Physiker Enrico Fermi produziert die erste nukleare Kettenreaktion

Physiker Enrico Fermi produziert die erste nukleare Kettenreaktion

Enrico Fermi, der in Italien geborene, mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Physiker, leitet und kontrolliert in seinem Labor unter der Tribüne des Stagg Field der University of Chicago die erste nukleare Kettenreaktion und leitet das nukleare Zeitalter ein. Nach erfolgreichem Abschluss des Experiments wurde Präsident Roosevelt eine verschlüsselte Nachricht übermittelt: „Der italienische Navigator ist in der neuen Welt gelandet.“

Nach der Entdeckung des Neutrons durch den Engländer Sir James Chadwick und der Erzeugung künstlicher Radioaktivität durch die Curies konzentrierte sich Fermi, ein Vollzeit-Professor für Physik an der Universität Florenz, auf die Erzeugung von Radioaktivität durch Manipulation der Geschwindigkeit von Neutronen, die aus radioaktivem Beryllium gewonnen wurden . Weitere ähnliche Experimente mit anderen Elementen, einschließlich Uran 92, ergaben neue radioaktive Substanzen; Fermis Kollegen glaubten, er habe ein neues „transuranisches“ Element mit der Ordnungszahl 93 geschaffen, das Ergebnis davon, dass Uran 92 ein Neuron unter Beschuss einfing und so dessen Atomgewicht erhöhte. Fermi blieb seiner Entdeckung trotz der Begeisterung seiner Physikerkollegen skeptisch gegenüber. Er wurde 1938 gläubig, als ihm der Nobelpreis für Physik für „seine Identifizierung neuer radioaktiver Elemente“ verliehen wurde. Obwohl das Reisen für Männer, deren Arbeit als lebenswichtig für die nationale Sicherheit galt, eingeschränkt war, erhielt Fermi die Erlaubnis, Italien zu verlassen und nach Schweden zu gehen, um seinen Preis entgegenzunehmen. Er und seine Frau Laura, die Jüdin war, kehrten nie zurück; beide fürchteten und verachteten Mussolinis faschistisches Regime.

Fermi wanderte nach New York City aus, genauer gesagt an die Columbia University, wo er viele seiner Experimente mit Niels Bohr, dem in Dänemark geborenen Physiker, nachstellte, der die Möglichkeit einer nuklearen Kettenreaktion vorschlug. Fermi und andere erkannten die möglichen militärischen Anwendungen einer solchen Sprengkraft und verfassten schnell einen Brief, in dem Präsident Roosevelt vor den Gefahren einer deutschen Atombombe warnte. Der Brief wurde am 11. Oktober 1939 von Albert Einstein unterzeichnet und dem Präsidenten übergeben. Das Manhattan-Projekt, das amerikanische Programm zur Herstellung einer eigenen Atombombe, war das Ergebnis.

Fermi fiel es zu, die erste nukleare Kettenreaktion auszulösen, ohne die eine solche Bombe nicht möglich war. Er schuf in einem Squash-Court im Keller des Stagg Field der University of Chicago ein von Jurys manipuliertes Labor mit der notwendigen Ausrüstung, das er "Atomhaufen" nannte. Unter Zuschauen von Kollegen und anderen Physikern erzeugte Fermi die erste autarke nukleare Kettenreaktion und die „neue Welt“ der Kernkraft war geboren.

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Physiker Enrico Fermi produziert die erste nukleare Kettenreaktion - GESCHICHTE

Fermi erzeugt kontrollierte Kernreaktion
1942

Foto von Bortzells Esselte, mit freundlicher Genehmigung von AIP Emilio Segre Visual Archives.

Enrico Fermi (1901-1954) verließ 1938 Italien, um in Schweden den Nobelpreis für Physik zu erhalten. Er ging nie zurück. Er und seine Frau zogen in die Vereinigten Staaten, um dem zunehmenden Faschismus und Antisemitismus in Italien zu entkommen.

Fermi erkannte unter anderem, dass die Kernspaltung mit der Freisetzung kolossaler Energiemengen aus der Umwandlung von Masse in Energie (nach Einsteins Masse-Energie-Gleichung E=mc 2 ) einhergeht. Als Wissenschaftler Präsident Roosevelt davon überzeugten, wurde Fermi im Rahmen eines geheimen Projekts zur Entwicklung einer Atombombe zum Leiter eines Forschungsteams ernannt. Fermis Aufgabe bestand jedoch darin, eine kontrollierte Kernreaktion zu erzeugen, das heißt, das Atom zu spalten, ohne eine tödliche Explosion zu verursachen.

