ينتج الفيزيائي إنريكو فيرمي أول تفاعل نووي متسلسل

ينتج الفيزيائي إنريكو فيرمي أول تفاعل نووي متسلسل


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

إنريكو فيرمي ، عالم الفيزياء الإيطالي المولد الحائز على جائزة نوبل ، يوجه ويتحكم في أول تفاعل نووي متسلسل في مختبره تحت المدرجات في حقل Stagg في جامعة شيكاغو ، مستهلًا العصر النووي. عند الانتهاء بنجاح من التجربة ، تم إرسال رسالة مشفرة إلى الرئيس روزفلت: "لقد هبط الملاح الإيطالي في العالم الجديد".

بعد اكتشاف السير جيمس تشادويك الإنجليزي للنيوترون وإنتاج كوري للنشاط الإشعاعي الاصطناعي ، ركز فيرمي ، أستاذ الفيزياء المتفرغ في جامعة فلورنسا ، عمله على إنتاج النشاط الإشعاعي من خلال التلاعب بسرعة النيوترونات المشتقة من البريليوم المشع. . أدت التجارب المماثلة الأخرى مع عناصر أخرى ، بما في ذلك اليورانيوم 92 ، إلى إنتاج مواد مشعة جديدة ؛ يعتقد زملاء فيرمي أنه قد ابتكر عنصرًا جديدًا "ما بعد اليورانيوم" برقم ذري 93 ، نتيجة التقاط اليورانيوم 92 خلية عصبية أثناء القصف ، وبالتالي زيادة وزنها الذري. ظل فيرمي متشككًا في اكتشافه ، على الرغم من حماس زملائه الفيزيائيين. أصبح مؤمنًا في عام 1938 ، عندما حصل على جائزة نوبل في الفيزياء "لتحديده لعناصر مشعة جديدة". على الرغم من أن السفر كان مقيدًا على الرجال الذين يعتبر عملهم أمرًا حيويًا للأمن القومي ، فقد مُنح فيرمي الإذن بمغادرة إيطاليا والذهاب إلى السويد لتلقي جائزته. هو وزوجته ، لورا ، كانت يهودية ، لم يعدا قط. كلا من نظام موسوليني الفاشي الذي يخشى ويحتقره.

هاجر فيرمي إلى مدينة نيويورك - جامعة كولومبيا على وجه التحديد ، حيث أعاد إنشاء العديد من تجاربه مع نيلز بور ، الفيزيائي الدنماركي المولد ، الذي اقترح إمكانية حدوث تفاعل نووي متسلسل. رأى فيرمي وآخرون التطبيقات العسكرية المحتملة لمثل هذه القوة المتفجرة ، وسرعان ما كتب رسالة تحذر الرئيس روزفلت من مخاطر القنبلة الذرية الألمانية. تم التوقيع على الرسالة وتسليمها إلى الرئيس من قبل ألبرت أينشتاين في 11 أكتوبر 1939. وكانت النتيجة مشروع مانهاتن ، البرنامج الأمريكي لإنتاج القنبلة الذرية الخاصة بها.

لقد سقط على عاتق فيرمي لإنتاج أول تفاعل نووي متسلسل ، والذي بدونه كانت مثل هذه القنبلة مستحيلة. أنشأ مختبرًا مزوَّدًا بهيئة المحلفين بالمعدات اللازمة ، والذي أسماه "الكومة الذرية" ، في ملعب اسكواش في الطابق السفلي من ملعب ستاغ فيلد بجامعة شيكاغو. مع الزملاء والفيزيائيين الآخرين الذين يراقبون ، أنتج فيرمي أول تفاعل تسلسلي نووي مستدام ذاتيًا وولد "العالم الجديد" للطاقة النووية.

اقرأ المزيد: تاريخ القنبلة الذرية


ينتج الفيزيائي إنريكو فيرمي أول تفاعل نووي متسلسل - التاريخ

يخلق فيرمي تفاعلًا نوويًا محكومًا
1942

الصورة من Bortzells Esselte ، بإذن من AIP Emilio Segre المحفوظات المرئية.

غادر إنريكو فيرمي (1901-1954) إيطاليا عام 1938 لتسلم جائزة نوبل للفيزياء في السويد. لم يعد ابدا. انتقل هو وزوجته إلى الولايات المتحدة هربًا من الفاشية ومعاداة السامية المتزايدة في إيطاليا.

أدرك فيرمي ، من بين آخرين ، أن الانشطار النووي كان مصحوبًا بإطلاق كميات هائلة من الطاقة من تحويل الكتلة إلى طاقة (وفقًا لمعادلة آينشتاين للكتلة والطاقة E = mc 2). عندما أقنع العلماء الرئيس روزفلت بذلك ، تم تعيين فيرمي لرئاسة فريق بحث كجزء من مشروع سري لتطوير قنبلة ذرية. كانت مهمة فيرمي ، مع ذلك ، هي خلق تفاعل نووي متحكم فيه ، أي تقسيم الذرة دون إحداث انفجار مميت.

من الناحية النظرية ، كان ذلك ممكنًا. أثناء الانشطار ، يقسم نيوترون سريع الحركة نواة الذرة ، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة ونيوترونات إضافية. يمكن لهذه النيوترونات المقذوفة أن تقسم النوى الأخرى ، والتي تطلق نيوترونات أخرى لتقسيم نوى أخرى ، وهكذا: تفاعل متسلسل مستدام ذاتيًا. إذا كان هذا التفاعل المتسلسل سريعًا جدًا ، فإنه يصبح انفجارًا ذريًا ، ولكن تحت السيطرة يمكن أن ينتج تدفقًا ثابتًا للطاقة. (إذا بدأ التفاعل المتسلسل مع اليورانيوم ، فإنه ينتج أيضًا منتجًا ثانويًا ، وهو البلوتونيوم ، وهو وقود أفضل لسلاح نووي).

في جامعة شيكاغو ، عمل فيرمي مع فريق لإيجاد طريقة للتحكم في التفاعل المتسلسل. لقد فعل ذلك من خلال إعداد المعدات - الكومة الذرية - حتى يتمكن من إدخال مادة تمتص النيوترونات في خضم عملية الانشطار لإبطائها أو إيقافها تمامًا. وجد أن قضبان الكادميوم تمتص النيوترونات. إذا تسارعت سلسلة التفاعل ، يمكن إدخال قضبان الكادميوم لإبطائها ويمكن إزالتها لتسريعها مرة أخرى.

بحلول نهاية عام 1942 ، كان الفريق جاهزًا لاختباره الأول. تم وضع المعدات في ملعب اسكواش في جامعة شيكاغو. كانت اللحظة في الثاني من ديسمبر / كانون الأول كانت متوترة: إذا ثبت خطأ نظرياتهم وتجاربهم حتى الآن ، فيمكنهم تفجير نصف شيكاغو. تم سحب عدد قليل من القضبان ، وبدأ رد الفعل. خرج المزيد من القضبان. كان رد الفعل مستدامًا ذاتيًا. يمكن للفريق زيادة أو تقليل إنتاج الطاقة عن طريق ضبط القضبان. لقد نجحت فكرة فيرمي ، وتم تحقيق أول تفاعل تسلسلي نووي متحكم فيه وذاتي الاستدامة - أول تدفق متحكم به للطاقة من مصدر آخر غير الشمس.

أبلغت رسالة مشفرة الحكومة بهذا النجاح: "لقد وصل الملاح الإيطالي للتو إلى العالم الجديد".

