70 éve történt a maghasadás felfedezése

Megjelent: A Kémia Tanítása. MOZAIK Oktatási Stúdió. Szeged. XVII. Évfolyam 2. szám 17-22. oldalak

70 éve történt a maghasadás felfedezése

Idén lesz 70 éve, hogy felfedezték a maghasadást, melyért Otto Hahn (1879 - 1968) 1944-ben kémia Nobel díjat kapott. Majd ezt követően szinte azonnal felmerült a nukleáris láncreakció lehetősége. Írásunkban a felfedezés folyamatába, az ahhoz vezető kísérleti és elméleti meggondolásokba adunk betekintést.

A neutron felfedezése

A maghasadás felfedezéséhez vezető út kezdő lépésének a neutron felfedezése tekinthető. Irene Curie (1897 – 1956) hosszú éveken keresztül a polónium vizsgálatára szakosodott, mely elemet édesanyja fedezett fel. 1931-ben férjével Frederic Joliot-Curie-vel (1900 - 1958) polóniumból kibocsátott  részecskékkel kísérletezett. Bór és berillium elemeket sugároztak be és azt figyelték meg, hogy igen nagy áthatoló képességű, csekély intenzitású sugárzás keletkezett. Amikor a sugárzást hidrogéntartalmú lemezben, nevezetesen paraffinviasz rétegbe vezették, akkor váratlan és meglepő dolgot tapasztaltak. A sugárzás protonokat lökött ki a viaszból. Megmérték a protonok energiáját, melyet 5,3 MeV energiájúnak találtak. A jelenséget úgy magyarázták, hogy a protonok megjelenéséért gamma fotonok lehetnek a felelősek, melyeknek az energiája 50 MeV körül van. Ez legalább tízszer akkora energia, mint az addig ismert gamma energiák.

1932-ben James Chadwick (1891 – 1974) egészen másképpen magyarázta a jelenséget. Mégpedig úgy, hogy egy olyan elektromosan semleges részecske keletkezett, amelynek tömege közelítőleg egyenlő a proton tömegével. Neutronnak nevezte el.

Mai jelöléseinkkel a következőképp írhatjuk le a reakciót:

Felmerül a kérdés, hogy miért nem a Joliot-Curie házaspár jutott erre a kulcsfontosságú felfedezésre? Ennek legvalószínűbb oka az lehetett, hogy nem voltak felkészülve rá. Chadwick Ernest Rutherford (1871 - 1937) tanítványa volt, aki már az 1920—as évektől kezdve azt hangoztatta, hogy szerinte az atommagban kell lennie egy a proton tömegével közel azonos tömegű, de semleges töltésű részecskének, melyet 1923-ban már el is nevezett neutronnak.

A házaspár a pozitront is felfedezhette volna. Ugyanis 1932. áprilisában Svájcban 3500 m magasságban a kozmikus sugárzás hatását az atommagokra tanulmányozták. Wilson kamrájukban észlelték, hogy az elektronnyomvonalak közül néhány ellenkező irányban hajlik. Még ugyanezen évben Carl Anderson (1905 - 1991) sok ezernyi nyom vizsgálata alapján vezette be a pozitront az elemi részecskék sorába.

A maghasadás felfedezése

Másfajta magátalakulás (nukleáris jelenség) a maghasadás, mely szintén egy olyan folyamat, mely a természetben végbemegy (a Földön csak egyetlen egy fajta atommag, az urán 235-ös izotópja esetében), de mesterségesen elő is lehet segíteni lassú neutronok segítségével. A maghasadás felfedezésének előkészítése Enrico Fermi (1901-1954) kísérleteivel kezdődött.

Enrico Fermi képe

Kísérleteihez az ötletet a Joliot-Curie házaspártól kapta, akik írásukban jelezték, hogy ugyan ők a polónium által kibocsátott alfa részecskéket használták, de minden bizonnyal érdemes más részecskékkel is próbálkozni arra, hogy atommagokat bombázzanak. Így esett Fermi választása az éppen akkoriban felfedezett neutronra. Mivel semleges a részecske, így nem kell az atommag felé közeledő neutron taszításával számolni. Szisztematikus kísérletezésbe kezdett munkatársaival. A hidrogéntől kezdve a periódusos rendszer összes elemének atommagját elkezdték neutronokkal bombázni, majd a keletkezett termékeket azonosítani. Rendkívül módszeresen jártak el. Szigorú rendben végigmentek az egész periódusos rendszeren: a hidrogénnel kezdték, és az uránnal fejezték be.