Theoretisch war es möglich. Bei der Spaltung spaltet ein sich schnell bewegendes Neutron den Atomkern, wodurch Energie und zusätzliche Neutronen freigesetzt werden. Diese ausgestoßenen Neutronen können andere Kerne spalten, die andere Neutronen freisetzen, um noch andere Kerne zu spalten, und so weiter: eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion. Wenn diese Kettenreaktion zu schnell ablief, wurde sie zu einer Atomexplosion, aber unter Kontrolle konnte sie einen stetigen Energiefluss erzeugen. (Wenn die Kettenreaktion mit Uran begann, entstand auch ein Nebenprodukt, Plutonium, ein besserer Brennstoff für eine Atomwaffe.)

An der University of Chicago arbeitete Fermi mit einem Team daran, einen Weg zu finden, die Kettenreaktion zu kontrollieren. Er tat dies, indem er die Ausrüstung – Atomhaufen – so aufstellte, dass er ein neutronenabsorbierendes Material mitten in den Spaltungsprozess einbringen konnte, um ihn zu verlangsamen oder ganz zu stoppen. Er fand heraus, dass Stäbe aus Cadmium Neutronen absorbieren. Wenn sich die Kettenreaktion beschleunigte, konnten die Cadmiumstäbe eingesetzt werden, um sie zu verlangsamen, und konnten entfernt werden, um sie wieder zu beschleunigen.

Ende 1942 war das Team bereit für seinen ersten Test. Die Ausrüstung wurde in einem Squash-Court der University of Chicago aufgestellt. Es war der 2. Dezember. Der Moment war angespannt: Wenn sich ihre bisherigen Theorien und Experimente als falsch erwiesen, könnten sie halb Chicago in die Luft jagen. Einige der Stäbe wurden herausgezogen und die Reaktion begann. Es kamen mehr Stäbe heraus. Die Reaktion war selbsttragend. Das Team konnte die Energieabgabe durch Verstellen der Stäbe erhöhen oder verringern. Fermis Idee hatte funktioniert, und die erste kontrollierte, sich selbst erhaltende nukleare Kettenreaktion – der erste kontrollierte Energiefluss aus einer anderen Quelle als der Sonne – wurde erreicht.

Eine verschlüsselte Nachricht teilte der Regierung diesen Erfolg mit: "Der italienische Seefahrer ist gerade in der neuen Welt gelandet."

Seitdem wurde Fermis Theorie erweitert und verfeinert. In vielen Ländern wurden Kernreaktoren gebaut, um Energie für militärische Zwecke wie Atom-U-Boote und zivile Zwecke wie normale Elektrizität zu liefern. Aber die Vorfälle im Laufe der Jahre zeigten die Gefahren des Prozesses und seiner Abfallprodukte, und die Kernkraft verlor viel von ihrer ursprünglichen Popularität.


10 faszinierende Fakten über die weltweit erste nukleare Kettenreaktion

Sehen Sie sich in diesem "Ziegel"-Video des Argonne National Laboratory an, wie sich die weltweit erste kontrollierte, sich selbst erhaltende nukleare Kettenreaktion abspielte.

Am 2. Dezember 1942 fand die weltweit erste selbsterhaltende, kontrollierte nukleare Kettenreaktion statt, die den Weg für eine Vielzahl von Fortschritten in der Nuklearwissenschaft ebnete.

Das Experiment fand im Fußballstadion der University of Chicago unter der Leitung von Enrico Fermi, einem Nobelpreisträger, statt.

Chicago Pile-1 war der weltweit erste Kernreaktor, der kritisch wurde und die zukünftige Forschung der nationalen Labors des Energieministeriums ankurbelte, um die Entwicklung früher Marine- und Kernreaktoren zu unterstützen.

Fünfzehn Jahre bis zu diesem historischen Tag wurde Amerikas erstes Atomkraftwerk in voller Größe am 2. Dezember 1957 kritisch, als die Nation begann, die Vorteile einer sauberen und zuverlässigen Atomkraft zu ernten.

Hier sind 10 faszinierende Fakten, die Sie wahrscheinlich nicht über die weltweit erste kontrollierte Freisetzung von Kernenergie wussten.

1. Das Experiment fand um 15:36 Uhr statt. in einem umgebauten Squash-Court auf dem verlassenen Stagg Field der University of Chicago in Chicago, Illinois.

2. Neunundvierzig Wissenschaftler unter der Leitung von Fermi waren bei der Veranstaltung anwesend. Leona Marshall war die einzige Forscherin.

3. Das Wort „Haufen“ wurde in den ersten Jahren des Atomzeitalters verwendet und wich allmählich dem „Reaktor“, um das Schlüsselgerät zu identifizieren, das die Kernspaltungsreaktion steuert.

Zeichnung von CP-1, dem ersten Kernreaktor der Welt.

4. Der Reaktor wurde aus Graphitblöcken gebaut, von denen einige kleine Uranscheiben enthielten.

5. Wissenschaftler überwachten die Reaktion auf Instrumenten, die nach Winnie the Pooh-Charakteren benannt wurden – Ferkel, Tigger und Pooh.

6. Der Wissenschaftler George Weil zog den kadmiumbeschichteten Kontrollstab zurück und löste die erste kontrollierte Kettenreaktion aus.

