SRP om Atombomben i Fysik A og Historie A

Side 1

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 1 af 38

Abstract

This assignment deals with the Manhattan project and its history. At the beginning in a brief description of Japans attack on Pearl Harbor, their accounts for the war in the Pacific Ocean between USA and Japan. Contemporary with the war course, their big scientific breakthroughs within the nuclear physics place. The times big scientists, discovered the fission process in an atomic nucleus. That was the beginning of, the secret Manhattan Project. The motive to make nuclear bomb in USA was, that they wanted to get the Germans ahead. Germany surrendered in

1945, but the war against Japan was not over. The research group who had taken part in the developing the bomb had got quarrel. Some believed that it will be morally wrong to use the bomb, now when there were no threads that it could be used against them, while others thought that the bombs were a good alternative to end the war and save lives of the American soldiers. Despite all the postures for and against the use of the atomic bomb as weapon, got used against Japan. The bombs killed more than 100.000 human beings while several thousand died later or the after the attack. The humans control over the nuclear energy was to begin with, turned over to nuclear bombs which had not been beneficial for anyone. Now everybody waited anxious, that it should be transformed to something better but we didn’t have to wait long before the humankind experienced it transformed to better bombs (the hydrogen bombs). More terrible than the ones one up to now had seen. Instead of peace we got the Cold War.

Side 2

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 2 af 38

Indhold

Abstract ......................................................................................................................................................... 1 Indledning ...................................................................................................................................................... 3 Stillehavskrigen og angrebet på Pearl Harbor. .............................................................................................. 3 Da videnskaben mister uskylden. .................................................................................................................. 5 Det hemmelige kapløb ................................................................................................................................... 7 Tyskland kapitulerer, men hvad med Japan? ................................................................................................. 9 Atombomben bliver kastet. ........................................................................................................................... 9 Fissionsprocesser. ........................................................................................................................................ 10 En flad appelsin af uran og grafit. ............................................................................................................... 12 Chicago Pile One (CP-1) ............................................................................................................................. 13 Fermi fortsætter sit arbejde med pile. .......................................................................................................... 14 Atombombens konstruktion. ....................................................................................................................... 15 Forskerne kommer i tvivl. ........................................................................................................................... 16 Sådan dræber en atombombe. ...................................................................................................................... 18 Atombomben, et frygteligt våben. ............................................................................................................... 19 Udnyttelser af kerneenergi........................................................................................................................... 20 Konklusion. ................................................................................................................................................. 22 Litteraturliste: .............................................................................................................................................. 23 Bilag nr. 1 .................................................................................................................................................... 25 Bilag nr. 2 .................................................................................................................................................... 26 Bilag nr. 3 .................................................................................................................................................... 26 Bilag nr. 4 .................................................................................................................................................... 26 Bilag nr. 5 .................................................................................................................................................... 26 Bilag nr. 6 .................................................................................................................................................... 27 Bilag nr. 7 .................................................................................................................................................... 32 Bilag nr. 8 .................................................................................................................................................... 33 Bilag nr. 9 .................................................................................................................................................... 35 Bilag nr. 10 .................................................................................................................................................. 36 Bilag nr. 11 .................................................................................................................................................. 37 Bilag nr. 12 .................................................................................................................................................. 38

Side 3

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 3 af 38

Indledning

Under 2. verdenskrig skete der store omvæltninger i menneskehedens historie. Det var en tid præget af destruktion, hvor mange uskyldige mennesker blev dræbt. Samtidig med krigens forløb skete der store omvæltninger indenfor kernefysikken. Tidens store forskere opdagede hvordan man kunne udløse store mængder af energi, når man spaltede atomkerner. Det blev begyndelsen på atomalderen. Menneskeheden kunne nu skabe så kraftige våben, at den kunne udslette sig selv.

Dermed blev 2. Verdenskrig et symbol på massiv destruktion, som mennesket har været stillet overfor.

Denne opgave er studieretningsprojektet, udarbejdet i 3.g på Horsens Gymnasium. Opgaven er udarbejdet i samarbejdede mellem to studieretningsfag, historie A og fysik A. Opgaven er en individuel opgave, der er blevet udarbejdet i de følgende undervisnings fri dage, mellem tirsdag d.

