Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Af Erik Johnson Erik Johnson har været lektor i fysik ved Niels Bohr Institutet siden 1978. I sin forskning arbejder han med elektronmikroskopi af materialer og har de sidste 8-9 år undervist i kurset Det 20. århundredes eksperimentalfysik. E-mail: johnson@ fys. ku. dk Indledning Da jeg blev spurgt, om jeg ville skrive en artikel til Gamma om et af emnerne i kurset Det 20. Århundredes Eksperimentalfysik, valgte jeg meget hurtigt opdagelsen af fissionsprocessen, først og fremmest fordi jeg nogle måneder forinden havde læst bogen om Lise Meitner: A Life in Physics [1]. Bogen giver ikke blot en fascinerende beskrivelse af Lise Meitners liv og arbejde som fysiker, men giver også en detaljeret beretning om begivenhederne i årene op til fissionsprocessens opdagelse i 1938-39. Det var en opdagelse, der førte til konstruktion af fissionsreaktoren og fremstilling af atombomben og med den deraf følgende dybe og varige indflydelse på vores nuværende verdenssamfund. I kurset forsøger jeg for de enkelte emner at kombinere den historiske baggrund for et eksperiment med de oprindelige artikler om emnet og en oversigt over den fysik, der var involveret. Det har jeg også gjort i den nuværende artikel, hvor det fysiske baggrundsstof er givet i appendiks 1 og 2, mens de originale artikler, hvoraf mange er tilgængelige online, findes i referencelisten. Den historiske baggrund for opdagelsen af fissionsprocessen er beskrevet utallige gange; men mine kilder stammer hovedsagelig fra et par standardværker om 7

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 Figur 1: Lise Meitner og Otto Hahn i Laboratoriet Kejser Wilhelm Instituttet i Dahlem, Berlin i 1913 [6]. det 20. århundredes fysik [2, 3, 4] samt fra biografier om enkelte af de involverede personer [1, 5, 6]. Neutronens opdagelse I 1930 lavede de tyske fysikere Walther Bothe og Herbert Becker fra Charlottenburg i Berlin et eksperiment, hvor de beskød beryllium med α-partikler fra en polonium kilde [7]. Reaktionen frembragte en γ-stråling, der viste sig at have en langt større gennemtrængningsevne dvs havde en meget højere energi - end hvad der hidtil havde været kendt. Eksperimenterne vakte en vis opsigt i fysikerkredse, og i Cambridge forsøgte James Chadwick at undersøge strålingen ved hjælp af et tågekammer, men uden resultat. I Paris havde Irene Joliot-Curie og hendes mand Frédéric Joliot 8

Gamma 148 Erik Johnson bedre held med sig. De undersøgte ioniseringsevnen af γ-strålingen med et ioniseringskammer, og når de først lod γ-strålingen passere gennem et materiale med stort indhold af brint, som f.eks. paraffinvoks, inden den kom ind i ioniseringskammeret, så de, at ioniseringen blev forøget ganske væsentligt. De konstaterede, at partiklerne, der skabte den forøgede ionisering, var energirige protoner med en energi så høj som omkring 5 MeV. De første resultater blev publiceret i slutningen af året 1931 og lidt mere detaljeret i januar 1932 [8]. I den sidste artikel konkluderede de, at protonerne måtte være frembragt ved en Compton spredningsproces, hvor γ-kvanterne kolliderede med protonerne, og at γ-strålingen derfor oprindelig måtte have haft en energi på omkring 50 MeV (se appendiks 1 om Compton spredning). I Cambridge var James Chadwick tilsyneladende meget skeptisk overfor Curies og Joliots tolkning af eksperimenterne, da der ikke var nogen kendte processer, der kunne føre til dannelsen af γ-kvanter med så høj energi, frembragt af α-partikler med 10 gange mindre energi. Efter offentliggørelsen af Curies og Joliots resultater fik Chadwick alligevel fart på, og allerede den 17. februar sendte han en kort notits til Nature [9], hvori han foreslog, at eksperimentet skulle tolkes som en reaktion, hvor der blev udsendt en uladet partikel en neutron med ca. samme masse som protonen. Altså følgende reaktion: α + 9 Be 12 C + n Den korte notits i Nature er rent spekulativ og uden eksperimentel begrundelse, og den er formodentlig delvist baseret på, at Ernest Rutherford allerede i 1920 fremkom med en ide til, at atomkernen kunne indeholde neutrale partikler i form af sammenbundne protoner og elektroner [10]. Det er højst sandsynligt, at Chadwick skrev notitsen til Nature med det formål at demonstrere, at han var først med ideen til eksistensen af en neutral kernepartikel en neutron. Derefter gik Chadwick i gang med et større eksperimentelt arbejde for at påvise eksistensen af en neutron og forsøge at bestemme nogle af dens egenskaber, og resultaterne i form af en artikel blev sendt til Proceedings of The Royal Society den 10. maj 1932 [11]. 9

