Rozszczepienie uranu na Uniwersytecie Columbia

Wieczorem 25 stycznia 1939 roku w piwnicy Pupin Hall, gmachu wydziału fizyki Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku, grupa fizyków obserwowała ekran oscyloskopu podłączonego do komory jonizacyjnej. Wewnątrz komory znajdowała się cienka warstwa tlenku uranu, którą napromieniowywano neutronami. Na tle drobnych zakłóceń pojawiały się co jakiś czas pojedyncze, ogromne impulsy, kilkadziesiąt razy wyższe od tych, które dają cząstki alfa wysyłane przez sam uran. Oznaczały one, że w komorze lecą odłamki o energii około 200 milionów elektronowoltów. Tak wielką energię mogło uwolnić tylko rozpadnięcie się ciężkiego jądra uranu na dwie mniej więcej równe części. Kierujący doświadczeniem John R. Dunning zapisał tej nocy w notatniku: „Sądzimy, że zaobserwowaliśmy nowe zjawisko o dalekosiężnych konsekwencjach”.

Często można przeczytać, że 25 stycznia na Uniwersytecie Columbia „po raz pierwszy rozszczepiono atom uranu”. Tak nie było. Uran rozszczepiano w laboratoriach od lat, nie wiedząc o tym, a samo zjawisko odkryto miesiąc wcześniej w Berlinie i potwierdzono fizycznie w Kopenhadze. Doświadczenie z Columbii było pierwszym na kontynencie amerykańskim pomiarem, który bezpośrednio wykazał rozszczepienie jądra uranu i ogromną energię uwalnianą przy tym procesie. Właśnie od tego dnia w Stanach Zjednoczonych zaczęły się badania, które sześć lat później doprowadziły do bomby atomowej.

Odkrycie w Berlinie

Historia zaczęła się w 1934 roku w Rzymie. Enrico Fermi i jego zespół ostrzeliwali kolejne pierwiastki neutronami, odkrytymi dwa lata wcześniej cząstkami bez ładunku elektrycznego, które łatwo wnikają do jąder atomowych. Gdy doszli do uranu, otrzymali mieszaninę nowych substancji promieniotwórczych i uznali, że wytworzyli pierwiastki cięższe od uranu, nieznane w przyrodzie. Za to i za odkrycie działania powolnych neutronów Fermi otrzymał w 1938 roku Nagrodę Nobla. Niemiecka chemiczka Ida Noddack już w 1934 roku zwróciła uwagę, że jądro uranu mogło się rozpaść na kilka dużych kawałków, ale nikt nie potraktował jej uwagi poważnie.

Doświadczenia Fermiego powtarzali w Berlinie-Dahlem, w Instytucie Chemii Towarzystwa Cesarza Wilhelma, chemik Otto Hahn, austriacka fizyczka Lise Meitner i młodszy chemik Fritz Straßmann. Meitner, z pochodzenia Żydówka, przez kilka lat była chroniona austriackim obywatelstwem. Po Anschlussie Austrii w marcu 1938 roku stała się obywatelką Rzeszy, podlegającą ustawom rasowym, i w lipcu potajemnie uciekła przez Holandię do Szwecji. Hahn i Straßmann pracowali dalej, korespondując z nią listownie.

W grudniu 1938 roku Hahn i Straßmann stwierdzili ponad wszelką wątpliwość, że jedna z substancji, które uważali za rad, jest w rzeczywistości barem, pierwiastkiem o masie o połowę mniejszej od uranu. 19 grudnia Hahn napisał o tym do Meitner, a 22 grudnia wysłał artykuł do czasopisma „Die Naturwissenschaften”, które wydrukowało go 6 stycznia 1939 roku. Jako chemik nie potrafił jednak wyjaśnić, jak to możliwe.

Wyjaśnienie znalazła Meitner. Święta spędzała w szwedzkim Kungälv ze swoim siostrzeńcem, fizykiem Ottonem Frischem, który pracował w Kopenhadze u Nielsa Bohra. W czasie spaceru po zaśnieżonym lesie obliczyli, korzystając z modelu kroplowego jądra, że jądro uranu jest tak niestabilne, iż po pochłonięciu neutronu może się rozciągnąć i podzielić na dwie części, jak kropla wody. Odłamki, odpychane przez swoje ładunki elektryczne, rozlatują się z energią około 200 milionów elektronowoltów, wielokrotnie większą niż w jakiejkolwiek znanej reakcji chemicznej czy jądrowej. Frisch nazwał to zjawisko, za terminologią biologów opisujących podział komórki, „rozszczepieniem” (ang. fission). 13 stycznia 1939 roku w Kopenhadze zmierzył impulsy wywołane przez odłamki i w ten sposób jako pierwszy potwierdził rozszczepienie jądra atomowego metodą fizyczną. Ich krótkie prace ukazały się w „Nature” 11 i 18 lutego 1939 roku.