8. til mandag d. 20. december. Opgaven afleveres tirsdag d. 21. december.

Hovedområdet i opgaven er Manhattan projektet og dets historie. Herunder bliver der redegjort for, de historiske begivenheder der fandt sted i Stillehavet mellem USA og Japan. Krigen blev efterfulgt af Manhattan projektet, der ledte vej til atombomben. Til sidst vurderes deltagernes holdninger og argumenter for brugen af atombomben.

Stillehavskrigen og angrebet på Pearl Harbor.

Stillehavskrigen opstod i 1930’erne. Den var et resultat af Japans aggressive ekspansionspolitik, der især gik udover Kina. I 1931 lykkedes det Japan at erobre provinsen Manchuriet. I 1937 indledte japanerne invasion af Kina. Formålet med Japans ekspansionspolitik var, at den japanske flåde skulle have kontrol over den vestlige del af Stillehavet. Dette skulle sikre Japan forbindelseslinjer til blandt andet, Indokina og Hollandsk Ostindien. For at fuldfører deres mål måtte Japan ødelægge amerikanernes flåde, som var den eneste flåde i Stillehavet, der truede dem. Da Japan i 1940 støttede aksemagterne og dannede Rom, Berlin og Tokyo aksen, voksede fjendtligheden mellem USA og Japan. Efterfølgende stoppede USA olieeksporten til Japan, hvilket provokerede japanerne idet, at ca. 80 % af olien blev eksporteret fra USA. Japanske leder besluttede herefter, at de ikke vil bukke under for USA. Den 7. december 1941 indledte Japanerne med 432 fly, en luft og flådeangreb på den amerikanske flådebase Pearl Harbor, Hawaii [1]. Den amerikanske flåde led et stort nederlag, og omkring 2.500 marinesoldater omkom under angrebet. Mange skibe og flyvemaskiner på basen blev ødelagt, herunder også de to slagskibe USS West Virginia og

1

Weilbull, Jörgen m.fl.: Politikens verdens historie bind 18: tragediens anden del, s. 258- 261

Side 4

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 4 af 38

Tennessee. Angrebet gjorde amerikanerne lamslået, de havde ikke forventet sådan et angreb fra Japanernes side. USA tog angrebet, som en krigserklæring og gik ind i 2. verdenskrig.

Få timer efter angrebet på Pearl Harbor indledte Japan et angreb på, baserne på Formosa Clark Field i nærheden af Manila, på Filippinerne. Tre dage senere blev to engelske slagsskibe standset, angrebet og sænket af japanske flyvere. På kort tid erobrede Japan den britiske flådebase Hongkong i Sydkina og de amerikanske øer Guam og Wake Island. [2]

Japanerne havde på kort tid vundet herredømmet i luft og til søs i Østasien.

Angrebet på Pearl Harbor var et stort nederlag for USA, det svækkede deres stolthed og styrkede Japanernes selvtillid. USA betragtede angrebet, som en krigserklæring. Englænderne støttede amerikanerne ved, at erklære Japan krig. Tyskland og Italien støttede japanerne ved, at erklære USA krig. 2. verdenskrig blev dermed en verdens omfattende krig.

I denne periode havde Australien en afgørende rolle for, om amerikanerne kunne fører krig i den sydvestlige del af Stillehavet. Da denne var endestation for søtransport, der strakte sig fra den amerikanske vestkyst over Stillehavs øer og frem til krigspladsen. [3]

Hvis bare et led i denne kæde gik i stykker, vil den amerikanske forsynings tjeneste gå i opløsning, og dermed ville chancen for at slå Japan ikke være så stor.

I 1942 kom det første allierede angreb mod Japan. Japanske skibe blev angrebet ud for Australiens nordøst kyst, Koralhavet [4], af amerikanske hangar skibe, fly og baser på land under General MacArthur [5]. Det var en kamp der stod på i seks dage, hvorefter japanerne tabte slaget og måtte vende om. I juni 1942 forsøgte japanerne denne gang at erobre Midway - øen [6], men også her blev de slået ud. Slaget om Midway kostede Japanerne dyrt idet, at de mistede omkring 400 fly, 4 hangarskibe, en ”supertank” og adskillige undervandsbåde blev ødelagt af amerikanerne. Derudover mistede adskillige japanske soldater livet under kampen. I 1942 – 1945 fulgte adskillige søslag mellem de allierede og Japan om forskellige lande, øer, hav omkring Stillehavet. USA og de allierede vandt næsten alle kampene, men Japan ville ikke give op. I denne sammenhæng skal der nævnes, at japanernes ”livsfilisofi” var, at enten så skulle de vinde eller så skulle de dø i kamp.