7. Der Reaktor hatte drei Sätze von Kontrollstäben. Einer war automatisch und konnte vom Balkon aus gesteuert werden. Ein anderer war eine Notfall-Sicherheitsstange. Die dritte Stange (von Weil betrieben) hielt die Reaktion tatsächlich in Schach, bis sie um den richtigen Abstand zurückgezogen wurde.

8. Die Gruppe feierte mit einer Flasche Chianti, die in Pappbecher gegossen wurde. Die meisten Teilnehmer unterschrieben das Etikett der Weinflasche. Dies war die einzige schriftliche Aufzeichnung darüber, wer an dem Experiment teilgenommen hatte.

9. Im Vorfeld dieses Experiments trug ein Brief von Albert Einstein an Präsident Franklin D. Roosevelt zum Manhattan-Projekt bei – einem Forschungsprojekt der Regierung, das die ersten Atombomben produzierte. Es war auch die Saat, aus der das moderne nationale Laborsystem des US-Energieministeriums hervorging.

10. Das Fermi National Accelerator Laboratory des Energieministeriums wurde zu Ehren von Enrico Fermi für seine Beiträge zur Kernphysik und seinen wissenschaftlichen Erfolg an der nahe gelegenen University of Chicago benannt.

Erfahren Sie mehr über das Erbe des Argonne National Laboratory in der Nuklearwissenschaft.


Physiker Enrico Fermi produziert die erste nukleare Kettenreaktion - GESCHICHTE

1853 - Lange dachte man, die Erde sei nicht älter als einige Zehntausend Jahre. Seit den 1820er Jahren glauben jedoch viele Geologen und Biologen, dass die Erde viel älter ist als bisher angenommen, vielleicht um Hunderte von Millionen Jahren. (Darwin schätzt das Alter der Erde im Erstdruck von Origin of Species auf 300 Millionen Jahre.) Diese Schätzungen beruhen auf einem gestiegenen Bewusstsein dafür, wie sehr langsam geologische und biologische Prozesse wie Erosion oder Evolution ablaufen und damit enorm alt die Erde muss sein, um sie aufzunehmen.

Der bekannte Physiker William Thompson (auch bekannt als Lord Kelvin - Grad Kelvin sind nach ihm benannt) ist entschieden gegen die Evolution. Er beginnt, theoretische Beweise gegen Darwin zu sammeln. Er führt klassische thermodynamische Berechnungen durch, die beweisen, dass die Erde, wenn sie so alt wäre, wie Darwin und andere behaupten, längst zu einem trägen Gestein abgekühlt wäre und keine geologischen Aktivitäten wie Vulkanismus oder Heißwasserquellen möglich wären. Bald schließen sich andere Physiker dem Kampf an. Hermann Helmholtz, der erst sechs Jahre zuvor das Prinzip der Energieumwandlung verkündet hatte, berechnet, wie viel Wärme die Sonne abstrahlen würde, wenn ihre Energie durch langsame Kontraktion entsteht und dabei potentielle Gravitationsenergie in Wärme umwandelt. Er rechnet mit einem Alter von nur 18 Millionen Jahren.

Die enorme Kluft zwischen Geologie und Biologie einerseits und theoretischer Physik andererseits (bei der Altersabschätzung der Erde) wird 50 Jahre andauern. Angesichts der harten Kritik angesehener Physiker entfernt Darwin jede Erwähnung eines bestimmten Alters der Erde in späteren Drucken von Origin of Species.

1896 - Henri Becquerel, ein französischer Physiker, liest von William Roentgens Experimenten mit Röntgenstrahlen und erfährt, dass sie bestimmte Materialien zum Fluoreszieren bringen können. (Technische Anmerkung - Die Röntgenstrahlen waren nur aufregende Spektrallinien in den fluoreszierenden Materialien, wie die Gasröhren, die ich im Unterricht zeige, außer mit Röntgenstrahlen anstelle von Elektrizität.)

Becquerel Wunder, emittieren phosphoreszierende Materialien Röntgenstrahlen, während sie leuchten? (Tech Note - Das tun sie nicht.) Um seine Idee zu testen, beschafft Becquerel einige Materialien, die nach dem Lichteinfall leuchten, genau wie diese magischen Decoderringe, die sie immer noch in Müslischachteln stecken. Er führt einige Experimente durch, bei denen er die Materialien zuerst in die Sonne legt, um sie zum Leuchten zu bringen, und sie dann auf eine in schwarzes Papier eingewickelte Fotoplatte legt, um zu sehen, ob sie Röntgenstrahlen aussenden. Becquerel erhält einige positive Ergebnisse und einige negative, was verwirrend ist.