منذ ذلك الحين ، تم توسيع وصقل نظرية فيرمي. تم بناء المفاعلات النووية في العديد من البلدان لتزويد الطاقة للاستخدامات العسكرية مثل الغواصات النووية والاستخدامات المدنية مثل الكهرباء العادية. لكن الحوادث عبر السنين أظهرت مخاطر العملية ومخلفاتها ، وفقدت الطاقة النووية الكثير من شعبيتها الأصلية.


10 حقائق مثيرة للاهتمام حول العالم و # 039 s أول تفاعل نووي متسلسل

شاهد كيف تم الكشف عن أول تفاعل نووي متسلسل متحكم فيه وذاتي الاستدامة في العالم في مقطع الفيديو هذا "لبنة" بواسطة مختبر أرجون الوطني.

في الثاني من كانون الأول (ديسمبر) 1942 ، حدث أول تفاعل نووي متحكم ومكتفٍ ذاتيًا في العالم مما مهد الطريق لمجموعة متنوعة من التطورات في العلوم النووية.

أجريت التجربة في ملعب كرة القدم بجامعة شيكاغو تحت إشراف إنريكو فيرمي ، العالم الحائز على جائزة نوبل.

كان Chicago Pile-1 أول مفاعل نووي في العالم يتجه نحو الأهمية ويغذي الأبحاث المستقبلية من قبل المعامل الوطنية التابعة لوزارة الطاقة للمساعدة في تطوير مفاعلات بحرية ونووية مبكرة.

خمسة عشر عامًا حتى هذا اليوم التاريخي ، أصبحت أول محطة طاقة نووية أمريكية كاملة النطاق أمرًا بالغ الأهمية في 2 ديسمبر 1957 حيث بدأت الأمة في جني فوائد الطاقة النووية النظيفة والموثوقة.

فيما يلي 10 حقائق مثيرة للاهتمام ربما لم تكن على دراية بها عن أول إطلاق متحكم فيه للطاقة النووية في العالم.

1. أُجريت التجربة في الساعة 3:36 بعد الظهر. في ملعب سكواش تم تحويله في ملعب Stagg Field المهجور بجامعة شيكاغو في شيكاغو ، إلينوي.

2. حضر هذا الحدث 49 عالما بقيادة فيرمي. كانت ليونا مارشال الباحثة الوحيدة.

3. تم استخدام كلمة "كومة" في السنوات القليلة الأولى من العصر الذري وأفسحت المجال تدريجياً لـ "مفاعل" لتحديد الجهاز الرئيسي الذي يتحكم في تفاعل الانشطار النووي.

رسم CP-1 ، أول مفاعل نووي في العالم.

4. تم بناء المفاعل من كتل الجرافيت ، وبعضها يحتوي على أقراص صغيرة من اليورانيوم.

5. راقب العلماء رد الفعل على الآلات التي سميت على اسم شخصيات ويني ذا بوه - Piglet و Tigger و Pooh.

6. سحب العالم جورج ويل قضيب التحكم المطلي بالكادميوم وأطلق أول تفاعل متسلسل متحكم فيه.

7. كان للمفاعل ثلاث مجموعات من قضبان التحكم. كان أحدهما آليًا ويمكن التحكم فيه من الشرفة. آخر كان قضيب أمان للطوارئ. قام القضيب الثالث (الذي يديره Weil) بالفعل بضبط التفاعل حتى تم سحب المسافة المناسبة.

8. احتفلت المجموعة بزجاجة من كيانتي تم سكبها في أكواب ورقية. وقع معظم المشاركين على ملصق زجاجة النبيذ. كان هذا هو السجل المكتوب الوحيد لمن شارك في التجربة.

9. في الفترة التي سبقت هذه التجربة ، ساعدت رسالة من ألبرت أينشتاين إلى الرئيس فرانكلين دي روزفلت في قيادة مشروع مانهاتن - وهو مشروع بحثي حكومي أنتج أول قنبلة ذرية. كانت أيضًا البذرة التي نمت في نظام المختبرات الوطنية الحديثة لوزارة الطاقة الأمريكية.

10. تم تسمية مختبر Fermi National Accelerator التابع لوزارة الطاقة تكريما لإنريكو فيرمي لإسهاماته في الفيزياء النووية والنجاح العلمي في جامعة شيكاغو القريبة.

تعرف على المزيد حول تراث مختبر أرجون الوطني في العلوم النووية.


ينتج الفيزيائي إنريكو فيرمي أول تفاعل نووي متسلسل - التاريخ

1853 - ساد الاعتقاد منذ فترة طويلة أن عمر الأرض لا يزيد عن بضع عشرات الآلاف من السنين. ولكن ابتداءً من عشرينيات القرن التاسع عشر ، توصل العديد من الجيولوجيين وعلماء الأحياء إلى الاعتقاد بأن الأرض أقدم بكثير مما كان يُعتقد سابقًا ، ربما في مئات الملايين من السنين. (يقدر داروين عمر الأرض بـ 300 مليون سنة في الطباعة الأولية لأصل الأنواع.) وتستند هذه التقديرات إلى زيادة الوعي بمدى بطء حدوث العمليات الجيولوجية والبيولوجية مثل التعرية أو التطور ، وبالتالي إلى أي مدى تتقدم في العمر. يجب أن تكون الأرض لاستيعابهم.

عالم الفيزياء البارز ويليام طومسون (المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن - سميت درجات كلفن من بعده) يعارض بشدة التطور. بدأ في حشد الأدلة النظرية ضد داروين. يقوم بإجراء حسابات ديناميكية حرارية كلاسيكية تثبت أنه إذا كانت الأرض قديمة كما يدعي داروين وآخرون ، لكانت قد بردت منذ فترة طويلة إلى صخرة خاملة ولن تكون هناك أنشطة جيولوجية مثل البراكين أو ينابيع المياه الساخنة. وسرعان ما ينضم فيزيائيون آخرون إلى المعركة. يحسب هيرمان هيلمهولتز ، الذي أعلن قبل ست سنوات فقط مبدأ محادثة الطاقة ، مقدار الحرارة التي ستشعها الشمس إذا كانت طاقتها تأتي من الانكماش البطيء ، وبالتالي تحويل طاقة الجاذبية الكامنة إلى حرارة. يحسب عمر 18 مليون سنة فقط.

ستستمر الفجوة الهائلة بين الجيولوجيا وعلم الأحياء من جهة ، والفيزياء النظرية من جهة أخرى (فيما يتعلق بتقدير عمر الأرض) لمدة 50 عامًا. في مواجهة الانتقادات الشديدة من علماء فيزياء مرموقين ، أزال داروين كل ذكر لأي عمر محدد للأرض في طبعات لاحقة من أصل الأنواع.

1896 - قرأ الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل تجارب ويليام رونتجن مع الأشعة السينية ، وتعلم أنها يمكن أن تتسبب في تألق مواد معينة. (ملاحظة فنية - كانت الأشعة السينية مجرد خطوط طيفية مثيرة في المواد الفلورية ، مثل أنابيب الغاز التي أعرضها في الفصل باستثناء الأشعة السينية بدلاً من الكهرباء.)

يتساءل بيكريل ، هل تبعث المواد الفسفورية أشعة سينية أثناء توهجها؟ (ملاحظة تقنية - لا يفعلون). لاختبار فكرته ، حصل بيكريل على بعض المواد التي تتوهج بعد تعرضها للضوء ، تمامًا مثل حلقات فك التشفير السحرية التي ما زالوا يضعونها في علب الحبوب. أجرى بعض التجارب حيث وضع المواد أولاً في الشمس لبدء توهجها ، ثم وضعها فوق لوحة فوتوغرافية ملفوفة بورق أسود لمعرفة ما إذا كانت تنبعث منها أشعة سينية. حصل بيكريل على بعض النتائج الإيجابية ، وبعض النتائج السلبية ، وهو أمر محير.

