【エネルギー史03】核分裂 - 世界はノーベル賞に値する

質量エネルギー方程式

「アインシュタイン奇跡の年」（1905年）に、アインシュタインは合計4本の論文を発表し、そのうちの1本で、物質の質量減少はm=E/c²であるという理論を提唱しました。

当初、アインシュタインの質量エネルギー方程式は、E=mc² というよく知られた形ではありませんでした。アインシュタインの本来の姿は、質量とエネルギーの性質にもっと沿っていると言えるでしょう。物質とエネルギーは相互に変換できると言うよりも、物質自体がエネルギーであると言う方が適切です。

しかし、アインシュタインが質量とエネルギーの方程式を提唱してから 30 年間、誰もその用途を知りませんでした。

1930 年代に、ついに質量とエネルギーの方程式の驚異的な力を発見した人がおり、人類に核兵器への扉が開かれました。発見者は、アインシュタインから「ドイツのキュリー夫人」と呼ばれたリサ・マイトナーでした。

リサ・マイトナー (画像出典: Wikipedia)

興味深いことに、マイトナーの前に、この扉を最初に開く機会があった才能ある物理学者がいましたが、彼はノーベル賞のせいでその機会を失いました。

フェルミ - 間違い、ノーベル賞

1930 年代初頭、物理学者たちはある現象を研究していました。周期表の元素がなぜ 92 番元素 (ウラン) で止まっているのか?

当時、ラザフォードはすでに原子核の構造を発見していました。理論的には、ウランの原子核に陽子が追加される限り、新しい元素が生成されるはずです。そのため、人々はウランよりも大きな原子番号を持つ元素を作り出すことを望んで、ウランの原子核にさまざまな放射線を照射してきました。

フェルミ（画像出典：Wikipedia）

1934年、イタリアで物理学者フェルミは突然ひらめき、チャドウィックが発見したばかりの中性子をウランの原子核に照射することを決意した。中性子はエネルギーが大きく、電荷を帯びていないため、ウラン原子核の電磁力によって乱される可能性が低く、容易に原子核に衝突することができます。

爆撃後、生成物を検査していたフェルミは、非常に放射能の高いものを発見した。フェルミは当初、ウランよりも重い元素93と94を発見したと考えていた。しかし、当時の科学者の中には、これは新しい元素ではなく、むしろウランが衝突して小さな元素になったものだと考える者もいた[1]。

フェルミの実験的結論は今でも非常に物議を醸しており、フェルミは研究を続けるべきだったと言える。しかし、この漠然とした成果は、当時のイタリア政府によって、ファシスト政権としての優位性を示すために誇張されたものでした。その結果、フェルミは実際に 1938 年のノーベル物理学賞を受賞しました。

フェルミ氏の受賞はノーベル賞史上最大の失策と言える。このノーベル賞受賞の失敗により、彼はさらに重要な機会を逃した。彼は核分裂を発見する機会を逃した。

マイトナー - 原子滴

核分裂を発見する機会は、「ドイツのマリー・キュリー」ことリサ・マイトナーによってつかまれました。皮肉なことに、原子核分裂を発見したマイトナーはノーベル賞を受賞しませんでした。

マイトナーは間違いなく物理学の天才でした。女性差別の時代に、彼女は自らの才能を生かして、ウィーン大学で極めて珍しい女性物理学博士となった。

さらに印象的なのは、当時女性の大学入学に公然と反対していたマックス・プランクが彼女を認めたことだ。[2]

プランクはマイトナーに非常に熱心で、彼女を講義に招待し、自宅にも招いた。

1910年、プランクは彼女をフリードリヒ・ヴィルヘルム大学理論物理学研究所の助手として招き、マイトナーはプロイセン史上初の女性科学研究助手となった。

マイトナーはプランクの期待を裏切らず、物理学における彼の才能はますます顕著になっていった。彼女はすぐに科学者ハーンのパートナーとなり、ハーンに「あなたは物理学を全く理解していないのに、なぜ化学を勉強しないの？」と冗談を言ったほどである[3]。

マイトナーとハーン（画像出典：Wikipedia）

フェルミと同様に、マイトナーと彼の同僚たちもウランに中性子を照射しようとした。しかし当時、ユダヤ人であったマイトナーにとって、ドイツは科学研究を行うのに適した場所ではありませんでした。すぐに、ファシストの秘密警察がユダヤ人科学者たちに迷惑をかけ始め、マイトナーは去らざるを得なくなった。

幸運なことに、マイトナーのパートナーであるハーンはユダヤ人ではなかったため、研究を続けるためにドイツに留まることができた。さらに、ハーンは自分の身元を利用して、マイトナーがドイツからスムーズに脱出するのを手助けした。マイトナーの逃亡中に、ハーンと彼の同僚はある現象を発見した。ウラン原子に中性子が衝突すると、ウラン原子核はいくつかの破片に分裂しました (生成物の 1 つはバリウムでした)。ハーンはこれはあまりにも直感に反すると感じ、ハーンと彼の同僚たちはこの現象をどう説明すればよいか分からなかったため、「物理学に詳しい」マイトナーに助けを求めるしかなかった。

マイトナーがこの結果を見たとき、彼の最初の反応は「これは不可能だ」というものでした。幸いなことに、マイトナーはハーンが優れた化学者であり、ウランがバリウムに変わるという彼の発見は軽微な間違いではないと信じていました。さらに、原子物理学の分野では多くの「不可能」なことが最終的に確認されてきた[2]ので、この事件は大きな発見を意味する可能性もあります。

マイトナーの直感は正しかった。

もし原子核がエンドウ豆のような固体であれば、それを爆破して粉々にすると、残るのはエンドウ豆の破片の山だけになるだろう。しかし、原子核がそのような固体でない場合はどうなるでしょうか?

