Memorando de Frisch – Peierls - Frisch–Peierls memorandum

Placa azul para os físicos Frisch e Peierls na parede do Poynting Physics Building, Universidade de Birmingham

O memorando Frisch-Peierls foi a primeira exposição técnica de uma arma nuclear prática . Foi escrito pelos físicos expatriados judeus-alemães Otto Frisch e Rudolf Peierls em março de 1940, enquanto ambos trabalhavam para Mark Oliphant na Universidade de Birmingham na Grã-Bretanha durante a Segunda Guerra Mundial .

O memorando continha os primeiros cálculos sobre o tamanho da massa crítica de material físsil necessária para uma bomba atômica . Ele revelou que a quantidade necessária pode ser pequena o suficiente para incorporar em uma bomba que poderia ser lançada por ar. Também antecipou as implicações estratégicas e morais das armas nucleares.

Ajudou a enviar a Grã-Bretanha e a América por um caminho que levou ao Comitê MAUD , ao projeto Tube Alloys , ao Projeto Manhattan e, finalmente, aos bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki .

Fundo

William Penney , Otto Frisch , Rudolf Peierls e John Cockcroft portando as medalhas da liberdade concedidas em 1946 por seus serviços ao Projeto Manhattan

Rudolf Peierls

Rudolf Peierls nasceu em Berlim em 1907. Ele estudou física na Universidade de Berlim , na Universidade de Munique com Arnold Sommerfeld , na Universidade de Leipzig com Werner Heisenberg e ETH Zurique com Wolfgang Pauli . Depois de receber seu DPhil de Leipzig em 1929, ele se tornou assistente de Pauli em Zurique. Em 1932, ele recebeu uma bolsa Rockefeller , que ele usou para estudar em Roma com Enrico Fermi , e depois no Laboratório Cavendish na Universidade de Cambridge com Ralph H. Fowler . Devido à ascensão de Adolf Hitler ao poder na Alemanha, ele decidiu não voltar para casa em 1933, mas permanecer na Grã-Bretanha. Ele trabalhou com Hans Bethe na University of Manchester e , em seguida, no Mond Laboratory em Cambridge. Em 1937, Mark Oliphant , o australiano recém-nomeado professor de física da Universidade de Birmingham o recrutou para uma nova cadeira lá em matemática aplicada.

Otto Frisch

Otto Robert Frisch nasceu em Viena em 1904. Estudou física na Universidade de Viena , da qual recebeu seu DPhil em 1926. Trabalhou no Physikalisch-Technische Reichsanstalt em Berlim até 1930, quando obteve um cargo na Universidade de Hamburgo sob o prêmio Nobel do cientista Otto Stern . Como não-arianos, Stern e Frisch foram demitidos após a ascensão de Hitler. Stern encontrou para Frisch um emprego na Grã-Bretanha com Patrick Blackett , do Birkbeck College da Universidade de Londres , e uma bolsa do Conselho de Assistência Acadêmica . Ele seguiu com uma passagem de cinco anos no Instituto Niels Bohr em Copenhagen com Niels Bohr, onde se especializou cada vez mais em física nuclear , particularmente a física dos nêutrons , que havia sido descoberta por James Chadwick em 1932. Oliphant convidou Frisch para vir para o Universidade de Birmingham no verão de 1939. Quando a eclosão da Segunda Guerra Mundial em setembro de 1939 impediu seu retorno a Copenhague, Oliphant encontrou para ele um cargo na Universidade de Birmingham.

Ficão nuclear

Durante o feriado de Natal de 1938, Frisch visitou sua tia Lise Meitner em Kungälv, na Suécia, para onde ela se mudou após a anexação da Áustria pela Alemanha . Enquanto estava lá, ela recebeu a notícia de que seus ex-colegas Otto Hahn e Fritz Strassmann em Berlim haviam descoberto que a colisão de um nêutron com um núcleo de urânio produzia bário como um de seus subprodutos. Frisch e Meitner levantaram a hipótese de que o núcleo de urânio se dividiu em dois. Eles estimaram a energia liberada em cerca de 200 MeV , e Frisch se apropria do termo fissão da biologia para descrevê-lo. O artigo de Hahn descreveu o experimento e a descoberta do subproduto de bário. O artigo de Meitner e Frisch, datado de 16 de janeiro de 1939, explicava a física por trás do fenômeno. Frisch voltou a Copenhagen, onde conseguiu isolar os fragmentos produzidos por reações de fissão. Frisch mais tarde lembrou que:

Com toda essa empolgação, perdemos o ponto mais importante: a reação em cadeia . Foi Christian Møller , um colega dinamarquês, quem primeiro me sugeriu que os fragmentos de fissão (os dois núcleos recém-formados) poderiam conter energia excedente suficiente para ejetar um ou dois nêutrons; cada um deles pode causar outra fissão e gerar mais nêutrons ... Assim, a partir da observação de Møller, surgiu a visão empolgante de que, reunindo urânio puro suficiente (com o cuidado apropriado!), pode-se iniciar uma reação em cadeia controlada e liberar energia nuclear em uma escala que realmente importava.