في أحد الأيام ، عندما يكون الجو غائمًا ، يضع أحد المعادن التي أعطته نتائج إيجابية في درج به لوحة فوتوغرافية غير مكشوفة - ثم قرر في نزوة تطويره ، متوقعًا رؤية مخطط خافت فقط منذ أن كانت الشمس خافت جدا ذلك اليوم. بدلاً من ذلك ، اكتشف عن طريق الخطأ أن اللوحة أصبحت ضبابية تمامًا على الرغم من أن المعدن قد تعرض بالكاد للضوء على الإطلاق ولم يكن متوهجًا! يتصادف أن يكون المعدن عبارة عن ثاني كبريتات يورانيل البوتاسيوم ، ويكتشف بيكريل في النهاية أن اليورانيوم الموجود في هذا المركب هو المكون السحري. جميع المركبات التي تحتوي على اليورانيوم بداخلها لن تسبب ضبابًا في لوحة التصوير الفوتوغرافي لمركبات بدون اليورانيوم. لذلك يسمي بيكريل الإشعاع الجديد "أشعة اليوران".

ملاحظة فنية - الخاصية التي تجعل بعض المركبات "تتوهج في الظلام" بعد تعرضها للضوء لها علاقة ببنيتها الجزيئية ، ولا علاقة لها على الإطلاق بالأشعة السينية أو بالنشاط الإشعاعي. باختصار ، تُظهر بعض الجزيئات "تأخيرًا زمنيًا" ملحوظًا بين وقت إثارة الضوء الوارد ، وعندما تنبعث منها خطوط طيفية جزيئية. بدلاً من إطلاق كل طاقتهم المخزنة على الفور والخروج بعد إزالة الطاقة ، كما تفعل علامة النيون ، تطلق المواد الفسفورية طاقتها بلطف لبعض الوقت بعد إزالة المنبه. لقد كان من قبيل الصدفة أن بيكريل كان يستخدم مركب "يتوهج في الظلام" والذي تصادف وجود اليورانيوم فيه.

1897 - إرنست رذرفورد ، وهو فيزيائي أصله من نيوزيلندا ولكنه يعمل في كندا ، يحقق في "أشعة اليوران" لبيكريل ويكتشف أنها في الواقع مزيج من عنصرين: مكون ثقيل جدًا يسهل امتصاصه بواسطة المادة وله شحنة موجبة ومكون أخف وزنا وأكثر نفاذا لا يتم امتصاصه بسهولة وله شحنة سالبة. يسمي رذرفورد هذه المكونات ، وبعد أول حرفين من الأبجدية اليونانية.

1898 - اكتشف عالم الفيزياء الفرنسي بيير وماري كوري اللذان يدرسان "أشعة اليوران" لبيكريل أن الثوريوم يُطلق أيضًا "أشعة اليوران". يقترحون المصطلح الجديد "النشاط الإشعاعي" لوصف العناصر التي لها خاصية إعطاء الأشعة. من خلال العمل على عينات من البتشبلند ، قاموا بعزل واكتشاف عنصرين جديدين أكثر إشعاعًا من اليورانيوم: يطلق عليه كوريس اسم بولونيوم (على اسم موطن ماري في بولندا) والراديوم (بسبب قوته المشعة للغاية).

1899 - الكيميائي الفرنسي أندريه ديبيرن ، وهو صديق مقرب من عائلة كوري ، يعزل عنصرًا مشعًا آخر من البتشبلند. يسميه الأكتينيوم ، بعد الكلمة اليونانية التي تعني شعاع.

يدرك بيكريل ، الذي استمر في دراسة "أشعة اليوران" ، أن جسيمات ب في رذرفورد تشبه إلى حد كبير الإلكترونات لدرجة أنها يجب أن تكون إلكترونات ، وإن كانت إلكترونات ذات طاقة عالية جدًا.

يكتشف الفيزيائي الفرنسي بول فيلارد أن اليورانيوم يُطلق مكونًا ثالثًا ، وهو عنصر لا يتأثر بالمغناطيس وبالتالي فهو غير مشحون على ما يبدو. إنها أكثر اختراقًا من الجسيمات أو الجسيمات ، ويطلق عليها فيلارد (كما هو متوقع) - أشعة ، بعد الحرف الثالث من الأبجدية اليونانية. يشك فيلارد في أن الأشعة هي إشعاع كهرومغناطيسي بطول موجي قصير بشكل لا يصدق ، حتى أقصر من الأشعة السينية. (انه علي حق.)

ملاحظة فنية - ما زلنا نستخدم المصطلحات "-جزيئات" و "-جسيمات" و "-rays" للإشارة إلى الأشكال الثلاثة للإشعاع ، على الرغم من أننا نعلم أن - والجسيمات هي في الحقيقة مجرد نوى هيليوم (بروتونان و اثنين من النيوترونات) والإلكترونات على التوالي.

1901 - قام الكوريون بقياس الطاقة المنبعثة من العناصر المشعة ، واكتشفوا أن جرامًا واحدًا من الراديوم يعطي كمية لا تصدق من 140 سعرة حرارية في الساعة. بقدر ما يمكنهم معرفة ، هذه الطاقة تستمر بشكل سحري وتستمر ، غير منقوصة ، لشهر بعد شهر. لا يبدو أن الراديوم يتغير بأي شكل من الأشكال. من أين تأتي كل هذه الطاقة؟ هل يتم انتهاك حفظ الطاقة؟

1903 - كان إرنست رذرفورد أول من أدرك أن الخلاف الذي طال أمده حول عمر الأرض بين علماء الأحياء والجيولوجيين من ناحية ، والفيزيائيين من ناحية أخرى ، يمكن حله إذا افترض المرء أن باطن الأرض يحتوي على قدر ضئيل. آثار العناصر المشعة. يعني الجزء الأكبر من الأرض ، والتوصيل الحراري الضعيف للمواد الصخرية التي تتكون منها في الغالب ، أنه حتى مدخلات صغيرة من الحرارة ستكون كافية لإبقائها نشطة جيولوجيًا لفترة أطول بكثير من الأوقات التي حسبها ويليام طومسون (من بالطبع يفترض أن باطن الأرض كان خاملًا تمامًا). يفترض رذرفورد أن الطاقة (التي لا تنضب على ما يبدو) التي تنتجها الخامات المشعة هي في الواقع مصدر الحرارة هذا بالضبط ، وبالتالي فهي تنحاز إلى علماء الأحياء والجيولوجيين فيما يتعلق بعمر الأرض.

في الواقع ، في غضون بضع سنوات فقط ، توصل رذرفورد وغيره من علماء الفيزياء الذين يحققون في خامات النشاط الإشعاعي إلى استنتاج (استنادًا إلى فترات نصف العمر الطويلة جدًا لبعض النظائر التي اكتشفوها) أن عمر الأرض قد يكون في المليارات سنوات بدلاً من مجرد مئات الملايين. (إنهم على حق - القيمة المقبولة حاليًا لعمر الأرض حوالي 4.2 مليار سنة).

1906 - اكتشف رذرفورد أن الجسيمات ، عندما تتوقف داخل حاوية ، تصبح ذرات هيليوم. بمعنى آخر ، يتكون الجسيم من بروتونين ونيوترونين (نواة ذرة الهيليوم) يتحركان بسرعة عالية. إذا وعندما يتم إبطاء الجسيم والتقاط إلكترونين من مكان ما ، يصبح معروفًا على أنه الهيليوم العادي.