I 1945 besatte amerikanske soldater Iwo Jima. Herfra kunne amerikanerne nå ind over Japan. Slaget om Iwo Jima var det næstsidste slag, der blev udkæmpet mellem USA og Japan under 2.

2

Bryld, Carl – Johan: Verden efter 1914 – i dansk perspektiv, side 138

3

Weilbull, Jörgen m.fl.: Politikens verdens historie bind 18: tragediens anden del, s. 302 - 303

4

Koralhavet et hav nord for Australien.

5

Douglas MacArthur amerikansk ”General of the Army”, ”femstjernet general” i 1944 - Han blev beundret for sine brillante

strategiske og taktiske evner.
6

Midway – en ø der ligger i det sydvestlige Stillehav.

Side 5

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 5 af 38 verdenskrig. Det var en af de blodigste kampe, der fandt sted under Stillehavskrigen. Under slaget døde omkring 6000 amerikanere og 21.000 japanere.

I april 1945 samledes de allierede [7] for at kæmpe om øen Okinawa. Dette slag var det største og det sidste slag selvom, hverken japanerne eller amerikanerne mente det. I foråret 1945 var Japan slået, dog var der ingen tegn på kapitulation fra deres side. De allierede havde vundet slaget, men Japan nægtede at kapituler. De truede med, at slå 100.000 amerikanske krigsfanger ihjel, hvis USA påbegyndte en invasion af Japan. USA valgte herefter, at bruge to atombomber imod Japan.

Den 6. august 1945 smed et amerikansk fly, Enola Gay, den første atombombe over Hiroshima To dage efter d. 8. august erklærede Sovjetunionen Japan krig og sendte sin hær til Manchuriet. Den 9.

august kastes den anden atombombe over Nagasaki og dagen efter d. 14. august anmodede kejser

Hirohitos om fred.^{8}

Da videnskaben mister uskylden.^{9}

2. verdenskrig var blevet en verdens omspændende krig, samtidig med det begyndte kernefysikken at opblomstre.

I Rom begyndte en forsker Enrico Fermi, at beskyde en urankerne med neutroner. Han mente, at de tunge uranker vil absorbere neutronen, og derefter enten henfalde til et grundstof med lavere atomnummer ved alfa henfald eller til et grundstof med højere atomnummer ved beta henfald.

Fermi håbede mest på, at uran ved indfangelse af en neutron igennem et beta^{-} henfald vil omdanne

sig til et nyt grundstof, transuraner. De ny dannede kerner blev undersøgt, og Fermi konstaterede, at den ny dannede kerne måtte være en transuran [10].

I Berlin begyndte forskerparret, Otto Hanh og Lise Meitner at gentage Fermis forsøg. De var skeptiske overfor Fermis konklusion og forsøgte at afvise den. De sammenlignede kernernes kemiske egenskab med kendte grundstoffer, og navngav transuraner efter de kendte stoffer de lignede, og samtidig fik de forstavelserne ”eak”. Eksempel: grundstof nr. 93, der er kemisk i slægt med nr. 75- rehnium, fik navnet eka – rehnium.

I Paris arbejdede forsker parret, Iréne og Frédéric Joliot – Curie også med samme forsøg. Dog kunne begge forskere par, ikke komme frem til en løsning og puslespillet blev uløst. [11]

7

Allierede: USA, Storbritannien, Australien, Canada og New Zealand

8

Weilbull, Jörgen, m.fl.: Politikens verdens historie bind 18: tragediens anden del, s. 326-327

9

Se de videnskabelige opdagelser man har gjort indtil 1942 i bilag nr. 1

10

Et grundstof som ikke tidligere har eksisteret på jorden, kaldes en transuran.

