Il progetto Manhattan e le scelte degli scienziati

Il Progetto Manhattan e le scelte degli

scienziati

Come la fisica conobbe il peccato

Isidoro FerranteIsidoro FerranteUniversità di PisaUniversità di Pisa

Dipartimento di FisicaDipartimento di Fisica

12/11/2014 Isidoro Ferrante - Il progetto Manhattan e le scelte degli scienziati 2

L'inizio del secolo

● I primi anni del '900 erano stati fecondi per la fisica:

– Erano stati scoperti fenomeni nuovi come la radioattività, i raggi X, era stato scoperto l'elettrone, i era stata chiarita la struttura dell'atomo, formata da un nucleo piccolo e massiccio e da una nube rarefatta ed estesa di elettroni.

– Erano state formulate due nuove teorie, relatività e meccanica quantistica, per spiegare le nuove osservazioni.


L'atomo

● Con la scoperta del neutrone, nel 1932, viene chiarita la struttra del nucleo atomico: questo risulta formato da particelle quasi identiche, cariche (protoni) o neutre.

● Tutti gli atomi dello stesso elemento presentano lo stesso numero di protoni nel nucleo, ed un numero uguale di elettroni negli strati esterni. Il numero di neutroni, invece, può variare (isotopi)


Gli inizi....

● Durante gli anni '30 si era fatta strada tra i fisici l'idea che una grande quantità di energia potesse venire rilasciata dall'atomo in tempi brevi, e che questa energia potesse venire sfruttata a scopi bellici.

● La comunità dei fisici europei fuggita negli Stati Uniti in seguito alle persecuzioni razziali temeva le conseguenze che sarebbero derivate se una tale fonte di energia fosse finita nelle mani di Hitler.


La fissione dell'atomo

● Nel 1939, la fisica Lise Meitner, in fuga dal regime nazista, interpreta correttamente gli esperimenti effettuati da Otto Hahn come risultato della scissione dell'atomo di uranio in seguito al bombardamento da parte di neutroni.

● Nel processo di scissione, denominato fissione, parte della massa del nucleo originale viene trasformata in energia secondo la formula E=mc2 e vengono emessi altri neutroni.


Lisa Meitner ed Otto Hahn● Lisa Meitner è l'unica donna in questa storia: doppiamente

discriminata, perché donna ed ebrea, è in esilio in Norvegia quando capisce che gli esperimenti eseguiti su sua indicazione da Otto Hahn possono essere spiegati tramite l'idea di fissione dell'atomo.

● Otto Hahn aveva contribuito allo sviluppo dei gas nervini durante la prima guerra mondiale ed era rimasto profondamente segnato dall'esperienza. Per la scoperta della fissione riceverà il premio Nobel a guerra finita: non mostrò mai dispiacere in pubblico per l'esclusione della Meitner.


Il processo di fissione

● Pian piano si capisce cosa succede nel processo di fissione: un nucleo di Uranio 235, dopo aver assorbito un neutrone, si scinde in due nuclei di Boro e Krypton, e contemporaneamente libera dei neutroni. L'energia cinetica dei prodotti della reazione è circa 200 MeV, dieci milioni di volte più grande di quella che si libera in un processo di combustione.

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La reazione a catena

● I fisici capiscono subito che se i neutroni liberati sono più di due allora sono in grado di innescare a loro volta una o più fissioni, ed è quindi possibile che si innesti una reazione a catena, in cui il numero di fissioni aumenta esponenzialmente con l'andare del tempo, portando eventualmente ad una esplosione incontrollata.

● La reazione a catena era stata intuita (e brevettata!!!) dal fisico ungherese Leo Szilard già nel 1933.

● Le prime misure mostrano che i neutroni liberati sono due o tre per ogni fissione: la reazione a catena è possibile!


