Rozszczepienie atomu uranu – część I

Niedawno obchodziliśmy 80. rocznicę dramatycznego wydarzenia – zrzucenia bomb atomowych na Hiroszimę i Nagasaki. Był to ostatni akord wydarzeń, które tak naprawdę zaczęły się kilka lat wcześniej w zaciszu niemieckich laboratoriów.
Już w roku 1938 na świecie wyraźnie było czuć nadciągającą burzę. Wiosną Trzecia Rzesza dokonała anszlusu Austrii, a wrześniowy układ z Monachium przypieczętował los sporej części Czechosłowacji, którą zajęto wiosną następnego roku. Jednocześnie w laboratoriach naukowych trwały prace, które kilka lat później miały się okazać absolutnie przełomowe. Fizyka od początku XX wieku przyśpieszała – i to zarówno teoretyczna, jak i doświadczalna.

Młode lata Ottona Hahna

Pod koniec XIX wieku we wspomnianym Monachium dorastał młody człowiek, który jeszcze nie wiedział, jak bardzo jego odkrycia zmienią losy świata. Otto Hahn urodził się w 1879 roku, tym samym, w którym zmarł wybitny fizyk James Clerk Maxwell. Był błyskotliwym dzieckiem, chociaż nie bardzo przekładało się to na formalne oceny szkolne. W pralni urządził sobie laboratorium chemiczne, w którym przeprowadzał doświadczenia. Mimo wszystko na świadectwie gimnazjalnym najlepsze oceny miał nie z fizyki, chemii czy matematyki, ale ze śpiewu, gimnastyki oraz religii. Bez żadnego problemu ukończył w Marburgu studia chemiczne, potem pracował pod kierunkiem legendarnego chemika organika, prof. Adolfa von Baeyera. Pracę o pochodnych izoeugenolu obronił w wieku 22 lat. Po doktoracie postanowił na jakiś czas przenieść się do Londynu. Miał wiele szczęścia, bo trafił tam do zespołu wybitnego chemika i fizyka, sir Williama Ramsaya, szeroko już znanego m.in. jako odkrywca gazów szlachetnych.
I właśnie Ramsay powiedział młodemu uczonemu: zajmiesz się radioaktywnością. Hahn był tym zaskoczony. „Promieniotwórczość? To nie dla mnie, przecież jestem chemikiem organikiem”. Zabrał się jednak do solidnej pracy i okazało się, że znajomość chemii organicznej, a szczególnie technik żmudnego rozdzielania substancji, bardzo mu pomogła w dalszych działaniach. Po roku przeniósł się do Montrealu na anglojęzyczny uniwersytet McGill, gdzie na półtora roku jego mentorem został legendarny Nowozelandczyk Ernest Rutherford. Hahn stał się tam jednym z ekspertów w dziedzinie rozdzielania substancji radioaktywnych.
W 1906 powrócił do Niemiec i osiadł w Berlinie. Emil Fischer, ówczesny dyrektor instytutu chemii, oddał Hahnowi do dyspozycji starą, zrujnowaną stolarnię, którą uczony bardzo szybko zmienił w laboratorium badań nad promieniotwórczością (trochę podobnie do losów Skłodowskiej, prawda?). I właśnie w tych dość prymitywnych warunkach dokonał kilku kolejnych istotnych odkryć w tej dziedzinie, co w efekcie dało mu w 1910 roku tytuł profesora. Przeniósł się do Towarzystwa im. Cesarza Wilhelma, którego ówczesna siedziba mieściła się w Dahlem, na obrzeżach Berlina (od 1920 dzielnica Berlin-Dahlem).

Ottona Hahna można uznać za typowy przykład roztargnionego profesora. Znana jest historia, gdy w 1911 roku jechał na kongres do Szczecina (ówczesny Stettin). Miał z sobą w teczce świeżo wyprodukowaną w jednym z instytutów próbkę silnie promieniotwórczego mezotoru (izotop radu) o wartości 100 tysięcy marek niemieckich (wtedy była to niewyobrażalna suma, rzędu dzisiejszego 0,5 mln euro). No i w zamyśleniu zostawił cenną teczkę w tramwaju. Na szczęście przypomniał sobie o niej bardzo szybko, zdołał pieszo dopędzić tramwaj i odzyskać ją. Swoją drogą – jak widać, ochrona radiologiczna w tamtych czasach była czymś nieznanym. Szczecin okazał się też dla niego szczęśliwy prywatnie. Właśnie wtedy poznał przyszłą żonę, Edith. Tam też wzięli ślub w 1913 roku.

Grupa badawcza w Dahlem

Hahn naprawdę umiał dobierać sobie ludzi do zespołów badawczych. Jego główną współpracowniczką była przez wiele lat Austriaczka Lise Meitner. Była to niezwykła postać – pierwsza kobieta w Niemczech, która została profesorem fizyki.