11

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 22-23

Side 6

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 6 af 38

I foråret 1938 blev Østrig indlemmet under, Tyskland. Det fik forskeren Lise Meitner, der var halvt jøde til at flygte fra Berlin. Hun blev hjulpet af den danske forsker Niels Bohr og sin nevø Otto Fisch til, at flygte til Sverige, hvor hun kunne fortsætte sit arbejde. I Berlin fortsatte Otto Hanh sit arbejde sammen med Fritz Strassmann. De fandt ud af at nogle radioaktive produkter kemisk var beslægtede med barium. Derfor antog de, at disse stoffer kunne være isotoper [12] af Radium. Når en uran – 238 blev beskudt af neutroner og 2 alfa partikler, kunne den henfalde til Ra - 231. Ved nærmere undersøgelser viste det sig, at produkterne ikke bare var beslægtede med barium, men at de var kemisk identiske med barium. Dvs. at det de førhen troede, var en Ra – isotop var en barium, kunne eka- rhenium være rhenium. Hvis dette var tilfældet ville massetallene for isotoper af produkterne være 239 hvilket jo var det samme massetal, som uran havde til at starte med. Det vil betyde at hele kernen var revnet.

Kernekraften er den stærkeste kraft i naturen, kunne den virkelig blive delt af en neutron? Dette havde fysikkerne lidt svært ved at tro på.

Inden jul 1938 mødtes Meitner og Otto Frisch i Sverige. Sammen prøver de at forstå Hanh’s og

                                              13
Strassmann’s resultater igennem Niels Bohrs dråbe model

for tunge kerner. De lavede beregninger der viste at atom med atomnummer der nærmede sig 100 havde en overfladespænding nær 0, dvs.

evne til at holde sammen på atomet. De tænkte at en ustabil urankerne, bliver helt ustabil, når den indfangede en ekstra neutron. Ifølge Einsteins energi-masse-formel, vil en spaltning af uran-235 kerne medføre en energi udbytte på 200 MeV. Det var det hidtil største man havde set. I starten af januar kunne Otto Fischer forelægge sine og Lise Meitner’s resultater for Bohr. Samtalen var kort, fordi Bohr var på vej til Washington til en fysikkonference. Da Niels Bohr hørte om deres resultater tog han sig til hovedet og udbrød: ” Det er jo fantastisk! Hvor har vi været nogen idioter, at vi ikke har indset det før!”. Meitner og Fischer offentlig gjorde deres ide den 11. februar 1939 i tidsskriftet Nature. Her forslog de, navnet fission til den nye kerneproces. [14]

I foråret 1939 lykkedes det endelig for forskere, at spalte en atomkerne. Dette satte gang i en hel masse spekulationer. Hvad skulle spaltningen bruges til? En af ideerne var at skabe en bombe der kunne være så voldsom, at den vil udrydde en hel by. Forskerne havde ikke den største tiltro til denne ide, men hvad hvis det kunne lade sig gøre? Hvem ville så udvikle den første atombombe?

Mange af forskerne var begyndt at frygte, at Hitler måske var i gang med at få udviklet en atombombe og efterfølgende bruge den i krigen, i så fald vil ingen kunne gøre modstand.

12

Isotop er forskellige udgaver af atomer af et grundstof, hvor atommassen varier, mens antallet af protoner er det samme.

13

Se Niels Bohrs Dråbe model i Bilag nr. 2

14

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 22-28

Side 7

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 7 af 38

En af de forsker der var klar over fissionens frygtindgydende muligheder, var den ungarske immigrant Leo Szilard [15]. Allerede i 1933 [16] havde Szilard fundet ud af, at man kunne spalte en atomkerne der vil igangsætte en kædereaktion, som i sidste ende vil udløse store mængder af energi.

Szilard havde grunde til at frygte hvad der vil ske hvis Hitler, som den første fik udviklet en atombombe. Derfor opsøgte han Einstein for at få ham til at ligge navn til en opfordring. Ældre læsere vil forstå hvad det vil sige, at få Einstein til at ligge navn til en opfordring. Einstein kunne med det samme se problemet, herefter besluttede de sammen at skrive et brev til den amerikanske præsident Franklin Roosevelt. Brevet blev skrevet d. 2. august 1939, men den kom først frem i oktober måned. I brevet bliver der kort redegjort for, hvordan man kunne spalte en urankerne og derved fremskaffe store mængder af energi og, hvordan denne teknik kunne bruges til at udvikle kraftige bomber. Derudover rådede de Roosevelt til at indlede et atomforskningsprojekt i USA, så man derved kunne komme tyskerne i forkøbet. [17]

Einstein forskede ikke fissionsenergi og var heller ikke en af deltagerne i Manhattan projektet, men alligevel valgte Szilard at gå til ham. Grunden var, at Einstein var en respekteret forsker, hvilket betød at der stor chance for, at præsidenten vil læse et brev fra ham. I for de følgende næste år kom både Szilard og Einstein til at fortryde den rolle, de havde spillet i udviklingen af atombomberne.

