stringtranslate.com

Меморандум Фриша–Пайерлса

Голубая мемориальная доска физикам Фришу и Пайерлсу на стене Физического корпуса Пойнтинга, Университет Бирмингема

Меморандум Фриша–Пайерлса был первым техническим описанием практического ядерного оружия . Он был написан немецкими физиками еврейского происхождения Отто Фришем и Рудольфом Пайерлсом в марте 1940 года, когда они оба работали на Марка Олифанта в Бирмингемском университете в Великобритании во время Второй мировой войны .

Меморандум содержал первые расчеты относительно размера критической массы расщепляющегося материала , необходимого для атомной бомбы . Он показал, что требуемое количество может быть достаточно малым, чтобы включить его в бомбу, которую можно будет доставить по воздуху. Он также предвидел стратегические и моральные последствия ядерного оружия.

Это помогло направить и Великобританию, и Америку по пути, который привел к созданию Комитета MAUD , проекта Tube Alloys , Манхэттенского проекта и, в конечном итоге, к атомным бомбардировкам Хиросимы и Нагасаки .

Фон

Уильям Пенни , Отто Фриш , Рудольф Пайерлс и Джон Кокрофт с медалями Свободы, врученными им в 1946 году за заслуги в Манхэттенском проекте.

Рудольф Пайерлс

Рудольф Пайерлс родился в Берлине в 1907 году. [1] Он изучал физику в Берлинском университете , [2] в Мюнхенском университете у Арнольда Зоммерфельда , [3] в Лейпцигском университете у Вернера Гейзенберга , [4] и Швейцарской высшей технической школе Цюриха у Вольфганга Паули . [5] Получив степень доктора философии в Лейпциге в 1929 году, он стал ассистентом Паули в Цюрихе. [6] В 1932 году ему была присуждена стипендия Рокфеллера , которую он использовал для обучения в Риме у Энрико Ферми , [7] а затем в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета у Ральфа Х. Фаулера . Из-за прихода Адольфа Гитлера к власти в Германии он решил не возвращаться домой в 1933 году, а остаться в Великобритании. [8] Он работал с Гансом Бете в Манчестерском университете , [9] затем в Мондовской лаборатории в Кембридже. [10] В 1937 году Марк Олифант , австралиец и недавно назначенный профессор физики в Бирмингемском университете , пригласил его на новую кафедру прикладной математики. [11]

Отто Фриш

Отто Роберт Фриш родился в Вене в 1904 году. Он изучал физику в Венском университете , где получил степень доктора философии в 1926 году. Он работал в Physikalisch-Technische Reichsanstalt в Берлине до 1930 года, [12] пока не получил должность в Гамбургском университете под руководством лауреата Нобелевской премии ученого Отто Штерна . [13] Как неарийцы, Штерн и Фриш были уволены после вступления Гитлера на престол. Штерн нашел Фришу должность в Великобритании у Патрика Блэкетта в Биркбек-колледже Лондонского университета и грант от Совета по академической помощи . [14] После этого он пять лет проработал в Институте Нильса Бора в Копенгагене вместе с Нильсом Бором , где он все больше специализировался на ядерной физике , в частности, на физике нейтронов , [12] которая была открыта Джеймсом Чедвиком в 1932 году. [15] Олифант пригласил Фриша приехать в Бирмингемский университет летом 1939 года. Когда начало Второй мировой войны в сентябре 1939 года помешало его возвращению в Копенгаген, Олифант нашел ему должность в Бирмингемском университете. [16]

Ядерное деление

Во время рождественских каникул 1938 года Фриш навестил свою тетю Лизу Мейтнер в Кунгэльве в Швеции, куда она переехала после аннексии Австрии Германией . Там она получила известие о том, что ее бывшие коллеги Отто Ган и Фриц Штрассман в Берлине обнаружили, что столкновение нейтрона с ядром урана производит барий в качестве одного из его побочных продуктов. Фриш и Мейтнер выдвинули гипотезу, что ядро ​​урана раскололось надвое. Они оценили выделившуюся энергию примерно в 200 МэВ , и Фриш заимствовал термин деление из биологии, чтобы описать это. [17] В статье Гана был описан эксперимент и обнаружение побочного продукта бария. [18] В статье Мейтнер и Фриша от 16 января 1939 года объяснялась физика, лежащая в основе этого явления. [19] Фриш вернулся в Копенгаген, где ему удалось выделить фрагменты, полученные в результате реакций деления. [20] [21] Фриш позже вспоминал, что:

Во всем этом волнении мы упустили самый важный момент: цепную реакцию . Именно Кристиан Мёллер , датский коллега, первым предположил, что осколки деления (два свежеобразованных ядра) могут содержать достаточно избыточной энергии каждый, чтобы выбросить один или два нейтрона; каждый из них может вызвать еще одно деление и произвести больше нейтронов... Так из замечания Мёллера возникло захватывающее видение, что, собрав достаточно чистого урана (при соответствующем уходе!), можно запустить контролируемую цепную реакцию и высвободить ядерную энергию в масштабах, которые действительно имеют значение. [22]

Новость об открытии деления была доставлена ​​в Америку Бором в январе 1939 года. [23] Бор и Джон А. Уилер приступили к работе, применяя модель жидкой капли, разработанную Бором и Фрицем Калькаром, чтобы объяснить механизм ядерного деления. [24] Джордж Плачек , который скептически относился к самой идее деления, бросил вызов Бору, чтобы объяснить, почему уран, по-видимому, делится как очень быстрыми, так и очень медленными нейтронами. У Бора было озарение, что деление при низких энергиях происходит из-за изотопа урана-235 , в то время как при высоких энергиях оно происходит в основном из-за более распространенного изотопа урана-238 . [23] Первый составляет всего 0,7% природного урана; тогда как второй составляет 99,3%. [25] 16 апреля Бор, Плачек, Уилер, Юджин Вигнер и Леон Розенфельд обсудили, возможно ли использовать ядерную цепную реакцию для создания атомной бомбы , и пришли к выводу, что это невозможно. Бор заметил, что «потребуются все усилия страны, чтобы создать бомбу». [23]

Британский ответ

В Великобритании ученые также рассматривали вопрос о том, была ли атомная бомба практичной. В Ливерпульском университете Чедвик и польский ученый-беженец Джозеф Ротблат взялись за эту проблему, но их расчеты оказались неубедительными. [26] В Кембридже лауреаты Нобелевской премии по физике Джордж Пейджет Томсон и Уильям Лоуренс Брэгг хотели, чтобы правительство приняло срочные меры по приобретению урановой руды , чтобы она не попала в руки немцев. Секретарь Комитета имперской обороны генерал-майор Гастингс Исмей попросил сэра Генри Тизарда высказать свое мнение. Тизард скептически относился к вероятности разработки атомной бомбы, оценивая шансы на успех в 100 000 к 1. [27]

Даже при таких неравных шансах опасность была достаточно велика, чтобы воспринимать ее всерьез. Немедленное приобретение урана не считалось целесообразным, но Комитету Тизарда по научному исследованию противовоздушной обороны было поручено провести исследование осуществимости атомных бомб. [27] Томсону из Имперского колледжа Лондона и Олифанту из Бирмингемского университета было поручено провести серию экспериментов с ураном. К февралю 1940 года команда Томсона не смогла создать цепную реакцию в природном уране, и он решил, что это не стоит продолжать. [28]

Меморандум

Здание Пойнтинга в Бирмингемском университете , где Пайерлс и Фриш написали Меморандум

