SCIENZA A SCUOLA

Esperienze scolastiche


Nelle oltre 200 pagine della trascrizione recentemente declassificata di Farm Hall viene il momento straordinario quando Werner Heisenberg e i nove scienziati nucleari tedeschi riuniti in una casa in Inghilterra vengono a sapere che una bomba atomica alleata ha devastato la città di Hiroshima. L'arma atomica alleata, secondo l'annunciatore del servizio della BBC, ha liberato "una potenza esplosiva pari a 2000 volte la nostra bomba più grande." 

Microfoni nascosti trasmettono le voci degli "ospiti" tedeschi ad una vicina stanza d'ascolto a , e così abbiamo una registrazione della loro reazione stupita a questa notizia. Heisenberg risponde respingendo la possibilità che la bomba possa essere un'arma a fissione. "Qualche dilettante in America che conosce molto poco di ciò ha bluffato," dice. "Non credo che abbia qualcosa a che fare con l'uranio."

Ulteriori informazioni, da un punto di vista scientifico, provengono dalle fitte discussioni tecniche che si consumarono nelle ore e giorni seguenti mentre gli scienziati prigionieri cercavano di capire come la loro controparte alleata avesse potuto un tale risultato. Di particolare interesse è la stima informale di Heisenberg della quantità di uranio richiesto per una bomba, la massa critica. Per tutta la guerra Heisenberg sembra avesse creduto che per una bomba dovessero essere necessarie molte ton del raro isotopo U-235 o di plutonio, una quantità impossibile da ottenere per ogni stato, piuttosto che le decine di kg usati in realtà. "Considero pienamente possibile che essi [gli Alleati] abbiano circa dieci ton di uranio arricchito," dice Heisenberg, "ma non che essi possano avere dieci ton di U235 puro."

Questa stima errata, apparentemente fatta all'inizio della guerra e reiterata a Farm Hall, fu un errore con conseguenze di grande portata. Con una tale nozione esagerata del compito, i tedeschi esclusero la possibilità che una bomba potesse essere costruita durante la guerra e si concentrarono sul reattore, che poteva essere usato per generare plutonio per un'eventuale bomba. Un ulteriore effetto dell'errore fu di incoraggiare un falso senso di sicurezza, che privava il progetto tedesco della caratteristica di urgenza che guidò gli Alleati. 

Turbati dai nuovi resoconti che li descrivevano i costruttori falliti della bomba, una descrizione che non era più comoda né in Germania né all'estero, gli scienziati a Farm Hall prepararono rapidamente una deposizione, che descriveva il loro lavoro come totalmente pacifico. Nessuna menzione venne fatta sul fatto che il loro lavoro era un progetto militare segreto, che il loro reattore "pacifico" consentiva di ottenere materiale fissionabile per un'eventuale bomba, o che la bomba atomica era stata lo scopo iniziale, Carl Friedrich von Weizsäcker aveva sperato che la costruzione di una bomba lo avrebbe aiutato a conquistare l'attenzione di Hitler, che gli scienziati avevano rinunciato solo di fronte a difficoltà impossibili. Invece, come era implicito in parecchi articoli di Heisenberg dopo la guerra, i tedeschi avevano considerato la costruzione della bomba ma l'avevano abbandonata per principio, occupandosi invece degli "importanti sviluppi tecnici, con un'applicazione pacifica."

Samuel Goudsmit, il fisico che condusse la missione scientifica di indagine alleata in Germania dopo la fine della guerra, sapeva dallo studio dei documenti che i motivi tedeschi erano stati più pratici che nobili; egli scoprì le "mezze verità," di Heisenberg, difficili da lasciare incontestate.

Il rapporto Farm Hall fu declassificato nel 1992. Con il suo aiuto e con informazioni fornite dagli archivi segreti, è ora possibile analizzare la storia tecnica del progetto tedesco con sufficiente dettaglio per conoscerne il cammino intrapreso. Il rapporto Farm Hall ci offre i ragionamenti dettagliati degli scienziati attraverso le loro stesse parole.

La Scoperta della Fissione

Il 29 Aprile, all'incontro dell'American Physical Society a Washington, Bohr illustrò le motivazioni a sostegno di una possibile reazione a catena in una lezione pubblica teda Bohr, che pensava che una nell'U235 che avrebbe potuto produrre un'esplosione, ma riteneva che l'isolamento di grandi quantità di questo isotopo raro sarebbe stata assai difficile, se non impossibile. Lo stesso giorno del discorso di Bohr, e molto prima che fosse intrapresa ogni azione governativa in Gran Bretagna e negli Stati Uniti, un progetto segreto di ricerca di uranio fu prediposto a Berlino sotto gli auspici del Ministero Tedesco dell'Educazione, e fu introdotto un blocco su tutte le esportazioni di uranio dal Reich.

La Ricerca per la Reazione a Catena

Per motivi che sono difficili ora da valutare, molte idee sulla reazione a catena esplosiva in circolazione durante quei primi anni erano errate. In realtà, una reazione a catena esplosiva non può essere prodotta con neutroni lenti. Né erano necessarie tonnellate di uranio, ma solo decine di chilogrammi per fare una bomba. E, come alcuni fisici compresero, questo uranio doveva essere l'isotopo quasi puro di U235. Prima che si potesse predisporre un chiaro progetto di una bomba atomica, scese il sipario della segretezza. Per cui il progetto fu risolto dalle due parti in modi inevitabilmente diversi.