I første omgang skete der ikke så meget udover, at præsident Roosevelt sammensatte en komite [18] der skulle afgøre, hvad man skulle gøre indenfor forskning af fission af uran. Til at begynde med fik forskere gruppen 6000 dollars, så de kunne købe grafit og uran. [19]

To år senere, den 6. december

1941 bestemte USA sig for at producere atombomber, og dagen efter angreb Japan den amerikanske flådebase Pearl Harbor. Efterfølgende gik USA ind i krigen, og projektet fik stor betydning for krigens forløb.

Det hemmelige kapløb.

I august 1942 påbegyndte man endelig projektet, der fik kode navnet Manhattan projektet, dermed var det hemmelige kapløb i gang. Det sat gang i mange spekulationer for der var ingen, der vidste hvor langt tyskerne var og, hvem der vil egentlig vil vinde kapløbet?

15

Leo Szilard forlod Europa på grund af de ydmygelser nazisterne havde udsat, ham og mange andre forsker med jødisk oprindelse

for.
16

Barnaby, Frank m.fl.: Efter atomkrigen s. 8

17

http://www.aip.org/history/einstein/ae44.htm

18

“The Advisory Committee on Uranium” hed komitten.

19

http://en.wikipedia.org/wiki/Manhattan_Project

Side 8

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 8 af 38

Arbejdet med atombomben blev nøje organiseret, store fabrikker blev bygget og projektet omfattede ca. 150.000 medarbejdere og kostede omkring 2 milliarder dollars. Laboratoriet blev

placeret i New Mexico’s ørken ved Los Alamos.^{20} Her byggede man både laboratorier,

produktionsanlæg og boliger til dem, der arbejdede på projektet. Her levede forskerne isoleret fra omverden, og de skulle acceptere, at deres telefonsamtaler blev aflyttet og breve læst igennem.

Ingen måtte kalde atombomben ved navn, den hed ”the Gadget” el. ”indretningen”. Atomfysikeren Robert Oppenheimer fik ansvaret for projektet, og dens militærleder general Leslie Groves, sørgede for sikkerheden.

Selve projektet blev delt i 3 afdelinger, der hver for sig havde sin egen opgave. Afdelingerne måtte under ingen omstændigheder komme i kontakt med hinanden. Den bestod af to produktionsanlæg, der skulle fremstille uran – 235 og plutonium – 239. Den tredje afdeling var det laboratorium hvor man skulle fremstille bomben ud fra det materiale, som produktionsanlægget leverede. Først i 1944 lykkedes det forskerne at få en kontrolleret kædereaktion i gang. Der blev produceret plutonium –

239. Desuden gik spaltningen af uran – 235 meget langsomt, men i 1945 var der fremstillet nok uran – 235. Uran problemet var nu løst men hvad med de neutroner, der skulle bremses? Fermi konstaterede, at moderator var tungt vand eller grafit, men der var ikke nok tungt vand i USA, derfor måtte han vælge grafit, som moderator. Ud fra adskillige eksperimenter fandt man ud af, at grafitten skulle gøres renere og finere. Det problem blev også løst og nu kunne forskerne fra det tredje laboratorium, gå i gang med at eksperimentere med atombomben. [21]

I første omgang arbejde man med 3 bomber. To plutonium og en uran bombe. Begge radioaktive metaller er tungere end de andre. Forskerne vidste, at man vil kunne skabe mest energi og den største eksplosion ved at spalte et tungt metal.

