人類の運命を変えたこの発見は、多くのノーベル賞受賞者の懸命な努力の結果でした。

原子力エネルギーは人類にとって諸刃の剣です。原子力エネルギーの平和利用は人類にエネルギー問題を解決する手段を提供します。一方、少なくとも数十万人の命を奪ってきた核兵器は、常に人類に終末の脅威を感じさせてきた。原子力エネルギーは、重い原子核の核分裂とそれに関連する連鎖反応によって誕生しました。 1938年12月、ウランの核分裂が確認され、人類は原子力と核兵器の時代へと突入し、最終的には原子爆弾の出現につながりました。実際、重原子核分裂の発見は困難な過程を経た。そこにはどんなスリリングな物語があるのでしょうか？

著者 |王山琴

1945 年 8 月 6 日、「リトルボーイ」というコードネームの原子爆弾が日本の広島上空で爆発しました。核爆弾の核には濃縮ウランがわずか64キログラムしか含まれていなかったが、一瞬にして街の半分を破壊し、数万人が死亡した。この過程で爆弾全体の質量損失は1グラム未満でした。

極めて強力な原子爆弾の開発には、マンハッタン計画で10万人以上の人々の努力が費やされましたが、その基本原理である重原子核分裂は偶然発見されました。

原子力、原子爆弾、そしてSF

1903年、ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所のアーネスト・ラザフォード（1871-1937）と彼の学生フレデリック・ソディ（1877-1956）は、放射性物質の崩壊によって放出されるエネルギーは、同じ質量の物質の化学エネルギーの少なくとも2万倍であり、100万倍に達する可能性もあると計算し、主張しました。 1904 年、ソディは、放射能の作用によって放出されるエネルギーが将来使用されるか、あるいは兵器にさえ使用される可能性があると予測しました。彼は、そのような兵器が人類の運命を変え、さらには世界を破壊する可能性もあると信じている。

ラザフォード（左、1892年、21歳）とソディ（右、1921年、44歳）。丨画像出典：パブリック著作権

ラザフォードとソディの先見の明は、アインシュタインが相対性理論とそれに関連する質量とエネルギーの関係を提唱するよりも先にありました。したがって、人類の原子力に対する理解は、相対性理論と質量エネルギー方程式の誕生（1905 年）よりも古いことになります。もちろん、物理学者は後にアインシュタインの公式を使って原子力エネルギーを説明しました。

ソディの見解に触発されて、イギリスの SF 作家ハーバート・ウェルズ (1866-1946) は 1913 年に SF 小説『自由になった世界』を執筆しました。「原子爆弾」という語句はこの本で初めて登場しました。著者は、1956年にイギリス、フランス、アメリカ、ドイツの間で世界大戦が勃発したと想像しています。ハンドバッグの中に入っていた原子爆弾は、都市の半分を破壊するのに十分でした。これらの原子爆弾は世界のすべての主要都市に投下されました。継続的な放射能により継続的な火災が発生し、甚大な被害が発生しました。

ウェルズ (1920) |写真提供: ジョージ・チャールズ・ベレスフォード

ウェルズが「予言した」原子爆弾は、内部の放射性物質が継続的な放射性崩壊を通じてエネルギーを放出するという原理に基づいていた。しかし、後に、物質の放射性崩壊だけでは核エネルギーを大規模に採取して兵器として使用することはできないことが実証されました。このような「原子爆弾」は、爆弾ではなく、放射性汚染物質としてのみ考えられます。

原子力の利用と原子爆弾の爆発の基礎は、重原子核分裂とそれに関連する連鎖反応です。重い原子核の核分裂が発見される前に、人類はまず軽い原子核の核分裂を発見し、人工放射能を実現しました。

軽い核分裂

1932年、キャベンディッシュ研究所のジョン・コッククロフト（1897-1967）とアーネスト・ウォルトン（1903-1995）は、粒子加速器を使用して陽子を加速し、リチウム7に衝突させました。 2つが衝突した後、2つのアルファ粒子に分裂しました。このプロセスは「原子の分裂」と呼ばれ、原子核が分裂した初めての事例でした。

コッククロフト（左）、ラザフォード（中央）、ウォルトン（右）。丨画像出典：パブリック著作権

コッククロフトとウォルトンは、この過程で失われる質量と放出されるエネルギーがアインシュタインの質量とエネルギーの関係に一致することも発見した。この功績により、二人は1951年にノーベル物理学賞を受賞した。

1933年、ラザフォードは演説を行った。彼は、コッククロフトとウォルトンがリチウムを陽子で分解した研究について言及したが、核エネルギーを大規模に利用できるとは考えていなかった。「これらのプロセスでは、陽子が提供できるよりもはるかに多くのエネルギーが得られるかもしれないが、一般的にこの方法でエネルギーを得ることは期待できない」