السرعة العالية جدًا لنواة الهليوم ، والسرعة العالية للإلكترونات (الأشعة) المنبعثة من العناصر المشعة ، والإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة المنبعث أيضًا ، وقياسات الحرارة بواسطة كوري ، تشير إلى أن هناك شيئًا ما يحدث في هذه العناصر التي هي في الواقع نشطة للغاية. ولكن ماذا؟ لا يدرك رذرفورد أن الإجابة قد تم نشرها بالفعل من قبل أينشتاين في عام 1905 (بشكل غير مباشر) ، في شكل E = mc 2.

1909 - يوجين مارسدن وهانس جيجر هما طالبان متخرجان يعملان مع إرنست رذرفورد في مانشستر ، إنجلترا ، حيث انتقل رذرفورد. يجرون سلسلة من التجارب حيث يتم إطلاق الجسيمات في رقائق ذهبية. على عكس التوقعات ، تمر معظم الجسيمات عبر الذهب كما لو لم يكن موجودًا ، لكن القليل منها ينحرف من خلال زوايا كبيرة ، والقليل منها يستدير ويرجع إلى الوراء بشكل مستقيم كما لو أنه قد اصطدم بحاجز لا يمكن اختراقه. هذا يقود رذرفورد إلى اقتراح نموذج "النظام الشمسي" للذرة ، حيث تكون الذرة أساسًا مساحة فارغة ولكنها تحتوي على نواة صغيرة جدًا وكثيفة بشكل لا يصدق. (انظر الجدول الزمني لميكانيكا الكم لمزيد من التفاصيل.)

1913 - أوضح الكيميائي البريطاني فريدريك سودي والكيميائي الأمريكي ثيودور ريتشاردز مفهوم الوزن الذري. مع استمرار الناس في دراسة النشاط الإشعاعي ، أصبح من الواضح بشكل متزايد أن هناك أنواعًا متعددة من العناصر. على سبيل المثال ، هناك إصدارات مشعة وغير مشعة من الكربون. يثبت Soddy و Richards أن الاختلاف يكمن في وزن النواة الذرية - يمكن أن تكون هناك إصدارات مختلفة من نفس العنصر بأوزان مختلفة. النسخ المختلفة هي نظائر معيدة ، من الكلمات اليونانية التي تعني "نفس المكان".

ملاحظة فنية - يتم تحديد الخصائص الكيميائية للعنصر فقط من خلال عدد البروتونات في النواة ، لأن البروتونات موجبة الشحنة التي تتفاعل مع سحابة الإلكترون حول النواة ، وسحابة الإلكترون هي التي تنتج الكيمياء. يمكن أن تحتوي النوى أيضًا على نيوترونات لها نفس كتلة البروتونات تقريبًا ولكن ليس لها شحنة. وبالتالي يمكن أن تؤثر النيوترونات على وزن النواة وخصائصها المشعة ، ولكن ليس لها أي تأثير على خواصها الكيميائية.

1915 - لاحظ الكيميائي الأمريكي ويليام هاركينز أن كتلة ذرة الهيليوم ليست في الواقع أربعة أضعاف كتلة البروتون. إنه أقل بقليل. ويذكر أن الكتلة الزائدة قد تم تحويلها إلى طاقة عبر E = mc2 لأينشتاين وأن هذا هو مصدر الطاقة النووية.

1919 - نجح رذرفورد ، الذي لا يزال يعمل بجد في قصف الأشياء بالجسيمات (انظر 1897 ، 1906 ، 1909) في الحصول على جسيم (أي نواة الهيليوم) للتفاعل مع نواة النيتروجين لإنتاج بروتون (أي ، نواة الهيدروجين) ) ونواة الأكسجين. أحدث رذرفورد أول تفاعل نووي من صنع الإنسان. أيضًا ، هذا يجعله أول شخص في التاريخ يغير عنصرًا إلى آخر.

1930 - يحاول الفيزيائي البريطاني بول ديراك الجمع بين النسبية وميكانيكا الكم. لقد نجح ، ونتيجة لذلك تسمى معادلة الكم النسبية معادلة ديراك. لقد لاحظ أن معادلته تتنبأ بوجود حالات "سالبة" للإلكترون والبروتون ، وبالتالي فهو يتنبأ بوجود المادة المضادة.

1931 - لأكثر من عقد من الزمان ، كان الفيزيائيون يصارعون مشكلة محيرة للغاية مع الإنجاز. لا تتمتع الإلكترونات المنبعثة من التفكك دائمًا بنفس الطاقة الحركية ، على عكس الجسيمات المنبعثة في التفكك. بدلاً من ذلك ، تأتي الإلكترونات بتوزيع من نوع منحنى الجرس للطاقات ، مما يعني أنه (1) يبدو أن الطاقة لا يتم حفظها ، و (2) تختلف كمية الطاقة المفقودة بطريقة احتمالية. يبدو أن بعض الطاقة النووية - الانحلال يذهب في مكان آخر غير الإلكترون المنبعث. لكن أين؟ يتم إجراء محاولات تفصيلية لاكتشاف الحرارة أو الإشعاع الكهرومغناطيسي القادم من العينات - لكن كل جهد يفشل. يبدأ عدد قليل من الفيزيائيين في التساؤل بجدية عما إذا كان الانحلال ربما ينتهك حقًا الحفاظ على الطاقة ، ويذهب نيلز بور إلى أبعد من ذلك في وضع سيناريو محتمل لكيفية توليد طاقة الشمس من خلال عدم الحفاظ على الطاقة الهائل الناتج عن الأعطال.

اقترح الفيزيائي الألماني فولفجانج باولي والفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي أن b -decay ينتج جسيمين يشتركان في الطاقة الحركية: إلكترون ، وجسيم غير مرئي يسميه فيرمي نيوترينو ، من الإيطالية ل "الصغير المحايد". يُفترض أن يكون الجسيم خفيفًا جدًا وكذلك متعادلًا ، مما يسمح له باختراق المادة بسهولة بحيث يكاد يكون من المستحيل اكتشافه.

1932 - قام الفيزيائي الإنجليزي جيمس تشادويك بقصف البريليوم بجسيمات أ ليطرد النيوترونات الحرة ، وبذلك أصبح أول فيزيائي يكتشف النيوترونات مباشرة.

1932 - كان الفيزيائي الأمريكي كارل أندرسون يدرس الأشعة الكونية عندما لاحظ بعض المسارات على لوحاته الفوتوغرافية التي تبدو تمامًا مثل مسارات الإلكترون باستثناء أنها تنحني في الاتجاه الخاطئ. يدرك أنه اكتشف إلكترونًا موجب الشحنة ، أي مضاد الإلكترون الذي تنبأ به ديراك. يطلق أندرسون على الجسيم الجديد اسم البوزيترون.

ملاحظة فنية - الإلكترونات والبوزيترونات متشابهة تمامًا ، باستثناء أن لها شحنة معاكسة وأرقام كمية معاكسة. هذا ، وشيء آخر صغير. إذا لمس الإلكترون والبوزيترون بعضهما البعض على الفور ، فإنهما يقضيان على بعضهما البعض في ومضة من g -rays. بمعنى آخر ، كلاهما يتم تحويلهما إلى طاقة نقية. هذا هو السبب في أن البوزيترونات لا تدوم طويلاً بعد إنشائها.

