Первая техническая разработка ядерного оружия: меморандум Фриша-Пейрлса.

Введение

Первое техническое обоснование практического ядерного оружия

Меморандум Фриша — Пейерлса стал первым техническим обоснованием создания практичного ядерного оружия. Он был написан немецкими физиками-евреями Отто Фришем и Рудольфом Пейерлсом в марте 1940 года, когда оба работали под руководством Марка Олифанта в Бирмингемском университете в Великобритании во время Второй мировой войны. В меморандуме содержались первые расчеты, касающиеся размера критической массы делящегося материала, необходимого для атомной бомбы. В нем было показано, что требуемое количество может быть достаточно малым для размещения в бомбе, которую можно было бы доставить по воздуху. Также в меморандуме были предвосхищены стратегические и моральные последствия применения ядерного оружия. Он способствовал тому, что как Великобритания, так и США встали на путь, который привел к созданию Комитета MAUD, проекта Tube Alloys, Манхэттенского проекта и, в конечном итоге, к атомным бомбардировкам Хиросимы и Нагасаки.

Рудольф Пейерлс

Рудольф Пейерлс родился в Берлине в 1907 году. Он изучал физику в Берлинском университете, в Мюнхенском университете под руководством Арнольда Зоммерфельда, в Лейпцигском университете под руководством Вернера Гейзенберга и в Цюрихском технологическом институте под руководством Вольфганга Паули. Получив степень доктора философии в Лейпциге в 1929 году, он стал ассистентом Паули в Цюрихе. В 1932 году он получил стипендию Рокфеллера, которую использовал для обучения в Риме под руководством Энрико Ферми, а затем в Лаборатории Кавендиша Кембриджского университета под руководством Ральфа Х. Фаулера. В связи с приходом к власти Адольфа Гитлера в Германии, он принял решение не возвращаться на родину в 1933 году, а остаться в Великобритании. Он работал с Гансом Бете в Манчестерском университете, затем в Лаборатории Монда в Кембридже. В 1937 году Марк Олифант, австралийский и недавно назначенный профессором физики в Бирмингемском университете, пригласил его занять новую должность заведующего кафедрой прикладной математики.

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 Физико-техническом институте в Берлине до 1930 года, когда получил должность в Гамбургском университете под руководством лауреата Нобелевской премии Отто Штерна. Поскольку Штерн и Фриш не были арийцами, они были уволены после прихода Гитлера к власти. Штерн нашел Фришу должность в Великобритании у Патрика Блэкета в Биркбекском колледже Лондонского университета и грант от Совета по оказанию помощи ученым. Затем он пять лет работал в Институте Нильса Бора в Копенгагене под руководством Нильса Бора, где все больше специализировался на ядерной физике, особенно на физике нейтронов. Статья Митнера и Фриша от 16 января 1939 года объяснила физику, лежащую в основе этого явления. Фриш вернулся в Копенгаген, где смог выделить фрагменты, образовавшиеся в результате реакций деления. Фриш позже вспоминал, что новость об открытии деления была доставлена в Америку Бором в январе 1939 года. Бор и Джон А. Уилер приступили к работе, применяя модель жидкой капли, разработанную Бором и Фрицем Калькаром, для объяснения механизма ядерного деления. Джордж Плачек, скептически относившийся к самой идее деления, потребовал от Бора объяснить, почему уран, казалось бы, делится как с очень быстрыми, так и с очень медленными нейтронами. Бора осенило: деление при низких энергиях вызывается изотопом урана-235, а при высоких энергиях – главным образом более распространенным изотопом урана-238. 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: «Для создания бомбы потребуются все усилия целой страны». Пейерлс также попытался упростить задачу, используя быстрые нейтроны, образующиеся при делении, тем самым не учитывая замедлитель. Затем он рассчитал критическую массу сферы металлического урана в теоретической работе, написанной в 1939 году. Позже он вспоминал, что размер критической массы «был порядка тонн. Поэтому мне показалось, что эта работа не имеет отношения к ядерному оружию». Однако Бор утверждал, что изотоп урана-235 гораздо вероятнее захватывает нейтроны и, следовательно, делится даже при использовании нейтронов с низкой энергией. Фриш задумался, что произойдет, если ему удастся создать сферу из чистого урана-235. Когда он использовал формулу Пейерлса для расчета этого, он получил поразительный результат. Позже Пейерлс заметил, что:

Otto Robert Frisch was born in Vienna in 1904. He studied physics at the University of Vienna, from which he received his DPhil in 1926. He worked at the Physikalisch Technische Reichsanstalt in Berlin until 1930, when he obtained a position at the University of Hamburg under the Nobel Prize winning scientist Otto Stern. As non Aryans, Stern and Frisch were dismissed after Hitler's accession. Stern found Frisch a position in Britain with Patrick Blackett at Birkbeck College at the University of London, and a grant from the Academic Assistance Council. He followed this with a five year stint at the Niels Bohr Institute in Copenhagen with Niels Bohr where he increasingly specialised in nuclear physics, particularly the physics of neutrons, Meitner and Frisch's paper, dated 16 January 1939, explained the physics behind the phenomenon. Frisch went back to Copenhagen, where he was able to isolate the fragments produced by fission reactions. Frisch later recalled that:
The news of the discovery of fission was brought to America by Bohr in January 1939. Bohr and John A. Wheeler set to work applying the liquid drop model developed by Bohr and Fritz Kalckar to explain the mechanism of nuclear fission. George Placzek, who was skeptical about the whole idea of fission, challenged Bohr to explain why uranium seemed to fission with both very fast and very slow neutrons. Bohr had an epiphany that the fission at low energies was due to the uranium 235 isotope, while at high energies it was due mainly to the more abundant uranium 238 isotope. On 16 April, Bohr, Placzek, Wheeler, Eugene Wigner and Leon Rosenfeld discussed whether it would be possible to use a nuclear chain reaction to make an atomic bomb, and concluded that it was not. Bohr observed that "It would take the entire efforts of a country to make a bomb." Peierls also attempted to simplify the problem by using the fast neutrons produced by fission, thus omitting consideration of moderator. He then calculated the critical mass of a sphere of uranium metal in a theoretical paper written in 1939. He later recalled that the size of the critical mass "was of the order of tons. It therefore appeared to me that the paper had no relevance to a nuclear weapon." However, Bohr had argued that the uranium 235 isotope was far more likely to capture neutrons, so fissile even using neutrons of low energy. Frisch wondered what would happen if he were able to produce a sphere of pure uranium 235. When he used Peierls' formula to calculate this, he received a startling answer. Peierls later observed that:

Осознавая деликатный характер документа, Пейерлс напечатал его сам. Была сделана одна копия. Сегодня оригинал хранится в Бодлеанской библиотеке Оксфордского университета.

Нетехнические

Меморандум был написан в двух частях. Первая часть представляла собой изящный и всесторонний анализ последствий их вычислений. Она включала в себя предложение о том, что наилучшей защитой от подобного оружия будет его разработка раньше, чем это сделает Германия. Всего на нескольких страницах эти два ученых предсказали политику сдерживания, которая определила геополитику эпохи холодной войны. Вторая часть содержала научное обоснование, подтверждающее их заключения.