Wiadomość płynie przez Atlantyk

7 stycznia 1939 roku Bohr wypłynął do Stanów Zjednoczonych, by wziąć udział w konferencji fizyki teoretycznej w Waszyngtonie i spędzić kilka miesięcy w Princeton. Frischowi obiecał, że nie powie nikomu o rozszczepieniu, zanim praca nie zostanie wysłana do druku. W czasie rejsu rozmawiał jednak o nim z towarzyszącym mu belgijskim fizykiem Léonem Rosenfeldem, nie uprzedziwszy go, że to tajemnica. Statek przybił do Nowego Jorku 16 stycznia. Jeszcze tego samego wieczoru Rosenfeld opowiedział o odkryciu na zebraniu fizyków Uniwersytetu Princeton i wiadomość rozeszła się błyskawicznie.

Do Columbii przywieźli ją dwaj tutejsi fizycy pracujący wtedy w Princeton, Isidor Isaac Rabi i Willis Lamb. Usłyszał ją Fermi, który od kilku tygodni pracował na Columbii. W grudniu 1938 roku pojechał z żoną i dziećmi do Sztokholmu po Nagrodę Nobla i nie wrócił już do Włoch. Jego żona Laura była Żydówką, a reżim Benita Mussoliniego jesienią 1938 roku wprowadził ustawy rasowe na wzór niemiecki. Do Nowego Jorku rodzina Fermich przypłynęła 2 stycznia 1939 roku. Dla Fermiego wiadomość była kłopotliwa, bo „nowe pierwiastki”, za które otrzymał nagrodę, okazały się w dużej części produktami rozszczepienia. Do tekstu wykładu noblowskiego dodał przypis, który to przyznawał. Wkrótce potem sam Bohr przyszedł na Columbię i, nie zastawszy Fermiego, wyjaśnił nowe zjawisko spotkanemu przy cyklotronie doktorantowi Herbertowi L. Andersonowi.

Doświadczenie w Pupin Hall

Na Columbii było wszystko, czego potrzebowano do sprawdzenia odkrycia: silne źródła neutronów, w tym cyklotron, który w latach 1935–1936 zbudował w piwnicy Pupin Hall Dunning, specjalista od fizyki neutronów, oraz aparatura do wykrywania cząstek. Fermi i Dunning uzgodnili, że trzeba bezpośrednio zmierzyć energię odłamków. Anderson zbudował komorę jonizacyjną z warstwą tlenku uranu i wzmacniacz, a sygnał podłączono do oscyloskopu. Jeśli jądra uranu rzeczywiście pękały na pół, każde rozszczepienie powinno dać impuls znacznie większy od wszystkiego, co rejestrowano wcześniej.

Fermi pomagał zaplanować doświadczenie, ale nie było go w laboratorium, gdy przyniosło wynik, bo wyjechał na konferencję do Waszyngtonu. Pomiar przeprowadzili 25 stycznia Dunning i Anderson, a w zespole, który potem podpisał pracę, byli także Eugene T. Booth, G. Norris Glasoe i Francis G. Slack. Na ekranie pojawiły się oczekiwane wielkie impulsy. Pracę „The Fission of Uranium”, podpisaną przez Andersona, Bootha, Dunninga, Fermiego, Glasoe i Slacka, wysłali do „Physical Review” 16 lutego 1939 roku. Ukazała się 1 marca.

Waszyngton i lawina doświadczeń

Dzień później, 26 stycznia, w Waszyngtonie rozpoczęła się piąta konferencja fizyki teoretycznej, organizowana przez Uniwersytet George’a Washingtona i Carnegie Institution. Bohr, w porozumieniu z Fermim, ogłosił na niej odkrycie rozszczepienia. Według relacji uczestników kilku fizyków opuściło salę jeszcze w czasie obrad, by powtórzyć doświadczenie we własnych laboratoriach. W ciągu kilku następnych dni potwierdzono je w Carnegie Institution w Waszyngtonie, gdzie wynik pokazano 28 stycznia Bohrowi i Fermiemu, na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, w Berkeley i w innych ośrodkach. Pod koniec stycznia o „rozbiciu atomu uranu” pisały już amerykańskie gazety. W Paryżu niezależnie potwierdził rozszczepienie Frédéric Joliot-Curie.