Schema di reazione nucleare


Una visita ad Einstein● Nell'Agosto del 1939 i fisici ungheresi Leo Szilard ed

Eugene Wigner si presentarono ad Einstein per esprimere il timore che la nuova fonte di energia scoperta possa cadere nelle mani di Hitler.

● Einstein era un pacifista convinto, ma condivideva le preoccupazioni dei suoi colleghi, per cui si lasciò convincere a scrivere una lettera in cui sollecitava il presidente Roosvelt ad intraprendere un programma di ricerca finalizzato allo sfruttamento dell'energia atomica.

● La lettera fu materialmente scritta da Szilard che tornò da Einstein per la firma, ma stavolta accompagnato da un altro ungherese, Edward Teller.


Szilard, Teller ed Einstein


La lettera di Einstein

“[...] Questo nuovo fenomeno condurrebbe anche alla costruzione di bombe, ed è immaginabile - sebbene molto meno certo - che bombe estremamente potenti di un nuovo tipo possano perciò essere costruite. Una singola bomba di questo tipo, trasportata da una imbarcazione e fatta esplodere in un porto, potrebbe distruggere molto agevolmente l'intero porto insieme a una parte del territorio circostante. [...]”


La guerra

● L'8 Settembre 1939 l'esercito tedesco invade la Polonia. E' l'inizio della seconda guerra mondiale. Gli Stati Uniti dapprima rimangono neutrali.

● La guerra interrompe le comunicazioni tra scienziati tedeschi e americani: il progetto di una bomba comincia a viaggiare su binari paralleli


Franklin Delano Roosvelt

● Il Presidente americano Franklin Delano Roosvelt, precedentemente sensibilizzato da un rapporto inglese sull'argomento, dimostrò interesse alle questioni sollevate da Einstein, e concesse dei finanziamenti finalizzati allo studio di fattibilità della bomba atomica


I problemi da affrontare

● Qual'è il materiale adatto, e come procurarselo?

● Qual'è la “massa critica”, ovvero la minima quantità di materiale fissile in grado di innescare una reazione a catena?

● Come mettere assieme la massa critica, in modo da innescare l'esplosione?


Due isotopi dell'Uranio

● Ci si rende presto conto che non tutto l'uranio è in grado di produrre una reazione a catena, ma solamente un suo isotopo, l'Uranio 235, che costituisce circa lo 0,7% dell'uranio naturale. L'isotopo più comune, l'uranio 238, non è fissionabile. Bisogna trovare un modo per separare l'Uranio 235.

● Nel 1940, tuttavia, viene scoperto un nuovo elemento, successivamente chiamato Plutonio, con numero atomico 94, in grado di produrre una reazione a catena.


Produzione del Plutonio

● Il Plutonio può essere prodotto a partire dall'uranio naturale tramite bombardamento di neutroni, o con un acceleratore o in un reattore nucleare (apparato in grado di produrre una reazione nucleare non esplosiva)


La “massa critica”

● Il valore della massa critica condiziona fortemente la fattibilità del progetto: una massa critica troppo alta potrebbe portare ad un ordigno troppo grande per essere trasportabile, e a grossi problemi nella reperibilità del materiale.

● Le prime stime della massa critica variavano fortemente da pochi kg a qualche centinaio di kg di materiale.


L'innesco

● Il problema dell'innesco sembra facile: basta mettere assieme velocemente due blocchi subcritici di materiale fissile, ad esempio tramite un esplosivo convenzionale.

● Tuttavia, ci si accorgerà che nel caso del Plutonio questo meccanismo risulterà insufficiente.


Pearl Harbour

● Il 7 Dicembre 1941 l'aviazione giapponese attaccò e distrusse parte della flotta statunitense alla fonda nel porto di Pearl Harbour.

● Gli Stati Uniti entrano in guerra. Il programma di ricerca per la bomba atomica subì una brusca accelerazione.


La Pila Atomica

● Il primo importante risultato conseguito fu la realizzazione della cosiddetta pila atomica, un rudimentale reattore nucleare che dimostrava la fattibilità della bomba atomica.

