Jaderné štěpení a jeho důsledky

Několik poznámek k objevu jaderného štěpení

Po objevu průrazných neutronů v roce 1932 vznikla možnost bombardovat a měnit jádra těžkých prvků. Průkopníkem tohoto nukleárního výzkumu byl od roku 1934 Ital Enrico Fermi (1901–1954) se svými kolegy v Římě, když kromě objevení různých interakcí mezi neutronem a ozařovaným jádrem dospěli k logickému závěru, že po proniknutí neutronu či neutronů do jádra uranu (s 92 protony) vzniknou z nukleárních reakcí nově vytvořené a těžší prvky s 93 a více protony v jádře, tzv. transurany.

V rodící se nukleární fyzice Bohr reagoval prostřednictvím svého modelu složeného jádra a rozvinutím kapkového modelu mimo jiné na problémy, s nimiž se střetával Fermi a jeho kolegové. Dokázal například vysvětlit pravděpodobnosti zachycení zpomalených neutronů jádrem a kromě dalšího se rovněž zaměřil na to, jak může být jádro zničeno pomocí navýšení energie bombardujících částic, a současně jaká energie se v tomto procesu uvolní. Vzhledem k tomu, že byl Bohr „natolik přesvědčený o správnosti své teorie (a jeho modelu), spekuloval daleko za hranicemi tehdejších pozorování“. Proto se například neobával naznačit hypotetickou možnost, že bychom s ostřelujícími „částicemi s energií kolem miliardy voltů, měli být připraveni na to, že by kolize vedla k explozi celého jádra“. Destrukce jádra by znamenala, že by jedna částice za druhou velmi rychle vybuchovaly, a tím by prakticky ihned došlo k explozi jádra jako celku. Bohr však v zápětí upozornil na to, že takto nepředstavitelně vysoké energie nebo naděje na uvolnění nesmírné energie z jader leží zatím v nedohlednu, tj. za experimentálními možnostmi. Do roku 1938 totiž byla podle Rhodese představa o využití obrovské enegie uvnitř atomů ovlivněna názory tří významných autorit. Takovou hypotézu „Rutherford odmítnul, považoval to za nonsens; Einstein ji přirovnal ke střílení vzácného ptactva ve tmě [...]“ a Bohr v článku z roku 1936 poznamenal, že „čím většího pokroku dosahujeme v poznání nukleárních reakcí, tím vzdálenější se stává uvedený cíl“.

Avšak situace se vyvíjela jinak. Fermiho průkopnická cesta, ať jakkoli různě vykládána, vedla na přelomu roku 1938 a 1939 k neuvěřitelnému objevu jaderného štěpení, který měl  dalekosáhlé civilizační důsledky, a obě teorie modelu jádra (kapkový model a model složeného jádra) byly pro interpretaci tohoto objevu nepostradatelné. V prosinci 1938 v Berlíně totiž došlo ke  zlomové události. Dva zruční němečtí experimentátoři a chemici (radiochemici či nukleární chemici) Otto Hahn (1879–1968, na fotografii níže vpravo) a Fritz Strassmann (1902–1980, na fotografii vlevo) ozařovali v jedné řadě experimentů dvanáct hodin pomalými neutrony jádra uranu. Při těchto reakcích vzniklo několik substancí, jež se z vyprodukovaných sraženin zjišťovaly pomocí náročných chemických postupů separování nebo frakcionování a k definování tak nepatrných produktů byla potřebná fyzikální interpretace, s níž si oba vědci nevěděli rady.

Hahn se Strassmannem prováděli převratné výzkumy mimo jiné zejména z podnětů jejich dlouholeté kolegyně a fyzičky židovského původu s rakouským občanstvím Lise Meitnerové (1878–1968, na fotografii s Hahnem vpravo). Meitnerová však v červnu 1938 po březnovém Anschlussu Rakouska musela uprchnout z nacistického Německa. Nejprve odjela přes Holandsko do Kodaně, kde se těšila laskavé péči Bohrovy rodiny, a posléze se usadila ve Švédsku. Před zásadními prosincovými experimenty měl Hahn možnost ještě hovořit s Meitnerovou v Kodani během dlouho utajované schůzky ve dnech 13. a 14. listopadu (schůzka, již zprostředkoval Bohr, se konala tři dny po hrůzné Křišťálové noci). Diskuse v Kodani ovlivnila strategii berlínských pokusů a Hahn potom o následných pokusech komunikoval se svojí dlouholetou kolegyní prostřednictvím čilé korespondence, jež trvala až do konce roku 1938.