A notícia da descoberta da fissão foi trazida à América por Bohr em janeiro de 1939. Bohr e John A. Wheeler começaram a trabalhar aplicando o modelo de gota líquida desenvolvido por Bohr e Fritz Kalckar para explicar o mecanismo de fissão nuclear. George Placzek , que era cético sobre toda a ideia de fissão, desafiou Bohr a explicar por que o urânio parecia fissionar com nêutrons muito rápidos e muito lentos. Bohr teve a epifania de que a fissão em baixas energias foi devido ao isótopo urânio-235 , enquanto em altas energias foi devido principalmente ao isótopo urânio-238, mais abundante . O primeiro compõe apenas 0,7% do urânio natural; enquanto o último responde por 99,3%. Em 16 de abril, Bohr, Placzek, Wheeler, Eugene Wigner e Leon Rosenfeld discutiram se seria possível usar uma reação em cadeia nuclear para fazer uma bomba atômica e concluíram que não. Bohr observou que "Levaria todos os esforços de um país para fazer uma bomba."

Resposta britânica

Na Grã-Bretanha, os cientistas também consideraram se uma bomba atômica era prática. Na Universidade de Liverpool , Chadwick e o cientista refugiado polonês Joseph Rotblat resolveram o problema, mas seus cálculos foram inconclusivos. Em Cambridge, Prêmio Nobel de Física laureados George Paget Thomson e William Lawrence Bragg queria o governo a tomar medidas urgentes para adquirir minério de urânio para mantê-lo fora das mãos alemãs. O Secretário do Comitê de Defesa Imperial , Major General Hastings Ismay, pediu a opinião de Sir Henry Tizard . Tizard estava cético quanto à probabilidade de uma bomba atômica ser desenvolvida, calculando as chances de sucesso em 100.000 para 1.

Mesmo com tantas probabilidades, o perigo era grande o suficiente para ser levado a sério. Não foi considerado vantajoso adquirir o urânio imediatamente, mas o Comitê de Pesquisa Científica de Defesa Aérea de Tizard foi orientado a conduzir pesquisas sobre a viabilidade de bombas atômicas. Thomson, no Imperial College London , e Oliphant, na University of Birmingham, foram encarregados de realizar uma série de experimentos com urânio. Em fevereiro de 1940, a equipe de Thomson não conseguiu criar uma reação em cadeia no urânio natural e ele decidiu que não valia a pena prosseguir.

Memorando

O edifício Poynting Physics na Universidade de Birmingham , onde Peierls e Frisch escreveram o Memorando

Como estrangeiros inimigos, pelo menos até os papéis de naturalização de Peierls chegarem em fevereiro de 1940, Frisch e Peierls foram excluídos do trabalho de guerra mais importante - e secreto - feito pela equipe de Oliphant em Birmingham, o radar. No entanto, Oliphant faria a Peierls uma questão teórica sobre, digamos, a solução para as equações de Maxwell em uma cavidade hemisférica. Peierls sabia que questões dessa natureza se relacionavam ao trabalho no radar de microondas , e Oliphant sem dúvida estava ciente disso também, mas a fachada de sigilo foi mantida. A investigação nuclear ainda não era secreta, então Frisch estava disponível para trabalhar nisso. Ele começou a fazer experiências com enriquecimento de urânio por difusão térmica , um processo demonstrado pela primeira vez na Alemanha por Klaus Clusius . O progresso era lento; o equipamento necessário não estava disponível, e o projeto do radar teve que recorrer primeiro aos recursos disponíveis.

