Reklama

Niszczyciele światów

Niszczyciele światów

27.12.2018
Czyta się kilka minut
Mija 80 lat od odkrycia, które doprowadziło do ujarzmienia energii jądrowej.
Stanowisko badawcze, przy którym Otto Hahn, Lise Meitner i Fritz StrassmannOtto Hahn, Lise Meitner and Fritz Straßmann pracowali w grudniu 1938 r. / Fot. akg-images / EAST NEWS
Stanowisko badawcze, przy którym Otto Hahn, Lise Meitner i Fritz StrassmannOtto Hahn, Lise Meitner and Fritz Straßmann pracowali w grudniu 1938 r. / Fot. akg-images / EAST NEWS
R

Rok 1938 należał do bardziej ponurych w historii Europy. Dość wyraźnie było czuć nadciągającą burzę. Wiosną Trzecia Rzesza dokonała anszlusu Austrii, a wrześniowy układ monachijski przypieczętował los sporej części Czechosłowacji, którą zajęto wiosną następnego roku. Tymczasem w laboratoriach naukowych trwały prace, które kilka lat później miały okazać się przełomowe, także dla losów politycznych całego ówczesnego świata.

Roztargniony rewolucjonista

Pod koniec XIX w. w Monachium dorastał młody człowiek, który jeszcze nie wiedział, jak bardzo jego odkrycia zmienią losy świata. Otto Hahn urodził się w 1879 r., tym samym, w którym zmarł  fizyk James Clark Maxwell, twórca teorii promieniowania elektromagnetycznego.

Otto był błyskotliwym dzieckiem, choć niespecjalnie przekładało się to na oceny szkolne. W domowej pralni urządził sobie laboratorium chemiczne, w którym wykonywał opracowane przez siebie doświadczenia. A jednak na świadectwie gimnazjalnym najlepsze oceny miał nie z fizyki, chemii czy matematyki, ale ze śpiewu, gimnastyki i religii. Mimo to bez problemu skończył w Marburgu studia chemiczne, po czym pracował pod kierunkiem prof. Adolfa von Baeyera nad doktoratem w Monachium. Pracę – o bromopochodnych izoeugenolu – obronił w 1901 r.

Po doktoracie przeniósł się do Londynu, co było punktem zwrotnym w jego karierze. Trafił bowiem pod skrzydła chemika i fizyka, sir Williama Ramsaya, szeroko już znanego m.in. jako odkrywca gazów szlachetnych. Właśnie Ramsay powiedział młodemu uczonemu: zajmiesz się radioaktywnością. Hahn w autobiografii wspominał wielkie zaskoczenie tą decyzją. Przyznał, że niewiele na ten temat wiedział. „Promieniotwórczość? To nie dla mnie, przecież jestem chemikiem organikiem”.

Zabrał się jednak do pracy i okazało się, że znajomość chemii organicznej, a szczególnie technik żmudnego rozdzielania substancji, bardzo mu pomogła w dalszych działaniach. Po roku przeniósł się do Montrealu na uniwersytet McGill, gdzie jego mentorem został wielki Ernest Rutherford, uznany przez potomnych za ojca fizyki jądrowej. Pod jego okiem Hahn wyrósł na jednego z największych ekspertów w dziedzinie rozdzielania substancji radioaktywnych.

W 1906 r. wrócił do Niemiec i osiadł w Berlinie. Emil Fischer, ówczesny dyrektor instytutu chemii, oddał Hahnowi do dyspozycji starą zrujnowaną stolarnię, którą uczony szybko zmienił w laboratorium badań nad promieniotwórczością. I właśnie w takich, dość prymitywnych warunkach dokonał kilku istotnych odkryć, co przyniosło mu w 1910 r. tytuł profesora. Z instytutu chemii Hahn przeniósł się do Towarzystwa im. cesarza Wilhelma, którego ówczesna siedziba mieściła się w Dahlem, wiosce na obrzeżach Berlina (od 1920 dzielnica Berlin-Dahlem).