しかし、軽い核分裂が達成されたのと同じ年（1932年）、将来の重い核分裂につながる「剣」が発見されました。その後、数年間幽霊のように実験室に漂い続け、ついに人類は重原子核分裂を発見した。

中性子

1920 年、ラザフォードは原子核が正電荷を帯びた陽子と中性電荷を帯びた粒子で構成されていると提唱しました。後者は後に「中性子」と名付けられました。

1931年、ドイツの物理学者ヴァルター・ボーテ（1891-1957）とその弟子のヘルベルト・ベッカー（生没年不明）は、ポロニウムの崩壊によって放出されたアルファ粒子がベリリウム、ホウ素、またはリチウムに衝突すると、電界の影響を受けない透過性の高い放射線が発生することを発見しました。彼らはそれがガンマ線だと思ったのです。

1932 年初頭、ピエール・キュリー (1859-1906) とマリー・キュリー (1867-1934) の娘であるイレーヌ・ジョリオ＝キュリー (1897-1956、以下「イレーヌ」) と、その義理の息子であるジャン・ジョリオ＝キュリー (1900-1958、以下「ジョリオ」) も、実験中にこの放射線を発見しました。エレナとジョリオは、この中性放射線が非常にエネルギーが強いことも発見しました。パラフィンやその他の水素含有化合物に衝突すると、陽子が打ち消されるのです。彼らはまだそれがガンマ線だと思っている。

イレーヌとジョリオ（1935）|写真提供: Ph. Coll.アーカイブ ラーボル

キャベンディッシュ研究所のジェームズ・チャドウィック（1891-1974）は、アイリーンとジョリオが発表した論文を見て信じられない思いを抱きました。ガンマ線やそれより弱いX線は、電子に当たると電子を偏向させます（「コンプトン効果」）が、陽子の質量は電子の数千倍です。ガンマ線によってどのようにして原子核から排除されるのでしょうか?チャドウィックはラザフォードの弟子であり、中性子の存在に関するラザフォードの仮説を長い間知っていたため、これらの中性放射線はおそらく中性子であると推測するのは自然なことでした。この推測をできるだけ早く確認するために、彼はすぐに集中的な実験に取り掛かりました。

1932 年 2 月、チャドウィックは高エネルギー中性放射線はガンマ線ではなく、陽子とほぼ同じ質量を持つ電荷を持たない粒子の集まりであることを証明しました。これらの特性は仮想中性子の特性と一致しており、それらは中性子でした。

チャドウィック画像出典: ノーベル賞公式サイト (www.nobelprize.org)

チャドウィックはすぐに、電荷を帯びていない中性子で原子核を衝突させる方が、正に帯電したアルファ粒子と陽子で原子核を衝突させるよりも効率的であることに気づきました。なぜなら、それらは負に帯電した核外電子と正に帯電した原子核の電場力の影響を受けないからです。さらに、中性子を得るのは比較的簡単です。ラジウムやポロニウムなどの放射性元素の崩壊によって放出されたアルファ粒子をベリリウム 9 に衝突させて炭素 12 に変え、中性子を 1 個放出します。

中性子の発見と確認は、その後の原子核物理学の発展に重要な役割を果たしました。原子核物理学の分野の第一人者であるハンス・ベーテ（1906-2005）は、1932年以前の時代は原子核物理学の先史時代であると信じていました。 1932年に中性子が発見されたため、原子核物理学の時代が始まりました。

チャドウィックは中性子の発見と確認により1935年のノーベル物理学賞を受賞した。ベッカー、イレーヌ、ジョリオの3人はいずれも今年のノーベル物理学賞を逃した。

人工放射能

1934 年 1 月、アイリーンとジョリオは、特定のアルファ粒子がアルミホイルに衝突 (照射) すると、アルファ粒子源が除去されてもアルミホイルは放射能を帯びたままになることを発見しました。ガイガーカウンターに異常がないことを確認した後、研究者らは、この過程でアルファ粒子がアルミニウム原子核と結合して放射性リン30を形成し、中性子を放出し、その後リン30がシリコン30に崩壊したと推測した。

エレナさんとヨリオさんは化学実験を通じて、製品に確かにリンが含まれていることを証明しました。これは、安定したアルミニウム原子核が人工的にリンの放射性同位体に変換されることを意味します。この時点で、彼らは人工放射能を発見した。

人工放射能の発見は原子核物理学の分野における大きな進歩であった。これにより、放射性元素は重元素に限定されなくなり、周期表全体に拡大する可能性を秘めており、人類は人工的な手段でさまざまな元素の放射性同位体を生成することができます。