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 De første transuran grundstoffer Med opdagelsen af neutronen var den klassiske kernefysik på plads og atomernes opbygning i princippet forstået. Samtidig gav neutronen mulighed for rækker af helt nye kernefysiske eksperimenter, idet det var meget lettere at skyde en neutral end en ladet partikel ind i en atomkerne. Allerede i foråret 1934 begyndte Enrico Fermi i Rom sammen med sine medarbejdere at beskyde stort set hele det periodiske system med neutroner for at se, hvad der skete. Eksperimenterne var inspireret af Irene Curies og Frédéric Joliots artikel fra januar 1934, hvor de som de første beskrev kunstig radioaktivitet ved bombardement af aluminium med α-partikler [12]. Fermi startede med de letteste grundstoffer og publicerede en række af korte artikler i det italienske tidsskrift La Ricerca Scientifica. Mange af de fremstillede reaktionsprodukter var radioaktive og blev kun fremstillet i mikroskopiske mængder, og analysen af dem blev typisk udført ved at stofferne, så godt som det var muligt, blev isoleret kemisk, hvorefter deres fysiske egenskaber halveringstid, arten af udsendt stråling osv, blev målt. Fermis eksperimenter vakte stor interesse og blev hurtigt gentaget i andre laboratorier. Otto Hahn og Lise Meitner på Kaiser Wilhelm Instituttet i Dahlem, Berlin, var specialister med 25 års erfaring i den type undersøgelser Hahn var radiokemiker og Meitner var fysiker og de kom meget tidligt i gang med tilsvarende forsøg. Det samme var tilfældet med Irene Curie og Frédéric Joliot i Paris. Hele feltet udviklede sig over de kommende år til en voldsom konkurrence mellem de tre institutter om at komme først med de mest spændende nyheder. I den 3. artikel i La Ricerca Scientifica fra 1934 var Fermi nået til de tungeste grundstoffer og deriblandt uran. Her opdagede han som noget helt nyt, at når uran blev beskudt med neutroner, kunne resultaterne tolkes som om, der blev fremstillet et nyt grundstof med egenskaber, der tydede på, at det havde atomnummer 93 altså at det var et transuran grundstof [13], og de foreslog følgende proces opskrevet i moderne notation: 238 92 U + 1 0 n 239 92 U 0 1 e + 239 93 Np Dette var en sensation det var første gang, der var fundet et grundstof med højere atomnummer end uran. New York Times skrev om opdagelsen i en tospaltet artikel med overskriften Italian Produces 93rd Element by 10

Gamma 148 Erik Johnson Figur 2: Lise Meitner i laboratoriet i Berlin, formodentlig i 1930 erne [1]. Bombarding Uranium [5]. Det var især Hahn og Meitner i Berlin, der nu gik ivrigt ind på jagten af de nye grundstoffer, og i 1935 kunne de bekræfte Fermis opdagelse af tranuran grundstoffet med atomnummer 93 og yderligere postulere muligheden af også at have opdaget et grundstof med atomnummer 94 [14]. Det nye grundstof med atomnummer 93 havde kemisk stor lighed med rhenium, og det blev derfor i Berlin kaldet ekarhenium [15]. De følgende 3-4 år blev meget hektiske med jagten på transuran grundstofferne som den største motivation. For at forbedre eksperimenterne blev der udviklet kraftigere neutronkilder, og samtidig blev de fysiske eksperimenter mere avancerede og de radiokemiske undersøgelser langt mere krævende. I 1935-36 lavede Fermi og hans gruppe en række meget spændende eksperimenter, hvor de undersøgte nedbremsningen af neutroner i brintholdige medier. Dette gav muligheden for nye eksperimenter, hvor de forskellige kernereaktioner kunne undersøges ved brug af både hurtige og langsomme neutroner. Resultatet var, at mængden af nyopdagede isotoper af kendte og ukendte grundstoffer blev større og større, og i 1938 11

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 publicerede berlingruppen en artikel i Die Naturwissenschaften, hvor de opsummerede deres tidligere resultater og gav eksperimentelle begrundelser for forekomsten af transuran grundstoffer med Z = 92-97 [16]. De nye grundstoffer blev alle frembragt ved en serie af β-henfald af den først dannede 239 U kerne. I moderne notation så deres reaktioner således ud: 238 92 U + 1 0 n 239 92 U β 239 93 Np β 239 94 P u β 239 95 Am β 239 96 Cm β 239 97 Bk? hvor det sidste grundstof dog var spekulativt. På det tidspunkt var der ingen navne for de nye transurangrundstoffer. I lighed med Np, som de tidligere havde kaldt eka-rhenium, fik de andre nye grundstoffer navne, der passede med deres forventede kemiske egenskaber altså eka-osmium, eka-iridium, eka-platin og eka-guld. Som tiden gik, voksede forvirringen, og forsøgene på at forklare alle de eksperimentelle opdagelser blev mere og mere indviklede og ofte selvmodsigende. Konkurrencen mellem institutterne i Rom, Berlin, Paris og i mindre grad København, Cambridge og Berkeley hvor Ernest O. Lawrence jo rådede over cyklotronen om at komme først med et nyt resultat eller en ny opdagelse var meget intens. Fra København har den østriske fysiker Otto Robert Frisch, der arbejdede på Niels Bohr Institutet fra 1933-39, fortalt, at han hver måned, når Fermis tidsskrift La Ricerce Scientifica kom med posten, med det samme blev sat til at oversætte det fra italiensk [17]. Fissionsprocessen 1938 blev skæbneåret, hvor neutronforskningen skiftede karakter på flere forskellige måder. Den 13. juli 1938 måtte Lise Meitner over hals og hoved flygte fra Berlin. Hun var østrigsk statsborger af jødisk afstamning, og da Østrig i 1938 blev inddraget i det nazistiske tyske rige, blev hun pludselig jaget vildt fra nazisternes side. Hendes flugt fra Berlin over Holland til Sverige var dramatisk [1], og hun endte op i Stockholm. Her fik hun en stilling på Manne Siegbahns institut, hvor hun stort set blev ignoreret, uden eksperimentelt udstyr og uden noget at lave. Samme år fik Enrico Fermi Nobelprisen for opdagelsen af transuran grundstofferne, og da han kom til Stockholm for at modtage den i december måned, rejste han direkte derfra med sin familie til USA, hvor han havde fået et job på 12