Hahn wyglądał na typowego roztargnionego profesora. Gdy w 1911 r. jechał na kongres do Szczecina, z próbką silnie promieniotwórczego mezotoru (izotop radu) w teczce (o wartości 100 tysięcy marek niemieckich, co stanowiło równowartość jego dwudziestoletniej pensji profesorskiej), omal nie zgubił jej w tramwaju. Co ciekawe, na tym samym kongresie poznał swoją przyszłą żonę, Edith. Ślub wzięli w Szczecinie w 1913 r.

Burza nadciąga

Hahn miał szczęśliwą rękę w dobieraniu sobie ludzi do zespołów badawczych. Jego główną współpracowniczką była przez wiele lat Lise Meitner, urodzona w Austrii – pierwsza kobieta w Niemczech, która została profesorem. Wspólnie odkryli kilka izotopów toru i innych pierwiastków, a także wydzielili nowy pierwiastek promieniotwórczy – protaktyn.

Ale pod koniec lat 30. nad Meitner zaczęły się zbierać czarne chmury. Układ monachijski i anszlus Austrii zmieniły radykalnie jej status. Pochodziła z rodziny żydowskiej, więc w hitlerowskich Niemczech nie tylko jej kariera zawisła na włosku. Musiała uciekać z kraju. W ścisłej tajemnicy, dzięki pomocy holenderskich fizyków, zorganizowano jej wyjazd. Otto Hahn dał jej na pożegnanie pierścionek z brylantem, należący do jego matki. Miał zostać użyty do przekupienia straży granicznej. Obyło się jednak bez łapówki: jeden z fizyków towarzyszących Meitner zdołał przekonać żołnierzy, by pozwolili uciekinierce wyjechać z Niemiec. Była bezpieczna, ale oprócz pierścionka miała w torebce zaledwie 10 marek. Cały majątek został w Berlinie.

Nie udało się jej znaleźć pracy w Holandii, co w tym przypadku było chyba zrządzeniem losu. Jeszcze przed wybuchem wojny przeniosła się do Szwecji, która pozostała neutralna. Tam władza niemiecka nie sięgała.

Wróćmy jednak do Berlina. Otto Hahn intensywnie pracował z drugim uczonym, Fritzem Strassmannem, specjalistą od chemii analitycznej. Jesienią 1938 r. zaczęli badania nad zachowaniem atomów uranu bombardowanego neutronami. Była to do pewnego stopnia kontynuacja prac włoskiego fizyka, Enrico Fermiego. Hipoteza głosiła, że jeśli atom uranu wchłonie neutron, przekształci się w „sztuczny” pierwiastek 93, który nie występuje na Ziemi. Takie pierwiastki, których dziś znamy kilkanaście, noszą wspólną nazwę transuranowców.


Czytaj także: Przełomy w fizyce - dodatek z cyklu "Wielkie pytania"


Jednak wyniki otrzymywane w okresie od września do listopada 1938 były co najmniej dziwne. Najbardziej precyzyjne sposoby rozdziału nie pozwoliły na znalezienie poszukiwanego pierwiastka 93. A już największe zdziwienie ogarnęło uczonych, gdy po każdym eksperymencie uzyskiwali coraz większą pewność, że w produktach reakcji jest spora ilość innego pierwiastka, baru (Ba).

Atom uranu w mikroskali jest olbrzymi. Ma w jądrze 92 protony oraz 143 lub 146 neutronów (w zależności izotopu). Łączna masa atomowa (najcięższego izotopu) wynosi więc 238. Tymczasem atom baru ma tylko 56 protonów i 82 neutrony – masa atomowa 138. Jest więc mniej więcej o połowę mniejszy.

W pierwotnej próbce uranu nie było nawet śladów baru, a po eksperymencie z naświetlaniem pojawiało się go sporo, zbyt dużo, aby uznać go za jakieś przypadkowe zanieczyszczenie. Skąd się wziął bar? Nikt w tym momencie nie podejrzewał, że pochodzi on z uranu. Przecież atom uznawany był w tamtych czasach za coś, czego nie można było ot tak rozłupać na kawałki. Oczywiście, znano już rozpady promieniotwórcze, ale one dawały w efekcie pierwiastki położone bardzo blisko wyjściowego materiału. Uran sam się rozpadał, ale w produktach reakcji były tor, rad, polon, a w końcu ołów. Nigdy nic mniejszego.