ملاحظة ستار تريك - تحتوي جميع الجسيمات على جسيمات مضادة ، لذلك هناك أيضًا بروتونات مضادة سالبة الشحنة وما إلى ذلك. يُفترض أن المركبات الفضائية الفدرالية مدعومة بتفاعلات المادة والمادة المضادة ، وهذا على الأرجح سبب انفجارها بشكل مذهل دائمًا. إذا ترك جوردي المادة المضادة الخاصة به تتسرب من الحاوية المغناطيسية ، فسيكون في مشكلة كبيرة.

1934 - قام فريدريك جوليو وزوجته إيرين كوري ، ابنة ماري كوري ، بقصف الألومنيوم بجزيئات أ لإنتاج الفوسفور 30 ​​، وهو أول عنصر مشع صناعيًا.

1935 - اقترح الفيزيائي الياباني هيديكي يوكاوا أن النيوترونات والبروتونات في نوى الذرة متماسكة معًا بقوة شديدة القوة والتي يسميها القوة الشديدة. بالعمل مع نظرية ديراك ، أدرك أن القوى الأساسية يجب أن تحمل بواسطة الكم ، أي أنها لا يمكن أن توجد "كخطوط" كلاسيكية للقوة. الطريقة الوحيدة لوجود مثل هذه الكميات وتظل متوافقة مع الفيزياء الكلاسيكية هي إذا كانت "تسرق" طاقتها من خلال الظهور والخروج من الوجود بسرعة كبيرة بحيث لا يتم انتهاك حفظ الطاقة لأنها مقنعة بمبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ. (بمعنى آخر ، ينطبق مبدأ عدم اليقين حتى على الفضاء الفارغ - كيف تعرف أنه "فارغ" حقًا ، عندما لا يسمح لك المبدأ بقياس طاقته بالضبط؟) يتنبأ يوكاوا بأن القوة القوية "تحمل" ما يسميه "تبادل الجسيمات". من الأحجام المعروفة للذرات ، وبافتراض أن جسيم التبادل يتحرك عادة بالقرب من سرعة الضوء ، فقد حسب أنه يجب أن يكون له كتلة حوالي 200 مرة من كتلة الإلكترون.

1938 - من المعترف به الآن على نطاق واسع أن الحسابات التي أجراها هيرمان هيلمهولتز منذ أكثر من 60 عامًا ، والتي اشتق منها عمر حوالي 18 مليون سنة للشمس ، بعيدة كل البعد عن الهدف تمامًا لنفس السبب الذي دفع طومسون إلى حساب عمر الأرض كان بعيدًا جدًا: لكل من الأرض والشمس مصادر طاقة نووية. لكن يبقى السؤال: كيف تعمل الطاقة النووية على توليد الطاقة للشمس؟ إن مردودها الهائل من الطاقة أكبر بكثير من أن يتم إنشاؤه من خلال آثار العناصر المشعة ، كما هو الحال على الأرض.

يحسب الفيزيائي الألماني الأمريكي هانز بيث بالتفصيل كيف يمكن للاندماج النووي ، وليس الانشطار النووي ، أن يمد الشمس بالطاقة. يستنتج سلسلة من ثلاث خطوات نسميها الآن سلسلة بروتون-بروتون:

  1. يصطدم بروتونان بعنف لدرجة أن التحول النووي يحدث. يتم تحويل أحد البروتونات إلى نيوترون ، ويندمج مع البروتون الآخر لتكوين ديوترون ، أي هيدروجين "ثقيل" ، 2 هـ. للحفاظ على الشحنة ورقم ليبتون ، ينبعث مضاد للإلكترون ونيوترينو. يهرب النيوترينو من الشمس ، لكن الإلكترون المضاد يفسد على الفور بإلكترون ، ويطلق الطاقة.
  2. يصطدم الديوترون ببروتون عالي الطاقة وينصهر الاثنان ليشكلوا 3 He. كتلة 3 He أقل قليلاً من كتلة 2 H والبروتون بشكل منفصل ، وتتحول الكتلة الزائدة إلى أشعة جاما عالية الطاقة.
  3. تتصادم ذرتان نشيطتان 3 He وفي الكرة النارية النانوية النانوية الناتجة ، ينشأ جسيم (4 ذرة He) ويظهر بروتونان. الفرق في الكتلة قبل الاصطدام وبعده كبير: فهو يطلق ما يقرب من ضعف طاقة أول خطوتين معًا. تتجلى الطاقة بشكل أساسي في الطاقة الحركية للمنتجات اللاحقة ، أي كحرارة.
  4. التأثير الصافي للسلسلة هو أن أربع ذرات هيدروجين قد تم تحويلها إلى ذرة هيليوم واحدة ، وتم تحويل 0.7٪ من الكتلة الأصلية للهيدروجين إلى طاقة. هذا يعادل 175 مليون كيلوواط / ساعة من الطاقة من كل كيلوغرام من الهيدروجين.

1938 - قام الفيزيائيان النمساويان أوتو هان وليز مايتنر بقصف اليورانيوم بالنيوترونات واكتشاف الانشطار النووي. باختصار ، اليورانيوم ذرة كبيرة جدًا تحتوي على أكثر من 230 بروتون ونيوترون ، لذا فإن ضربها بـ "رصاصة" نيوترونية يمكن أن يؤدي إلى انقسامها إلى قسمين. تهرب مايتنر ، وهي يهودية ، إلى السويد عندما تغزو ألمانيا النمسا وتعد ورقة بمساعدة ابن أخيها الفيزيائي أوتو فريش. يخبر فريش بور (انظر 1913) عن الجريدة التي بدورها تنشر الكلمة في الولايات المتحدة خلال مؤتمر عقد في يناير 1939.

1939 - علم الفيزيائي المجري ليو زيلارد ، بعد أن فر من أوروبا التي احتلها النازيون إلى الولايات المتحدة ، بالانشطار النووي وأدرك أنه يمكن استخدامه لإنتاج تفاعل متسلسل. بدأ على الفور حملة لإقناع العلماء الأمريكيين بضرورة الحفاظ على سرية أبحاثهم النووية طواعية ، حتى لا يتعلم النازيون منها. إنه ناجح إلى حد كبير.

1940 - قام الفيزيائيان الأمريكيان إدوين ماكميلان وفيليب أبيلسون بقصف اليورانيوم بالنيوترونات لإنتاج البلوتونيوم. اليورانيوم هو العنصر رقم 92 ، والبلوتونيوم هو العنصر رقم 93 ، لذا فإن ماكميلان وأبلسون هما أول فيزيائيين ينتجان عنصرًا جديدًا. في إطار جهوده لعزل البلوتونيوم ، بدأ أبيلسون في تطوير طرق لفصل النظائر المشعة النادرة عن أشقائهم الأكثر شيوعًا. لقد اتخذ الخطوة الأولى نحو إنتاج اليورانيوم المخصب.

1941 - تصرف جزئيًا ردًا على رسالة موقعة من ألبرت أينشتاين وعلماء فيزيائيين بارزين آخرين ، محذرين من خطر اكتشاف ألمانيا النازية للانشطار النووي ، وقع الرئيس فرانكلين روزفلت على أمر سري لبدء مشروع مانهاتن.