しかし、ガモフとボーアの理論によれば、原子核はむしろ液滴に似ているかもしれない。水の張力によって水滴の形が維持され、張力がなくなると、水滴は 2 つの小さな水滴に分裂します。このモデルによれば、ウランの原子核が 2 つの小さな原子核に分裂する可能性があるのは当然です。

計算の結果、マイトナーはウランの原子核が確かに不安定な液滴のようなものであることを発見した。外部からの刺激（中性子の照射など）を受けると、ウラン原子核の「張力」が破壊され、小さな液滴に分裂する可能性があります。

ウラン原子の核分裂（画像出典：Wikipedia）

しかし、マイトナーには解決すべき別の問題がありました。

ハーン氏の研究によれば、2つの液滴は分離後、非常に高速で移動する。このエネルギーはどこから来るのでしょうか?また、核分裂後、ウラン原子核内の質量の一部は消失しました。この塊はどこへ行ったのでしょうか？

消失する質量とエネルギーの間にはどのような関係があるのでしょうか?マイトナーはすぐにアインシュタインの公式 m=E/c² を思いつきました。計算の結果、消失した質量と新しい原子核が得たエネルギーは正確に一致しました。

マイトナーの理論によれば、原子は核分裂し、失われた質量は文字通りエネルギーになるだろう。マイトナーはすぐにコペンハーゲンで甥とともに原子核の核分裂を証明する実験を計画した。

マイトナーと甥のフリッシュはすぐに論文を書き、ネイチャー誌に発表した。これに先立ち、ハーン氏は他の科学者に先を越されないように、このような現象の存在を示唆する論文を2本も先行して発表していた。これら 3 つの論文は科学界全体に大きな影響を与えました。このようなセンセーショナルな発見は確かにノーベル賞に値する。

不公平なノーベル賞

1944年、核分裂の発見が認められ、ハーンにノーベル化学賞が授与されました。はい、ハーンが唯一の勝者でした。

これはノーベル賞の歴史において非常に物議を醸した賞となった。

ハーンはドイツ政府から圧力を受けていたという言い伝えがある。ナチス政府はユダヤ人に賞を授与することを認めることができなかったため、マイトナーの貢献を意図的に消去した。実際、ハーンがマイトナーの脱出を助けたことや、最も重要な実験データをマイトナーと共有するために危険を冒したことを見ると、ハーン自身はマイトナーに対して全く悪意を持っていなかったことがわかります。

その後、ノーベル賞の審査記録が公開され、マイトナーがノーベル賞を受賞できなかったのはハーンのせいだけではないことも示されました。マイトナーの伝記作家ルース・ルーウィン・サイムによれば、マイトナーが1944年にノーベル賞を受賞できなかったのは、ノーベル賞委員会の構造、人々の偏見、政治的要因などに関係していたという。

「マイトナーが1944年のノーベル化学賞から除外されたのは、偏見、政治的無神経さ、無知、性急さが混ざり合った結果だった。」 [2]

実際、マイトナーはノーベル賞に48回ノミネートされました。彼女を推薦した科学者の中には、プランクやボーア、そしてパートナーのハーンといった大物科学者も含まれていたが、マイトナーがノーベル賞を受賞することはなかった。

マイトナー自身もこの事件について非常に後悔していた。彼女は手紙の中でこう述べた。「ハーン氏は間違いなくノーベル化学賞に値する。しかし、フリッシュ氏と私はウランの核分裂の過程、つまりそれがどのように発生し、どのようにして大量のエネルギーを生み出すのかを解明することに大きく貢献したと信じている。これは当時のハーン氏の研究が目指していたこととは実のところかけ離れていた」 [2]

平和なすべての爆弾の母

1940 年 2 月、フリッシュとルドルフ・パイエルスは「フリッシュ＝パイエルス覚書」を書き、少量のウランから原子爆弾を製造できることを初めて証明した。これまでは、原子爆弾を作るには数トンのウランが必要だと一般に信じられていました。当時は第二次世界大戦が勃発し、数え切れないほどの国々がこの強力な兵器に注目し始めました。 [4]

マイトナーのような才能ある物理学者は、もちろんマンハッタン計画に好まれ、米国はマイトナーが原子爆弾を製造する計画に参加することを期待していました。しかしマイトナーは平和主義者であり、マンハッタン計画に参加することはなかった。

広島と長崎での原爆投下後、マイトナーは突如「原爆の母」や「原爆の背後にいる女性」と呼ばれるようになった。しかしマイトナー氏自身の言葉によれば、「爆弾は私とは何の関係もありません」とのことだ。

マイトナーの墓（画像出典：Wikipedia）

マイトナーは原子力が人類に災難をもたらすとは思ってもいなかった。彼女が望んだのは、原子力エネルギーが人類に利益をもたらすということだった。マイトナーの墓碑銘には、「リサ・マイトナー：人間性を決して失わなかった物理学者」と記されている。

* * * * * *

マイトナーの物語はここで終わります。マイトナーが発見した膨大なエネルギーは、今日でも私たちに安定したエネルギー供給をもたらしています。

しかし、この点に到達する前に、原子力はまずその最も悪質な側面を見せることになるだろう。人類は超兵器、原子爆弾を導入しようとしています。

参考文献:

[1] ノダック、アイダ（1934）。要素 93 について。Angewandte Chemie。 47(37):653-655.

[2] サイム、ルース・ルーウィン（1996）。リーゼ・マイトナー: 物理学に携わった人生。バークレー：カリフォルニア大学出版局。

[3] ホフマン、オットー・ハーン：達成と責任、p.17。

[4] バーンスタイン、ジェレミー（2011年5月1日）。「世界を変えた覚書」（PDF）。アメリカ物理学ジャーナル。 79(5):441–446.