Frisch-Peierls muhtırası - Frisch–Peierls memorandum
Frisch-Peierls muhtırası pratik ilk teknik fuar oldu nükleer silah . Bu gurbetçi Alman fizikçiler tarafından yazılmıştır Otto Frisch ve Rudolf Peierls ikisi için çalıştıkları süre Mart 1940 Mark Oliphant de Birmingham Üniversitesi'nden sırasında İngiltere'de İkinci Dünya Savaşı .
Zaptı boyutu hakkında ilk hesaplamalar içeren kritik kütleye ait bölünebilir bir ihtiyaç malzemesi atom bombası . İlk kez, gerekli miktarın hava yoluyla gönderilebilecek bir bombaya dahil edilebilecek kadar küçük olabileceğini ortaya çıkardı. Aynı zamanda nükleer silahların stratejik ve ahlaki sonuçlarını da öngördü.
Hem İngiltere'yi hem de Amerika'yı MAUD Komitesi'ne , Tüp Alaşımları projesine, Manhattan Projesi'ne ve nihayetinde Hiroşima ve Nagazaki'ye atom bombası atmalarına yol açan bir yola göndermeye yardımcı oldu .
Arka fon
Rudolf Peierls
Rudolf Peierls doğdu Berlin 1907 O çalışılan içinde fiziği de Berlin Üniversitesinde de, Münih Üniversitesi altında Arnold Sommerfeld'in , Leipzig Üniversitesi'nden altında Werner Heisenberg ve ETH Zürih altında Wolfgang Pauli . DPhil'i 1929'da Leipzig'den aldıktan sonra , Zürih'teki Pauli'nin asistanı oldu. 1932 yılında bir ödüllendirildi Rockefeller Bursu o altında Roma'da incelemek için kullanılan, Enrico Fermi daha sonra, ve Cavendish Laboratuvarı de Cambridge Üniversitesi altında Ralph H. Fowler . Adolf Hitler'in Almanya'da iktidara gelmesi nedeniyle , 1933'te eve dönmeyi değil, İngiltere'de kalmayı seçti. O çalıştı Hans Bethe de Manchester Üniversitesi'nde Cambridge Mond Laboratuvarı'nda sonra. 1937'de, Birmingham Üniversitesi'nde yeni atanan fizik profesörü Mark Oliphant , onu uygulamalı matematik alanında yeni bir sandalye için işe aldı.
Otto Frisch
Otto Robert Frisch doğdu Viyana O fizik okudu 1904 yılında Viyana Üniversitesi onun aldığınız, Dphil O çalıştı 1926 yılında Physikalisch.Technische Reichsanstalt o bir pozisyon elde zaman, 1930 yılına kadar Berlin'de Üniversitesi Hamburg altında Nobel Ödülü'nün ödüllü bilim adamı Otto Stern . Aryan olmayanlar olan Stern ve Frisch , Hitler'in katılımından sonra görevden alındı . Stern Frisch ile İngiltere'de bir pozisyon buldum Patrick Blackett'ten de Birkbeck Koleji de Londra Üniversitesi ve hibe Akademik Destek Konseyi . Bunu , Kopenhag'daki Niels Bohr Enstitüsü'nde , 1932'de James Chadwick tarafından keşfedilen nötron fiziği başta olmak üzere nükleer fizik konusunda giderek daha fazla uzmanlaştığı Niels Bohr ile beş yıllık bir görevle takip etti. Oliphant, Frisch'i 1939 yazında Birmingham Üniversitesi. Eylül 1939'da İkinci Dünya Savaşı'nın patlak vermesi onun Kopenhag'a dönüşünü engellediğinde Oliphant ona Birmingham Üniversitesi'nde bir pozisyon buldu.
Nükleer fisyon
1938 yılında Noel tatili sırasında, Frisch halası ziyaret Lise Meitner içinde Kungälv'da o Almanya'nın ardından taşındı vardı İsveç'te Avusturya ilhakı . Oradayken , Berlin'deki eski meslektaşları Otto Hahn ve Fritz Strassmann'ın bir nötronun bir uranyum çekirdeği ile çarpışmasının yan ürünlerinden biri olarak baryum ürettiğini keşfettikleri haberini aldı . Frisch ve Meitner, uranyum çekirdeğinin ikiye bölündüğünü varsaydı. Onlar etrafında 200 salınan enerjiyi tahmin MeV ve Frisch vadeli tahsis fizyon gelen biyoloji bunu açıklamak için. Hahn'ın makalesi, deneyi ve baryum yan ürününün bulunmasını anlattı. Meitner ve Frisch'in makalesi fenomenin arkasındaki fiziği açıkladı. Frisch, fisyon reaksiyonlarının ürettiği parçaları izole edebildiği Kopenhag'a geri döndü. Frisch daha sonra şunu hatırladı:
Tüm bu heyecan içinde en önemli noktayı kaçırdık: zincirleme reaksiyon . Öyleydi Christian Møller ilk fisyon fragmanları (iki yeni oluşan çekirdekleri) her bir nötron veya iki çıkarmak için yeterli artı enerjiyi içerebilir bana önerdi, Danimarkalı meslektaşı; bunların her biri başka bir fisyona neden olabilir ve daha fazla nötron üretebilir ... Bu nedenle, Møller'in açıklamasından, heyecan verici vizyon ortaya çıktı, yeterince saf uranyumu (uygun özenle!) bir araya getirerek kontrollü bir zincir reaksiyonu başlatabilir ve nükleer enerjiyi gerçekten önemli.