1942 - أصبح إنريكو فيرمي (انظر 1931) ، الذي فر الآن من إيطاليا الفاشية إلى الولايات المتحدة ، العالم الرئيسي المسؤول عن إنتاج تفاعل متسلسل لمشروع مانهاتن. من خلال العمل في مختبر سري يقع تحت مدرجات ملعب كرة القدم بجامعة شيكاغو ، يقوم فيرمي وفريقه ببناء أول كومة نووية في العالم (يطلق عليها لأنها حرفياً عبارة عن كومة ضخمة من كتل اليورانيوم والجرافيت والكادميوم المرتبة بعناية). في الساعة 3:45 مساءً يوم 2 ديسمبر ، يُسمح له بالانتقال إلى الوضع الحرج لبضع ثوانٍ فقط ، مما يثبت أن الاستخدام العملي للطاقة النووية ممكن. كإجراء أمان ، يقف ثلاثة فيزيائيين شبان على سقالات فوق الكومة مع دلاء من الماء تحتوي على أملاح الكادميوم الذائبة - قيل لهم أنه يجب عليهم سكب الماء في الكومة إذا بدأ المفاعل في حدوث تفاعل الانجراف. (في الإنصاف ، يجب أن أشير إلى أن الكومة كانت تحتوي أيضًا على جهاز إغلاق تلقائي أكثر تقليدية. ولكن نظرًا لعدم قيام أي شخص بتشغيل مفاعل من قبل ، فقد اعتقد الفريق أنه من الأفضل تشغيله بأمان.)

1945 - في 16 يوليو ، قبل الفجر بقليل ، تم تفجير أول قنبلة ذرية في العالم في موقع اختبار في الصحراء على بعد 60 ميلاً شمال غرب ألاموغوردو ، نيو مكسيكو. يقوم Fermi بتقدير فوري لقوته عن طريق إلقاء بعض قطع الورق في الهواء وقت الاشتعال ، ثم مراقبة المسافة التي تطاير بها الانفجار. (كان فيرمي على بعد حوالي 10 أميال من نقطة الصفر.) يأتي هذا الحدث بعد ثلاث سنوات من العمل المحموم في مرافق سرية تقع في هانفورد وواشنطن أوك ريدج وتينيسي ولوس ألاموس ، نيو مكسيكو.

بالكاد بعد شهر ، قضت القنابل الذرية على هيروشيما وناغازاكي ، مما أسفر عن مقتل أكثر من 100000 شخص. استسلمت إمبراطورية اليابان بعد ذلك بوقت قصير. (الصورة لناغازاكي ، اليابان ، في 9 أغسطس 1945.)


داخل عقل البارون الأحمر & # x27s

الطبيعة الثابتة للحرب

مصنع التجسس: خبير أسئلة وأجوبة

في عام 1942 ، كان ملعب الاسكواش المهجور الواقع تحت ملعب كرة القدم المهجور في جامعة شيكاغو أكثر بقليل من قرحة في العين. ولكن عندما رأى الطلاب بقايا ألعاب الاسكواش في الماضي ، رأى الفيزيائي إنريكو فيرمي مكانًا مثاليًا لإجراء تجربة ، ستغير نتائجها مسار الحرب العالمية الثانية وتفتح حقبة جيوسياسية جديدة مشحونة.

كانت غرفة الطوب المقوى بحجم مثالي لاستيعاب كومة مكدسة بدقة من 40.000 طوبة جرافيت ، بعضها يحتوي على اليورانيوم ، والبعض الآخر تم حفره بفتحات مصممة لتناسب 14 قدمًا من الأنابيب الطويلة المطلية بالكادميوم.

عامل يقف بجانب كتل الجرافيت التي شكلت العمود الفقري لمفاعل شيكاغو بايل -1 ، وهو مفاعل نووي بدائي.

في الثاني من كانون الأول (ديسمبر) ، كدس فيرمي وما يقرب من 50 من زملائه العلماء في المدرجات. عدادات جيجر في متناول اليد ، راقبوا القراءات تتصاعد حيث تمت إزالة الأنابيب الممتصة للنيوترونات واحدة تلو الأخرى. بدون مخازن الكادميوم ، كانت النيوترونات الناتجة عن شطر ذرات اليورانيوم غير مقيدة ، وحرة في الاصطدام بذرات اليورانيوم الأخرى ، مما أدى إلى إطلاق المزيد من النيوترونات التي تسببت في المزيد من الاصطدامات.

عندما تمت إزالة الأنبوب الأخير في الساعة 3:25 مساءً ، كانت الكومة تحافظ على تيار مستمر من الطاقة الذرية. لم تعد هذه ملعب اسكواش. This was home to the world’s first manmade nuclear reactor and the provenance of the Atomic Age.

Today marks the 75 th anniversary of the Chicago Pile-1 chain reaction, a scientific breakthrough that made nuclear power and weaponry possible. It also opened up entire new avenues of research in medicine, engineering, and aeronautics. Though that initial reaction only generated about half a watt of power, the event marked a turning point. Later developments would give humankind access to unprecedented levels of power while forcing us confront whether and how it should be used.

“They had basically created an entirely new energy source,” says Rachel Bronson, president and CEO of the Bulletin of the Atomic Scientists. “They had created fire in some ways.”

In the process, the minds behind the Chicago Pile-1 broke cultural and political barriers, she adds. Fermi was an Italian immigrant, and Hungarian refugees played crucial roles in the project, including Leo Szilard , who came up with the idea of a nuclear chain reaction, and Eugene Wigner , who would later share a Nobel Prize for his contributions to atomic research.

“So many of the big issues that we’re grappling with—how to manage nuclear power, what kind of funding should go into research and development, what should our immigration policy be, this was all swirling around the Manhattan Project in 1942,” Bronson says.

While those questions loomed in the background of the Chicago Pile experiments, Fermi’s team stayed focused on two immediate goals—one, figure out how to control nuclear energy before Germany, and two, prevent the reaction from spiraling out of control. Given that the safety controls were primitive by today’s standards and mostly relied on a few cadmium tubes to prevent a nuclear explosion, the risk was very real.

“We could have very easily lost Chicago,” says Peter Kuznick, director of the Nuclear Studies Institute at American University in Washington, D.C.

Chicago Pile-1 was build beneath the stands of Stagg Field at the University of Chicago, located in the heart of the city.

Fermi’s team was well aware of the destructive potential of their research. Even while constructing the Chicago Pile, Szilard believed that the experiments “would go down as a black day in the history of mankind .” Their experiments also helped usher in an era in which scientists were more outspoken about how their work was used. Following World War II and into the Cold War, physicists routinely argued for the restriction or elimination of nuclear arms. Such activism around nuclear issues is another legacy of Fermi’s chain reaction, Kuznick says.

Fermi’s team probably never envisioned that their radioactive pile of graphite bricks would lead to cancer-spotting imaging technologies or devices that can help find hidden tombs in ancient Egyptian pyramids. But as they sat in those University of Chicago bleachers, listening to the ever-increasing clicks of their Geiger counters, they knew that something big was happening, says Alex Wellerstein, assistant professor of science and technology studies at the Stevens Institute of Technology.

“They definitely thought they were on the cusp of a new world with their experiment,” he says. “They knew it was just the beginning.”

Receive emails about upcoming NOVA programs and related content, as well as featured reporting about current events through a science lens.


Harnessing fission

As part of the Manhattan Project effort to build an atomic bomb during World War II, Szilard worked together with physicist Enrico Fermi and other colleagues at the University of Chicago to create the world’s first experimental nuclear reactor.

For a sustained, controlled chain reaction, each fission must induce just one additional fission. Any more, and there’d be an explosion. Any fewer and the reaction would peter out.

Nobel Prize winner Enrico Fermi led the project (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA)

In earlier studies, Fermi had found that uranium nuclei would absorb neutrons more easily if the neutrons were moving relatively slowly. But neutrons emitted from the fission of uranium are fast. So for the Chicago experiment, the physicists used graphite to slow down the emitted neutrons, via multiple scattering processes. The idea was to increase the neutrons’ chances of being absorbed by another uranium nucleus.