イレーヌが人工的に得た放射性物質をキュリー夫人に見せると、この偉大な物理学者であり化学者であった彼女は、娘と義理の息子の重要な業績に深く喜びました。彼女は、この貴重な実験結果を確かめるために、人工的に作られた放射性リン（放射能は非常に弱いので、何の影響も及ぼさない）が入った試験管に興奮しながら指を入れました。エレナは、これが母親がこんなに興奮した最後の時だったと思い出しました。 1934年7月、キュリー夫人は病気で亡くなりました。

イリーナは母親のメアリーの指導の下で研究を行った。エレナは幼い頃から母親と一緒に放射性同位元素の研究を始め、自然の放射能を発見しました。彼女は1925年に博士号を取得しました。丨画像出典: パブリック著作権

1935年、イレーヌとジョリオは人工放射能の発見によりノーベル化学賞を受賞しました。

超ウラン元素をめぐる議論

人工放射能発見のニュースがイタリアに伝わると、エンリコ・フェルミ（1901-1954）はチームメンバーのジャン・ウィック（1909-1992）の提案により、研究の焦点を理論から実験に移し、すぐにチームと共に実験装置を準備し、さまざまな元素ターゲットに中性子を照射して放射性同位元素をさらに生成しました。

当初、フェルミのチームの実験は常に失敗に終わった。その後、彼は標的の前にパラフィンワックスを置きました。パラフィンワックス内の陽子は高速中性子を低速中性子に変え、原子核と相互作用する時間を長くすることで、実験の効率を大幅に向上させます。フェルミのチームは当時知られていたほぼすべての元素を照射し、22 個の放射性同位体を取得しました。

フェルミのチームが元素番号90のトリウムと元素番号92のウランに放射線を照射したところ、生成された元素の特性がトリウムやウランの特性とは非常に異なることが分かりました。フェルミらは、これらが元素番号93と94、つまり超ウラン元素であると信じていた。フェルミの研究結果は同業者から非常に求められ、多くのチームがそれに倣った。

しかし、ドイツの化学者で物理学者のアイダ・ノダック（1896-1978）はフェルミの結論に強い疑問を呈した。ノダック氏とその夫（ウォルター・ノダック氏、1893-1960）は希土類元素の分野で優れた専門家でした。彼らとその協力者は1925年に元素番号75のレニウムを発見した。

ノダックの写真、1940 年頃。丨画像提供元: パブリック著作権

ノダックは「元素93について」と題する論文を発表し、フェルミが反応生成物を分析する際に鉛と鉛より重い元素のみを除外し、鉛より軽い元素を除外しなかったため、生成物がウランより重い元素であることを証明できなかったと指摘した。すべての軽元素が除外された場合にのみ、その生成物が超ウラン元素であることが証明されます。

ノダック氏は、フェルミが新しい重い元素を作ったのではなく、ウランが分裂した際に既存の軽い元素が作られたのではないかと考えている。 「原子核がいくつかの大きな破片に分裂し、それが既知の元素の同位体であり、照射された元素[ウラン92]の隣接元素[元素93]ではないと考えられる」と彼女は言う。

NoDak は実際に、激しい核分裂の可能性を予測していました。この説明が真実であれば、フェルミが実際に発見したのは重い原子核の核分裂だったことになります。しかし、ノーダックにはウランがなかったため、この実験を行うことはできず、理論的な証明も提供しませんでした。さらに、当時の彼女は単なる「無給の協力者」であり、学術界での地位は低かった。さらに重要なことは、当時の科学界では一般に、小さな中性子が重い原子核を粉砕して分裂させることができるとは信じていなかったことです。ノダックの論文は当時、同僚たちから広く嘲笑された。

1935年か1936年に、ノダックと夫は有名なドイツの化学者オットー・ハーン（1879-1968）に、講義や著作の中でフェルミの研究に対するノダックの批判に言及するよう依頼した。それらは以前にもハーンの注目を集めていたが、彼は明確にそれらを拒絶した。ハーン氏はノダック氏の見解は馬鹿げていると考えていたため、彼女の見解を引用すれば学界で物笑いの種になるだけだろうと考えた。

嵐の前に

ハーン氏がノダック氏の要請を無視したことは理解できる。彼も当時このテーマを研究していたからだ。

1934年、リーゼ・マイトナー（1878-1968）はハーンをフェルミの研究を引き継ぐよう招いた。二人は長い間一緒に働いていたが、この時点では10年以上一緒に働いていなかった。

ハーン氏は当初、フェルミの実験を繰り返すことに消極的だった。しかし、アリスティド・フォン・グロッセはハーンに対し、フェルミは超ウラン元素ではなく、元素番号91の同位体であるプロトアクチニウムを発見した可能性があると語った。ハーン氏はすぐにこのテーマに興味を持ち、マイトナー氏と協力して、この生成物が低質量のプロトアクチニウムなのか、高質量の超ウラン元素なのかを検証することに同意した。