Как вражеские пришельцы, по крайней мере до тех пор, пока документы Пайерлса о натурализации не поступили в феврале 1940 года, [29] Фриш и Пайерлс были исключены из самой важной — и секретной — военной работы, которую проводила команда Олифанта в Бирмингеме, а именно, по радару . [30] Однако Олифант задавал Пайерлсу теоретический вопрос, скажем, о решении уравнений Максвелла в полусферической полости. Пайерлс знал, что вопросы такого рода связаны с работой над микроволновым радаром , и Олифант, несомненно, тоже знал об этом, но фасад секретности сохранялся. Ядерное исследование еще не было секретным, поэтому Фриш был доступен для работы над ним. Он начал экспериментировать с обогащением урана посредством термодиффузии , процессом, впервые продемонстрированным в Германии Клаусом Клузиусом . Прогресс был медленным; необходимое оборудование не было доступно, и проект радара в первую очередь требовал имеющихся ресурсов. [31]

Фрэнсис Перрен определил критическую массу урана как наименьшее количество, которое может поддерживать цепную реакцию, и вычислил критическую массу оксида урана (не металла), которая составляет около 40 тонн (39 длинных тонн; 44 коротких тонны). Он подсчитал, что если вокруг него разместить отражатель нейтронов из таких материалов, как железо или свинец, которые не сильно препятствуют быстрым нейтронам, то это можно уменьшить до 12 тонн (12 длинных тонн; 13 коротких тонн). [32] Пайерлс также попытался упростить задачу, используя быстрые нейтроны, полученные при делении, таким образом, опустив рассмотрение замедлителя. Затем он вычислил критическую массу сферы металлического урана в теоретической статье, написанной в 1939 году. [33] [34] Позже он вспоминал, что размер критической массы «был порядка тонн. Поэтому мне показалось, что эта статья не имеет отношения к ядерному оружию». [35]

Однако Бор утверждал, что изотоп урана-235 гораздо более склонен захватывать нейтроны, поэтому расщепляется даже при использовании нейтронов низкой энергии. Фриш задавался вопросом, что произойдет, если он сможет создать сферу из чистого урана-235. Когда он использовал формулу Пайерлса для расчета этого, он получил поразительный ответ. [36] Пайерлс позже заметил, что:

Любой компетентный физик-ядерщик дал бы очень похожие на наши ответы, если бы его спросили: «Каково вероятное сечение деления чистого U235? Какой критический размер для разделенного U235 следует из этого? Какова будет взрывная мощность такой массы? Сколько промышленных усилий потребуется для разделения? И будет ли военная ценность оправданной?» Единственное необычное, что сделали Фриш и я в этот момент, — задали эти вопросы. [37]

Понимая деликатный характер документа, Пайерлс напечатал его сам. Была сделана одна копия. [38] Сегодня оригинал находится в Бодлианской библиотеке Оксфордского университета . [39] [40]

Нетехнический

Меморандум был написан в двух частях. Первая часть представляла собой элегантное и всеобъемлющее изложение последствий их расчетов. [38] В него входило предложение о том, что лучшей защитой от такого оружия будет разработка его до того, как это сделает Германия. На нескольких коротких страницах эти два ученых предвосхитили политику сдерживания , которая сформирует геополитику холодной войны . Вторая часть представляла собой объяснение науки, подтверждающей их выводы. [41] Меморандум начинается со слов:

Прилагаемый подробный отчет касается возможности создания «супербомбы», которая использует энергию, запасенную в атомных ядрах, в качестве источника энергии. Энергия, высвобождаемая при взрыве такой супербомбы, примерно такая же, как и при взрыве 1000 тонн динамита. Эта энергия высвобождается в небольшом объеме, в котором она на мгновение создаст температуру, сравнимую с температурой внутри Солнца. Взрыв от такого взрыва уничтожил бы жизнь на большой территории. Размер этой территории трудно оценить, но, вероятно, она охватит центр большого города.

Кроме того, часть энергии, высвобождаемой бомбой, идет на производство радиоактивных веществ, и они будут испускать очень мощные и опасные излучения. Эффект этих излучений наиболее силен сразу после взрыва, но он ослабевает лишь постепенно, и даже в течение нескольких дней после взрыва любой человек, вошедший в пораженную зону, будет убит.