To make sure they could safely control the chain reaction, the team rigged together what they called “control rods.” These were simply sheets of the element cadmium, an excellent neutron absorber. The physicists interspersed control rods through the uranium-graphite pile. At every step of the process Fermi calculated the expected neutron emission, and slowly removed a control rod to confirm his expectations. As a safety mechanism, the cadmium control rods could quickly be inserted if something started going wrong, to shut down the chain reaction.

Chicago Pile 1, erected in 1942 in the stands of an athletic field at the University of Chicago. (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA)

They called this㺔x6x25-foot setup Chicago Pile Number One, or CP-1 for short – and it was here they obtained world’s the first controlled nuclear chain reaction on December 2, 1942. A single random neutron was enough to start the chain reaction process once the physicists assembled CP-1. The first neutron would induce fission on a uranium nucleus, emitting a set of new neutrons. These secondary neutrons hit carbon nuclei in the graphite and slowed down. Then they’d run into other uranium nuclei and induce a second round of fission reactions, emit even more neutrons, and on and on. The cadmium control rods made sure the process wouldn’t continue indefinitely, because Fermi and his team could choose exactly how and where to insert them to control the chain reaction.

A nuclear chain reaction. Green arrows show the split of a uranium nucleus in two fission fragments, emitting new neutrons. Some of these neutrons can induce new fission reactions (black arrows). Some of the neutrons may be lost in other processes (blue arrows). Red arrows show the delayed neutrons that come later from the radioactive fission fragments and that can induce new fission reactions. (MikeRun modified by Erin O’Donnell, MSU, CC BY-SA)

Controlling the chain reaction was extremely important: If the balance between produced and absorbed neutrons was not exactly right, then the chain reactions either would not proceed at all, or in the other much more dangerous extreme, the chain reactions would multiply rapidly with the release of enormous amounts of energy.

Sometimes, a few seconds after the fission occurs in a nuclear chain reaction, additional neutrons are released. Fission fragments are typically radioactive, and can emit different types of radiation, among them neutrons. Right away, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner and others recognized the importance of these so-called “delayed neutrons” in controlling the chain reaction.

If they weren’t taken into account, these additional neutrons would induce more fission reactions than anticipated. As a result, the nuclear chain reaction in their Chicago experiment could have spiraled out of control, with potentially devastating results. More importantly, however, this time delay between the fission and the release of more neutrons allows some time for human beings to react and make adjustments, controlling the power of the chain reaction so it doesn’t proceed too fast.

Nuclear power plants operate in 30 countries today. (AP Photo/John Bazemore)

The events of December 2, 1942 marked a huge milestone. Figuring out how to create and control the nuclear chain reaction was the foundation for the 448 nuclear reactors producing energy worldwide today. At present, 30 countries include nuclear reactors in their power portfolio. Within these countries, nuclear energy contributes on average 24 percent of their total electrical power, ranging as high as㻈 percent in France.

CP-1’s success was also essential for the continuation of the Manhattan Project and the creation of the two atomic bombs used during World War II.


Remembering the Chicago Pile, the World’s First Nuclear Reactor

December 2, 1942, was the coldest day in Chicago in almost fifty years. That frigid afternoon, a crew of men and women—many of them hailing from countries an ocean away, where the Second World War raged—gathered under the viewing stands of the University of Chicago’s Stagg Field to light a secret fire. They were members of the Metallurgical Laboratory, an organization that had existed only since that January, and were attending to their creation, a dusty collection of graphite, uranium, and scientific equipment that they called the Pile. Today, we know it as something different: the world’s first nuclear reactor.

The Chicago Pile deserved its low-tech name. It was a stack of forty thousand graphite blocks, held together in a wooden frame, twenty-five feet wide and twenty feet tall. Inside about half of the blocks were holes containing small amounts of uranium oxide inside a few others were nuggets of refined uranium metal, the production of which was still a novel process. The Pile had few safety features. The scientists’ only protection against radiation came from a set of cadmium control rods, designed to be inserted and removed by hand, along with untested theories and calculations. As one governmental report later put it, “there were no guidelines to follow and no previous knowledge to incorporate.” Neither university nor city officials were told that an experiment that even its creators judged as risky was taking place in the heart of the second-largest city in the United States.

The experiment itself was something of an anticlimax. The Pile was started up, brought to criticality (the point at which a nuclear reaction becomes self-sustaining), then shut down half an hour later, before its growing heat and radioactivity became too dangerous. The Metallurgical Laboratory experimented with it for a few months before disassembling and reconstituting it—now with radioactive shielding—at a site somewhat more removed from the city, where it became known as Chicago Pile-2. Ultimately, the reactor ran for over a decade before it was finally dismantled and buried in the woods.

The Pile was not an abstract scientific achievement. It was part of a much larger plan, conceived under the auspices of the Manhattan Project, to build a fleet of industrial-sized nuclear reactors—not for the generation of electrical power (that would come much later) but to produce plutonium, a fuel for nuclear weapons. Virtually overnight, the University of Chicago had become a major wartime contractor. (One of its many government contracts, by itself, doubled the school’s budget.) Data from the Pile would inform the design of later reactors, including the one that furnished the plutonium for history’s first nuclear-weapons test, known as Trinity, and the atomic bomb dropped on Nagasaki.

Wartime secrecy and suspicion suffused every aspect of the Metallurgical Laboratory’s work. The U.S. military had deemed some of its staff, including Arthur Compton, its Nobel Prize-winning director, security risks. Other members of the project, including the gadfly physicist Leo Szilard and even the eminent Enrico Fermi, were considered “enemy aliens,” because the countries from which they had fled were under Fascist rule. Vannevar Bush, the scientist-administrator who coördinated much of the early work on the Manhattan Project, appealed to the military to let these concerns slide. Rather than letting nuclear experts roam free, wouldn’t it be better, he suggested, “to take in and put under thorough control practically every physicist in the country having background knowledge of the subject”?

Eventually, the government addressed its security concerns by opening a new facility in a more isolated location, where the truly sensitive work could be done. This became the Los Alamos laboratory, in New Mexico. Though many of the Chicago team’s most trusted scientists made the journey to Los Alamos, others stayed—or were kept—behind. They did not, however, remain idle. Having completed the majority of their jobs in the early part of the Manhattan Project, and unburdened by the challenges of actually building the bomb, they had time to reflect on the social and political problems posed by the new technology. A report on this topic, chaired by James Franck, a Nobel Prize-winning physicist from Germany who had worked on chemical weapons in the previous war, concluded somewhat heretically that the first atomic weapons should not be dropped on cities without warning. The Franck Report elicited some discussion at higher levels of the Manhattan Project, but no plans were changed on account of it. Eventually, after the war, it was released to the public, with some alterations made by the military. One line that was scratched out of every copy of the report, but is just visible in originals by holding it up to the light at the right angle, argued that, should the United States be the first country to use nuclear weapons in war, it “might cause other nations to regard us as a nascent Germany.”

Not all of the Chicago scientists’ thoughts were so dark. Members of the Metallurgical Laboratory also wrote reports about the peaceful benefits of the atom, imagining a new field of science and technology, which they dubbed “nucleonics,” ushering in medical breakthroughs and new energy supplies in the wake of the Second World War. They recommended the creation of a national-laboratory system, to insure that organizations such as the Metallurgical Laboratory could exist in peacetime, and lobbied vigorously for what they considered wise policy on atomic weapons. The Bulletin of the Atomic Scientists of Chicago and the Federation of Atomic Scientists (later the Federation of American Scientists) both emerged out of this political awakening, and a movement for social responsibility on behalf of scientists was born. The Pile team turned out to be better at building reactors that changing public policy, but its legacy of activism and public engagement reverberates in today’s discourse about climate change.