Francis Perrin definiu uma massa crítica de urânio como a menor quantidade que poderia sustentar uma reação em cadeia e calculou a massa crítica de óxido de urânio (não metálico) em cerca de 40 toneladas (39 toneladas longas; 44 toneladas curtas). Ele calculou que se um refletor de nêutrons fosse colocado ao seu redor com materiais como ferro ou chumbo que não impedissem muito os nêutrons rápidos, isso poderia ser reduzido para 12 toneladas (12 toneladas longas; 13 toneladas curtas). Peierls também tentou simplificar o problema usando os nêutrons rápidos produzidos pela fissão, omitindo assim a consideração do moderador. Ele então calculou a massa crítica de uma esfera de metal de urânio em um artigo teórico escrito em 1939. Mais tarde, ele lembrou que o tamanho da massa crítica "era da ordem de toneladas. Portanto, pareceu-me que o papel não tinha relevância para uma arma nuclear. "

No entanto, Bohr argumentou que o isótopo de urânio-235 era muito mais provável de capturar nêutrons, portanto, físsil mesmo usando nêutrons de baixa energia. Frisch se perguntou o que aconteceria se ele fosse capaz de produzir uma esfera de urânio-235 puro. Quando ele usou a fórmula de Peierls para calcular isso, ele recebeu uma resposta surpreendente. Peierls mais tarde observou que:

Qualquer físico nuclear competente teria chegado com respostas muito semelhantes às nossas se lhe perguntassem: "Qual é a provável seção transversal de fissão do U235 puro? Que tamanho crítico para o U235 separado resulta disso? Qual será o poder explosivo de tal massa? Quanto esforço industrial seria necessário para fazer a separação? E o valor militar valeria a pena? " A única coisa incomum que Frisch e eu fizemos neste momento foi fazer essas perguntas.

Percebendo a natureza sensível do documento, Peierls o digitou ele mesmo. Uma cópia carbono foi feita. Hoje, o original está na Biblioteca Bodleian da Universidade de Oxford .

Não técnico

O memorando foi escrito em duas partes. O primeiro era um esboço elegante e abrangente das implicações de seus cálculos. Incluía uma proposta de que a melhor defesa contra tal arma seria desenvolver uma antes que a Alemanha o fizesse. Em poucas páginas, esses dois cientistas anteciparam as políticas de dissuasão que moldariam a geopolítica da Guerra Fria . A segunda foi uma explicação da ciência que sustenta suas conclusões. O memorando começa com:

O relatório detalhado em anexo trata da possibilidade de construção de uma "superbomba" que utiliza a energia armazenada nos núcleos atômicos como fonte de energia. A energia liberada na explosão de tal superbomba é aproximadamente a mesma produzida pela explosão de 1.000 toneladas de dinamite. Essa energia é liberada em um pequeno volume, no qual, por um instante, produzirá uma temperatura comparável à do interior do sol. A explosão dessa explosão destruiria a vida em uma ampla área. O tamanho desta área é difícil de estimar, mas provavelmente cobrirá o centro de uma grande cidade.

Além disso, parte da energia liberada pela bomba vai para a produção de substâncias radioativas, que emitem radiações muito poderosas e perigosas. Os efeitos dessas radiações são maiores imediatamente após a explosão, mas decai apenas gradualmente e mesmo durante dias após a explosão, qualquer pessoa que entrar na área afetada será morta.

Parte dessa radioatividade será carregada pelo vento e espalhará a contaminação; vários quilômetros a favor do vento, isso pode matar pessoas.

Cálculos

O ponto de partida de Peierls foi um artigo de Francis Perrin, no qual ele derivou cálculos de massa crítica em termos de constantes nucleares. Os físicos consideraram uma esfera, que possui a área de superfície mínima para um determinado volume. Uma massa crítica ocorre quando o número de nêutrons produzidos é igual ao número que escapa. Perrin presumiu que o caminho livre médio era muito maior do que o raio da esfera. Peierls não concordou e começou seus próprios cálculos. Um insight importante veio de Frisch, que se perguntou o que aconteceria se, em vez do urânio natural, alguém desse a você uma esfera do isótopo de urânio-235. Por definição, o caminho livre médio é:

onde é o caminho livre médio, n é o número de partículas alvo por unidade de volume e σ é a área efetiva da seção transversal da fissão . Peierls não realizou o cálculo, deixando essa tarefa para Frisch. A química do urânio não era bem conhecida na época, e Frisch acreditava que sua densidade era de 15 gramas por centímetro cúbico (0,54 lb / cu in); o valor real é mais parecido com 19 gramas por centímetro cúbico (0,69 lb / cu in). O valor da seção transversal da fissão era mais problemático. Para isso, Frisch recorreu a um artigo da Nature de 1939 escrito por LA Goldstein, A. Rogozinski e RJ Walen no Radium Institute em Paris, que deu um valor de(11,2 ± 1,5) × 10 −24  cm 2 . Isso era muito grande por uma ordem de magnitude ; um valor moderno é sobre1,24 × 10 −24  cm 2 . Usando os valores que tinha, Frisch calculou o valor do caminho livre médio para o urânio-235 usando a constante de Avogadro :