Часть этой радиоактивности будет разнесена ветром и распространит загрязнение; на расстоянии нескольких миль по ветру это может привести к гибели людей. [41]

Расчеты

Отправной точкой Пайерлса была статья Фрэнсиса Перрена, в которой он вывел расчеты критической массы в терминах ядерных констант. Физики рассматривали сферу, которая имеет минимальную площадь поверхности для данного объема. Критическая масса возникает, когда число произведенных нейтронов равно числу вылетевших. Перрен предположил, что средняя длина свободного пробега намного больше радиуса сферы. Пайерлс не согласился и начал свои собственные расчеты. Ключевое понимание пришло от Фриша, который задался вопросом, что произойдет, если вместо природного урана использовать сферу изотопа урана-235. [42] По определению средняя длина свободного пробега равна:

где — длина свободного пробега, n — число целевых частиц на единицу объема, а σ — эффективная площадь поперечного сечения деления . Пайерлс не выполнял расчеты, предоставив эту задачу Фришу. [43] Химия урана в то время была не очень хорошо известна, и Фриш считал, что его плотность составляет 15 граммов на кубический сантиметр (0,54 фунта/куб. дюйм); [44] истинное значение составляет приблизительно 19 граммов на кубический сантиметр (0,69 фунта/куб. дюйм). [45] Значение поперечного сечения деления было более проблематичным. Для этого Фриш обратился к статье в Nature 1939 года , написанной Л. А. Гольдштейном, А. Рогозинским и Р. Дж. Валеном из Института радия в Париже, которые дали значение(11,2 ± 1,5) × 10−24  см2 . [ 46] Это было слишком велико по порядку величины ; современное значение составляет около1,24 × 10−24  см2 . [45] Используя имеющиеся у него значения , Фриш вычислил значение средней длины свободного пробега для урана-235 с использованием постоянной Авогадро :

Пайерлс и Фриш утверждали, что критический радиус составляет около 0,8 длины свободного пробега. [44] Исходя из этого, Фриш смог вычислить объем сферы с помощью известного уравнения:

Тогда масса получается следующей:

Фриш и Пайерлс затем рассмотрели скорость цепной реакции деления урана, экспоненциальную по своей природе, где « τ — это время, необходимое для умножения плотности нейтронов на коэффициент e ». Имеющиеся данные были весьма приблизительными, но их центральный момент — возможность создания бомбы с использованием быстрых (~2 МэВ) нейтронов — сохранился. Джереми Бернстайн заметил об этой попытке: «Позвольте мне высказать то же самое, задав несколько иной вопрос, но используя правильные числа. Сколько времени требуется для деления килограмма 235 U с использованием быстрых нейтронов?» [39] Используя современные значения, он обнаружил, что это «примерно равно микросекунде, что делает вопрос о быстроте деления с фактическими [sic] нейтронами». [39]

В первоначальном меморандуме, если бы нейтроны имели скорость 10 9 см/с, то среднее время между столкновениями деления составляло бы2,6 × 10−9 с  . Таким образом, время Бернштейна для деления килограмма урана-235 находится путем решения:

где τ — среднее время увеличения плотности нейтронов деления на e . Учитывая время удвоения

это подразумевало среднее время экспоненциального сложения деления

Это привело к расчету выделившейся энергии, которую Пайерлс оценил примерно так:

где M — масса сферы, r — радиус, а r 0 — радиус критической массы. [47]

Был сделан вывод, что несколько килограммов взорвутся с энергией тысяч тонн динамита. [47]

Влияние

Меморандум был передан Олифанту, который передал его Тизарду в качестве председателя Комитета по научному исследованию воздушной войны (CSSAW). Тот, в свою очередь, передал его Томсону, председателю комитета, которому CSSAW делегировал ответственность за исследования урана. [48] Комитет Томсона собирался распустить. Он изучал ядерные реакции в уране и использование графита в качестве замедлителя нейтронов в ядерном реакторе , но его результаты были отрицательными, и он пришел к выводу, что скорость захвата нейтронов графитом слишком велика, чтобы сделать такой реактор практическим предложением. Меморандум Фриша-Пайерлса заставил Томсона пересмотреть свое решение. [38] После обсуждений между Кокрофтом, Олифантом и Томсоном CSSAW создал Комитет MAUD для дальнейшего расследования. [49] Как вражеские пришельцы, Пайерлс и Фриш изначально были исключены из его обсуждений, но позже они были добавлены в его технический подкомитет. [38]