1912 年、研究室にいるハーンとマイトナー。丨画像提供: パブリック著作権

1935年、ハーンは優秀な助手フリッツ・シュトラスマン（1902-1980）を雇いました。こうして、3人は本格的に実験を開始した。

シュトラスマン。

1934年から1938年初頭にかけて、この3人はそれまで知られていなかった10種類以上の同位体を発見した。彼らは、これらがすべて超ウラン元素の同位体であると信じ、元素93から96を「確認」し、生成物中のウラン239を確認し、その半減期を23分と測定した。しかし、彼らはまだ真の元素93やそれより重い元素を得ることができなかった。ハーン氏とシュトラスマン氏は実験化学を改良し、マイトナー氏は新たな実験を設計した。

この時期、イリーナとユーゴスラビアの物理学者パヴレ・サヴィッチ（1909-1994）もフェルミの実験を追っていた。研究者らは、ウランに中性子を照射した後、生成物に半減期が3.5時間の元素が含まれていることを発見した。これは元素番号90のトリウムの同位体である可能性がある。

サベージ（1969年以前）|画像出典: パブリック著作権

ハーンらは、この結論は不合理だと考えた。なぜなら、それはウラン原子核に衝突する低速中性子がアルファ粒子を破壊できることを意味するからだ。さらに、この論文ではハーン氏らの貢献が十分に認められていなかったため、ハーン氏は非常に不満だった。ハーン氏のチームはその後の実験で、半減期が3.5時間のこのトリウム同位体を発見できなかった。

1938年1月、ハーンはイレーナとサベージに手紙を書き、彼女たちの研究には欠陥があると指摘し、論文を撤回するよう希望した。二人は返事をせず、実験を続けた。彼らは、この元素を抽出するためのキャリアとしてランタン 57 を使用できることを発見しました。そのため、イリーナとサベージは2番目の論文で、新たに発見された同位体はトリウムの同位体ではなく、元素番号89のアクチニウムの同位体であると発表した。シュトラスマン氏はハーン氏に論文を読むよう促したが、ハーン氏は抗議して拒否した。

1938年5月、ハーンはローマの国際会議でジョリオと会い、個人的にこう言った。「私はあなたの奥さんを女性だからという理由で公に批判したわけではありません。しかし、彼女は間違っています。」フランスに帰国後、ジョリオはハーンの意見を妻イレーヌに伝えた。

エレナとサベージは実験を続けることにした。 5月に彼らはウランに関する3番目の論文を発表した。今回、研究者らは、新しい同位体であるウランの中性子照射の生成物が元素番号57のランタンと非常に似ていることを突き止めた。二人は、ウラン92番元素が衝撃を受けてこれほど多くの陽子と中性子を失ってランタンになるとは信じていなかった。したがって、これは新しく、説明するのが極めて難しい超ウラン元素であると研究者らは考えています。

1938年7月、マイトナーはドイツから逃亡し、スウェーデンに来た。彼女はユダヤ人の家庭に生まれ、ヒトラーの人種政策によって迫害されたため、1933年以降、長期にわたって脅威にさらされていた。しかし、当時彼女はまだオーストリア人であり、彼女の状況はそれほど危険ではありませんでした。 1938年3月12日、ドイツはオーストリアを併合し、マイトナーはオーストリア国籍を失いドイツ人となった。ドイツの人種法が彼女に対して施行され始め、科学研究への資金援助はすぐに停止され、彼女は極度の危険にさらされました。マイトナーは、さらにひどい迫害を避けるため、その時から逃亡の準備を始め、ついに7月に逃亡した。

その後、ハーンは文通を通じて彼女と協力した。

1938 年 9 月、アイリーンとサベージは最新の研究結果を再び Comptes Rendus 誌に発表しました。シュトラスマン氏の記憶によれば、この論文を読んだ後、彼はイリーナ氏らが間違いを犯していないだけでなく、正しい研究の道筋を示したと判断したという。彼は興奮して二階に駆け上がり、ハーンに「この新聞を読まなければならない」と言った。

ハーン氏は葉巻を吸いながら、傲慢にこう答えた。「私は、私たちの親切な女性が最近書いたものに興味はありません。」シュトラスマン氏は落胆しなかった。彼はハーン氏の前でイレーナ氏らの論文の要点を詳しく語ることを主張した。ハーン氏はこれを聞いて驚愕した。彼は吸い終わっていない葉巻をテーブルの上に置き、すぐにシュトラスマンと一緒にイレーナたちと同じ実験を繰り返した。

この話には別のバージョンもある（おそらくハーンが提供したものと思われる）。ハーンはイリーナとサベージの新しい論文を見た後、その結論に強い疑問を抱き、シュトラスマンに読んでもらい、その後2人は実験を繰り返し始めた。