Synovec Meitnerové Otto R. Frisch (1904–1979, na fotografii vlevo) ve svých memoárech píše, že v Německu trávil Štědrý den dle rodinné tradice u tety v Berlíně. Ve Švédsku pak byla příležitost oslavit posmutnělý sváteční den alespoň v pobřežním městečku Kungälv (viz foto níže), kam byli oba pozváni k tetiným přátelům na štědrovečerní večeři. V Kungälvu – zřejmě v pátek den před Štědrým dnem – došlo k další zásadní dějinné události, když  spolu na dopolední procházce zasněženou krajinou Frisch s Meitnerovou interpretovali výsledky pokusů německých vědců jako jaderné štěpení. (S pojmem štěpení přišel Frisch až v polovině ledna, převzal jej z mikrobiologického názvosloví "binární dělení" či "štěpení" bakterií na základě diskuse s mikrobiologem Williamem A. Arnoldem /1904–2001/, který v té době pracoval v Bohrově institutu).

Začátkem ledna po návratu z Kungälvu, chtěli Meitnerová s Frischem nejprve zjistit, jaký názor na převratné experimenty a jejich interpretaci bude mít Bohr. Pokud by tedy měla Meitnerová a Frisch pravdu, pak by práce Fermiho, Hahna, Strassmanna a Meitnerové, Joliot-Curiových i dalších znamenala, že kromě jiného opakovaně rozdělovali jádro uranu, ale nevěděli o tom. Frisch se s Bohrem viděl jen několik minut 3. ledna a vzpomíná, že Bohr, který právě odjížděl do USA, vše okamžitě pochopil. Tak blízko takovému objevu už ve svých úvahách byl, tolik možností reakcí mezi neutronem a jádrem uranu prozkoumal, přesto onu „jednoduchou“ možnost rozdělení jádra zpomaleným neutronem nenahlédl. Bohr přeci jen spatřoval v jádru elastičtější látku než jednoduchý kapkový model, tedy tělísko, které částice spíše na svém povrchu přijímá a k možnému zničení pak dochází při vysokých teplotách, kdy se taková látka vypařuje. Jakmile Frischův výklad uslyšel, bacil se do hlavy a zvolal: „Jací idioti jsme to všichni byli! Ó, to je ale báječné! Je to přesně tak, jak má být! Napsali jste o tom s Lise Meitnerovou článek?“ (Slavný dopis Meitnerové a Frische vyšel v časopise Nature v únoru roku 1939).

Nejskvělejší moment Bohrových idejí posléze podle Bena R. Mottelsona (*1926) nastal právě v situaci, když Bohr model složeného jádra aplikoval na nukleární štěpení. Bohr, v té době v USA, došel v únoru 1939 k závěru, že většina neutronů emitovaná ze štěpných fragmentů je jistě příliš pomalá na to, než aby způsobila jaderné štěpení u dominantního uranu (²³⁸U). Ke štěpení tedy musí docházet v případě vzácného izotopu uranu (²³⁵U), jehož je v uranové rudě necelé procento. Bohr o tom 7. února napsal tehdy vášnivě diskutovaný text – dopis editorovi časopisu Physical Review, který vyšel 15. února 1939. Na konci dopisu rovněž uvedl, že se chystá napsat podrobnější článek s Wheelerem „o mechanismu štěpení a stabilitě těžkých jader v jejich normálních a excitovaných stavech“. Je nutné si uvědomit, že Bohrova hypotéza o výsadní roli uranu 235 nebyla ještě experimentálně potvrzena – k tomu došlo až na jaře roku 1940 – a velmi málo fyziků Bohrovu ideu tehdy přijímalo, v opozici vůči němu stál například i Fermi.