● Il 2 Dicembre del 1942, nella palestra dell'università di Chicago, il gruppo diretto da Enrico Fermi e Leo Szilard riuscì ad innescare la prima reazione a catena.

● Fu immediatamente spedito un telegramma a Roosvelt: Il navigatore italiano è giunto nel nuovo mondo!


Enrico Fermi

● Enrico Fermi, laureato a Pisa, premio Nobel per la fisica nel 1938, era fuggito negli Stati Uniti a causa delle leggi razziali.

● Dopo la guerra, continuò il suo lavoro negli Stati Uniti rientrando in Italia solamente per motivi personali.


Il progetto Manhattan

● Nel 1942 venne avviato il Progetto Manhattan: a Los Alamos, in una zona desertica del New Mexico, venne costruito un immenso laboratorio segreto finalizzato alla costruzione della prima bomba atomica. Direttore militare del progetto era il generale Leslie Groves, mentre il direttore scientifico era il fisico statunitense (ma di origini tedesche) Robert J. Oppenheimer.


Generale Leslie Groves

● Il generale Leslie Groves aveva effettuato studi di ingegneria.

● Si era messo in luce dirigendo la costruzione del Pentagono.

● Accettò a malavoglia l'incarico, ma presto si rese conto della sua importanza e diede un contributo organizzativo insostituibile.


Julius Robert Oppenheimer

● Fisico teorico statunitense, ma di famiglia ed educazione tedesca.

● Venne nominato direttore del progetto Manhattan nonostante i suoi legami con il partito comunista grazie alla stima del generale Groves.

● Dopo la fine della guerra, la sua opposizione alla bomba H gli creò delle inimicizie che gli causarono il divieto di accesso ai segreti atomici.


I siti

● Vennero individuate altre due aree, dove vennero costruiti due città con giganteschi impianti industriali:

– Ad Oak Ridge, nel Tennessee, vennero realizzati gli impianti di separazione isotopica destinati a fornire l'Uranio 235 puro

– Ad Hanford, nel Washington, venne costruito il primo reattore in grado di fornire Plutonio in quantità apprezzabile


Il reclutamento

● Discretamente, Oppenheimer cominciò una campagna di reclutamento rivolta ad attirare i fisici più brillanti dell'epoca, sotto la spinta della paura della Germania di Hitler.

● Pian piano, le università cominciarono a svuotarsi dei fisici migliori, che si trasferivano con le loro famiglie nel deserto del New Mexico.

● In poco tempo, l'altipiano di Los Alamos si trasformò in una piccola e vivace città molto stimolante dal punto di vista intellettuale.


Gli esclusi

● Leo Szilard non ricevette un invito per Los Alamos: i servizi segreti, e soprattutto Groves, non si fidavano di lui.

● Neanche Bruno Pontecorvo fu invitato: erano note le sue simpatie comuniste.

● Furono invitati, e rifiutarono per motivazioni etiche, Isidor Rabi, Linus Pauling e Franco Rasetti. Una opposizione ancora più decisa fu manifestata da Max Born


Lavoro in comune

● La comunità raccolta a Los Alamos lavorava sotto la spinta del timore che i fisici tedeschi, guidati da Heisenberg, potessero costruire la bomba per Hitler prima di loro.

● La paura di Hitler costituisce una straordinaria spinta a raggiungere l'obiettivo in tempi rapidi senza disdegnare alcuna scorciatoia.

● Tra i giovani di Los Alamos, molti, finita la guerra, ebbero una carriera importante


Richard Feynman

● Fisico statunitense, ricevette il premio nobel per la fisica nel 1965.

● E' famoso per i diagrammi di Feynman, metodo grafico che semplifica notevolmente i calcoli di fisica atomica


Hans Bethe

● Fisico tedesco, a Los Alamos era il capo della divisione teorica.

