstaw nauki do bomby nie była prosta. Nie było jasnej wskazówki, jak można wykorzystać energię subatomową do jakichkolwiek znaczących zastosowań, wojskowych lub innych. W 1921 roku fizyk Robert Millikan napisał w Science News Bulletin (pierwotny prekursor Science News), że gram radu rozpadający się na ołów emituje 300 000 razy więcej energii niż spalanie grama węgla. To nie było przerażające, powiedział Millikan, ponieważ na świecie nie było wystarczająco dużo radu. Ostrzegł jednak, że „jest prawie pewne, że podobne zasoby energii posiadają również atomy, które… nie są radioaktywne”.

W 1923 roku redaktor Edwin Slosson z Science News-Letter (bezpośredni prekursor Science News ) również zauważył, że „wszystkie pierwiastki mają podobne zasoby energii, jeśli tylko wiemy, jak ją uwolnić”. Ale jak dotąd, przyznał, „naukowcy nie byli w stanie odblokować energii atomowej inaczej, niż przez użycie większej energii z innego źródła”.

Do tego czasu fizycy zdali sobie sprawę, że bogactwo energii atomu było przechowywane w jądrze – odkrył je Ernest Rutherford w 1911 roku. Jednak dostęp do energii jądrowej w celach praktycznych wydawał się niemożliwy – przynajmniej dla Rutherforda, który w 1933 roku powiedział, że każdy, kto planuje eksploatację energii jądrowej, „mówi o bimbrze”. Ale zaledwie rok wcześniej James Chadwick odkrył narzędzie do uwalniania energii jądrowej w postaci cząstki subatomowej znanej jako neutron.

Neutron nie posiadający ładunku elektrycznego był idealnym pociskiem do wystrzelenia atomu, zdolnym do penetracji jądra i destabilizacji go. Takie eksperymenty przeprowadzone we Włoszech przez Enrico Fermi w latach 30. faktycznie wywołały rozszczepienie uranu. Ale Fermi uważał, że stworzył nowe, cięższe pierwiastki chemiczne. Nie miał pojęcia, że ​​jądro uranu pękło. Doszedł do wniosku, że wyprodukował nowy pierwiastek, numer 93, cięższy od uranu (pierwiastek 92).

Nie wszyscy się zgodzili. Ida Noddack, niemiecka chemik-fizyk, argumentowała, że ​​dowody nie są rozstrzygające, a Fermi mógł wyprodukować lżejsze pierwiastki, fragmenty jądra uranu. Jak napisał po latach niemiecki chemik Otto Hahn, pomysł rozbicia jądra uranu na mniejsze kawałki był „całkowicie niezgodny z prawami fizyki atomowej. Rozszczepienie ciężkich jąder atomowych na lżejsze uznano wówczas za niemożliwe. ”

Niemniej jednak Hahn i Lise Meitner, austriacka fizyk, kontynuowali bombardowanie uranu neutronami, wytwarzając to, co oni również uważali za nowe pierwiastki. Wkrótce Meitner musiał uciekać z Niemiec do Szwecji, aby uniknąć nazistowskich prześladowań Żydów. Hahn kontynuował pracę z chemikiem Fritzem Strassmannem; w grudniu 1938 roku odkryli, że pierwiastek, o którym myśleli, że jest radem, nie można chemicznie odróżnić od baru – najwyraźniej dlatego, że był to bar. Hahn i Strassmann nie potrafili wyjaśnić, jak to się mogło stać.

Hahn napisał o tym wyniku do Meitner, która omówiła go ze swoim siostrzeńcem Otto Frishem, fizykiem studiującym w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze. Meitner i Frisch zorientowali się, co się stało – neutron spowodował pęknięcie jądra uranu. Bar był jednym z pozostałych kawałków. Frisch powiedział po tym Bohrowi – który miał wejść na pokład statku do Ameryki – natychmiast zdał sobie sprawę, że rozszczepienie utwierdziło go w przekonaniu, że jądro atomowe zachowuje się analogicznie do kropli cieczy. Po przybyciu do Stanów Zjednoczonych Bohr rozpoczął współpracę z Johnem Archibaldem Wheelerem w Princeton w celu wyjaśnienia procesu rozszczepienia. Szybko odkryli, że rozszczepienie zachodziło znacznie łatwiej w rzadkiej postaci uranu-235, niż w bardziej powszechnym uranie-238. Ich analiza wykazała, że ​​nieodkryty dotąd pierwiastek, numer 94, byłby również szczególnie skuteczny w rozszczepianiu.

Niels Bohr (po lewej) i John Archibald Wheeler (po prawej) współpracowali, aby wyjaśnić rozszczepienie, źródła energii bomby atomowej. Żródło: AIP EMILIO SEGRÈ VISUAL ARCHIVES, WEISSKOPF COLLECTION; AIP EMILIO SEGRÈ VISUAL ARCHIVES

Między przybyciem Bohra do Ameryki w styczniu 1939 r. a publikacją jego artykułu dla Wheelera rozeszły się wieści o rzeczywistości rozszczepienia, oszałamiając fizyków i chemików na całym świecie. Na przykład pod koniec stycznia wiadomość o rozszczepieniu dotarła do Berkeley, gdzie czołowym fizykiem był J. Robert Oppenheimer, który ostatecznie został naukowcem kierującym projektem Manhattan, budującym bombę atomowa.