Během roku 1939 bylo na podkladě výsledků experimentů sepsáno na téma štěpení přes sto odborných článků. Jediné čistě teoretické příspěvky naprosto zásadního charakteru byly dva. Oba texty vycházely z teorie složeného jádra i kapkového modelu. Jedná se o uvedený Bohrův dopis a druhý byl rozsáhlý upřesňující článek s technickým aparátem, ten byl napsán opět Bohrem ve spolupráci s Wheelerem.                                    

Slavné pojednání s názvem „Mechanismus jaderného štěpení“ bylo posláno do redakce Physical Review v červnu a po mírných úpravách text vyšel 1. září 1939 v den vypuknutí druhé světové války. Tento článek, který Bohr napsal s Wheelerem (na fotografii níže), sloužil posléze i jako výchozí text, s nímž atomoví fyzici pracovali při sestrojování jaderných zbraní v Los Alamos. Wheeler byl tehdy velmi mladý americký fyzik, který pracoval v Kodani v akademickém roce 1934 a 1935.

V rozsáhlém pojednání vyšli ze závěrů Frische a Meitnerové, využili práce Gamowa i Weizsäckera, promysleli a propočítali různé možnosti jaderných reakcí, hraniční možnosti či energetické bariéry v procesech štěpení, otázku toho, jaká složená jádra se mohou anebo nemohou štěpit, jaká jádra zůstanou a nezůstanou stabilní, určili uvolněnou energii při rozmanitém dělení těžkých jader doprovázených emisí neutronů nebo uvolněnou energii štěpného fragmentu, jenž prochází rozpadem β, přičemž zjistili případy produkce tzv. opožděných neutronů.

Závěr

Jak bylo obvyklé pro Bohrovu práci, jeho žáci a kolegové mu při vyjasňování jeho myšlenek sloužili jakožto příjemci, kritici nebo zapisovatelé. Někdy to však pro všechny byla vyčerpávající práce, stalo se dokonce, že paní Rosenfeldová získala od lékaře potvrzení, v němž se doporučuje, aby její manžel Léon Rosenfeld (1904–1974) omezil pracovní hodiny ve Fyzikálním ústavu. Hyperaktivní Bohr, který pracoval 24 hodin denně, během nichž stačil sledovat westerny, psát články, hrát ping pong, luštit křížovky, nutit ostatní, aby pracovali ve dne v noci nebo ještě sháněl peníze a staral se o chod ústavu, musel lékařské doporučení respektovat. Podobným způsobem pak probíhala i usilovná a několikaměsíční spolupráce mezi Bohrem a Wheelerem při psaní proslulého příspěvku. Stuewer zdůrazňuje, že jejich „práce zůstává jednou z nejlepších ukázek intenzivní spolupráce ve fyzice. Dva autoři, vzájemně sdílející hluboký respekt, zkombinovali své fyzikální intuice, fyzikální znalosti a matematické schopnosti k tomu, aby vytvořili klasické literární dílo.“   

Komplementární myšlení Nielse Bohra v kontextu fyziky, filosofie a biologie, 4. kap.

Více viz Filip Grygar:

       1. Odvrácená strana legendy: Otto Hahn v kontextu nacistického Německa. In: Teorie vědy, 41, 1, 2019, s. 59–110. PDF viz  ZDE

        2. Osmdesát let od objevu a interpretace jaderného štěpení (1938): Otto Hahn a tradovaná verze příběhu. In: Čsl. čas. pro fyziku 69, č. 1 (2019), 49–                        57. PDF viz ZDE

        3. Meitnerová v kontextu nukleárního výzkumu a vzestupu i pádu nacistického Německa. In: Čsl. čas. pro fyziku 69, č. 3 (2019), 203-210.  PDF viz ZDE

        4. Zneuznaná role Lise Meitnerové na cestě k objevu jaderného štěpení. In: Čs. čas. fyz. 69, 5 (2019), 334–340. PDF viz ZDE

     5. L. Meitnerová a O. Frisch: Interpretace a ověření procesů jaderného štěpení In: Čs. čas. fyz. 69, 6 (2019), s. 441–446. PDF viz ZDE 

Dále viz:

Pavel Cejnar, Video-přednáška, Jádro ve službách války

Filip Grygar, Video-přednáška, Němečtí atomoví fyzici a uranový projekt - Mýty a fakta o morálce slavných vědců

Aneb, jak se dělají atomové bombičky: Bohr, Oppenheimer, Feynman a Fermi