Uczeni bardzo intensywnie pracowali, aby uzyskać jak najwięcej danych doświadczalnych, ale jednocześnie zastanawiali się nad wyjaśnieniem tego niezwykłego zjawiska. W tym celu Hahn wielokrotnie podróżował do Danii, gdzie spędził wiele godzin na dyskusjach na ten temat z Nielsem Bohrem oraz Lise Meitner, która do wybuchu wojny również odwiedzała kopenhaskie laboratorium.

Straszny wniosek

W grudniu 1938 r. Hahn i Strassmann wykonali kluczowe doświadczenia. Ten pierwszy napisał wówczas w liście do Meitner: „Dochodzimy do strasznego wniosku, że nasz izotop radu nie zachowuje się jak rad, ale jak bar. Może ty wpadniesz na jakieś fantastyczne rozwiązanie. Przecież wiemy, że tam nie może się pojawić, ot tak sobie, bar”.

List został wysłany 19 grudnia. Jednocześnie uczeni przygotowali artykuł do niemieckiego czasopisma naukowego „Naturwissenschaften”. W tekście opisywali dokładnie swoje wyniki, ale nie proponowali żadnego wyjaśnienia. Artykuł wysłano 22 grudnia, ale badacze nie zaprzestali wykonywania eksperymentów, w trakcie których znaleźli w mieszaninie poreakcyjnej kolejne lekkie pierwiastki – technet (wtedy nosił nazwę mazur) oraz tzw. platynowce lekkie (ruten, rod, pallad). Zaraz po Bożym Narodzeniu Hahn zmodyfikował tekst już wysłanego artykułu. Aby nie opóźniać ukazania się miesięcznika, nową wersję pracy podyktował przez telefon. Niestety, nie zachowała się informacja o rachunku za tę rozmowę.

Boże Narodzenie 1938 Lise Meitner spędziła w szwedzkim kurorcie Kungälv i tam zastał ją list z Berlina. Z okazji świąt uczoną odwiedził siostrzeniec, fizyk Otto Robert Frisch, który dzielił z ciotką pasje naukowe. Lise wykorzystała okazję, aby wciągnąć go w próby rozwiązania problemu opisanego w liście Hahna. Spacerując po okolicach zawzięcie dyskutowali na temat możliwego wyjaśnienia obecności lekkich pierwiastków w produktach bombardowania uranu. Nie mając pod ręką papieru i pióra, równania pisali patykiem po ziemi i rysowali schematy na udeptanym śniegu. W końcu uznali, że jądro uranu musi przyjmować z zewnątrz energię neutronu (i jednocześnie wchłaniać tę cząstkę), stając się niestabilne i rozpadając się na mniejsze fragmenty, podobnie jak kropla wody, poddana zaburzeniu, potrafi się podzielić na mniejsze kropelki.

Wieczorami prowadzili bardziej złożone obliczenia, aby sprawdzić, czy ta rewolucyjna idea jest w ogóle dopuszczalna z teoretycznego punktu widzenia. Na szczęście, dzięki doskonałej pracy eksperymentalnej zespołu Hahn-Strassmann, dysponowali dużą liczbą danych. Wszystkie kawałki układanki zaczynały się w końcu odsłaniać spójny, choć bardzo zaskakujący obraz.

Tuż po Nowym Roku, po pośpiesznym wykonaniu przez Frischa doświadczeń potwierdzających ich koncepcję, został wysłany list do wydawcy pisma „Nature”, który ukazał się 17 stycznia 1939. Jednocześnie przygotowali wspólną większą publikację, wysłaną też w styczniu do tego pisma. Ukazała się ona w połowie lutego i uznawana jest dziś za jeden z kamieni milowych w dziedzinie fizyki przemian jądrowych.

Informacja o rozwiązaniu kwestii rozpadu uranu dotarła do guru fizyków, Nielsa Bohra, tuż przed jego wypłynięciem do USA na kongres fizyczny. Całą trwającą ponad tydzień podróż morską poświęcił na przemyślenia dotyczące intrygującego zjawiska. Kongres amerykański został zdominowany właśnie tą rewolucyjną informacją. Niektórzy fizycy po jej otrzymaniu zwyczajnie zniknęli z obrad, aby w swoich laboratoriach przeprowadzić odpowiednie doświadczenia.