● Famoso per i suoi lavori sulle reazioni nucleari nelle stelle

● Ricevette il premio Nobel nel 1967


Bruno Rossi

● Fisico italiano, fuggito negli Stati uniti a causa delle leggi razziali.

● Noto per il suo lavoro sui raggi cosmici.

● Ricevette il premio Wolf per la fisica nel 1987


Emilio Segré

● Fisico italiano fuggito negli Stati Uniti in seguito alle leggi razziali.

● Famoso per la scoperta dell'antiprotone.

● Ricevette il premio Nobel nel 1969.


Niels Bohr

● Uno dei padri della meccanica quantistica, premio Nobel nel 1922

● Ebreo, fuggito avventurosamente da Copenaghen, giunge a Los Alamos nel 1943, ma rifutò di unirsi al progetto

● Iniziò invece una campagna a favore della caduta della segretezza nel campo della fisica atomica. Espresse le sue idee a Churchill, ma questi lo ritenne un pericoloso sovversivo.


La bomba al plutonio

● Uno dei problemi che i fisici di Los Alamos dovettero affrontare fu l'innesco della bomba al plutonio.

● Si capì ben presto che nel Plutonio la reazione a catena si sarebbe innescata prematuramente impedendo uno sviluppo completo dell'esplosione.

● Si decise di adoperare un sistema ad implosione che permettesse ad una massa subcritica di Plutonio di raggiungere una elevata densità in pochi istanti.


Gli inneschi

● Schema degli inneschi di una bomba all'uranio e di una al plutonio

(fonte: wikipedia)


La fine della Germania

● Il 30 Aprile 1945 Adolf Hitler si suicidò nel suo bunker a Berlino. L'8 Maggio la Germania si arrese.

● La guerra continuava, ma con la sconfitta di Hitler veniva meno la motivazione principale che aveva spinto la comunità dei fisici a costruire la bomba atomica.


L'atomica tedesca

● Il fisico olandese Goudsmit venne incaricato di indagare sullo stato della bomba tedesca.

● Il risultato fu stupefacente: a causa della fuga dei migliori cervelli seguita alle leggi razziali e dei continui bombardamenti, i tedeschi non erano riusciti neanche ad innescare una reazione a catena.

● Heisenberg, il fisico più in vista rimasto in Germania, sembrava non avere per niente le idee chiare su come costruire una bomba


Heisenberg

● Werner Heisenberg, uno degli scopritori della meccanica quantistica, premio Nobel nel 1932, famoso per la formulazione del principio di indeterminazione.

● Diresse il progetto della bomba nazista senza ottenere grossi risultati. In seguito, tentò di giustificarsi sostenendo di aver rallentato di proposito la costruzione della bomba. La sua posizione è tuttora controversa.


Che fare della bomba?

● Svanito il pericolo della Germania di Hitler, un solo fisico, Joseph Rotblat (Nobel per la pace nel 1995), decise di abbandonare il progetto Manhattan. Gli altri continuarono il lavoro, ma venuta meno la motivazione principale i dubbi cominciarono a serpeggiare.

● Il Giappone non si era ancora arreso, e aveva opposto una resistenza imprevista durante l'invasione da parte degli americani dell'isola di Okinawa.

● Si sperava che l'uso della bomba costringesse il Giappone alla resa, ma molti pensavano che la fine della guerra sarebbe giunta comunque in tempi rapidi.


Di nuovo Szilard

● Il primo a muoversi fu Szilard, trasformatosi da primo proponente a fiero oppositore della nuova bomba. Si recò di nuovo da Einstein e ottenne il suo appoggio per un nuovo rapporto sui catastrofici effetti della nuova arma. Il rapporto non giunse mai a Roosvelt, che morì proprio in quei giorni.

● Szilard non riuscirà mai a raggiungere il nuovo presidente Truman, né i suoi colleghi di Los Alamos: tutte le sue lettere vennero intercettate e fermate dai servizi segreti.