Eines Tages, wenn es bewölkt ist, legt er eines der Mineralien, die ihm positive Ergebnisse gebracht haben, in eine Schublade mit einer unbelichteten Fotoplatte - und entschließt sich dann aus einer Laune heraus, es zu entwickeln, in der Erwartung, seit der Sonne nur noch schwache Umrisse zu sehen so dunkel an diesem Tag. Stattdessen entdeckt er zufällig, dass die Platte vollständig beschlagen ist, obwohl das Mineral kaum dem Licht ausgesetzt war und nicht leuchtete! Das Mineral ist Kalium-Uranyl-Disulfat und Becquerel entdeckt schließlich, dass das Uran in dieser Verbindung die magische Zutat ist. Alle Verbindungen mit Uran in ihnen beschlagen eine fotografische Platte Verbindungen ohne Uran nicht. Becquerel nennt die neue Strahlung daher "Uranstrahlen".

Technischer Hinweis - Die Eigenschaft, die einige Verbindungen "im Dunkeln leuchten" lässt, nachdem sie Licht ausgesetzt wurden, hat mit ihrer molekularen Struktur zu tun und hat weder mit Röntgenstrahlen noch mit Radioaktivität zu tun. Kurz gesagt, einige Moleküle weisen eine deutliche "Zeitverzögerung" zwischen ihrer Anregung durch einfallendes Licht und der Emission ihrer molekularen Spektrallinien auf. Anstatt sofort all ihre gespeicherte Energie freizugeben und nach dem Abschalten der Stromversorgung zu erlöschen, wie es bei einer Neonreklame der Fall ist, geben phosphoreszierende Materialien ihre Energie für einige Zeit sanft ab, nachdem der Stimulus entfernt wurde. Es war reiner Zufall, dass Becquerel eine "im Dunkeln leuchtende" Verbindung verwendete, die zufällig Uran enthielt.

1897 - Ernest Rutherford, ein Physiker, der ursprünglich aus Neuseeland stammt, aber in Kanada arbeitet, untersucht Becquerels "uranische Strahlen" und entdeckt, dass sie tatsächlich eine Mischung aus zwei Komponenten sind: eine sehr schwere Komponente, die leicht von Materie absorbiert wird und eine positive Ladung hat und eine viel leichtere, durchdringendere Komponente, die nicht so leicht absorbiert wird und eine negative Ladung hat. Rutherford nennt diese Komponenten und , nach den ersten beiden Buchstaben des griechischen Alphabets.

1898 - Pierre und Marie Curie, zwei französische Physiker, die Becquerels "Uranstrahlen" untersuchen, entdecken, dass Thorium auch "Uranstrahlen" abgibt. Sie schlagen den neuen Begriff "Radioaktivität" vor, um Elemente zu beschreiben, die die Eigenschaft haben, Strahlen abzugeben. Aus Pechblend-Proben isolieren und entdecken sie zwei neue Elemente, die viel intensiver radioaktiv sind als Uran: Die Curies nennen sie Polonium (nach Maries Heimat Polen) und Radium (wegen seiner hochradioaktiven Kraft).

1899 - Der französische Chemiker Andre Debierne, ein enger Freund der Curies, isoliert ein weiteres radioaktives Element aus Pechblende. Er nennt es Aktinium, nach dem griechischen Wort für Strahl.

Becquerel, der die "Uranstrahlung" weiter studiert hat, erkennt, dass die b-Teilchen von Rutherford Elektronen so ähnlich sind, dass sie Elektronen sein müssen, wenn auch Elektronen von sehr hoher Energie.

Der französische Physiker Paul Villard entdeckt, dass Uran noch eine dritte Komponente abgibt, die von Magneten nicht beeinflusst wird und daher scheinbar ungeladen ist. Sie sind erheblich durchdringender als entweder -Teilchen oder -Teilchen, und Villard nennt sie (vorhersehbar) -Strahlen, nach dem dritten Buchstaben des griechischen Alphabets. Villard vermutet, dass -Strahlen elektromagnetische Strahlung von unglaublich kurzer Wellenlänge sind, noch kürzer als Röntgenstrahlen. (Er hat recht.)

Tech Note - Wir verwenden immer noch die Begriffe "-Teilchen", "-Teilchen" und "-Strahlen", um die drei Strahlungsformen zu bezeichnen, obwohl wir wissen, dass - und -Teilchen eigentlich nur Heliumkerne sind (zwei Protonen und zwei Neutronen) bzw. Elektronen.

1901 - Die Curies messen die Energie, die von radioaktiven Elementen abgegeben wird, und entdecken, dass ein Gramm Radium die unglaubliche Menge von 140 Kalorien pro Stunde freisetzt. Soweit sie das beurteilen können, geht diese Energie auf magische Weise weiter und weiter, unvermindert, Monat für Monat. Das Radium scheint sich in keiner Weise zu verändern. Woher kommt all diese Energie? Wird die Energieerhaltung verletzt?