Gamma 148 Erik Johnson Columbia University i New York. Fermis kone var af jødisk afstamning, og ligesom så mange andre flygtede de fra den italienske fascisme og jødeforfølgelserne [5, 18]. I Berlin, hvor arbejdsforholdene, grundet det nazistiske styre alt andet lige blev vanskeligere og vanskeligere, blev Lise Meitners plads erstattet af den unge kemiker Fritz Strassmann, der var kommet til instituttet omkring 1929. Hahn og Strassman fortsatte eksperimenterne med fremstilling af og måling på transuran grundstofferne. Med jævne mellemrum skrev Hahn til Lise Meitner i Stockholm og fortalte om deres resultater, bad om råd og nye ideer og nævnte samtidig ofte, at de savnede en fysiker med Lise Meitners erfaring. I slutningen af 1938 var forvirringen med deres resultater ved at være total, og blandt andet måtte man forklare dannelsen af flere isotoper med dobbelte α-henfald forårsaget af indfangning af en enkelt neutron en proces, der ifølge de kendte teorier skulle være næsten usandsynlig. Lise Meitner forsøgte i flere breve til Hahn at få dem til at lave flere og bedre radiokemiske analyser og lede efter flere grundstoffer. Det hele kulminerede i slutningen af året, da Hahn og Strassmann udvidede de radiokemiske analyser og med sikkerhed fandt blandt andet grundstoffet barium. Det er kemisk meget lig transuran grundstoffet eka-rhenium; men med kun godt det halve atomnummer et resultat der var fuldstændigt uforklarligt. Hahn og Strassmann fik resultaterne publiceret i tidsskriftet Die Naturwissenschaften den 7. januar 1939 [19], og her kan man til fulde læse sig til den overraskelse de stod overfor. I artiklen skriver de blandt andet i engelsk oversættelse: We publish rather hesitantly due to [these] peculiar results... As chemists we should actually state that the new products are barium... However, as nuclear chemists, working very close to the field of physics, we cannot bring ourselves yet to take such a drastic step which goes against all previous experience in nuclear physics. Det er lidt af et kuriosum, at Hahns og Strassmanns opdagelse af barium som et reaktionsprodukt i deres neutroneksperimenter - og altså ikke et transuran grundstof skete næsten samtidig med, at Enrico Fermi den 10. december 1938 fik overrakt Nobelprisen i fysik for hans opdagelse af transuran grundstofferne. I den trykte udgave af Fermis nobelpristale er der indført følgende fodnote: The discovery by Hahn and Strassmann of barium among the disintegration products of bombarded uranium, as a con- 13

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 sequence of a process in which uranium splits into two approximately equal parts, makes it necessary to re-examine all the problems of the transuranic elements, as many of them might be found to be products of a splitting of uranium [20]. Fodnoten er helt sikkert indført i den trykte tekst, efter at Fermi havde fået Nobelprisen, idet Hahns og Strassmanns resultat først blev kendt en halv snes dage senere, da de den 19. december skrev til Lise Meitner i Stockholm og fortalte hende om resultaterne. Fermi selv hørte først om dem i midten af januar, da Niels Bohr mødte ham i New York. Da Lise Meitner i Stockholm lige før jul, den 21. december, fik brevet fra Otto Hahn med manuskriptet til artiklen, blev hun lige så overrasket over forekomsten af barium blandt reaktionsprodukterne, som de var blevet det i Berlin. Lise Meitner tilbragte juledagene sammen med nogle venner, der havde et feriehus ved Kungsälv udenfor Göteborg, og her kom hendes nevø Otto Robert Frisch, der jo arbejdede på Niels Bohr Institutet i København, op for at besøge hende. Frisch har levende beskrevet begivenhederne i Kungsälv i hans kapitel i bogen om Niels Bohr fra 1964 [17]. Da de mødtes i Kungsälv var Frisch meget ivrig efter at fortælle sin tante om nogle nye eksperimenter han var i gang med at planlægge i København; men hun insisterede på at diskutere Berlin resultaterne med ham. Det var her, mens de juleaftensdag gik en tur i skoven Frisch på ski og Meitner til fods at de fik den fuldstændigt utopiske ide, at Berlin resultaterne kunne forklares ved, at uranatomet blev spaltet i to nogenlunde lige store dele. Da Frisch nogle dage senere var tilbage i København, gav han processen navnet fission, da han fik at vide, at det var det engelske ord for celledeling. Forklaringen på processen baserede de på Bohrs model af atomkernen som en væskedråbe, og de spekulerede på, om kernen, når den indfangede en ekstra neutron, kunne blive tilstrækkeligt deformeret til, at den ville kunne dele sig i to omtrent lige store dele, ligesom en væskedråbe kan deles, hvis den rystes for voldsomt. Ikke uventet kendte Lise Meitner den såkaldte semiempiriske masseformel - en formel der oprindeligt var udledt af von Weizäcker i 1935 [21] til at beregne atomkernernes energi og hun kunne heldigvis også huske størrelsen af de konstanter, der indgår i formlen. Mens Meitner og Frisch sad på en træstamme i skoven, lavede de på små stumper papir en beregning, der viste, at hvis en urankerne med en ekstra neutron blev delt i to lige store fragmenter, ville der være en energigevinst på omkring 14