Wśród uczestników seminarium w Berkeley wprowadzającego rozszczepienie był Glenn Seaborg, młody instruktor chemii (który w 1941 roku odkrył nieznany pierwiastek 94 przewidziany przez Bohra i Wheelera, nazywając go plutonem). Seaborg przypomniał sobie, że Oppenheimer początkowo nie wierzył, że nastąpiło rozszczepienie. Ale „po kilku minutach zdecydował, że to możliwe” – powiedział Seaborg w wywiadzie z 1997 roku. „Po prostu wszystkich zaskoczyło”.

Po początkowym zaskoczeniu fizycy szybko ustalili, że rozszczepienie jest kluczem do odblokowania magazynu energii atomu. „Wiele osób potwierdziło, że rzeczywiście, kiedy uran jest bombardowany neutronami, w szczególności wolnymi neutronami, zachodzi proces, który uwalnia ogromne ilości energii” – powiedział fizyk Hans Bethe w wywiadzie z 1997 roku. Wkrótce uwagę wszystkich przykuły implikacje dla działań wojennych.

„Zagrożenie wojną było coraz bliżej” – powiedział Wheeler w wywiadzie w 1985 roku. „Nie można było nie myśleć o tym, co ten biznes (rozszczepienie) może oznaczać w przypadku wojny”. Na początku 1939 roku fizycy podczas spotkania w celu omówienia rozszczepienia zgodzili się, że bomba atomowa jest do zrobienia. „Wszyscy zgodzili się, że zrobienie bomby atomowej jest całkowicie możliwe” – wspomina Bethe.

Obawy, że Niemcy mogą opracować bombę atomową, wywołały słynne listy Alberta Einsteina do prezydenta Franklina Roosevelta, wysłane w sierpniu 1939 r., który ostatecznie doprowadził do Projektu Manhattan. Stało się jasne, że zbudowanie bomby atomowej wymagałoby wywołania „reakcji łańcuchowej” – sam proces rozszczepienia musiałby uwolnić neutrony zdolne do wywołania dalszego rozszczepienia. W grudniu 1942 r. Fermi kierował zespołem na Uniwersytecie w Chicago, który zademonstrował długotrwałą reakcję łańcuchową, po której prace nad bombą kontynuowano w Los Alamos w stanie Nowy Meksyk pod kierunkiem Oppenheimera.

Początkowo niektórzy fizycy uważali, że bomba nie może zostać opracowana na tyle szybko, aby miała znaczenie dla wojny. Na przykład Bethe wolał pracować na radarze. „Uznałem całe przedsięwzięcie za gadkę” – powiedział. „Myślałem, że to nie ma nic wspólnego z wojną”. Jednak do kwietnia 1943 roku Oppenheimerowi udało się zwerbować Bethe do Los Alamos. W tym czasie nauka była już gotowa, a droga do zaprojektowania i zbudowania bomby była prosta. „Musieliśmy tylko dowiedzieć się, że nie było żadnych nieprzewidzianych trudności” – powiedział Bethe.

Ostatecznie prototyp został wysadzony w Alamogordo w lipcu 1945 roku, około trzy tygodnie przed użyciem bomby przeciwko Japonii.

Prototypowa bomba atomowa została zdetonowana na poligonie Trinity w Alamogordo w stanie Nowy Meksyk w lipcu 1945 roku. Źródło: DEPARTAMENT ENERGII STANÓW ZJEDNOCZONYCH

Była to broń bardziej przerażająca niż cokolwiek, co ludzkość kiedykolwiek spotkała lub sobie wyobraziła, a nauka była za to odpowiedzialna. Tylko dlatego, że nauce udało się głębiej zrozumieć naturę niż wcześniej. Na początku nikt nie wiedział, dokąd doprowadzi to zrozumienie. Nie było absolutnie żadnego sposobu, aby przewidzieć, że odkrycie radioaktywności, jądra atomowego, czy nawet neutronu, umożliwi ostatecznie skonstruowanie broni masowego rażenia. Kiedy jednak okazało się, że bomba jest możliwa, było to nieuniknione.

Po kapitulacji Niemiec w II wojnie światowej alianci zatrzymali kilku czołowych niemieckich naukowców, w tym Wernera Heisenberga, przywódcę nazistowskiego projektu bombowego i podsłuchiwali ich rozmowy. Było jasne, że Niemcom nie udało się zbudować bomby, ponieważ uważali, że nie jest to praktycznie możliwe. Po usłyszeniu o zbombardowaniu Hiroszimy, Heisenberg był w stanie szybko zorientować się, w jaki sposób bomba była faktycznie wykonalna. Kiedy naukowcy wiedzą na pewno, że coś jest możliwe, znacznie łatwiej jest im to odtworzyć.

W przypadku bomby atomowej badania podstawowe w poszukiwaniu tajemnic przyrody zapoczątkowały reakcję łańcuchową nowej wiedzy, której nie da się kontrolować. Zatem chmura grzybowa, która powstała, symbolizuje jeden z najbardziej niepokojących sukcesów nauki.

Źródło: Tom Siegfried | Zdjęcia: 509TH OPERATIONS GROUP/WIKIMEDIA COMMONS

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x