1903 - Ernest Rutherford erkennt als erster, dass der langjährige Streit um das Alter der Erde zwischen Biologen und Geologen einerseits und Physikern andererseits gelöst werden kann, wenn man davon ausgeht, dass das Erdinnere leichte Spuren radioaktiver Elemente. Die große Masse der Erde und die schlechte Wärmeleitfähigkeit der Gesteinsmaterialien, aus denen sie hauptsächlich besteht, bedeuten, dass selbst eine geringe Wärmezufuhr ausreichen würde, um sie viel länger geologisch aktiv zu halten als die von William Thompson (der natürlich davon ausgegangen, dass das Erdinnere völlig träge ist). Rutherford stellt die Hypothese auf, dass die (scheinbar unerschöpfliche) Energie, die von radioaktiven Erzen produziert wird, tatsächlich genau diese Wärmequelle ist, und stellt sich damit auf die Seite der Biologen und Geologen bezüglich des Alters der Erde.

Tatsächlich kommen Rutherford und andere Physiker, die radioaktive Erze untersuchen, innerhalb weniger Jahre zu dem Schluss (basierend auf den sehr langen Halbwertszeiten einiger der von ihnen gefundenen Isotope), dass das Alter der Erde durchaus im Milliarden Jahre statt nur Hunderte von Millionen. (Sie haben Recht – der derzeit akzeptierte Wert für das Alter der Erde beträgt etwa 4,2 Milliarden Jahre.)

1906 - Rutherford entdeckt, dass -Teilchen, wenn sie in einem Behälter zum Stillstand gebracht werden, zu Heliumatomen werden. Mit anderen Worten, ein -Teilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen (das ist der Kern eines Heliumatoms), die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Wenn das -Teilchen abgebremst wird und von irgendwoher ein paar Elektronen einfängt, wird es als gewöhnliches Helium erkennbar.

Die sehr hohe Geschwindigkeit der Heliumkerne und die hohe Geschwindigkeit der von radioaktiven Elementen emittierten Elektronen (Strahlen) und die ebenfalls emittierte hochenergetische elektromagnetische Strahlung sowie die Wärmemessungen der Curies weisen darauf hin, dass in diese Elemente, was in der Tat sehr energisch ist. Aber was? Rutherford erkennt nicht, dass die Antwort von Einstein bereits 1905 (indirekt) in Form von E = mc 2 veröffentlicht wurde.

1909 - Eugene Marsden und Hans Geiger sind zwei Doktoranden, die bei Ernest Rutherford in Manchester, England, arbeiten, wohin Rutherford umgezogen ist. Sie führen eine Reihe von Experimenten durch, bei denen -Teilchen in eine Goldfolie geschossen werden. Entgegen den Erwartungen gehen die meisten -Partikel durch das Gold, als wäre es nicht da, aber einige werden in großen Winkeln abgelenkt, und einige wenige drehen sich sogar um und prallen direkt zurück, als ob sie auf eine undurchdringliche Barriere gestoßen wären. Dies führt Rutherford dazu, das "Sonnensystem"-Modell des Atoms vorzuschlagen, in dem das Atom im Wesentlichen leerer Raum ist, aber einen sehr kleinen und unglaublich dichten Kern hat. (Weitere Informationen finden Sie in der Zeitleiste der Quantenmechanik.)

1913 - Der britische Chemiker Frederick Soddy und der amerikanische Chemiker Theodore Richards erläutern das Konzept des Atomgewichts. Als die Menschen die Radioaktivität weiter untersuchten, wurde immer klarer, dass es mehrere Arten von Elementen gab. Zum Beispiel gibt es sowohl radioaktive als auch nicht radioaktive Versionen von Kohlenstoff. Soddy und Richards beweisen, dass der Unterschied im Gewicht des Atomkerns liegt – es kann verschiedene Versionen desselben Elements mit unterschiedlichen Gewichten geben. Die verschiedenen Versionen werden Isotope getauft, von den griechischen Wörtern, die "gleicher Ort" bedeuten.

Technische Anmerkung - Die chemischen Eigenschaften eines Elements werden ausschließlich durch die Anzahl der Protonen in einem Kern bestimmt, da es die positiv geladenen Protonen sind, die mit der Elektronenwolke um den Kern interagieren, und es ist die Elektronenwolke, die die Chemie erzeugt. Kerne können auch Neutronen enthalten, die etwa die gleiche Masse wie Protonen haben, aber keine Ladung haben. Neutronen können somit das Gewicht eines Kerns und seine radioaktiven Eigenschaften beeinflussen, haben jedoch keinen Einfluss auf seine chemischen Eigenschaften.

1915 - Der amerikanische Chemiker William Harkins stellt fest, dass die Masse eines Heliumatoms tatsächlich nicht genau viermal so groß ist wie die eines Protons. Es ist etwas weniger. Er gibt an, dass die überschüssige Masse über Einsteins E = mc 2 in Energie umgewandelt wurde und dass dies die Quelle der Kernenergie ist.