Az urán esetében különösen sokféle sugárzó anyag keletkezését tapasztalták. Az egyik, 13 perces felezési idejű izotóp különösen érdekesnek tűnt. De a kor szemléletmódjának megfelelően a keletkező új atommagokat mind a besugárzott anyaghoz a periódusos rendszerben közel állónak gondolták.

A maghasadás folyamatát csak 1939. elején fedezték fel, bár Ida Noddack, német vegyésznő, már 1934-ben írt cikkében felvetett egy ilyen magátalakulási lehetőséget [2]. Cikkében élesen támadta Fermit, mivel szerinte nem járt el elég körültekintően és alaposan a kémiai azonosításban és a radioaktivitás okának kivizsgálásában, különösen egy 13 perces felezési idejű anyag esetében. (Ez valószínűleg az urán hasadása során keletkező bárium 12 s-os felezési idejű béta bomlásakor keletkező lantán lehetett, melynek 14 perc a felezési ideje.)

Cikkében elsősorban a különböző elemek kémiai azonosításának hiányosságairól írt. Hiányolta, hogy Fermi nem vizsgálta meg kellően alaposan jóval több elemre az azonosítást, mint pl. polóniumra, illetve az összes ismert elemre. Majd megjegyzi a következőket:

"De éppolyan módon feltételezhető, hogy ha neutronokat használunk magátalakítás céljára, valami teljesen új típusú magreakció megy végbe, (...) elképzelhető, hogy az atommag széthasad több nagy töredékre, amelyek természetesen ismert elemek izotópjai lennének, de egyáltalán nem a besugárzott elem szomszédságában."

„Es ware denkbar, dass bei der Beschiessung schwerer Kerne mit Neutronen diese Kerne in mehrere gössere Bruchstücke zerfallen, die zwar Isotope bekannter Elemente, aber nicht Nachbarn der bestrahlten Elemente sind.„

Zeitschrift für Angewandte Chemie 1934. Berlin 654.p.

Itt merül fel először a maghasadás gondolata [4].

Inzelt György a következőképp jellemzi a helyzetet: „A fizikusok saját elméletük csapdájában vergődtek, ugyanis úgy gondolták, hogy az atommag lényegi tulajdonsága a nagyfokú stabilitás, és a magban bekövetkező változások jellemzően csak kicsik lehetnek.” [3]

1. ábra

A periódusos rendszert (1. ábra) szemlélve látható, hogy mely elemet melyikkel tévesztették „szándékosan” össze bárium, Ba és rádium, Ra, továbbá lantán, La – aktínium, Ac mivel egymás alatt vannak a rendszerben és kémiai tulajdonságaik hasonlóak.

Ida Noddack Tacke (1896 - 1978) elismert német vegyész volt, 1919-ben doktorált a Berlini Műszaki Egyetemen. Férjével Walter Noddack-kal együtt többek közt felfedezték a Rhenium elemet. A technécium elem felfedezésében is részt vettek, de mivel nem ők izolálták először, így nem őket tekintik a felfedezőnek. Három alkalommal is jelölték kémiai Nobel díjra.

Ida Noddack

Ida Noddack írása azonban nem keltett nagy feltűnést, bár ismert volt magfizikai körökben. Fermi végzett is ezzel kapcsolatos számításokat a cikk hatására, de az akkor rendelkezésre álló adatok még nem voltak elég pontosak. Az atommagok tömegeinek mérése nem volt elég pontos a tömegspektroszkópiával, melyet Joseph John Thomson (1856 – 1940) ötlete nyomán Francis William Aston (1877 – 1945) tökéletesített.

Az atommag kötési energiája a következő módon „mérhető” meg:

Az atommag Z számú protonból és N = A - Z számú neutronból áll, ahol A a nukleonok száma, a tömegszám. Ezek tömege:

ahol a proton, a neutron tömege. Azonban a tömegmérések az ily módon számított tömegnél mindig kisebb értéket szolgáltattak. A tömegkülönbség:

,

amelyet tömegdefektusnak nevezünk. Ez a tömegdefektus szorozva fénysebesség négyzetével adja a mag kötési energiáját.