Najważniejsze pytanie dotyczyło jednak nie samego rozszczepienia, lecz tego, czy przy podziale jądra uranu uwalniają się nowe neutrony. Jeśli tak, mogłyby one rozszczepić następne jądra i wywołać jądrową reakcję łańcuchową, o której od 1933 roku myślał Leó Szilárd. Szilárd, który wymyślił ją na londyńskiej ulicy i od 1938 roku mieszkał w Nowym Jorku, od pierwszej chwili rozumiał, co oznacza odkrycie z Berlina. Na początku marca 1939 roku na Columbii wraz z Walterem Zinnem, a równolegle Fermi z Andersonem, wykazali, że przy rozszczepieniu powstają średnio więcej niż dwa nowe neutrony. W tym samym czasie podobny wynik ogłosił zespół Joliot-Curie w Paryżu, z udziałem Hansa von Halbana i Lwa Kowarskiego. W Warszawie emisję neutronów przy rozszczepieniu zaobserwował w pracowni radiologicznej kierowanej przez Ludwika Wertensteina młody fizyk Józef Rotblat, który już wtedy, jak wspominał, zdał sobie sprawę, że lawinowa reakcja w uranie może wywołać wybuch.

Szilárd próbował przekonać kolegów, by wstrzymali się z publikowaniem takich wyników, żeby nie podsuwać ich Niemcom. Fermi był sceptyczny, a Joliot-Curie odmówił. Bohr i John Wheeler wyjaśnili wkrótce teoretycznie, że w zwykłym uranie powolne neutrony rozszczepiają przede wszystkim rzadki izotop uranu-235, którego jest w nim mniej niż jeden procent. Ich praca ukazała się 1 września 1939 roku, w dniu niemieckiego ataku na Polskę.

Od Pupin Hall do Hiroszimy

Doświadczenie z 25 stycznia samo w sobie nie było przełomem, który zmienił bieg historii, lecz jednym z wielu potwierdzeń odkrycia dokonanego w Berlinie. Pokazuje jednak, jak szybko wiedza o rozszczepieniu przekroczyła granice i jak wielką rolę odegrali w tym uchodźcy z państw faszystowskich: Meitner i Frisch, wygnani z Rzeszy, Fermi, który opuścił Włochy po ustawach rasowych, Szilárd, który uciekł z Berlina w 1933 roku. To w ich środowisku narodziła się obawa, że Niemcy, gdzie rozszczepienie odkryto i gdzie pracowali tacy fizycy jak Werner Heisenberg, zbudują bombę pierwsi.

Obawa nie była bezpodstawna. Już w kwietniu 1939 roku w Getyndze powstała pierwsza grupa niemieckich fizyków badających wykorzystanie energii jądrowej, nazywana Uranverein, a fizyk Paul Harteck zawiadomił o możliwości budowy nowej broni Urząd Uzbrojenia Wojsk Lądowych. Po wybuchu wojny program przejęło wojsko. Latem 1939 roku Szilárd przekonał Alberta Einsteina, by ostrzegł prezydenta Franklina Delano Roosevelta przed możliwością budowy przez Niemcy bomb „niezwykłej mocy”. W Wielkiej Brytanii w 1940 roku Frisch i Rudolf Peierls, również uchodźcy, obliczyli, że do bomby wystarczy kilka kilogramów czystego uranu-235, a nie tony, jak sądzono. Ich memorandum i raport komitetu MAUD z 1941 roku przekonały Brytyjczyków i Amerykanów, że bomba jest wykonalna. W 1942 roku ruszył amerykański projekt Manhattan, w którym pracowało wielu członków zespołu z Columbii. Dunning kierował na Columbii badaniami nad wzbogacaniem uranu metodą dyfuzji gazowej, w których uczestniczył też Booth, a Anderson był jednym z najbliższych współpracowników Fermiego przy budowie Chicago Pile-1, w którym 2 grudnia 1942 roku wywołano pierwszą kontrolowaną reakcję łańcuchową.

Niemiecki program jądrowy, rozproszony między kilka instytutów i nigdy nie traktowany przez władze Rzeszy jako priorytet, do końca wojny nie zbudował nawet działającego reaktora. 16 lipca 1945 roku na pustyni w Nowym Meksyku wybuchła pierwsza amerykańska bomba atomowa, a 6 i 9 sierpnia 1945 roku Amerykanie zrzucili bomby na Hiroszimę i Nagasaki. Rotblat, który pracował nad bombą w Los Alamos, jako jedyny z uczonych opuścił projekt ze względów moralnych jeszcze pod koniec 1944 roku, gdy stało się jasne, że Niemcy jej nie zbudują. Jego żona, która w sierpniu 1939 roku nie zdążyła wyjechać z Warszawy, zginęła w niemieckim obozie zagłady w Bełżcu. Droga, która zaczęła się od impulsów na ekranie oscyloskopu w nowojorskiej piwnicy, zakończyła wojnę na Pacyfiku i otworzyła epokę broni jądrowej.