Gamma 148 Erik Johnson 200 MeV. Denne energi ville spontant blive omsat til kinetisk energi af de to kernefragmenter, der ville frastøde hinanden på grund af deres positive ladning. (Se appendiks 2 om den semiempiriske masseformel). Efter julen tog Lise Meitner tilbage til Stockholm; men da hun skrev til Hahn i Berlin, hvori hun kommenterede deres manuskript, nævnte hun ikke noget om fissionsmodellen. Otto Frisch tog tilbage til Niels Bohr Institutet, og da han fortalte Niels Bohr om Meitners teori, slog Bohr sig for panden og udbrød Sikke nogle idioter vi har været alle sammen! Men dette her er jo vidunderligt! Det er netop sådan det må være! Har De og Lise Meitner skrevet en afhandling om det? [17]. Bohr opfordrede kraftigt Frisch til, at de så hurtigt som muligt fik publiceret deres resultat i Nature, og han lovede at holde det hemmeligt indtil da noten udkom så med en vis forsinkelse den 11. februar 1939. Straks efter at Frisch var kommet tilbage til København [22], gik han i gang med nogle eksperimenter, hvor han målte fissionsfragmenternes ioniseringsevne, der dokumenterede deres meget høje energi. Disse resultater blev også publiceret i Nature ugen efter den fælles artikel med Lise Meitner [23]. Det er noget pudsigt at se, at Niels Bohr i nummeret af Nature ugen efter igen også har skrevet en kort notits, hvori han han giver en kort oversigt over Meitners og Frisch model og sætter den i relation til væskedråbemodellen for atomkernen [24]. Bohrs note til Nature blev først indsendt efter, at nyheden var blevet offentligt kendt, og den skal derfor nok ses på baggrund af, at han ville være sikker på, at Lise Meitner og Otto Frisch fik den fortjente anerkendelse af deres tolkning af Hahn-Strassmann eksperimenterne. I starten af januar rejste Niels Bohr til USA, hvor han skulle deltage i The Fifth Washington Conference on Theoretical Physics og efterfølgende tilbringe nogle måneder som gæst på Princeton University. På turen til USA med skib fra Göteborg diskuterede han meget Meitners og Frisch opdagelse med Léon Rosenfeld, der var med. Desværre havde Bohr ikke fået fortalt Rosenfeld, at han ikke skulle snakke om resultaterne, så da han efter deres ankomst til New York blev interviewet af journalister i Princeton, fortalte Rosenfeld uden skrupler om denne helt epokegørende opdagelse; både om Hahn-Strassmann eksperimenterne og Meitners og Frisch tolkning af dem. Nyheden vakte berettiget opsigt ikke blot blandt fagfæller, men også i den bredere befolkning. Da nyheden kom ud, var Bohr 15

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 meget bekymret for, at Meitner og Frisch ikke skulle få den berettigede anerkendelse af deres opdagelse Hahn og Strassmanns eksperimentelle arbejde var jo på det tidspunkt blevet publiceret i Die Naturwissenschaften, om end tidsskriftet endnu ikke var nået til USA. Ved konferencen i Washington ændrede han derfor sit foredrag og brugte det til at fortælle om Meitners og Frisch model for fissionsprocessen [25]. Fermi, der jo med opdagelsen kunne se, at han gennem flere år havde tolket resultaterne af hans tidligere arbejde forkert det arbejde han blot 6 uger tidligere havde modtage Nobelprisen for ændrede også sit foredrag til at omhandle fission, og med en så radikal nyhed skiftede konferencen fuldstændig karakter. På konferencens sidste dag det var en tre-dages konference fra den 26. til den 28. januar præsenterede en af de lokale grupper fra Washington de første resultater af et helt nyt eksperiment, hvor de, inspireret af Bohrs fordrag, havde gentaget Hahn og Strassmanns fissionseksperiment. De havde i eksperimentet registreret de højenergetiske fissionsprodukter og derved demonstreret gyldigheden af Meitners og Frisch model [26]. I deres artikel skriver de: We immediately [efter Bohrs og Fermis foredrag den første dag] undertook to look for these extremely energetic particles, and at the conclusion of the Conference on January 28 were privileged to demonstrate them to Professors Bohr and Fermi. Ved konferencen fortalte de endvidere, at det samme eksperiment, som jo for første gang var udført af Otto Frisch i København to uger tidligere, den 25. januar, var blevet gentaget af Fermi og hans kolleger fra Columbia University i New York og den 28. af en gruppe fra John Hopkins University i Baltimore, Maryland. Interessen for fissionsprocessen var kolossal, og i løbet af året 1939 fremkom der omkring 80 publikationer om fission alle eksperimentelle med undtagelse af en grundlæggende teoretisk analyse af Bohr og Wheeler, der udkom i den 1. september [27]. I marts 1939 viste Frédéric Joliot og hans kolleger i Paris, at der som et led i fissionsprocessen i gennemsnit blev frigjort omkring to neutroner i reaktionen [28]. Dette resultat blev blandt flere andre bekræftet af Flügge i Berlin [29], der også fremkom med mulighederne for, at fissionsprocessen kunne skabe en kædereaktion. Blandt andet beregnede han, at hvis alle uranatomerne i 1 m 3 uran oxid U 3 O 8 kunne fissioneres, ville det frigøre nok energi til at løfte 1 km 3 vand til en højde af 27 km, og hvis det var i en eksplosiv kædereaktion ville 16