いずれにせよ、ハーン氏とシュトラスマン氏は 1938 年の秋に元素を分離する実験を開始しました。

重核分裂

ハーン氏とシュトラスマン氏は、アクチニウムなどの可能性のある元素を分離するためのキャリアとしてランタンを使用しました。彼らはまた、ラジウムなどの可能性のある元素を分離するためのキャリアとしてバリウムを使用しました。彼らはすぐに16個の同位体を特定したが、そのうち3個はこれまで知られていなかった。彼らはそれがラジウムの同位体であると推測した。

11月10日、ハーンはニールス・ボーア（1885-1962）の招待を受けてコペンハーゲンを訪問した。彼はこれらの結果についてボーア、マイトナー、フリッシュ (Otto Frisch, 1904-1979) と議論しました。

ボーア（1922）

フリッシュはマイトナーの妹であるオーギュスト・マイトナー・フリッシュ（1877-1951）の息子でした。彼はドイツで活躍した優れた理論物理学者でした。 1933年にヒトラーが人種差別政策を実施し始めると、彼は直ちにドイツを離れ、パトリック・ブラケット（1897-1974）に従ってイギリスに渡り、霧箱技術と人工放射能の研究を行った。彼はその優れた才能により、ボーアの指導の下で研究を行うためにコペンハーゲンに招聘されました（5年間）。

マンハッタン計画に参加していた当時のフリッシュの身分証明書の写真

この議論は何の進展にもつながらなかった。ベルリンに戻った後、ハーンは実験を続けた。ハーン氏とシュトラスマン氏は、何日にもわたる実験、測定、分析を経て、1938年12月16日と17日に画期的な発見を成し遂げました。彼らは、3つの未知の同位体は他のすべての元素からは分離できるが、バリウムキャリアからは分離できないことを確認しました。つまり、それらはラジウムではなくバリウムである可能性が高いということです。

バリウムは元素番号56で、ウランより40%軽いです。当時は、中性子がそれほど多くの核子を剥ぎ取るほどのエネルギーを持たないため、100 個以上の核子を失ってウランをバリウムに変換することは不可能だと考えられていました。ハーン氏とシュトラスマン氏はイレーナ氏とサベージ氏と同じジレンマに直面した。

12月19日、ハーンはマイトナーに手紙を書き、自身の最新の発見について伝えた。手紙にはこう書かれていた。「ラジウム同位体はラジウムのようにではなく、バリウムのように振舞うという恐ろしい結論に、私たちはどんどん近づいています。おそらくあなたは何か素晴らしい説明を思いつくでしょう。私たち自身も、ウランがバリウムに分裂できないことはわかっています。今私たちは、『ラジウム』から派生したアクチニウム同位体をテストしたいと思っています。これはアクチニウムのようにではなく、ランタンのように振舞います。」実際、この時点でハーンはすでにウランが中性子によって分裂すると信じる傾向にあった。

ベータ崩壊により、ラジウムはアクチニウムに、バリウムはランタンに崩壊します。生成物がアクチニウムかランタンかを判定できれば、親元素がラジウムかバリウムかを判定できます。ハーン氏とシュトラスマン氏はすぐに実験を始めました。

12月20日、ハーンは自然科学雑誌「Die Naturwissenschaften」の編集者に電話をかけ、自身の発見を伝え、論文の出版を早めてくれるよう希望した。編集者は、ハーンの論文を23日までに提出するという条件で、ハーンの論文のためのスペースを確保するために、ある論文の出版を1号延期することに同意した。ハーンは22日にタイピストに論文をタイプするよう手配した。

12月21日、ハーン氏とシュトラスマン氏は実験結果を確認した。未知の元素の崩壊生成物はアクチニウムではなくランタンであった。つまり、この謎の同位体は、ラジウムの同位体ではなく、実際にはバリウムの同位体なのです。

これは、エレナとサベージが当時特定したランタンに非常によく似た同位体が、実際にはバリウムの崩壊によって生成されたランタンの同位体であったことを意味します。彼らは当時このことを知らなかったため、常にこれを不可解な超ウラン元素の一種とみなしていました。

同日（21日）、マイトナーはハーンが19日に書いた手紙を受け取り、その結果に衝撃を受けた。彼女は返事の中で、「現時点では、そのような完全な破裂を想定するのは私にとって難しいですが、原子物理学では多くの驚くべき出来事が起こっているので、『これは不可能だ』と断言することはできません」と述べた。そして、23日から1週間の休暇でコンゲルフに行くとハーンに伝えた。新しいメールがある場合は、そこに送信してください。

マイトナー、1906年（28歳） |画像出典: パブリック著作権

マイトナーからの返事はまだ受け取っていなかったが、2日前までは動揺していたハーンは、今では自分の信念を強めていた。中性子がウランに衝突した後、ウラン原子核の生成物の1つはバリウムであり、これが後にランタンに崩壊したのだ。エレナとサベージが同じ結論に達して先に発表してしまうのを防ぐために、ハーンは焦り、すぐに結果を発表したかったのです。