Proponowany przez Hahna-Strassmanna-Meitner model rozszczepienia atomu miał dwie interesujące cechy. Przede wszystkim każdy taki rozpad generował dużo energii, ale – co istotniejsze – rozpad pojedynczego atomu uranu, dokonujący się dzięki jednemu neutronowi, powodował powstanie 2-3 neutronów. Każdy z nich mógł trafić na kolejny atom uranu, co w efekcie mogło spowodować reakcję łańcuchową. Już wiosną 1939 Leo Szilard wraz z Enrico Fermim przeprowadzili eksperymenty potwierdzające możliwość reakcji łańcuchowej, a co za tym idzie, wyzwolenia gigantycznej energii jądrowej. Pracę na ten temat opublikowali 1 sierpnia 1939. Miesiąc później świat pogrążył się w szaleństwie II wojny światowej.

Na publikacje dotyczące wyników badań w dziedzinie fizyki jądrowej nałożono embargo. Czytając ówczesne czasopisma naukowe można odnieść wrażenie, że nikt nie prowadzi żadnych doświadczeń w tej dziedzinie. Tymczasem w laboratoriach trwały intensywne działania. Brytyjczycy wspólnie z Amerykanami pracowali nad bombą jądrową. Ich efekty cały świat poznał 6 sierpnia 1945 roku w Hiroszimie. Wcześniej, po udanym teście jądrowym w lipcu 45 r., kierujący badaniami (Projektem Manhattan) Robert Oppenheimer zacytował fragment hinduskiej księgi: „Jasność tysiąca słońc, rozbłysłych na niebie, oddaje moc Jego potęgi. Teraz stałem się Śmiercią, niszczycielem światów”.

W wyścigu po bombę atomową uczestniczyli także Niemcy, choć do dziś nie wiadomo, na ile ich prace były zaawansowane.

Powojenne losy

A co dalej działo się z bohaterami tej opowieści? Otto Hahn przez całą wojnę pracował naukowo. Podejrzewany o udział w niemieckim programie atomowym, został zatrzymany w ramach operacji Alsos w kwietniu 1945 r. i przewieziony do Wielkiej Brytanii. Tam był przetrzymywany przez aliantów wraz z innymi niemieckimi uczonymi (w tym m.in. z Maksem von Laue i Wernerem Heisenbergiem). W czasie internowania dowiedział się o zrzuceniu bomby jądrowej na Hiroszimę. Tam też z gazety dowiedział się o przyznaniu mu (wraz z Strassmannem) nagrody Nobla z chemii za rok 1944, którą odebrał dopiero w grudniu 1946. Po wojnie pracował nadal naukowo, był szefem stowarzyszenia imienia Maksa Plancka. Podpisał wiele inicjatyw antynuklearnych, za co był nominowany do pokojowej nagrody Nobla. Pod koniec lat 50. przyznano mu honorowe obywatelstwo Magdeburga (wówczas w NRD) oraz honorowe członkostwo Akademii Nauk ZSRR. Odmówił przyjęcia obu wyróżnień.

Nie trafił (jeszcze) do tablicy Mendelejewa, choć pierwotnie jego imieniem miał się nazywać pierwiastek 108 (dziś jest to has – Hs).

Olbrzymim zaskoczeniem było pominięcie przez komitet noblowski Lise Meitner, której wkład w rozwiązanie zagadki rozszczepienia atomu był nie do przecenienia. Po wojnie pozostała w Szwecji, a w 1960 r. przeniosła się do Wielkiej Brytanii. Jeździła po świecie z wykładami, ale pozostała już na uboczu głównego nurtu nauki. Zmarła w 1968 r. i została pochowana obok swojego brata w wiosce Bramley, na południe od Reading w hrabstwie Hampshire. Na jej nagrobku wyryto napis autorstwa Ottona Frischa: „Lise Meitner – fizyk, który nigdy nie utracił człowieczeństwa”.

Po wielu latach została jednak odpowiednio uhonorowana – pierwiastek 109 na jej cześć został nazwany meitnerem (Mt).