Wspólnie odkryli kilka izotopów, głównie toru, a także wydzielili nowy pierwiastek promieniotwórczy, protaktyn. Ich współpraca układała się doskonale, rozumieli się świetnie.
Niestety, w tym momencie Lise Meitner dopadła historia. Pod koniec lat 30. zaczęły się nad nią zbierać czarne chmury. Układ monachijski i anszlus Austrii zmieniły radykalnie jej status. Pochodziła z rodziny żydowskiej, więc w Niemczech pod rządami Hitlera na włosku wisiała nie tylko jej kariera, ale nawet życie. Musiała się zdecydować na desperacki krok, a mianowicie ucieczkę z kraju. W ścisłej tajemnicy, dzięki pomocy holenderskich fizyków, zorganizowano jej wyjazd do Holandii. Otto Hahn dał jej na pożegnanie cenny pierścionek z brylantem, należący do jego matki (według niektórych źródeł był to pierścionek babci). Miał zostać użyty do przekupienia straży granicznej, gdyby zaszła taka konieczność. Okazało się to zbędne, ponieważ jeden z fizyków towarzyszących Meitner wystarczająco wiarygodnie przekonał żołnierzy, aby ją przepuścili. Była bezpieczna, ale oprócz pierścionka miała w torebce zaledwie 10 marek. Cały majątek został w Berlinie. Nie udało jej się znaleźć pracy w Holandii, co akurat w tym przypadku było chyba zrządzeniem losu. Jeszcze przed wybuchem wojny przeniosła się do Szwecji, która pozostała neutralna. Tam władza niemiecka nie sięgała.
Wróćmy jednak do Berlina. Otto Hahn intensywnie pracował z drugim uczonym, Fritzem Strassmannem, specjalistą od chemii analitycznej. Jesienią 1938 roku zaczęli badania nad bombardowaniem uranu neutronami. Była to do pewnego stopnia kontynuacja prac włoskiego fizyka Enrico Fermiego. Hipoteza głosiła, że jeśli atom uranu wchłonie neutron, przekształci się w „sztuczny” pierwiastek 93, który nie występuje na Ziemi. Takie pierwiastki, których dziś znamy kilkanaście, noszą wspólną nazwę transuranowców. Jednak, jak niebawem miało się okazać, była to ślepa uliczka.
Wyniki otrzymywane w okresie od września do listopada 1938 były co najmniej dziwne. Najbardziej precyzyjne sposoby rozdziału nie pozwoliły na znalezienie poszukiwanego pierwiastka 93. A już największym szokiem był fakt, że po każdym eksperymencie uzyskiwali coraz większą pewność, że w produktach reakcji jest spora ilość innego pierwiastka, baru (Ba).

Tu mała uwaga fizyczna: atom uranu w mikroskali jest olbrzymi. Ma w jądrze 92 protony oraz 143 lub 146 neutronów (w zależności od izotopu). Łączna masa atomowa wynosi więc nawet 238 (izotop najcięższy). Tymczasem atom baru ma tylko 56 protonów i 82 neutrony – masa atomowa 138. Jest więc o ok. połowę mniejszy.
W pierwotnej próbce oczywiście nie było nawet śladów baru, a po eksperymencie z naświetlaniem pojawiało się go sporo, zbyt dużo, aby uznać go za jakieś przypadkowe zanieczyszczenie. Skąd się wziął? Nikt w tym momencie nie podejrzewał, że pochodzi on z uranu. Przecież atom uznawany był w tamtych czasach za coś, czego nie można było ot tak rozłupać na kawałki. W końcu „a-tomos” oznacza niepodzielny. Oczywiście znano już rozpady promieniotwórcze, ale one dawały w efekcie pierwiastki położone bardzo blisko wyjściowego materiału. To tak, jakby od kulki odłupać malutki kawałek, 1-2%, ale nie 50. Uran sam spontanicznie się rozpadał, ale w produktach były tor, rad, polon, a w końcu ołów. Nigdy nic mniejszego o prawie połowę.
Uczeni bardzo intensywnie pracowali, aby uzyskać jak najwięcej danych doświadczalnych, ale jednocześnie zastanawiali się nad wyjaśnieniem tego niezwykłego zjawiska. W tym celu Hahn wielokrotnie podróżował do Danii, gdzie spędził wiele godzin na dyskusjach na ten temat z Nielsem Bohrem oraz Lise Meitner, która też do wybuchu wojny odwiedzała kopenhaskie laboratorium.

O tym, kto wpadł na rozwiązanie problemu i jak to się stało – w części drugiej wpisu

Autor

Mirosław Dworniczak

Jestem emerytowanym chemikiem, który nadal pisze o rozmaitych sprawach, głównie na łamach miesięcznika „Wiedza i Życie”. Interesuję się naukami ścisłymi, twórczością Leonarda Cohena, popularyzuję e-papierosy jako metodę wychodzenia z nałogu palenia tytoniu. Słucham dobrej muzyki z lat 60. i 70. oraz tzw. piosenki autorskiej (poezji śpiewanej). Bardzo lubię czytać książki – różne, różniste.
Twitter: Mirek „Stary Chemik”
BlueSky: ‪@oldchemist.bsky.social‬

Ostatnie wpisy

Archiwum autora

• chemia29 października 2025Hel – niezwykły i niezbędny
• EM poleca15 października 2025EM poleca (#31) Karol Bączkowski – Książka o pierwszej pomocy napisana przez życie
• chemia8 października 2025Nobel 2025 z chemii: szkielety albo szukanie dziury w całym
• EM poleca17 września 2025EM poleca (#29) – Alice Lugen – „ZATO. Miasta zamknięte w Związku Radzieckim i Rosji”