Peierls e Frisch afirmaram que o raio crítico era cerca de 0,8 vezes o caminho livre médio. A partir disso, Frisch pôde calcular o volume da esfera a partir da conhecida equação:

A massa então passa a ser:

Frisch e Peierls então consideraram a velocidade de uma reação em cadeia de fissão do urânio, de natureza exponencial, onde "τ é o tempo necessário para que a densidade de nêutrons se multiplique por um fator e ". Os dados disponíveis eram muito aproximados, mas seu ponto central - que uma bomba era possível usando nêutrons rápidos (~ 2MeV) - permanece. Jeremy Bernstein comentou sobre esse esforço: "Deixe-me mostrar o mesmo ponto, fazendo uma pergunta um pouco diferente, mas usando os números corretos. Quanto tempo leva para fissão de um quilograma de 235 U usando nêutrons rápidos?" Usando valores modernos, ele descobriu que era "igual a cerca de um microssegundo, o que mostra a rapidez da fissão com nêutrons de fato [sic]".

No memorando original, se os nêutrons tivessem velocidades de 10 9 cm / s, eles teriam um tempo médio entre as colisões de fissão de2,6 × 10 −9  s . Portanto, o tempo de Bernstein para um quilograma de urânio-235 se fender é encontrado resolvendo:

onde τ era o tempo médio para a densidade de nêutrons de fissão aumentar em e . Dado o tempo de duplicação

isso implicava um tempo médio de dobra exponencial de fissão de

Isso levou a um cálculo da energia liberada, que Peierls calculou como aproximadamente:

onde M é a massa da esfera, r é o raio e r 0 é o raio da massa crítica.

A conclusão tirada foi que alguns quilos explodiriam com a energia de milhares de toneladas de dinamite.

Influência

O memorando foi entregue a Oliphant, que o passou para Tizard na qualidade de presidente do Comitê para a Pesquisa Científica da Guerra Aérea (CSSAW). Ele, por sua vez, passou para Thomson, o presidente do comitê ao qual o CSSAW havia delegado a responsabilidade pela pesquisa de urânio. O comitê de Thomson estava prestes a se dissolver. Ele havia estudado reações nucleares no urânio e o uso de grafite como moderador de nêutrons em um reator nuclear , mas seus resultados foram negativos, e concluiu que a taxa de captura de nêutrons pelo grafite era grande demais para fazer tal reator uma proposição prática. O memorando de Frisch – Peierls levou Thomson a reconsiderar. Após discussões entre Cockcroft, Oliphant e Thomson, o CSSAW criou o Comitê MAUD para investigar mais a fundo. Como alienígenas inimigos, Peierls e Frisch foram inicialmente excluídos de suas deliberações, mas depois foram adicionados ao seu subcomitê técnico.

A pesquisa do comitê MAUD foi compilada em dois relatórios, comumente conhecidos como relatórios MAUD em julho de 1941. O primeiro relatório, "Uso de urânio para uma bomba", discutiu a viabilidade de criar uma superbomba de urânio, que agora pensado para ser verdade. O segundo, "Uso do urânio como fonte de energia", discutiu a ideia de usar o urânio como fonte de energia, não apenas uma bomba. O Comitê MAUD e o relatório ajudaram a criar o programa nuclear britânico, o Tube Alloys Project. Não apenas ajudou a iniciar um projeto nuclear na Grã-Bretanha, mas ajudou a impulsionar o projeto americano. Sem a ajuda do Comitê MAUD, o programa americano, o Projeto Manhattan , teria começado com meses de atraso. Em vez disso, eles foram capazes de começar a pensar sobre como criar uma bomba, não se isso era possível. A historiadora Margaret Gowing observou que "eventos que mudam uma escala de tempo em apenas alguns meses podem, no entanto, mudar a história."

Em agosto de 1941, Oliphant foi enviado aos Estados Unidos para ajudar os americanos com radar de micro-ondas. Ele tomou a iniciativa de esclarecer a comunidade científica local sobre as descobertas inovadoras do Comitê MAUD. Ele viajou para Berkeley para se encontrar com seu amigo Ernest Lawrence , que logo captou seu entusiasmo. Oliphant convenceu os americanos a avançarem com as armas nucleares e seu lobby resultou em Vannevar Bush levando o relatório diretamente ao presidente. Leo Szilard escreveu mais tarde: "se o Congresso conhecesse a verdadeira história do projeto de energia atômica, não tenho dúvidas de que criaria uma medalha especial a ser dada a estrangeiros intrometidos por serviços distintos, e que o Dr. Oliphant seria o primeiro a receber 1."

Notas

Referências

links externos