Fisyonun keşfi haberi Ocak 1939'da Bohr tarafından Amerika'ya getirildi. Bohr ve John A. Wheeler , nükleer fisyon mekanizmasını açıklamak için Bohr ve Fritz Kalckar tarafından geliştirilen sıvı damla modelini uygulamaya koydular. Tüm fisyon fikrine kuşkuyla bakan George Placzek , Bohr'a uranyumun neden hem çok hızlı hem de çok yavaş nötronlarla fisyona girdiğini açıklamasını istedi . Bohr, düşük enerjilerde fisyonun uranyum-235 izotopundan kaynaklandığına , yüksek enerjilerde ise daha bol uranyum-238 izotopundan kaynaklandığına dair bir aydınlanma yaşadı . İlki, doğal uranyumun sadece% 0,7'sini oluşturur; ikincisi ise% 99,3'dür. 16 Nisan'da Bohr, Placzek, Wheeler, Eugene Wigner ve Leon Rosenfeld , atom bombası yapmak için bir nükleer zincir reaksiyonu kullanmanın mümkün olup olmayacağını tartıştılar ve bunun mümkün olmadığı sonucuna vardılar. Bohr, "Bir ülkenin bomba yapması için tüm çabayı gerektirir" dedi.
İngiliz cevabı
Britanya'da bilim adamları ayrıca bir atom bombasının pratik olup olmadığını da değerlendirdiler. At Liverpool Üniversitesi , Chadwick ve Polonyalı mülteci bilim adamı Rotblat sorunu ele ama onların hesapları yetersizdi. Cambridge'de Nobel Fizik Ödülü sahibi George Paget Thomson ve William Lawrence Bragg , hükümetin uranyum cevherini Almanların elinden uzak tutmak için acil olarak harekete geçmesini istedi . Sekreteri Imperial Savunma Komitesi , Tümgeneral Hastings Ismay Sir istedi Henry Tizard bir görüş. Tizard, bir atom bombasının geliştirilme olasılığına şüpheyle yaklaştı ve başarı olasılığını 100.000'e 1 olarak hesapladı.
Böylesine büyük ihtimallerde bile, tehlike ciddiye alınacak kadar büyüktü. Hemen uranyumu elde etmeye değmezdi, ancak Tizard'ın Hava Savunması Bilimsel Araştırma Komitesi , atom bombalarının fizibilitesi üzerine araştırma yapmaya yönlendirildi. Imperial College London'dan Thomson ve Birmingham Üniversitesi'nden Oliphant, uranyum üzerinde bir dizi deney yapmakla görevlendirildi. Şubat 1940'a gelindiğinde, Thomson'ın ekibi doğal uranyumda bir zincir reaksiyonu yaratmayı başaramadı ve bunun peşinden gitmeye değmeyeceğine karar verdi.
Memorandum
Düşman uzaylılar olarak, en azından Peierls'in vatandaşlığa kabul belgeleri Şubat 1940'ta gelene kadar , Frisch ve Peierls, Oliphant'ın Birmingham'daki ekibi tarafından radarda yapılan en önemli ve gizli savaş çalışmasından dışlandı. Bununla birlikte, Oliphant, Peierls'e, Maxwell denklemlerinin hemisferik bir boşluktaki çözümü hakkında teorik bir soru soracaktır . Peierls, bu nitelikteki soruların mikrodalga radarla ilgili çalışmayla ilgili olduğunu biliyordu ve Oliphant da şüphesiz bunun farkındaydı, ancak gizlilik cephesi korunuyordu. Nükleer soruşturma henüz gizli değildi, bu yüzden Frisch üzerinde çalışmaya müsaitti. İlk olarak Almanya'da Klaus Clusius tarafından gösterilen bir süreç olan termal difüzyon yoluyla uranyum zenginleştirme ile deneyler yapmaya başladı . İlerleme yavaştı; gerekli ekipman mevcut değildi ve radar projesi ilk olarak mevcut kaynaklar için çağrıda bulundu.