Влияние

Меморандум был передан Олифанту, который передал его Тизарду в качестве председателя Комитета по научному обзору воздушной войны (CSSAW). Тот, в свою очередь, передал его Томсону, председателю комитета, которому CSSAW делегировал ответственность за исследования урана. Комитет Томсона собирался расформироваться. Он изучал ядерные реакции в уране и использование графита в качестве нейтронного замедлителя в ядерном реакторе, но результаты оказались отрицательными, и он пришел к выводу, что скорость захвата нейтронов графитом слишком велика, чтобы сделать такой реактор практически осуществимым. Меморандум Фриша — Пейерлса заставил Томсона пересмотреть свои взгляды. После обсуждений между Кокрофтом, Олифантом и Томсоном CSSAW создал Комитет MAUD для дальнейшего расследования. Поскольку Пейерлс и Фриш считались лицами, враждебными государству, они изначально были исключены из его работы, но позднее были включены в технический подкомитет. Результаты исследований Комитета MAUD были оформлены в двух докладах, известных как доклады MAUD, в июле 1941 года. Первый доклад, "Использование урана для создания бомбы", обсуждал возможность создания сверхмощной бомбы из урана, которую теперь считали вполне реальной. Второй, "Использование урана в качестве источника энергии", рассматривал идею использования урана как источника энергии, а не только в качестве компонента бомбы. Комитет MAUD и его доклад способствовали запуску британской ядерной программы, проекта Tube Alloys. Это не только помогло начать ядерный проект в Великобритании, но и дало толчок американскому проекту. Без помощи Комитета MAUD американская программа, "Манхэттенский проект", началась бы на несколько месяцев позже. Вместо этого американцы смогли начать думать о том, как создать бомбу, а не о том, возможно ли это в принципе. Историк Маргарет Гоуинг отметила, что "события, сдвигающие временную шкалу всего на несколько месяцев, тем не менее могут изменить ход истории". В августе 1941 года Олифант был отправлен в США для оказания помощи американцам в разработке микроволнового радара. Он проявил инициативу и проинформировал американское научное сообщество о прорывных открытиях Комитета MAUD. Он отправился в Беркли, чтобы встретиться со своим другом Эрнестом Лоуренсом, который вскоре проникся его энтузиазмом. Олифант убедил американцев продвигаться в разработке ядерного оружия, и его усилия привели к тому, что Ванневар Буш передал доклад непосредственно президенту. Лео Силард позже писал: "Если бы Конгресс знал истинную историю атомного проекта, я не сомневаюсь, что он учредил бы специальную медаль для награждения иностранцев, вмешивающихся в дела страны, за выдающиеся заслуги, и первым ее получил бы доктор Олифант".

The memorandum was given to Oliphant, who passed it on to Tizard in his capacity as the chairman of the Committee for the Scientific Survey of Air Warfare (CSSAW). He in turn passed it to Thomson, the chairman of the committee to which the CSSAW had delegated responsibility for uranium research. Thomson's committee was about to disband. It had studied nuclear reactions in uranium, and the use of graphite as a neutron moderator in a nuclear reactor, but its results had been negative, and it had concluded that the rate of capture of neutrons by the graphite was too great to make such a reactor a practical proposition. The Frisch–Peierls memorandum caused Thomson to reconsider. After discussions between Cockcroft, Oliphant and Thomson, CSSAW created the MAUD Committee to investigate further. As enemy aliens, Peierls and Frisch were initially excluded from its deliberations, but they were later added to its technical subcommittee. The research from the MAUD committee was compiled in two reports, commonly known as the MAUD reports in July 1941. The first report, "Use of Uranium for a Bomb", discussed the feasibility of creating a super bomb from uranium, which they now thought to be real. The second, "Use of Uranium as a Source of Power" discussed the idea of using uranium as a source of power, not just a bomb. The MAUD Committee and report helped bring about the British nuclear program, the Tube Alloys project. Not only did it help start a nuclear project in Britain but it helped jump start the American project. Without the help of the MAUD Committee the American program, the Manhattan Project, would have started months behind. Instead they were able to begin thinking about how to create a bomb, not whether it was possible. Historian Margaret Gowing noted that "events that change a time scale by only a few months can nevertheless change history." In August 1941, Oliphant was sent to the US to assist the Americans with microwave radar. He took the initiative to enlighten the scientific community there of the ground breaking discoveries of the MAUD Committee. He travelled to Berkeley to meet with his friend Ernest Lawrence, who soon caught his enthusiasm. Oliphant convinced the Americans to move forward with nuclear weapons, and his lobbying resulted in Vannevar Bush taking the report directly to the president. Leo Szilard later wrote: "if Congress knew the true history of the atomic energy project, I have no doubt but that it would create a special medal to be given to meddling foreigners for distinguished services, and that Dr Oliphant would be the first to receive one."