Gamma 148 Erik Johnson det ske på 1/100 sekund! Flügge antog i sin energiberegning, at alle uranatomerne i hans klods ville undergå fission. Men i Niels Bohrs og John Wheelers Physical Review artikel, hvori de i detaljer forklarede fissionsprocessen ud fra væskedråbemodellen for atomkernen, viste de blandt andet, at det var uranisotopen 235 U, der kunne fissionere ved indfangning af - primært termiske eller lavenergetiske neutroner. 235 U isotopen forekom kun i en mængde på 0,7% i naturligt uran. Dette resultat gjorde at blandt andet Bohr på det tidspunkt ikke troede på, at det ville være muligt at frembringe en kædereaktion, da det ikke ville være muligt at udskille en tilstrækkelig stor mængde 235 U. Artiklen gav imidlertid muligheden for nye spekulationer om kædereaktioner, hvis der kunne renfremstilles 235 U. Otto Frisch der i 1939 var flyttet fra København til Birmingham og Rudolph Peirls lavede i begyndelsen af 1940 en første beregning over størrelsen af den kritiske masse af 235 U, der var nødvendig for at få fissionsprocessen til at kunne forløbe kontinuert og eksplosivt med højenergetiske neutroner og viste, at det kun krævede nogle få kg [30]. På det tidspunkt var 2. Verdenskrig startet, og derefter blev fissionsforskningen både i USA, England og Tyskland hemmeligholdt som en del af den militære forskning. Slutresultatet blev først kendt den 6. august 1945, da amerikanerne kastede den første atombombe over Hiroshima. Lise Meitner var en af de mest chokerede over nyheden hun havde jo i Stockholm siden starten på 2. Verdenskrig været næsten helt afsondret fra fissionsforskningen. Hun blev belejret af horder af nyhedshungrende journalister, der kaldte hende for atombombens moder. Det var en voldsom og fuldstændig uforberedt - følelsesmæssig byrde for hende, og der er ikke noget at sige til, at hun delvist gik i sort. Atombomben over Hiroshima var baseret på fission med hurtige neutroner af 235 U primært fremstillet ved elektromagnetisk isotopseparation. I Bohrs og Wheelers teoretiske analyse af fissionsprocessen fra 1939 viste de, at 238 U også kunne fissionere ved indfangning af højenergetiske neutroner, men kun med relativt lille sandsynlighed. Sandsynligheden for at 239 U kernen ved β-henfald blev omdannet til neptunium og derefter til plutonium de to første transuran grundstoffer, der næsten var gået i glemmebogen efter opdagelsen af fissionsprocessen - var meget større. Til gengæld viste plutonium isotopen sig også at være en god fissionskerne [31], og den første prøvesprængning - Trinitytesten - d. 16. juli 1945 i Jornada del Mu- 17

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 Figur 3: Lise Meitner og Otto Hahn omkring 1935 [1]. erto ørkenen i New Mexico samt den anden atombombe, der blev kastet over Nagasaki den 9. august 1945 var baseret på plutonium, fremstillet i Hanford reaktoranlægget i Staten Washington. Afslutning Ved vejs ende er der en lidt usædvanlig delvist faglig pointe i historien. I de 4-5 år der gik, fra at Enrico Fermi begyndte at beskyde uranatomer med neutroner, til at resultaterne blev tolket ved fissionsprocessen, troede alle, at der i eksperimenterne blev frembragt nye transuran grundstoffer. Når jeg skriver alle mener jeg ikke blot nogle fysikere; men nogle af de mest fremtrædende grupper af fysikere i verden og deriblandt flere nobelpristagere. Enrico Fermi i Rom, Otto Hahn, Lise Meitner og senere Fritz Strassmann i Berlin, Irene Curie-Joliot og Frédéric Joliot i Paris, Niels Bohr i København, Rutherford og Chadwick i Cambridge og Ernest Lawrence og hans medarbejdere i Berkeley. Ingen kunne forestille sig noget så fuldstændigt anderledes som en kernesønderdeling, hvor en 18