Исследования комитета MAUD были собраны в двух отчетах, обычно известных как отчеты MAUD в июле 1941 года. В первом отчете, «Использование урана для бомбы», обсуждалась возможность создания супербомбы из урана, которую они теперь считали реальной. Во втором, «Использование урана как источника энергии», обсуждалась идея использования урана в качестве источника энергии, а не просто бомбы. Комитет MAUD и отчет помогли осуществить британскую ядерную программу, проект Tube Alloys . Он не только помог начать ядерный проект в Великобритании, но и помог дать толчок американскому проекту. Без помощи комитета MAUD американская программа, Манхэттенский проект , началась бы на несколько месяцев позже. Вместо этого они смогли начать думать о том, как создать бомбу, а не о том, возможно ли это. [50] [51] Историк Маргарет Гоуинг отметила, что «события, которые изменяют временную шкалу всего на несколько месяцев, тем не менее могут изменить историю». [52]

В августе 1941 года Олифант был отправлен в США, чтобы помочь американцам с микроволновым радаром. [53] Он взял на себя инициативу просветить научное сообщество о новаторских открытиях Комитета MAUD. Он отправился в Беркли , чтобы встретиться со своим другом Эрнестом Лоуренсом , который вскоре перенял его энтузиазм. Олифант убедил американцев двигаться вперед с ядерным оружием, и его лоббирование привело к тому, что Ванневар Буш передал отчет непосредственно президенту. [54] Лео Силард позже писал: «Если бы Конгресс знал истинную историю проекта атомной энергии, я не сомневаюсь, что он создал бы специальную медаль, которая вручалась бы вмешивающимся иностранцам за выдающиеся заслуги, и что доктор Олифант был бы первым, кто ее получил». [55]