1919 - Rutherford, der immer noch hart daran arbeitet, Dinge mit -Teilchen zu bombardieren (siehe 1897, 1906, 1909), gelingt es, ein -Teilchen (dh einen Heliumkern) dazu zu bringen, mit einem Stickstoffkern zu reagieren, um ein Proton (dh einen Wasserstoffkern) zu erzeugen ) und einen Sauerstoffkern. Rutherford hat die erste von Menschenhand geschaffene Kernreaktion ausgelöst. Dies macht ihn auch zum ersten Menschen in der Geschichte, der ein Element in ein anderes verwandelt.

1930 - Der britische Physiker Paul Dirac versucht, Relativität und Quantenmechanik zu kombinieren. Es gelingt ihm, und die relativistische Quantengleichung heißt daher die Dirac-Gleichung. Er bemerkt, dass seine Gleichung die Existenz von "negativen" Zuständen für Elektron und Proton vorhersagt, und er sagt damit die Existenz von Antimaterie voraus.

1931 - Seit über einem Jahrzehnt ringen Physiker mit einem sehr rätselhaften Problem der Emission. Die beim -Zerfall emittierten Elektronen haben nicht immer die gleiche kinetische Energie, im Gegensatz zu den beim -Zerfall emittierten Teilchen. Vielmehr kommen die Elektronen mit einer glockenkurvenartigen Energieverteilung heraus, was bedeutet, dass (1) Energie anscheinend nicht erhalten bleibt und (2) die Menge der fehlenden Energie auf wahrscheinliche Weise variiert. Es scheint, dass ein Teil der Kernenergie, die den Zerfall antreibt, an einen anderen Ort als das emittierte Elektron geht. Aber wo? Aufwändige Versuche werden unternommen, von den Proben ausgehende Wärme oder elektromagnetische Strahlung zu detektieren – aber jeder Versuch scheitert. Einige Physiker beginnen sich ernsthaft zu fragen, ob der -Zerfall vielleicht wirklich die Energieerhaltung verletzt, und Niels Bohr geht sogar so weit, ein mögliches Szenario auszuarbeiten, wie die Sonnenenergie durch massive Energie-Nichterhaltung infolge von -Zerfällen erzeugt werden könnte.

Der deutsche Physiker Wolfgang Pauli und der italienische Physiker Enrico Fermi schlagen vor, dass b -Zerfall zwei Teilchen erzeugt, die sich die kinetische Energie teilen: ein Elektron und ein unsichtbares Teilchen, das Fermi als a . tauft neutrino , aus dem Italienischen für "kleine neutrale". Es wird angenommen, dass das Teilchen sowohl sehr leicht als auch neutral ist, wodurch es Materie so leicht durchdringen kann, dass es fast unmöglich ist, sie zu entdecken.

1932 - Der englische Physiker James Chadwick bombardiert Beryllium mit a-Teilchen, um freie Neutronen herauszuschlagen, und wird damit der erste Physiker, der Neutronen direkt detektiert.

1932 - Der amerikanische Physiker Carl Anderson untersucht die kosmische Strahlung, als er einige Spuren auf seinen Fotoplatten bemerkt, die genau wie Elektronenspuren aussehen, außer dass sie sich in die falsche Richtung biegen. Er erkennt, dass er ein positiv geladenes Elektron entdeckt hat, also das von Dirac vorhergesagte Antielektron. Anderson nennt das neue Teilchen ein Positron.

Technische Anmerkung - Elektronen und Positronen sind genau gleich, außer dass sie entgegengesetzte Ladungen und entgegengesetzte Quantenzahlen haben. Das und noch eine Kleinigkeit. Wenn sich ein Elektron und ein Positron berühren, vernichten sie sich augenblicklich in einem Blitz von g-Strahlen. Mit anderen Worten, sie werden beide in reine Energie umgewandelt. Aus diesem Grund halten Positronen nach ihrer Entstehung nicht sehr lange.

Star Trek Hinweis - Alle Teilchen haben Antiteilchen, also gibt es auch negativ geladene Antiprotonen und so weiter. Raumschiffe der Föderation werden angeblich von Materie-Antimaterie-Reaktionen angetrieben, weshalb sie wahrscheinlich immer so spektakulär explodieren. Wenn Jordi seine Antimaterie aus dem Magnetbehälter schütten lässt, steckt er in großen Schwierigkeiten.

1934 - Frederic Joliot und seine Frau Irene Curie, Tochter von Marie Curie, beschießen Aluminium mit a-Partikeln, um Phosphor-30, das erste künstlich radioaktive Element, herzustellen.