Il parere dei fisici

● Venne creato un comitato scientifico formato da Oppenheimer, Fermi, Lawrence e Compton per fornire un parere sul destino della bomba. Dopo una lunga e tesa discussione, il comitato si espresse a favore dell'uso militare diretto.

● In seguito a questo ed ai pareri militari, il presidente Truman autorizzò infine l'uso contro il Giappone.

● Ma prima bisognava essere certi che la nuova bomba funzionasse......


Il test

● Il 16 Luglio 1945 il primo ordigno nucleare costruito dall'uomo venne montato su di un traliccio e fatto esplodere in località Jornada del Muerto, nel deserto di Alamogordo. Come nome in codice dell'operazione fu scelto Trinity.

● All'esplosione testimoniarono tutti i fisici presenti a Los Alamos, che rimasero in vario grado impressionati e sconvolti dalla violenza dell'esplosione.

● Solo Fermi fu visto con freddezza lasciar cadere dei piccoli pezzetti di carta per cercare di dare, dalla loro velocità, una stima della potenza liberata dalla bomba.


Trinity

● Robert Oppenheimer raccontò di aver pensato, dopo aver assistito al test, ad un verso della Bhagavad-Gita: “Adesso sono la Morte, il distruttore di mondi”.

● Il direttore del test, Kenneth Bainbridge, disse invece ad Oppenheimer: “Adesso siamo tutti dei gran figli di puttana”.


Hiroshima

● Il 6 Agosto 1945 il bombardiere Enola Gay sganciò sul porto giapponese di Hiroshima la prima bomba atomica ad uranio mai costruita.

● Nell'esplosione, circa 70000 persone morirono all'istante. Entro la fine del 1945, il numero di morti era salito a 100000. Altri 100000 abitanti morirono nei cinque anni successivi a causa del danno da radiazioni.


Le reazioni● La notizia dell'esplosione fece immediatamente il

giro del mondo.

● Poche persone furono in grado di intuire cosa fosse successo: tra questi i fisici tedeschi, prigionieri in una villa inglese denominata Farm Hall: le loro conversazioni vennero registrate e studiate nel tentativo di capire cosa davvero sapessero i tedeschi sull'energia atomica.

● Le reazioni registrate furono soprattutto di stupore e sorpresa per la realizzazione di un'impresa che essi stessi avevano giudicato impossibile


Nagasaki

● Il 9 Agosto 1945, tre giorni dopo il bombardamento di Hiroshima, una seconda bomba (al plutonio) venne sganciata sulla città di Nagasaki.

● I morti furono complessivamente circa 80000.

● Il 15 Agosto 1945 il Giappone firmò la resa senza condizioni. La guerra era davvero finita.


La fine

● Dopo la fine della guerra, la comunità di Los Alamos si disperse e tutti gli scienziati tornarono alle proprie occupazioni.

● Solamente Edward Teller continuò a lavorare, fermamente convinto dell'importanza di un arsenale atomico come deterrente nella guerra fredda contro l'Unione Sovietica. I suoi studi portarono alla realizzazione della bomba H.


Alcune frasi di Oppenheimer

● In un certo qual senso, i fisici hanno conosciuto il peccato, e questa è una conoscenza che non possono perdere.

● Non vi devono essere barriere alla libertà di investigare. Non vi è posto per il dogma nella scienza. Lo scienziato è libero, e deve essere libero di fare qualsiasi domanda, di mettere in dubbio qualunque asserzione, di cercare qualsiasi prova, di correggere qualsiasi errore.


Bibliografia

● Pietro Greco, Hiroshima – Editori riuniti

● Robert Jungk, Gli apprendisti stregoni, Piccola biblioteca Einaudi

● Richard Rhodes, L'invenzione della bomba atomica , Rizzoli

● Jeremy Bernstein, Il club dell'Uranio di Hitler, Sironi editore

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