Gamma 148 Erik Johnson tung atomkerne kunne splittes i to nogenlunde lige store dele og frigive kolossale mængder energi blot ved at indfange en langsom neutron alle tog fejl. Der var dog en enkelt person, der var mere skeptisk end de andre Ida Noddack fra Berlin. Hun var en prominent tysk kemiker, der sammen med sin mand Walter Noddack i 1925 opdagede grundstoffet rhenium den kemiske analog til transuran grundstoffet eka-rhenium eller barium. I september 1934, kort tid efter, at Enrico Fermi havde publiceret opdagelsen af det første transuran grundstof, skrev Ida Noddack en artikel i det kemiske tidsskrift Zeitschrift für Angewandte Chemie, hvori hun kritiserede Fermi for at drage for hastige konklusioner om transuran grundstofferne [32]. Ida Noddacks konklusion var, at man først kunne godkende opdagelsen af et transuran grundstof, når der var blevet testet efter alle de kendte grundstoffer og det havde Fermi ikke gjort. Der var i artiklen ikke noget fysisk grundlag for at tvivle på Fermis resultat det var en løftet pegefinger og hendes bemærkninger gik i glemmebogen. I marts 1939 skrev Ida Noddack en note i Die Naturwissenschaften [33], med et kraftigt angreb på Hahn og Strassmann, fordi de i deres fissionsartikel ikke havde citeret hende og lyttet til hendes anbefalinger fra 1934. Endnu en gang blev hun ignoreret, da Hahn og Strassmann på anbefaling fra Paul Rosbaud, redaktøren af Die Naturwissenschaften, ikke svarede på hendes note [1], og det er først senere, at Hahn accepterede, at hun havde ret. Med en vis form for skrækscenario i baghovedet kunne man forestille sig en situation, hvor Enrico Fermi i 1934 havde fundet den rigtige tolkning af hans første resultater af neutronbeskydning på uranatomer som en fissionsproces. I så fald ville fissionsprocessen have været kendt i flere år før starten på 2. Verdenskrig og med dette det naturlige følgespørgsmål: Ville Tyskland og de andre store nationer USA, England, Frankrig, Japan, Italien og Sovjetunionen - så have kunnet og villet udvikle en atombombe før starten på 2. Verdenskrig? Som en allersidste morale, bør det også nævnes, at fra det øjeblik fissionsprocessen blev kendt, faldt interessen for transuran grundstofferne i første omgang gevaldigt. Det paradoksale i historien er dog, at der blandt alle de mærkelige isotoper, der fremkom i eksperimenterne, alligevel var et enkelt transuran grundstof eka-osmium eller plutonium, som alle inklusive Lise Meitner glemte alt om i den hektiske periode i begyn- 19

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 delsen af 1939. Det var først i slutningen af 1939, at plutonium eller eka-osmium blev genopdaget af von Weizäcker i Berlin, som et resultat af indfangning af hurtige neutroner med 238 U-isotopen samme resultat som Bohr og Wheeler var kommet til i deres teoretiske analyse. Tak for hjælp Jeg vil gerne takke Niels Bohr Institutets bibliotek, Risøs bibliotek og Niels Bohr Arkivet for hjælp med at fremskaffe nogle af de gamle artikler, der ikke er tilgængelige online. 20

Gamma 148 Erik Johnson Appendiks 1. Compton spredning af γ-kvanter på protoner 1 I eksperimentet udført af Irene Curie-Joliot and Frédéric Joliot i 1932 [8], observerede de protoner med en energi på op til omkring 5 Mev frembragt ved kollisioner mellem γ-kvanter og protoner. De tolkede processen som en Compton spredningsproces lig med den, der var kendt for spredning af γ-kvanter på elektroner. Hvis en foton med en frekvens ν og bølgelængde λ spredes på en elektron, der ligger stille, vil den miste energi og dermed få en mindre frekvens ν og en tilsvarende større bølgelængde λ. Sammenhængen mellem spredningsvinklen θ og fotonens bølgelængde før og efter kollisionen er givet ved følgende formel: λ λ = h (1 cos θ) m 0 c hvor m 0 er elektronens hvilemasse og c er lyshastigheden. Formlen kan relativt let udledes ud fra energi- og impulsbevarelse for en relativistisk elastisk kollision. For energibevarelsen gælder følgende formel: hν + m 0 c 2 = hν + p 2 e c2 + m 2 0c 4 Her er ν og ν gamma-kvantets frekvens før og efter kollisionen, p e er elektronens impuls p e = E/c og E er elektronens energi. For impulsbevarelsen gælder følgende formel: p = p + p e hvor p og p er γ-kvantets impuls før og efter kollisionen. Den kinetiske energi E kin af den spredte elektron er så givet ved: E kin = Eγ 2 (1 cos θ) m 0 c 2 + E γ (1 cos θ) hvor E γ er fotonens energi før spredningen. Denne formel er også gyldig, når spredningen sker på en proton så skal vi blot erstatte elektronens hvilemasse med protonens hvilemasse. Den maksimale energioverførsel 1 Se [34]. 21