21日、マイトナーからの返事を受け取る前に、彼は再びマイトナーに手紙を書き、その生成物がラジウムではなくバリウムであることを確認したと伝えた。ハーン氏はまた、この結果は物理学的には不合理だとは思うが、もはや秘密にしておくことはできないとも述べた。論文の提出期限は明日か明後日です。そして彼女にコピーを送ります。

12月22日に論文が編集部に提出されました。この書類にはマイトナー氏の署名はなかった。その夜、ハーンはマイトナーが休暇に出かけることを知らずに、新聞のコピーをマイトナーに送った。この重要な論文は 1939 年 1 月 6 日に発表されました。

ウランの原子核はなぜ分裂するのでしょうか?

12月23日の朝、マイトナーは予定通りストックホルムを出発し、コンゲルルフに向かった。その後、甥のフリッシュが彼女を訪ねてきました。この時点では、マイトナー氏はハーン氏が昨日論文を提出したことを知らず、論文には彼女の名前はなかった。論文のコピーとハーン氏が21日に送った手紙はともにストックホルムに送られていたため、ハーン氏がストックホルムに戻る前に手紙の内容を見ることはできなかったはずだ。

クンゲルフで、マイトナーはハーンが19日に送った手紙をフリッシュに手渡した。それを読んだ後、フリッシュはウラン原子核を照射するとバリウムが生成されるなんて信じられず、スキーに出かけた。しかし、マイトナーは執拗にフリッシュを追いかけ、話しながら続けた。フリッシュは確信し、ウラン原子核を核分裂させる可能性を検討することにした。

彼らは、1935年にジョージ・ガモフ（1904-1968）によって提唱され、1937年にフリッツ・カルッカー（1910-1938）とボーアによって完成された液滴モデルを思いつきました。このモデルは、原子核が液滴のようなものだと仮定しています。しかし、カルカとボーアは重い原子核の液滴を分解するのは難しいだろうと考えていた。フリッシュはかつてカルカと一緒に過ごしたことがある（下の写真参照。カルカは1938年に27歳で亡くなった）。

左から右へ: ミルトン・プレセット (1908-1991)、ボーア、カルカ、エドワード・テラー (1908-2003)、フリッシュ。 1934 年 1 月から 8 月まで、テラーは客員研究員としてコペンハーゲンでボーアとともに働いていたので、この写真はこの期間に撮影されたはずです。

フリッシュとマイトナーは液滴モデルの枠組みの中で計算を実行しました。彼らは、ウラン原子核の電荷が表面張力の制約をほぼ完全に克服できるほど大きく、不安定な水滴のように崩壊寸前であることを発見した。中性子の衝突によりウラン原子核は楕円形になり、その「腰」が細くなり、その後「腰」から離れて 2 つの小さな「液滴」に分裂します。

重核分裂の液滴モデル。丨画像提供: Hullernuc

また、このような分裂によって200MeV（1MeV = 1.6×10-13ジュール）のエネルギーが放出されると計算された。このエネルギーはどこから来るのでしょうか?マイトナーは、かつてアインシュタインの相対性理論に関する報告を聞いたことがあるが、そのときその中の質量とエネルギーの関係に大きな衝撃を受けたことを思い出した。

マイトナーは原子核の質量を計算するための経験式を使用して、この質量差が陽子の質量（1.67 × 10-27 kg）の約 1/5 であると計算しました。この値に光速の2乗（9×1016）を掛けると、得られる値（3.0×10-11ジュール）は、核分裂後に生成されるエネルギー（3.2×10-11ジュール）とほぼ等しくなります。品質の違い自体は推定値であるため、3.0 と 3.2 の小さな差は無視できます。この結果は、ウラン原子核が実際に分裂した可能性があることを意味しています。

フリッシュは生物学から用語を借用し、ウランの核分裂のプロセスに初めて「核分裂」という言葉を使用しました。デンマークのコペンハーゲンに戻った後、フリッシュはボーアに自分の発見について話した。ボーアはすぐに理解した。彼は額を手のひらで叩きながら「私たちはなんて愚かだったんだ！」と言った。

その後、フリッシュは霧箱（英国滞在中の研究分野の一つは霧箱技術だった）を使って反応生成物の軌跡を追跡し、中性子がウラン原子核と衝突した後に核分裂が実際に起こったことを直感的かつ物理的に証明した。

したがって、4年前にノダックが提唱した仮説は正しかった。ウランの核分裂は中性子の照射後に起こったのだ。その時になって初めて、フェルミのチームが得た元素が超ウラン元素ではないことが分かりました。彼らは実は重い原子核の核分裂を初めて発見したのだが、この栄誉を逃した。エレナとサベージもこの栄誉を逃した。