Frisch w czasie wojny pracował najpierw w Wielkiej Brytanii, biorąc udział w programie atomowym, po czym został członkiem międzynarodowego zespołu pracującego w Los Alamos nad pierwszą bombą jądrową. To właśnie jego zespół prowadził eksperymenty prowadzące do określenia tzw. masy krytycznej uranu. W 1946 r. wrócił do Anglii, gdzie do końca życia zajmował się nauką.

Fritz Strassmann po wojnie też wrócił na uczelnię. Był aktywnym przeciwnikiem umieszczenia w Niemczech broni jądrowej. Nie ma „swojego” pierwiastka, ale jego imieniem nazwano asteroidę.

Wiemy również, co stało się z pierścionkiem Hahna. Otóż nie wrócił on do ofiarodawcy. Został podarowany przez Lise Meitner ówczesnej narzeczonej Ottona Frischa.

Z instytutem w Dahlem, w którym pracowali Hahn i Strassmann, związana jest też wielka, choć trochę zapomniana postać z historii Polski. Inżynier Stanisław Taczak, absolwent Akademii Górniczej we Freiburgu, został asystentem w Katedrze Chemii Węgla, mieszczącej się właśnie w Dahlem. Brał udział w I wojnie światowej (jako oficer niemiecki), a już po jej zakończeniu, w grudniu 1918 roku był z wizytą u brata w Poznaniu. Tam po spotkaniu z Wojciechem Korfantym został mianowany pełniącym obowiązki dowódcy powstania wielkopolskiego. Ale to już zupełnie inna historia.

 

Reakcja łańcuchowa

W procesie rozbicia jądra uranu, oprócz dwóch znacznie mniejszych jąder powstają najczęściej 2-3 neutrony. Część z nich ma akurat taką energię, że może zainicjować proces rozbicia kolejnego jądra uranu. Za każdym razem liczba neutronów rośnie wykładniczo, co w efekcie daje typową reakcję łańcuchową połączoną z wydzieleniem olbrzymiej ilości energii. Tego typu proces można do pewnego stopnia kontrolować, umieszczając pomiędzy porcjami uranu moderator – materiał pochłaniający neutrony (np. pręty kadmowe). W ten sposób konstruuje się reaktory jądrowe, pozwalające na uzyskanie energii cieplnej, którą następnie możemy przetworzyć na prąd elektryczny. Pierwszy, eksperymentalny reaktor, zwany stosem atomowym został skonstruowany pod koniec 1942 r. w Chicago przez grupę Enrico Fermiego. Reaktory wytwarzające energię elektryczną zaczęto konstruować na początku lat 50. XX wieku. Dziś na świecie pracuje ponad 400 reaktorów jądrowych, których łączną moc wynosi niemal 380 GW.

W przypadku braku moderatora reakcja przebiega w sposób gwałtowny, aż do wyczerpania źródła neutronów. To z kolei jest podstawą budowy bomby jądrowej, ale także przyczyną awarii reaktorów, takich jak w Czarnobylu.

 

Korzystałem m.in. z Klaus Hoffmann, Wina i odpowiedzialność: Otto Hahn – konflikty uczonego, WNT 1997, Richard Rhodes, Jak powstawała bomba atomowa, Prószyński i S-ka, 2000, www.nobelprize.org, www.scientificwomen.net.

Ten materiał jest bezpłatny, bo Fundacja Tygodnika Powszechnego troszczy się o promowanie czytelnictwa i niezależnych mediów. Wspierając ją, pomagasz zapewnić "Tygodnikowi" suwerenność, warunek rzetelnego i niezależnego dziennikarstwa. Przekaż swój datek:

Dodaj komentarz

Usługodawca nie ponosi odpowiedzialności za treści zamieszczane przez Użytkowników w ramach komentarzy do Materiałów udostępnianych przez Usługodawcę.

Zapoznaj się z Regułami forum

Jeśli widzisz komentarz naruszający prawo lub dobre obyczaje, zgłoś go klikając w link "Zgłoś naruszenie" pod komentarzem.

Zaloguj się albo zarejestruj aby dodać komentarz

© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]