1938-ban Irene Joliot-Curie laboratóriumából is érkeztek olyan hírek, hogy az urán neutronnal történő besugárzásakor nem magasabb rendszámú elemek keletkeznek, hanem kisebbek is. A nyert anyag gyanánt lantánra és aktíniumra gyanakodtak. (A lantán a bárium, mint hasadási termék, bomlásterméke.) Fermihez hasonlóan a Joliot-Curie házaspár és Pavel Savic' is létrehozott mesterséges maghasadást, de a jelenségre - a kísérleti evidencia ellenére - teljesen más magyarázatot adtak. Ők is uránt sugároztak be neutronokkal, de szerintük ekkor a 89-es rendszámú aktínium keletkezett. A periódusos rendszerben az aktínium felett található az 57-es rendszámú lantán, vagyis ezek kémiailag hasonlóan viselkednek. Szétválasztásuk frakcionált kristályosítással történhet. (Kristályosításkor a lantán előbb kristályosodik kisebb atomsúlya miatt.) A radioaktivitás azonban a lantánt látszott követni. Végül kimutatták, hogy a radioaktivitás az aktíniumtól származott. Ezt követően döntött Otto Hahn úgy, hogy részletesen megvizsgálja a kérdést és ő is elvégzi a kísérleteket, az urán neutronnal történő besugárzását, és a kémiai azonosításokat. Ma már tudjuk, hogy a radioaktivitás mégiscsak a lantántól származott. Így Joliot-Curie-ék egy hasadási terméket fedeztek fel, de szinte szándékosan félreértelmezték a kísérletek eredményeit, annyira hihetetlenek voltak számukra a helyes következtetések.



Irene és Frederic Joliot-Curie képe

Végül Otto Hahn és Fritz Strassman (1902 – 1980) vegyész szisztematikus kísérletei meghozták a felfedezést. Írásuk 1939. január 6-án jelent meg a Die Naturwissenschaften című lapban. A cikk meglehetősen hosszan mutatja be a kémia analízis módszereit, mely az egyes termékek radioaktivitásán alapul. A befejező részben pedig kijelentik, hogy mint vegyészek arra az eredményre jutottak, hogy a korábban gondolt Ra, Ac és Th szimbólumokat helyettesíteni kell a Ba, La és Ce szimbólumokkal. Vagyis nagyon visszafogottan fogalmaztak.

Otto Hahn képe

Lise Meitner (1878 - 1968) fizikus a már pontosabb adatokkal való számításai, továbbá a mag leírására azokban az években bevezetett cseppmodell felhasználásával megmutatták, hogy a maghasadás ténylegesen végbemehet. Lise Meitner unokaöccsével Otto Robert Frisch-el (1904 - 1979) közösen írt 1939. február 11-én megjelent cikkében adták meg a folyamat magyarázatát. A felszabaduló összes mozgási energiára napjainkban is elfogadott becslést adtak, mely 200 MeV [5].

Disintegration of Uranium by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction
Lise Meitner and Otto R. Frisch

Nature, 143, 239-240, (Feb. 11, 1939)

„possible that the uranium nucleus has only small stability of form, and may, after neutron capture, divide itself into two nuclei of roughly equal size (the precise ratio of sizes depending on finer structural features and perhaps partly on chance). These two nuclei will repel each other and should gain a total kinetic energy of c. 200 Mev., as calculated from nuclear radius and charge. „



Lise Meitner képe

Emlékére a 109-es rendszámú elem a meitnerium (Mt) nevet kapta.

A láncreakció lehetőségének felfedezése

A maghasadás felfedezésével párhuzamosan kezdődött a láncreakció felfedezéséhez vezető út is, mely Szilárd Leóhoz (1898 - 1964) köthető. Ő egy olyan folyamatot képzelt el, melyet egy neutron elindít, az atommag kettéhasad és közben két neutron keletkezik, mely láncreakció szerűen további hasadásokat idézhet elő. Először az alábbi reakcióra gondolt:

n + ⁹Be ---» 2α + 2n

De ez a folyamat nem megy végbe. Ekkor Szilárd Leó elkezdte a periódusos rendszer néhány elemét besugározni neutronokkal, de nem járt sikerrel. Le is tett róla, és az uránig el sem jutott, hiszen ismerte Fermi római kísérleteit. De azért szabadalmi bejelentést tett róla.

Szilárd Leó képe

1934. március 12-én a Brit Hadsereghez fordul, de itt elutasították.

1935. október 8-án a Brit Admiralitás bejegyezte a szabadalmat neutron – láncreakcióra.