After the war had ended and the world had come to appreciate the power that had been unleashed, the University of Chicago installed a bronze plaque commemorating the Pile. It read, “On December 2, 1942, man achieved here the first self-sustaining chain reaction and thereby initiated the controlled release of nuclear energy.” In a rejected suggestion, the university press director proposed that a phrase be added to the end: “for better or worse.”


The Plan B decision to build at UChicago

The University wasn’t the original site for the historic experiment though. In early 1942, Compton identified a promising plot of land while on a horseback ride in a forest preserve about 25 miles southwest of Chicago. But by late October, workers constructing the buildings in the so-called Argonne Forest went on strike, and it soon became clear that the site wouldn’t be ready until year’s end.

Fermi suggested to Compton that he could demonstrate the controlled chain reaction safely on campus—under Stagg Field, the long-abandoned, crumbling home of the former Big Ten football powerhouse. And if something were to go wrong, “I will walk away—leisurely,” Fermi once wrote. As a safeguard, a series of control rods would be installed to prevent a runaway reaction.

“According to Fermi’s calculations, which I carefully checked…it should take some minutes for the reaction to double its power," Compton wrote in his memoir. “If this proved correct, there would be ample time for adjustments, and the reaction would be under full control.”

Compton at the outset had predicted a nuclear chain reaction would be achieved by Jan. 1, 1943. With time of the essence, Compton told Fermi to proceed without informing UChicago President Robert Maynard Hutchins. Compton felt Hutchins, a trained jurist and former Law School dean, “was in no position to make an independent judgment of the hazards involved.”

“As a responsible officer of the University, according to every rule of organizational protocol, I should have taken the matter to my superior. But that would have been unfair,” wrote Compton. “Based on considerations of the University’s welfare, the only answer he could have given would have been—no. And this answer would have been wrong. So I assumed the responsibility myself.”


Path to criticality

The self-assured Fermi gave Compton little cause for concern. In September, Fermi began a series of multi-hour weekly lectures at Eckhart Hall on the UChicago campus, where he described the measurements that would determine when the pile would go critical.

When he started building chain-reacting piles at Columbia University after his arrival in January 1939, Fermi would don a lab coat and worked alongside football players enlisted to move the 50- to 100-pound bricks of graphite. &ldquoWith Fermi, it was the work that made the physics worthwhile. He wanted to wrestle with nature himself, with his own hands,&rdquo wrote physicist Herbert Anderson, who ran the night shift in Chicago&rsquos pile program, in a 1974 Bulletin essay. &ldquoHe liked to have someone to work with. He liked the companionship the work went faster that way.&rdquo

This artist's conception shows the UChicago students, scientists and day laborers working on Chicago Pile-1. (Photo courtesy of National Archives and Records Administration)

There were no blueprints for the Chicago pile. Instead, machinists and scientists reported on the daily progress of construction to Fermi. Two crews formed: One pressed uranium oxide power into 22,000 spheres the size of baseballs. The other used a wood planer to mill about 400 tons of graphite into rectangles, which were then drilled to create holes to hold the uranium.

&ldquoWe found out how coal miners feel,&rdquo wrote Wattenberg in the Bulletin. &ldquoOne shower would remove only the surface graphite dust. About a half-hour after the first shower, the dust in the pores of your skin would start oozing.&rdquo

By late fall, dozens of smaller test piles had provided proof-of-concept for Fermi&rsquos larger experiment. But CP-1, 20 times larger than its predecessors, would require even larger amounts of uranium and graphite in purer forms.

On Nov. 16, two 12-hour shifts began to construct the pile&mdashwork that would continue non-stop over the next 15 days. By the evening of Dec. 1, they had constructed the reactor, which resembled a 57-layer graphite cake, wrapped in wood and studded with hundreds of uranium raisins toward the center that would serve as the nuclear fuel for the reaction.

By the morning of Dec. 2, Chicago Pile-1 was ready.

Photograph taken in November 1942 during construction of the first nuclear reactor. Chicago Pile-1 consisted of 57 layers cost an estimated $2.7 million and contained 380 tons of graphite, 40 tons of uranium oxide and six tons of uranium metal. (Photo courtesy of Argonne National Laboratory)


Enrico Fermi

Under the west stand of the University of Chicago’s squash courts in Stagg Field, sits a plaque. It reads: “On December 2, 1942, man achieved here the first self-sustaining chain reaction and thereby initiated the controlled release of nuclear energy.” How did the squash courts at the University of Chicago became the site of the first self-sustaining nuclear chain reaction? The story begins in Italy in 1915.

In Rome that year a 14 year old boy, grieving the death of his older brother, sought distraction in books. Roaming the Campo de Fiori he happened upon two antique volumes of elementary physics. Our world was never to be the same. The boy was Enrico Fermi, and he would become the man who in 1942 performed the first self-sustaining nuclear chain reaction at the University of Chicago’s squash courts.

Fermi’s interest in physics was intense. At 19, he entered the University of Pisa, where, by some accounts, he shortly began instructing his teachers. At the tender age of 25, he became a professor of theoretical physics at the University of Rome. In 1934, Fermi almost discovered nuclear fission—the process that was used in the first atomic bomb—while conducting experiments in the radioactive transformations that resulted when various elements were repeatedly bombarded with neutrons. However, Fermi missed this opportunity because the sheet of foil he used to cover his uranium sample, which would have created fission, was too thick. It blocked the fission fragments from being recorded and went unnoticed. Though Fermi failed to discover fission, he did discover that passing neutrons through a light-element “moderator,” such as paraffin, slowed them down and in turn, increased their effectiveness. This discovery was instrumental in generating the heat needed by a nuclear reactor to generate electricity. In 1938 Fermi was awarded the Nobel Prize for his work.

Fermi traveled from Italy to Sweden to obtain his Nobel medal and never returned home. Italy’s fascist and anti-Semitic climate increasingly disturbed him. Like many European scientists of the period he left Europe and settled in the United States, taking employment at the University of Chicago. Others at the university were working on the atomic bomb. Fermi’s task was to find a way to control the chain reaction that resulted from fission. His answer was to create a nuclear reactor, which Fermi, whose English was still poor, called simply a “pile,” so that, theoretically, he could insert a neutron-absorbing material into the midst of the fission process to control its speed.

In December 1942 Fermi and his team were prepared to test their reactor. Due to space considerations, the “pile” was set up in the university’s squash court. The test did not occur without some concern. Up to that very moment Fermi’s notions about controlling fission were based entirely on theory, not practice. If he was wrong, Chicago could be blown away. The test began. At first, just a couple of rods were removed. Gradually, Fermi pulled more. Finally, it was apparent—Fermi and his team had created a self-sustaining nuclear reaction—the first controlled flow of energy from a source other than the sun. A coded message told the government of this success: “The Italian navigator has just landed in the new world.”


السنوات الأخيرة والموت

Fermi continued his work at the Institute for Nuclear Studies at the University of Chicago, where he turned his attention to high-energy physics and led investigations into the origin of cosmic rays and theories on the fantastic energies present in cosmic ray particles.

By 1954, Fermi was diagnosed with incurable stomach cancer, and spent the remaining months of his life in Chicago, undergoing various medical procedures. He died in his sleep on November 28, 1954, at his home in Chicago, Illinois.


شاهد الفيديو: Enrico Fermi Biography