Примечания

  1. ^ Пайерлс 1985, стр. 3.
  2. ^ Пайерлс 1985, стр. 16–17.
  3. ^ Пайерлс 1985, стр. 23–24.
  4. ^ Пайерлс 1985, стр. 32–33.
  5. ^ Пайерлс 1985, стр. 40–41.
  6. ^ Пайерлс 1985, стр. 44–46.
  7. ^ Пайерлс 1985, стр. 82–86.
  8. ^ Пайерлс 1985, стр. 89–93.
  9. ^ Пайерлс 1985, стр. 99–104.
  10. ^ Пайерлс 1985, стр. 115–118.
  11. ^ Пайерлс 1985, стр. 127–128.
  12. ^ ab Peierls, Rudolf . "Frisch, Otto Robert". Оксфордский национальный биографический словарь (онлайн-ред.). Oxford University Press. doi :10.1093/ref:odnb/31127. (Требуется подписка или членство в публичной библиотеке Великобритании.)
  13. Фриш 1979, стр. 43–45.
  14. ^ Фриш 1979, стр. 50–53.
  15. Фриш 1979, стр. 66–67.
  16. Фриш 1979, стр. 120–122.
  17. Фриш 1979, стр. 113–117.
  18. ^ Хан, О.; Штрассманн, Ф. (1939). «Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle [Об обнаружении и характеристиках щелочноземельных металлов, образующихся при облучении урана без нейтронов]». Naturwissenschaften (на немецком языке). 27 (1): 11–15. Бибкод : 1939NW.....27...11H. дои : 10.1007/BF01488241. S2CID  5920336.
  19. ^ Мейтнер, Лиз; Фриш, О. Р. (1939). «Распад урана нейтронами: новый тип ядерной реакции». Nature . 143 (3615): 239–240. Bibcode :1939Natur.143..239M. doi :10.1038/143239a0. S2CID  4113262.
  20. ^ Фриш, О. Р. (1939). «Физические доказательства деления тяжелых ядер под нейтронной бомбардировкой». Nature . 143 (3616): 276. Bibcode :1939Natur.143..276F. doi : 10.1038/143276a0 . S2CID  4076376.
  21. ^ Фриш, Отто Р. (1 ноября 1967 г.). «Открытие деления — как все это началось». Physics Today . 20 (11): 43–52. Bibcode : 1967PhT....20k..43F. doi : 10.1063/1.3034021.
  22. ^ Фриш 1979, стр. 118.
  23. ^ abc Уилер, Джон А. (1 ноября 1967 г.). «Открытие деления – Механизм деления». Physics Today . 20 (11): 49–52. Bibcode : 1967PhT....20k..43F. doi : 10.1063/1.3034021.
  24. ^ Бор, Нильс ; Уилер, Джон А. (сентябрь 1939 г.). «Механизм деления ядра». Physical Review . 56 (5). Американское физическое общество: 426–450. Bibcode : 1939PhRv...56..426B. doi : 10.1103/PhysRev.56.426 .
  25. ^ «Меморандум Фриша-Пайерлса, март 1940 г.». Атомный архив. 21 сентября 2017 г.
  26. ^ Фармело 2013, стр. 123–125.
  27. ^ ab Gowing 1964, стр. 34–36.
  28. Гоуинг 1964, стр. 37–39.
  29. Кларк 1961, стр. 50.
  30. ^ Бернштейн 2011, стр. 442.
  31. ^ Фриш 1979, стр. 122–125.
  32. Перрен, Фрэнсис (1 мая 1939 г.). «Расчет относительно условий трансмутации в цепочке урана». Comptes rendus de l'Académie des Sciences (на французском языке). 208 : 1394–1396 . Проверено 6 октября 2017 г.
  33. Кларк 1961, стр. 42–43.
  34. ^ Пайерлс, Р. (ноябрь 1939 г.). «Критические условия в умножении нейтронов». Математические труды Кембриджского философского общества . 35 (4): 610–615. Bibcode :1939PCPS...35..610P. doi :10.1017/S030500410002137X. ISSN  0305-0041. S2CID  121559107.
  35. Кларк 1961, стр. 43.
  36. Фриш 1979, стр. 125–126.
  37. Кларк 1961, стр. 51.
  38. ^ abcd Peierls 1985, стр. 154–155.
  39. ^ abc Bernstein 2011, стр. 444.
  40. ^ "Меморандум Фриша-Пайерлса". Национальный архив . Получено 22 сентября 2017 г.
  41. ^ ab "Меморандум Фриша–Пайерлса" (PDF) . Стэнфордский университет . Получено 21 сентября 2017 г. .
  42. ^ Пайерлс 1985, стр. 153–154.
  43. ^ Бернштейн 2011, стр. 441.
  44. ^ ab Gowing 1964, стр. 390.
  45. ^ Бернштейн 2011, стр. 443.
  46. ^ Goldstein, LA; Rogozinski, A.; Walen, RJ (9 июля 1939 г.). «Рассеяние быстрых нейтронов ядрами урана и возможная эмиссия нейтронов в результате деления». Nature . 144 (3639): 201–202. Bibcode :1939Natur.144..201G. doi :10.1038/144201a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4014074.
  47. ^ ab Gowing 1964, стр. 391.
  48. ^ Гоуинг 1964, стр. 39–43, 407.
  49. Гоуинг 1964, стр. 43–45.
  50. Гоуинг 1964, стр. 77–80.
  51. ^ Отчет Комитета MAUD об использовании урана для создания бомбы (PDF) (Отчет). Международная группа по расщепляющимся материалам . Получено 27 января 2018 г.
  52. Гоуинг 1964, стр. 85.
  53. Пол 2000, стр. 22.
  54. Хьюлетт и Андерсон, 1962, стр. 45–46.
  55. Родс 1986, стр. 372.

Ссылки

Внешние ссылки

  • Приложение: О создании «супербомбы» на основе цепной ядерной реакции в уране