1939年2月11日、マイトナーとフリッシュの理論的説明論文がネイチャー誌に掲載されました。 2月18日には、霧箱を使ってウランの核分裂を証明するフリッシュ氏の論文もネイチャー誌に掲載された。

しかし、この二つの論文が発表される前に、関連するニュースはボーアによって米国に伝えられていた。ボーアは1月にワシントンに到着した後、ガモフにその知らせを伝えた。ガモフはテラーに電話をかけてこう言った。「ボーアが来たが、彼は頭がおかしい。中性子でウランを分裂させることができると言った。」テラーはすぐにフェルミのチームが行った説明の難しい観察を思い出し、それが核分裂であるとすぐに理解した。

1939年1月26日、ボーアとフェルミはワシントンで第5回理論物理学会議を共催し、ウラン核分裂のニュースは会議会場全体に衝撃を与えた。コロンビア大学の物理学者たちはすぐにこの結果を実験室で再現し、低速中性子によって核分裂したウランは主にウラン 235 であると判定しました。

その少し前に、ボーアはフリッシュに秘密を守ると約束していた。その後、ニュースがあまりにも早く広まったため、彼はフリッシュに同情した。

このニュースが西海岸のカリフォルニア州バークレーに届いたとき、理髪店にいたルイス・アルバレス（1911-1988）は衝撃を受けた。彼と彼の学生たちは超ウラン元素を探すためにウランに中性子を照射していたが、核分裂が起こるとは予想していなかったからだ。彼は理髪師に髪を切るのをやめて放射線研究室に直行するように頼んだ。

アルバレスはオッペンハイマー（J.ロバート・オッペンハイマー、1904-1967）にこの知らせを伝えたが、オッペンハイマーはそれを信じず、理論的にウラン原子核は核分裂できないと主張した。しかし、実験によりすぐに、中性子がウランに衝突したときにエネルギーが放出されることが分かりました。オッペンハイマーは15分以内にウランの原子核内で核分裂が起こったと信じた。

連鎖反応と原子爆弾

1939 年 2 月、ハーンとシュトラスマンは、ウランの核分裂によって中性子が放出される可能性があると予測した 2 番目の関連論文を発表しました。ジョリオのチームはすぐにウランの核分裂によって2個以上の中性子が放出されることを実証し、1939年3月にそのテーマに関する論文を発表しました。

当然、放出された中性子は他のウラン原子核にも衝突し、このプロセスは雪だるま式に急速に進み、連鎖反応を形成して膨大な量のエネルギーを放出します。

ウラン235の核分裂

以前、ハンガリーの原子物理学者レオ・シラード（1898-1964）も1933年に連鎖反応を起こす同様の方法を推測し、そのような連鎖反応を利用して原子爆弾を製造できると考えていました。 1934年、彼は連鎖反応の方程式を導き出し、「臨界質量」の概念を提唱した（核分裂物質の質量が臨界質量を超えると、連鎖反応が持続し、核爆発を起こすことができる）。

1915年のシラード

しかし、当時は誰も（シラードを含めて）重い原子核が核分裂を起こすとは予想しておらず、シラードはどのような元素が衝撃後に連鎖反応を起こすことができるかを知りませんでした。彼は、当時知られていた 92 種類の元素に中性子を一つずつ照射して答えを見つけたいと考えました。しかし、彼はそのような実験を行うための資金を獲得することができなかった。シラードは核連鎖反応に関する特許を申請した。この発見がドイツやその他の国々によって核兵器の製造に利用されるのを防ぐため、彼は特許をイギリス海軍本部に渡し、秘密にしておくよう海軍本部に要請した。

1939年までに、ウランはゆっくりとした中性子で砲撃すると核分裂が発生することが知られており、潜在的に連鎖反応を開始する可能性がありました。その後、米国、ソビエト連邦、ドイツ、イギリス、日本は、原子爆弾を製造する可能性を探求し始め、第二次世界大戦の終了前にさまざまな程度に実装しました。

オッペンハイマーがウラン核核分裂を確信すると、鎖反応と原子爆弾を作る可能性について議論するのに数分しかかかりませんでした。 1週間後、原子爆弾のスケッチが彼のオフィスのブラックボードに登場しました。

フリッシュはデンマークからイギリスに戻り、ルドルフ・ペイエルズ（1907-1995）とともに、連鎖反応の純粋なウラン235の臨界質量は約1ポンド（約0.45 kg）または2ポンドであると計算しました。 1940年、フリッシュとペイエルスは「フリッシュ・ペイエルズ覚書」を書き、ウラン連鎖反応を使用して爆弾を「スーパーボム」と呼び、世界初の原子爆弾爆発モデルも設計しました。