L'Uranio estratto dalle miniere è una mescolanza di parecchi isotopi, ma composto principalmente di U238 e U235 in un rapporto di circa 139:1. Bohr fece un importante passo verso la comprensione della fissione quando all'inizio del 1939 suggerì che le proprietà della fissione dei due isotopi poteva essere completamente differente. Il suo modello del nucleo a "" prevedeva che solo il raro isotopo 235 poteva essere fissionato con neutroni lenti. Anche l'isotopo più comune 238 poteva essere fissionato, ma solo mediante neutroni veloci, la cui elevata energia cinetica poteva produrre un effetto distruttivo aggiuntivo.

Originarie idee di Heisenberg sulla Fissione

Sulla reazione a catena, abbiamo un quadro dettagliato delle idee di sulla questione il 29 Febbraio 1940. Quel giorno egli sottopose la seconda conclusiva parte della relazione all'Esercito Tedesco, che in quel giorno fissò il progetto nucleare, pone Heisenberg a capo dello stesso . Le due parti del rapporto erano un esame di come una reazione a catena poteva essere prodotta e posta al servizio della guerra; in effetti fu il documento fondante il programma Tedesco per la fissione. Nelle relazioni (la prima delle quali fu completata nel Dicembre 1939) egli derivò una serie di equazioni differenziali che descrivevano la diffusione dei neutroni, e la fissione che dovevano verificarsi in una miscela di uranio con moderatori di neutroni, come in un reattore. Sebbene il formalismo generale sia valido, vi sono alcuni errori fondamentali. In una tale miscela, conclude Heisenberg, la reazione a catena sarà intrinsecamente auto-stabilizzante: con il riscaldarsi del reattore per l'emissione di energia, la reazione a catena diverrà meno efficiente e automaticamente rallenterà fino al raggiungimento dell'equilibrio. Contando su questa conclusione, Heisenberg non progettava meccanismi di controllo nel suo reattore sperimentale. Se avesse cercato di produrre una reazione a catena in quel modo, egli e i suoi collaboratori avrebbero potuto morire.

Heisenberg ne derivò che se si aumentasse il grado di arricchimento dell'isotopo, si produrrebbe un'immensa esplosione, "tutta l'energia radiativa di tutti gli atomi di uranio presenti verrebbe liberata in un istante." Se si usasse U235 "quasi puro", il raggio minimo per produrre una tale esplosione doveva essere Rc = 10pl (dove l è il libero cammino medio), corrispondente ad alcune decine di centinaia di tonnellate di U235. Egli concluse che un reattore compatto producente energia poteva essere prodotto arricchendo l'uranio nell'isotopo 235, e che questo è anche "il solo metodo per produrre materiale esplosivo parecchi ordini di grandezza più potente del più forte esplosivo ora noto." 

Nonostante il miglioramento successivo delle conoscenze di Heisenberg su questo punto, il concetto errato di un "reattore bomba" di molte tonnellate tuttavia sopravvisse creando confusione nei successivi rapporti tedeschi. La descrizione di una bomba all'uranio in un rapporto della Gestapo nel maggio 1943, per esempio, riporta la concezione di Heisenberg del 1939-1940 di un enorme reattore esplosivo: "La bomba all'uranio può essere realizzata ... con neutroni ... ma la loro eccessiva velocità iniziale deve essere rallentata...."

Un'ulteriore conseguenza dell'errore è contenuta in un rapporto di Heisenberg del 1940, nella conclusione incidentale (errata ma ciononostante confermata per rispetto dal suo assistente) che le proprietà della grafite erano inadeguate alla funzione di moderatore dei neutroni. Questa conclusione, e un'errata misura del coefficiente di assorbimento dei neutroni del materiale eseguita da Walther Bothe un anno più tardi, obbligarono i tedeschi a dipendere dall'acqua pesante, un eccellente moderatore ma estremamente costoso e difficile da ottenere.

Nei due anni successivi pare che Heisenberg comprese che i neutroni veloci si potevano usare in una bomba atomica. Il 6 agosto 1945, a Farm Hall ripetè che una bomba con U235 doveva richiedere molte tonnellate di uranio.

Progressi sulla Fissione, 1940-41

Uno studio attento degli aspetti legati alla massa critica e misure effettuate al ciclotrone di Berkeley indicarono che per la costruzione di una bomba la massa critica era intorno ai 60 kg di uranio.

Nei laboratori tedeschi molte delle scoperte alleate non erano note. Inoltre il metodo di separazione dell'uranio fu annullato dalla corrosività disintegrante dell'esafluoruro di uranio. Le proprietà della fissione veloce dell'U235 non furono misurate direttamente. Non fu fatto alcun esperimento sul plutonio perché non ne fu prodotto alcun atomo. 

Il programma tedesco si basava su 200 persone, molte se confrontate alle 43 che lavorarono con Fermi sul reattore. Sebbene in un rapporto anonimo del febbraio 1942 si faccia riferimento alla possibilità di ottenere una bomba con "10 - 100 kg" di materiale, non compare nessun calcolo o riferimento. 

Heisenberg era proprio l'opposto della sua controparte nel Manhattan Project, Enrico Fermi. Entrambi dotati come sperimentatori e teorici, Fermi aveva uno spiccato talento per stime rapide ma realizzabili delle grandezze relative.


Casa di campagna, Farm Hall, vicino Cambridge, dove furono rinchiusi gli scienziati nazisti


Werner Heisenberg, il fisico a capo del progetto tedesco


Heisenberg, Otto Hahn e Kurt Diebner


Friedrich von Weisszäcker


Bombardamento dell'impianto di Rjukian, dove si produceva l'acqua pesante