Francis Perrin , kritik uranyum kütlesini zincirleme reaksiyonu sürdürebilecek en küçük miktar olarak tanımlamış ve kritik uranyum oksit kütlesini (metal değil) yaklaşık 40 ton (39 uzun ton; 44 kısa ton) olarak hesaplamıştı. Hızlı nötronları büyük ölçüde engellemeyen demir veya kurşun gibi materyallerin etrafına bir nötron yansıtıcı yerleştirilirse, bunun 12 tona (12 uzun ton; 13 kısa ton) indirilebileceğini hesapladı . Peierls ayrıca, fisyon tarafından üretilen hızlı nötronları kullanarak sorunu basitleştirmeye çalıştı, böylece moderatör düşüncesini atladı. Daha sonra, 1939'da yazılan teorik bir makalede bir uranyum metal küresinin kritik kütlesini hesapladı. Daha sonra, kritik kütlenin boyutunun "ton mertebesinde olduğunu hatırladı. Bu nedenle bana, kağıdın bununla hiçbir ilgisi olmadığı görüldü. bir nükleer silah. "
Bununla birlikte Bohr, uranyum-235 izotopunun nötronları yakalama olasılığının çok daha yüksek olduğunu, bu nedenle düşük enerjili nötronlar kullanıldığında bile bölünebilir olduğunu iddia etmişti. Frisch, saf uranyum-235 küresi üretebilseydi ne olacağını merak etti. Bunu hesaplamak için Peierls'in formülünü kullandığında şaşırtıcı bir yanıt aldı. Peierls daha sonra şunu gözlemledi:
Herhangi bir yetkin nükleer fizikçi, kendisine şu sorulsaydı, bizimkine çok benzer cevaplar verirdi: "Saf U235'in muhtemel fisyon kesiti nedir? Ayrılmış U235 için bundan hangi kritik boyut izlenir? Bundan, patlayıcı gücü ne olur? Böyle bir kitle? Ayrımı yapmak için ne kadar endüstriyel çaba gerekecek? Ve askeri değer zahmete değer mi? " Bu noktada Frisch ve benim yaptığımız tek sıra dışı şey bu soruları sormaktı.
Teknik olmayan
Memorandum iki bölüm halinde yazılmıştır. İlki, hesaplamalarının sonuçlarının zarif ve kapsamlı bir özetiydi. Böyle bir silaha karşı en iyi savunmanın, Almanya bunu yapmadan önce geliştirmesi olacağı önerisini içeriyordu. Birkaç kısa sayfada, bu iki bilim insanı Soğuk Savaş jeopolitiğini şekillendirecek caydırıcı politikaları öngördü . İkincisi, sonuçlarını destekleyen bilimin bir açıklamasıydı. Mutabakat şu şekilde açılır:
Ekteki ayrıntılı rapor, atomik çekirdeklerde depolanan enerjiyi bir enerji kaynağı olarak kullanan bir "süper bomba" inşa etme olasılığı ile ilgilidir. Böyle bir süper bombanın patlamasında açığa çıkan enerji, 1.000 ton dinamitin patlamasıyla üretilen enerji ile hemen hemen aynıdır. Bu enerji, bir an için güneşin iç kısmındakine benzer bir sıcaklık üreteceği küçük bir hacimde açığa çıkar. Böyle bir patlamanın patlaması geniş bir alandaki yaşamı yok ederdi. Bu alanın boyutunu tahmin etmek zordur, ancak muhtemelen büyük bir şehrin merkezini kapsayacaktır.
Ayrıca bombanın serbest bıraktığı enerjinin bir kısmı radyoaktif maddeler üretmeye gidiyor ve bunlar çok güçlü ve tehlikeli radyasyonlar yayacak. Bu radyasyonların etkileri patlamadan hemen sonra en büyüktür, ancak yalnızca kademeli olarak azalır ve patlamadan sonraki günler için bile etkilenen bölgeye giren herhangi bir kişi ölür.
Bu radyoaktivitenin bir kısmı rüzgarla birlikte taşınacak ve kirliliği yayacaktır; rüzgarın birkaç mil aşağı yönünde bu, insanları öldürebilir.