1939. január 18-án Niels Bohr Washingtonba érkezett és hozta a maghasadás hírét. Szilárd Leó ebben az időszakban már Amerikában volt. Amint meghallotta a hírt, azonnal szerzett neutronforrást, és elkezdte a hasadás tanulmányozását, hogy feltételezésének megfelelően a folyamatban ténylegesen keletkeznek-e neutronok. 1939. március 3-án Wigner Jenővel (1902 - 1995) és Walter Zinn-el (1907 - 2000) megfigyelték, hogy lassú neutron hatására az uránból gyors neutronok lépnek ki. Feltételezésük szerint ezek további hasadásokat képesek kiváltani. Tehát valóban lehetséges a láncreakció.

Tovább vizsgálva a folyamatot rájönnek, hogy a láncreakció lehetséges lassú neutronokkal, mivel csak a 235-ös izotóp hasad, míg a 238-as elnyeli a hasadás során keletkező gyors neutront, ezért moderátor kell alkalmazni, amelyre a grafitot választják. Az atommag folyamatok rezonancia jellegűek, ezért nyeli el az urán 238-as izotóp a gyors neutronokat, ezért kell azokat az urántömbön kívül lelassítani. Megszületett az inhomogén reaktor terve. Továbbá valóságossá vált az az elképzelés, hogy ezen a módon nagyon sok energiát lehet felszabadítani, a folyamat alkalmazásával sokkal nagyobb hatóerejű bombát lehet készíteni, mint addig bármikor. Erről informálni kellett az Amerikai Egyesült Államok elnökét is. Szilárd Leó el is készítette a levelet, melyet Einstein írt alá 1939. augusztus 2-án. A levelet az elnök október 3-án kapta kézhez. Az események ez után gyorsan peregtek, melynek főbb állomásai a következők voltak:



Einstein és Szilárd Leó

1939. október 21. megalakult az Uránium Bizottság.

1941. december 7. Pearl Harbor japán megtámadása.

- 1942. december 2. első nukleáris reaktor működik Chicagói Egyetem sportstadionjának lelátója alatt, amelyben ténylegesen megvalósult a láncreakció.

1942. június 18-án indult a Manhattan Program.

1945. július 16-án a plutóniumbomba kísérleti robbantása.

1945. augusztus 6. Hiroshima, augusztus 9. Nagaszaki.

A nukleáris ismeretek napjainkban is rendkívül fontosak, hiszen életünket jelentős mértékben meghatározzák. Radioaktív sugárzást kibocsájtó izotópokat alkalmaznak az orvosi diagnosztikában és terápiában, és az iparban. Óriási szerepük van az energiaellátásunkban, és úgy tűnik, hogy napjainkban egyre jelentősebb lesz, mivel az atomerőművek nem bocsájtanak ki a globális éghajlatváltozásért felelős szén-dioxidit. Szerencsére a hidegháború befejeződésével a nukleáris robbanófejeket leszerelték.

Cikkünkben célunk volt az, hogy olyan gondolatmenteket mutassunk be, melyekről úgy gondoljuk, hogy az oktatás számára is hasznos lehet, ne csak a végeredményt, hanem az ahhoz vezető utat, a felmerült kérdéseket, a nemegyszer rendkívül ötletes kísérleti elrendezéseket is. A téma mintegy kínálja magát egy projektes jellegű feldolgozásra, integrált személetű megközelítésre, és nagyon sokféle differenciálási lehetőséget rejt magában. Érdekes lehet a humán beállítottságú diákok számára is, hiszen a felfedezések mögött ott van a rendkívül érdekes történelmi kontextus. De a mélyebb szakmai jellegű ismeretekre vágyó diákok igényei is kielégíthetők például az eredeti írások tanulmányozásával, melyek az interneten elérhetők, elsősorban angol nyelven.

Irodalom:

[1] Goldsmith, M.: Frederic Joliot-Curie. Gondolat Könyvkiadó, Budapest. 1979.

[2] Hraskó, P.: Epizódok a maghasadás felfedezésének történetéből. Természet Világa. 2006. különszám. 59-66. oldalak.

[3] Inzelt, G.: Vegykonyhájában szintén megteszi. Akadémiai Kiadó, Budapest. 2006.

[4] Meitner, L. and Frisch, O. R.: Disintegration of Uranium by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction. Nature. 143, 239-240, (Feb. 11, 1939)

[5] Marx György: Szilárd Leó. Akadémiai Kiadó. Budapest. 1997.

[6] Noddack, I.: On Element 93 Zeitschrift fur Angewandte Chemie, Volume 47, p. 653 (September, 1934)