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 Figur 4: Et skematisk billede af Compton effekten [36]. Et γ-kvant med frekvens ν spredes på en elektron, der ligger stille. I den elastistiske spredningsproces overføres der kinetisk energi til elektronen, der spredes ud i vinklen θ. γ-kvantet, der spredes i vinklen θ mister en tilsvarende energi og får frekvensen ν. Elektronens kinetiske energi er m 0 c 2 (K 1) og impulsen er Km 0 v, hvor m 0 er elektronens hvilemasse, v er dens hastighed og K = (1 v 2 /c 2 ) 1 2. sker, når spredningsvinklen θ = 180, og hvis vi regner med, at protonen får en energi på 5 MeV som observeret i Joliot-Curies og Joliots eksperiment er det let at vise, at γ-kvanternes energi må være omkring 50 MeV. Appendiks 2. Den semi-empiriske masseformel 2 Massen M af et neutralt atom, hvis kerne består af Z protoner og N neutroner er givet ved: M = ZM H + NM N B hvor M H er massen af et brintatom og M N er massen af en neutron. Bindingsenergien B er den energigevinst, der er opnået ved, at nukleonerne holdes sammen i en kerne. I væskedråbemodellen kan bindingsenergien udtrykkes ved en række led, der karakteriserer nukleon vekselvirkningerne i kernen, brudte vekselvirkninger på overfladen, Coulomb frastødning af protonerne osv. B = rumfangsled overfladeled Coulombled asymmetriled... 2 Se [35]. 22

Gamma 148 Erik Johnson Rumfangsleddet B 0 stammer fra de interne nukleare vekselvirkninger, og det er proportionalt med antallet af nukleoner A = N + Z, altså: B 0 = a ν A hvor a ν er en konstant. Rumfangsleddet er positivt, fordi der vindes energi ved at nukleonerne holdes sammen. Nukleonerne i overfladen af kernen har færre nærmeste naboer at vekselvirke med og altså højere energi end nukleonerne i det indre af kernen. Antallet af nukleoner i overfladen er proportional med overfladearealet og altså A 2/3. Derfor er overfladebidraget B 1 givet ved: B 1 = a s A 2/3 Hvor a s er en konstant. Minustegnet skyldes at nukleonerne i overfladen har højere energi end de indre nukleoner. Protonerne i kernen frastøder hinanden med Coulombkraften, der er langtrækkende i forhold til nukleon-nukleon vekselvirkningerne. Det giver endnu et bidrag til bindingsenergien. Med en kerneradius R = R 0 A 1/3, hvor R 0 er en konstant der er nogenlunde lig med en nukleonradius, og en positiv ladning der kan betragtes som værende homogent fordelt over hele kernevolumenet, er Coulomb bidraget B 2 givet ved: B 2 = 3 5 e 2 Z 2 R 0 A = a 1/3 c Z 2 A 1/3 Hvor a c er en konstant og Z er atomnummeret. Bemærk at udtrykket er i det gamle cgs enhedssystem i Si enheder ville der være en brøk 1 4πɛ 0 foran. Endelig er der et asymmetrisk bidrag B 3, der fremkommer, fordi antallet af protoner Z er forskelligt fra antallet af neutroner N. Bidraget indeholder leddet (N Z). Det er symmetrisk i (N Z) med hensyn til fortegn, og det er et relativt led i forhold til antallet af nukleoner A. Altså: (N Z) 2 (A 2Z) 2 B 3 = a a = a a A A hvor a a er en konstant. Desuden er der nogle ekstra led, som ikke er relevante her. 23

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 Hvis konstanterne i de enkelte led er kendte, er det så muligt at udregne kerne- og atommasserne og bindingsenergien for alle nukleoner. Derfor var en stor del af den teoretiske kernefysik i 1930 erne baseret på at bestemme disse konstanter ud fra forskellige kernemodeller. Den samlede formel for bindingsenergien for en kerne er så: B = a ν A a s A 2/3 Z 2 a c A a (A 2Z) 2 1/3 a A Et godt bud på et sæt værdier af konstanterne fra 1936, der kunnne være dem Lise Meitner kunne huske, er givet i Evans[35], og de er: a ν = 13, 9 MeV, a s = 13, 2 MeV, a c = 0, 58 MeV og a a = 19, 5 MeV. Indsætter man Figur 5: Bidrag til bindingsenergien pr nukleon i den semi-empiriske væskedråbemodel for atomkernen (fra Evans[35]). Rumfangsbidraget er positivt og konstant lig med a v, medens de andre bidrag er negative med størrelser, der afhænger af massenummeret. Bemærk specielt, at der er et maksimum i bindingsenergien omkring massenummer 60. Der vil altså vindes energi ved at en tung kerne som uran med massenummer 235 eller 238 deles i to omtrent lige store dele ved fission. Energigevinsten er lidt under 1 MeV pr nukleon, svarende til en totalenergi på omkring 200 MeV det tal som Lise Meitner og Otto Frisch nåede til juleaftensdag 1938 i skoven ved Kungsälv. 24