Hesaplamalar
Peierls'in başlangıç noktası, Francis Perrin tarafından nükleer sabitler açısından kritik kütle hesaplamaları türettiği bir makaleydi . Fizikçiler, belirli bir hacim için minimum yüzey alanına sahip bir küre düşündüler. Üretilen nötronların sayısı kaçan sayıya eşit olduğunda kritik bir kütle oluşur. Perrin, ortalama serbest yolun kürenin yarıçapından çok daha büyük olduğunu varsaydı . Peierls aynı fikirde değildi ve kendi hesaplamalarına başladı. Frisch, doğal uranyum yerine birisi size uranyum-235 izotopundan bir küre verirse ne olacağını merak eden Frisch'ten önemli bir fikir geldi. Tanım olarak, ortalama serbest yol şudur:
burada ℓ , ortalama serbest yolu, n, birim hacim başına hedef partikül sayısıdır ve σ etkilidir fizyon kesit alanı. Peierls hesaplamayı yapmadı ve bu görevi Frisch'e bıraktı. Uranyumun kimyası o zamanlar pek bilinmiyordu ve Frisch yoğunluğunun santimetre küp başına 15 gram (0.54 lb / cu inç) olduğuna inanıyordu; gerçek değer daha çok santimetre küp başına 19 gramdır (0.69 lb / cu inç). Fisyon kesit değeri daha problemliydi. Bunun için Frisch , Paris'teki Radium Enstitüsü'nde LA Goldstein, A.Rogozinski ve RJ Walen tarafından yazılan 1939 Nature makalesine döndü .(11,2 ± 1,5) × 10 −24 cm 2 . Bu, büyüklük sırasına göre çok büyüktü ; modern bir değer1.24 × 10 × 24 cm 2 . Frisch, sahip olduğu değerleri kullanarak, Avogadro sabitini kullanarak uranyum-235 için ortalama serbest yolun değerini hesapladı :
Peierls ve Frisch, kritik yarıçapın ortalama serbest yolun yaklaşık 0,8 katı olduğunu iddia etti. Bundan Frisch, kürenin hacmini iyi bilinen denklemden hesaplayabilir:
Daha sonra kütle şu şekilde çıkar:
Frisch ve Peierls daha sonra, doğası gereği üstel olan bir uranyum fisyon zinciri reaksiyonunun hızını değerlendirdiler; burada "τ, nötron yoğunluğunun bir e faktörü ile çarpılması için gereken zamandır ." Mevcut veriler oldukça yaklaşık verilerdi, ancak temel noktaları - hızlı (~ 2MeV) nötronlar kullanılarak bir bombanın mümkün olduğu - kaldı. Jeremy Bernstein bu çabaya dikkat çekti: "Biraz farklı bir soru sorarak ama doğru sayıları kullanarak aynı noktaya değineyim. Hızlı nötronlar kullanarak 235 U'luk bir kilogramı parçalamak ne kadar zaman alır ?" Modern değerleri kullanarak "yaklaşık bir mikrosaniyeye eşit olduğunu" buldu, bu da gerçekte [sic] nötronlarla fisyonun hızına işaret ediyor ".
Orijinal mutabakat olarak, eğer nötronlar 10 hızlarını vardı 9 fisyon çarpışmalar arasındaki cm / s, daha sonra olurdu ortalama zaman2,6 × 10 −9 sn . Bu nedenle, Bernstein'ın bir kilogram uranyum-235'in bölünme zamanı şu çözülerek bulunur:
burada τ , fisyon nötron yoğunluğunun e kadar artması için ortalama süredir . İkiye katlanma süresi göz önüne alındığında
bu, ortalama fisyon üstel katlama süresi anlamına geliyordu.
Bu, Peierls'in yaklaşık olarak kabul ettiği salınan enerjinin hesaplanmasına yol açtı:
burada M kürenin kütlesi, r yarıçap ve r 0 kritik kütle yarıçapıdır.
Elde edilen sonuç, birkaç kilogramın binlerce ton dinamitin enerjisiyle patlayacağıydı.
Etkilemek
Mutabakat, Hava Harpleri Bilimsel Araştırma Komitesi'nin (CSSAW) başkanı sıfatıyla Tizard'a ileten Oliphant'a verildi. Sırasıyla, CSSAW'ın uranyum araştırmalarından sorumlu olduğu komite başkanı Thomson'a verdi. Thomson'ın komitesi dağılmak üzereydi. Uranyumdaki nükleer reaksiyonları ve bir nükleer reaktörde bir nötron moderatörü olarak grafit kullanımını incelemişti , ancak sonuçları negatif olmuş ve nötronların grafit tarafından yakalanma oranının böyle bir şey yapamayacak kadar büyük olduğu sonucuna varmıştı. reaktör pratik bir önerme. Frisch – Peierls bildirisi Thomson'ın yeniden düşünmesine neden oldu. Cockcroft, Oliphant ve Thomson arasındaki tartışmalardan sonra CSSAW, daha fazla araştırma yapmak için MAUD Komitesini oluşturdu . Düşman uzaylılar olarak, Peierls ve Frisch başlangıçta görüşmelerin dışında bırakıldı, ancak daha sonra teknik alt komitesine eklendi.