1935 - Der japanische Physiker Hideki Yukawa schlägt vor, dass die Neutronen und Protonen in Atomkernen von einer intensiv starken Kraft zusammengehalten werden, die er die starke Kraft nennt. Bei der Arbeit mit der Dirac-Theorie erkennt er, dass die Grundkräfte von Quanten getragen werden müssen, d.h. sie können nicht als klassische "Kraftlinien" existieren. Der einzige Weg für solche Quanten, zu existieren und dennoch mit der klassischen Physik kompatibel zu sein, besteht darin, dass sie ihre Energie "stehlen", indem sie so schnell in die Existenz ein- und wieder verschwinden, dass die Energieerhaltung nicht verletzt wird, weil sie durch das Heisenbergsche Unschärfeprinzip maskiert wird. (Mit anderen Worten, das Unsicherheitsprinzip gilt sogar für den leeren Raum – woher wissen Sie, dass er wirklich "leer" ist, wenn das Prinzip Sie seine Energie nicht genau messen lässt?) Yukawa sagt voraus, dass die starke Kraft von . "getragen" wird was er ein "Austauschteilchen" nennt. Aus den bekannten Atomgrößen und unter der Annahme, dass sich das Austauschteilchen normalerweise fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, berechnet er, dass es eine etwa 200-fache Masse des Elektrons haben sollte.

1938 - Es ist heute allgemein anerkannt, dass die Berechnung von Hermann Helmholtz vor über 60 Jahren, die ein Alter von etwa 18 Millionen Jahren für die Sonne herleitet, aus genau dem gleichen Grund weit daneben liegt wie Thompsons Berechnung für das Alter der Erde war so weit weg: Sowohl die Erde als auch die Sonne verfügen über nukleare Energiequellen. Aber die Frage bleibt: Wie treibt Atomenergie die Sonne an? Seine enorme Energieausbeute ist viel zu groß, um wie auf der Erde durch Spuren radioaktiver Elemente erzeugt zu werden.

Der deutsch-amerikanische Physiker Hans Bethe berechnet detailliert, wie Kernfusion statt Kernspaltung die Sonne antreiben kann. Er leitet eine dreistufige Sequenz ab, die wir jetzt Proton-Proton-Kette nennen:

  1. Zwei Protonen kollidieren so heftig, dass eine Kernumwandlung stattfindet. Eines der Protonen wird in ein Neutron umgewandelt und verschmilzt mit dem anderen Proton zu einem Deuteron, d. h. "schwerem" Wasserstoff, 2 H. Um Ladung und Leptonenzahl zu erhalten, werden ein Antielektron und ein Neutrino emittiert. Das Neutrino entkommt der Sonne, aber das Antielektron vernichtet sofort mit einem Elektron und setzt Energie frei.
  2. Das Deuteron kollidiert mit einem hochenergetischen Proton und die beiden verschmelzen zu 3 He. Die Masse von 3 He ist etwas geringer als die von 2 H und einem Proton getrennt, und die überschüssige Masse wird in hochenergetische Gammastrahlen umgewandelt.
  3. Zwei energetische 3 He-Atome kollidieren und in dem resultierenden nanonuklearen Feuerball entstehen ein a-Teilchen (4 He-Atom) und zwei Protonen. Der Massenunterschied vor und nach der Kollision ist beträchtlich: Er setzt ungefähr die doppelte Energie der ersten beiden Schritte zusammen frei. Die Energie äußert sich vor allem in der kinetischen Energie der Nachprodukte, also als Wärme.
  4. Der Nettoeffekt der Kette besteht darin, dass vier Wasserstoffatome in ein Heliumatom umgewandelt wurden und 0,7% der ursprünglichen Masse des Wasserstoffs in Energie umgewandelt wurden. Das entspricht 175 Millionen Kilowattstunden Energie aus jedem Kilogramm Wasserstoff.

1938 - Die österreichischen Physiker Otto Hahn und Lise Meitner beschießen Uran mit Neutronen und entdecken die Kernspaltung. Kurz gesagt, Uran ist ein sehr großes Atom mit über 230 Protonen und Neutronen. Wenn Sie es also mit einer Neutronen-„Kugel“ schlagen, kann es in zwei Teile gespalten werden. Die Jüdin Meitner flieht nach dem deutschen Einmarsch in Österreich nach Schweden und erstellt mit Hilfe ihres Neffen, des Physikers Otto Frisch, eine Arbeit. Frisch erzählt Bohr (siehe 1913) von der Zeitung, die ihrerseits während einer Konferenz im Januar 1939 die Nachricht in den USA verbreitet.

1939 – Der ungarische Physiker Leo Szilard, der aus dem von den Nazis besetzten Europa in die USA geflohen ist, erfährt von der Kernspaltung und erkennt, dass sie für eine Kettenreaktion genutzt werden könnte. Er beginnt sofort eine Kampagne, um amerikanische Wissenschaftler davon zu überzeugen, dass sie ihre Nuklearforschung freiwillig geheim halten sollen, damit die Nazis nicht daraus lernen können. Er ist weitgehend erfolgreich.