しかし、当時核物理学を理解していたほとんどの人は、当時のどの国も原子爆弾を建設できるとは考えていませんでした。天然ウランには、ウラン-234、ウラン-235、ウラン-238の3つの同位体があります。ウラン238は99.28％を占めています。高速中性子の砲撃下で核分裂を起こしますが、核分裂中に放出される中性子のエネルギーは入射中性子のエネルギーよりも低く、他のウラン238核は核分裂を起こすことができないため、連鎖反応を開始できません。ウラン235は連鎖反応を受けることができますが、天然ウランの0.714％のみを占めています。

ウラン238のほとんどはウランから分離する必要があり、ウラン235の濃度は、武器グレードのウランになる前に80％（できれば90％）を超える必要があります。これには非常に高い産業能力が必要であり、国全体が動員されたとしても達成できない場合があります。後に生成されたプルトニウム239は、原子爆弾を作るためにも使用できますが、プルトニウム239の大量生産には、国全体の動員も必要です。

したがって、ボーアが米国に到着したとき、彼は、米国が巨大な工場にならない限り、原子爆弾を建設できないと宣言しました。

1942年、フェルミはシカゴ大学で人類の歴史において最初の原子炉を建設し、人類の原子力エネルギーの平和的利用とその後のプルトニウム239の大量生産の基礎を築きました。

その後、マンハッタンプロジェクトは原子爆弾の発展を急速に進めました。原子爆弾を作るために米国の進歩を目撃した後、ボーアは彼の言葉を取り戻さなかった。彼は嘆きました：米国は確かに巨大な工場になりました。

1945年7月16日、米国は世界初の原子爆弾を首尾よく爆発させました。その力は、20,000トンのTNTと同等でした。 1か月もたたないうちに、広島と長崎に2つの原子爆弾が落とされました。

1945年、ハーンは、「重い核の核分裂の発見のために」化学のノーベル化賞を受賞しました。 MeitnerとStrassmannにとって、彼らが賞を共有しなかったことは公平ではありませんでした。当時、ハーンはまだ同盟国の強制収容所にいて、1946年まで賞を受賞していませんでした。

彼は核分裂の発見でノーベル賞を受賞しましたが、ハーンは後悔していました。中性子がウランを砲撃した後、その一部は核分裂を起こしましたが、その一部は実際には要素93と94に変換され、ハーンは当時検出しませんでした。トランスラニウムの要素に関連するノーベル賞は、後に他の誰かに送られました。当時の激しく競争力のある、ほぼ急速に変化する状況では、ハーンと他の人々はウラン核分裂の現象を確認しましたが、ウラン核の別の部分が実際に経湿材に変わったとは想像できませんでした。科学研究の分野では、しばしば次々と驚きがあります。

参考文献

[1]リチャード・ロードス、原子爆弾の製造、サイモン＆シュスター、1986年（中国の翻訳：李huichuan et al。によって翻訳された原子爆弾の作り、1990年、世界知識出版社、jiang xiang by of shigking by shig by a shiang by a shiang by by a edite AI Science and Technology Education Press。この記事では参照されていません。）

[2] Robert Jungk、Heller Als Tausend Sonnen。 Das Schicksal der Atomforscher（Stuttgart、1956）（英語翻訳：千の太陽よりも明るい：原子科学者の個人的な歴史、中国の翻訳：1000よりも明るい：原子科学者の個人歴史、原子エネルギー出版、1991）

[3] Winifred Conkling、Radioactive !!

[4] Noddack、Ida（1934）。要素93。AngewandteChemie。 47（37）：653-655。

[5] Joliot-Curie、Irène; Savić、Pavle（1938）。 「ウランの中性子照射で3.5時間の半減期が生成された放射性元素の性質について」。 comptes rendus。 208（906）：1643。

[6] Hahn、O。; Strassmann、F。（1939）。 "überdennachweis und das verhalten der bei bestrahlung des urans mittels nutronen enttehenden erdalkalimetalle"。 Naturwissenschaften（ドイツ語）。 27（1）：11–15。 1938年12月22日に受け取りました。

[7] Hahn、O。; Strassmann、F。（1939年2月）。 「nachweis der entstehung aktiver bariumisotope aus uran und thorium durch nutronenbestrahlung; nachweis weiterer aktiverbruchstückebeider uranspaltung」。 naturwissenschaften。 27（6）：89–95。

[8] Meitner、Lise、＆Frisch、または（1939）。中性子によるウランの崩壊：新しいタイプの核反応。自然。 143（3615）：239–240。

[9]フリッシュ、または（1939）。中性子爆撃下での重核の分割の物理的証拠。自然。 143（3616）：276。

[10] Otto R. Frisch、「核分裂の発見 - それがすべて始まった方法」、Physics Today、V20、N11、pp。43-48（1967）。

[11] Bethe、ha;冬、ジョージ（1980年1月）。 「死亡記事：オットー・ロバート・フリッシュ」。今日の物理学。 33（1）：99–100

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。