Gamma 148 Erik Johnson værdier for symmetrisk spontan fission af en 238 U kerne, altså en reaktion hvor 238 92 U 119 46 P d + 119 46 P d, fås en energigevinst på omkring 170 MeV, og bruger man i stedet en reaktion, hvor en neutron inducerer fission i en 238 U-kerne til Ba og Kr barium var jo det grundstof Hahn og Strassmann havde fundet, så det andet måtte være krypton og fordeler de overskydende neutroner ligeligt, fås en energigevinst på omkring 150 MeV. Tallene er lidt mindre end den værdi Meitner og Frisch kom til 200 MeV men det ændrer ikke på princippet i beregningen. Litteratur [1] R.L. Sime, A Life in Physics, University of California Press, 1997. [2] L.M. Brown, A. Pais and Sir B. Pippard (Eds.), Twentieth Century Physics, Volume 1, Institute of Physics Publishing and American Institute of Physics Press, 1995. [3] A. Pais, Niels Bohr s Times in Physics, Philosophy and Polity, Clarendon Press, 1991. [4] T. Powers, Heisenberg s War, the Secret History of the German Bomb, Penguin Books, 1994. [5] L. Fermi, Atoms in the Family, My Life with Enrico Fermi, American Institute of Physics, 1987. [6] O. Hahn, Vom Radiothor zur Uranspaltung, Friedr. Vieweg & Sohn, 1962. [7] W. Bothe and H. Becker, Z. Physik, 66 (1930) 289. [8] I. Curie, C. R. Acad. Sci. Paris, 193 (1931) 1412, I. Curie and F. Joliot, C. R. Acad. Sci. Paris, 194 (1932) 273. [9] J. Chadwick, Nature, 129 (1932) 312. [10] E. Rutherford, Proc. Roy. Soc. A, 97 (1920) 374. [11] J. Chadwick, Proc. Roy. Soc. A, 136 (1932) 692. [12] I. Curie and F. Joliot, C. R. Acad. Sci. Paris, 198 (1934) 254, Nature, 133 (1934) 201. [13] E. Amaldi, O. D Agostino, E. Fermi, F. Rasetti, E. Segrè, Ric. Scientifica, 5 (1934) 330. Artiklen er genoptrykt i Enrico Fermi, Collected Papers I, Italy 1921 1938 (eds. E. Amaldi, H.L. Anderson, E. Persico, F. Rasetti, C.S. Smirth, A. Wattenberg, E. Segrè), University of Chicago Press, 1962. Her findes også en engelsk oversættelse. 25

Opdagelsen af neutronen og fissionsprocessen Gamma 148 [14] O. Hahn and L. Meitner, Naturwissenschaften 23 (1937) 37. [15] Eka er en forstavelse, der tidligere anvendtes af kemikere for at betegne grundstoffer, der ikke var kendt; men som man kunne forudsige de kemiske egenskaber af. http://www.praestkjaer.dk/dk/leksikon/stikordsregister/ stikordsregister-e.htm. [16] O. Hahn, L. Meitner and F. Strassmann, Naturwissenschaften, 26 (1938) 475. [17] O.R. Frisch, Interessen samler sig om atomkernen. I Niels Bohr hans live og virke fortalt af en kreds af venner og medarbejdere, p. 132, J.H. Schultz forlag, København 1964. [18] L. Fermi, Illustrious Immigrants. The Intellectual Migration from Europe 1930/41, The University of Chicago Press, 1968. [19] O. Hahn and F. Strassmann, Naturwissenschaften, 27 (1939) 11, oversat til engelsk af H.G. Graetzer, Am. J. Phys. 32 (1964) 9. [20] E. Fermi, Nobel prize Lecture, 1938, see: http://nobelprize.org/nobel\_prizes/physics/laureates/1938/ fermi-lecture.pdf [21] C.F. von Weizäcker, Z. Physik, 96 (1935) 431. [22] L. Meitner og O. R. Frisch, Nature, 143 (1939) 239. [23] O.R. Frisch, Nature, 143 (1939) 276. [24] N. Bohr, Nature, 143 (1939) 330. [25] N. Bohr, Phys. Rev. 55 (1939) 418. [26] R.B. Roberts, R.C. Meyer and L.R. Hafstad, Phys. Rev. 55 (1939) 416. [27] M. Bohr and J.A. Wheeler, Phys. Rev. 56 (1939) 426. [28] M. Dodé, H. von Halban Jun., F. Joliot and L. Kowarski, C. R. Acad. Sci Paris, 208 (1939) 995, H. von Halban Jun., F. Joliot and L. Kowarski, Nature, 143, (1939) 470 og 680. [29] S. Flügge, Naturwissenschaften, 27 (1939) 402. [30] Statements relating to the Atomic Bomb, Rev. Mod. Phys. 17 (1945) 472. [31] J.W. Kennedy, G.T. Seabor g, E. Segrè and A.C. Wahl, Phys. Rev. 70 (1946) 555. Den oprindelige artikel blev indsendt til Phys. Rev. i maj 1941, men blev først publiceret efter afslutningen på 2. Verdenskrig. [32] I. Noddack, Z. Angew. Chem. 47 (1934) 653. [33] I. Noddack, Naturwissenschaften, 27 (1939) 212. [34] K.S. Krane, Introduction to Nuclear Physics, John Wiley & Sons, 1988, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/comptint.html. [35] R.d. Evans, The Atomic Nucleus, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1955. [36] H. Semat, Introduction to Atomic and Nuclear Physics, Holt, Rinehart and Winston, 4th ed. 1963. 26