1940 - Die amerikanischen Physiker Edwin McMillan und Philip Abelson beschießen Uran mit Neutronen, um Plutonium zu produzieren. Uran ist Element Nummer 92 und Plutonium Element Nummer 93, also sind McMillan und Abelson die ersten Physiker, die ein neues Element herstellten. In seinen Bemühungen, das Plutonium zu isolieren, beginnt Abelson, Methoden zu entwickeln, um seltene radioaktive Isotope von ihren häufigeren Brüdern zu trennen. Er hat den ersten Schritt zur Produktion von angereichertem Uran getan.

1941 - Als Reaktion auf einen von Albert Einstein und anderen prominenten Physikern unterzeichneten Brief, der vor der Gefahr warnt, sollte Nazi-Deutschland die Kernspaltung entdecken, unterzeichnet Präsident Franklin D. Roosevelt einen geheimen Befehl, der das Manhattan-Projekt startet.

1942 - Enrico Fermi (siehe 1931), der inzwischen aus dem faschistischen Italien in die USA geflohen ist, wird zum Hauptwissenschaftler, der für die Herstellung einer Kettenreaktion für das Manhattan-Projekt verantwortlich ist. In einem geheimen Labor unter der Tribüne des Fußballstadions der Universität von Chicago bauen Fermi und sein Team den ersten Nuklearstapel der Welt (so genannt, weil es buchstäblich ein riesiger Haufen sorgfältig arrangierter Uran-, Graphit- und Cadmiumblöcke ist). Am 2. Dezember um 15.45 Uhr darf es für wenige Sekunden kritisch werden und beweisen, dass die Kernenergie praktisch nutzbar ist. Zur Sicherheit stehen drei junge Physiker auf einem Gerüst über dem Haufen mit Wassereimern mit gelösten Cadmiumsalzen - sie sollen ihr Wasser in den Haufen gießen, wenn der Reaktor durchzudrehen beginnt. (Der Fairness halber muss ich anmerken, dass der Haufen auch eine konventionellere automatische Absperrvorrichtung hatte. Aber da noch nie jemand einen Reaktor hochgefahren hatte, hielt das Team es für das Beste, auf Nummer sicher zu gehen.)

1945 - Am 16. Juli, kurz vor Sonnenaufgang, wird auf einem Testgelände in der Wüste 60 Meilen nordwestlich von Alamogordo, New Mexico, die erste Atombombe der Welt gezündet. Fermi macht eine sofortige Einschätzung seiner Leistung, indem er zum Zeitpunkt der Zündung einige Papierstücke in die Luft wirft und dann beobachtet, wie weit die Stücke durch die Explosion geblasen werden. (Fermi war etwa 10 Meilen vom Ground Zero entfernt.) Dieses Ereignis folgt drei Jahren rasender Arbeit in geheimen Einrichtungen in Hanford, Washington Oak Ridge, Tennessee und Los Alamos, New Mexico.

Kaum einen Monat später vernichten Atombomben Hiroshima und Nagasaki fast vollständig und töteten über 100.000 Menschen. Kurz darauf kapituliert das Kaiserreich Japan. (Das Foto zeigt Nagasaki, Japan, am 9. August 1945.)


Im Inneren des Red Baron's Mind

Die unveränderliche Natur des Krieges

Spionagefabrik: Experten-Fragen und Antworten

1942 war der verlassene Squash-Court unter dem stillgelegten Football-Stadion der University of Chicago kaum mehr als ein Augenschmaus. Aber wo Studenten Überreste vergangener Squash-Spiele sahen, sah der Physiker Enrico Fermi einen idealen Ort für ein Experiment, dessen Ergebnisse die Flugbahn des Zweiten Weltkriegs verändern und eine neue, angespannte geopolitische Ära einleiten würden.

Der Raum aus verstärkten Ziegelsteinen hatte die perfekte Größe, um einen ordentlich gestapelten Stapel von 40.000 Graphitziegeln aufzunehmen, von denen einige Uran enthielten, andere mit Löchern versehen waren, die für 4 Fuß lange kadmiumbeschichtete Rohre ausgelegt waren.

Ein Arbeiter steht neben Graphitblöcken, die das Rückgrat von Chicago Pile-1 bildeten, einem primitiven Kernreaktor.

Am 2. Dezember häuften sich Fermi und fast 50 andere Wissenschaftler auf der Tribüne. Geigerzähler in der Hand beobachteten sie, wie die Messwerte in die Höhe schossen, als die neutronenabsorbierenden Röhren nacheinander entfernt wurden. Ohne die Cadmiumpuffer waren Neutronen aus der Aufspaltung von Uranatomen ungehindert, konnten auf andere Uranatome prallen und setzten noch mehr Neutronen frei, die noch mehr Kollisionen verursachten.

Als das letzte Rohr um 15:25 Uhr entfernt wurde, wurde der Haufen mit einem stetigen Strom von Atomenergie versorgt. Dies war kein Squash-Court mehr. 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.”

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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 Bekanntmachung 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 Bekanntmachung. &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.”


Letzte Jahre und Tod

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.


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