MAUD komitesinden gelen araştırma, genellikle Temmuz 1941'de MAUD raporları olarak bilinen iki rapor halinde derlendi. "Bir Bomba için Uranyum Kullanımı" adlı ilk rapor, uranyumdan bir süper bomba yaratmanın uygulanabilirliğini tartıştı. doğru olduğu düşünülüyordu. İkincisi, "Uranyumun Güç Kaynağı Olarak Kullanılması" uranyumu sadece bir bomba değil, bir güç kaynağı olarak kullanma fikrini tartıştı. MAUD Komitesi ve raporu, İngiliz nükleer programı olan Tüp Alaşımları Projesi'nin ortaya çıkmasına yardımcı oldu. Yalnızca Britanya'da bir nükleer proje başlatılmasına yardımcı olmakla kalmadı, aynı zamanda Amerikan projesinin yeniden başlamasına da yardımcı oldu. MAUD Komitesinin yardımı olmasaydı Amerikan programı, Manhattan Projesi , aylar geriden başlardı. Bunun yerine, mümkün olup olmadığını değil, bir bombanın nasıl yapılacağını düşünmeye başlayabildiler. Tarihçi Margaret Gowing , "zaman ölçeğini yalnızca birkaç ay değiştiren olayların yine de tarihi değiştirebileceğini" belirtti.
Ağustos 1941'de Oliphant, Amerikalılara mikrodalga radar konusunda yardımcı olmak için ABD'ye gönderildi. MAUD Komitesinin çığır açan keşiflerinden oradaki bilimsel topluluğu aydınlatmak için girişimde bulundu. Kısa sürede heyecanını yakalayan arkadaşı Ernest Lawrence ile tanışmak için Berkeley'e gitti . Oliphant, Amerikalıları nükleer silahlarla ilerlemeye ikna etti ve lobiciliği, Vannevar Bush'un raporu doğrudan başkana götürmesine neden oldu . Leo Szilard daha sonra şunları yazdı: "Kongre atom enerjisi projesinin gerçek tarihini bilseydi, hiç şüphem yok ama bu, seçkin hizmetler için yabancılara karışanlara verilecek özel bir madalya yaratırdı ve Dr. Oliphant bir."
Notlar
Referanslar
- Bernstein, Jeremy (1 Mayıs 2011). "Dünyayı Değiştiren Memorandum". American Journal of Physics . 79 (5): 441–446. Bibcode : 2011AmJPh..79..440B . doi : 10.1119 / 1.3533426 . ISSN 0002-9505 .
- Clark, Ronald W. (1961). Bombanın Doğuşu: Britanya'nın dünyayı değiştiren silahtaki rolü . Londra: Phoenix Evi. OCLC 824335 .
- Farmelo Graham (2013). Churchill'in Bombası: Birleşik Devletler, İlk Nükleer Silah Yarışında Britanya'yı Nasıl Geçti ? New York: Temel Kitaplar. ISBN 978-0-465-02195-6.
- Frisch, Otto Robert (1979). Ne Küçük Hatırladığım . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-28010-5. OCLC 911308407 .
- Gowing Margaret (1964). İngiltere ve Atom Enerjisi, 1935–1945 . Londra: Macmillan Yayınları. OCLC 3195209 .
- Hewlett, Richard G .; Anderson, Oscar E. (1962). Yeni Dünya, 1939–1946 (PDF) . Üniversite Parkı: Pennsylvania Eyalet Üniversitesi Yayınları. ISBN 978-0-520-07186-5. OCLC 637004643 . Erişim tarihi: 26 Mart 2013 .
- Paul, Septimus H. (2000). Nükleer Rakipler: Anglo-Amerikan Atom İlişkileri, 1941–1952 . Columbus, Ohio: Ohio Eyalet Üniversitesi Yayınları. ISBN 978-0-8142-0852-6. OCLC 43615254 .
- Peierls, Rudolf (1985). Birds of Passage: Bir Fizikçinin Hatıraları . Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-08390-2. OCLC 925040112 .
- Rodos, Richard (1986). Atom Bombasının Yapılışı . New York: Simon ve Schuster. ISBN 978-0-671-44133-3. OCLC 13793436 .
|Vikikaynak'ta bu makale ile ilgili orijinal metin bulunmaktadır:|