Den 16. juli 1945 prøvesprang USA en plutoniumbombe på 10.000 tons TNT^{22}. Forsøgs stedet blev

kaldt ”Trinity” og lå i Alamogordoørkenen i Mexico. Observatørerne befandt sig 10 km væk fra stedet. De havde solbriller på, men alligevel blev de næsten blændet af den eksplosion man kunne se helt op til 300 km væk. Man kunne føle chokbølgen helt fra en afstand på 160 km. Og paddehatskyen nåede op på ca. 12 kilometers højde. Den stærke varme smeltede ståltårnet, som bomben var placeret på og forvandlede ørkensandet til glas. Efter prøvesprængningen citerede

20

Barnaby, Frank m.fl.: Efter atomkrigen s. 10-11

21

http://en.wikipedia.org/wiki/Manhattan_Project

22

Trotyl

Side 9

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 9 af 38

Oppenheimer ”Nu er jeg blevet Døden, verdens Ødelægger”.^{23} Prøvesprængningen gjorde et

voldsomt indtryk på forskerne, og mange af dem fik dårlig samvittighed over det frygtelige våben, de havde udviklet. De mente, at bomben under ingen omstændigheder måtte bruges mod civile mål.

En af de forskere der tidligere havde insisteret på, at USA skulle påbegynde dette projekt, var Leo Szilard. Han var begyndt, at indsamle underskrifter blandt forskerne i Manhattan projektet.

Indsamlingen gjaldt en opfordring til ikke at bruge atombomben, men underskrift indsamlingen blev stoppet af den militære leder general Leslie Groves ved, at han hemmelig stemplede

          24
opfordringen .

Tyskland kapitulerer, men hvad med Japan?

Prøvesprængningen i Alamogordoørkenen kom for sent til, at atombomben kunne have indflydelse på krigen i Europa, for Tyskland og Italien havde overgivet sig i maj1945.

Det amerikanske efterretningsvæsen Alsos meddelte i 1945, at tyskerne var mindst to år bagud i forhold til USA. Man kom frem til, at det tyske atomprojekt ikke havde fået en så høj prioritet i Hitlers krigsplaner. Motivet for at lave atombomber i USA, ”at komme tyskerne i forkøbet” var dermed væk. Krigen mod Japan var ikke overstået, det var dog tydeligt at landet var på grænsen af kapitulation.

I juli 1945 mødtes den amerikanske præsident Harry S. Truman til Postdam konferencen i Tyskland med Storbritanniens Winston Churchill og Sovjetunionens leder Josef Stalin. Her skulle de blandt andet diskutere situationen i Japan. Under konferencen fik Truman at vide, at prøvesprængningen var gået vellykket. På grund af bomberne besad Truman på det tidspunkt mere magt end nogen

                                  25
nogensinde før i verdenshistorien har haft.

Forsker gruppen, der havde været med til at udvikle bomben, var blevet uenige. Nogen mente, at det vil være moralsk forkert at bruge bomben, mens andre mente, at bomberne var et godt alternativ til at slutte krigen og redde de amerikanske soldaters liv.

Atombomben bliver kastet.

Den 25. juli 1945 gav præsident Truman [26] tilladelse til, at smide to atombomber over Japan. USA og

Storbritannien sendte en erklæring, hvori der stod, at japanerne fik en sidste chance for at overgive

23

Rasmussen, Niels Blak: Atombomberne i 1945. S. 54- 56

24

Barnaby, Frank m.fl.: Efter atomkrigen, s 18-19

25

Rasmussen, Niels Blak: Atombomberne i 1945. S. 57 - 60

26

Truman overtager præsident embedet efter Roosevelts død.

Side 10

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 10 af 38 sig. [27] Men der stod ikke noget om, at USA besad en atombombe og, der stod heller ikke noget om en betingelsesløs overgivelse. På den anden side frygtede japanerne også, at USA vil henrette deres kejser Hirohito. I første omgang indeholdteaftalen, at kejseren kunne blive siddende, men Truman valgte at fjerne dette indlæg. Japan svarede ikke med det samme, det fik USA til at tro at Japan afviste erklæringen.

Hvis man kastede bomben vil det betyde, at mange tusinde civile vil dø. Men under krigen var alle blevet vant til, at man bombede civile mål.

Den 6. august 1945 kl. 2.45 lettede Enola Gay, den kastede uranbomben ”Little Boy” over Hiroshima klokken 8.15. Inden for 500 meters afstand af eksplosionen blev tusindvis af mennesker dræbt øjeblikkeligt. Lysglimtet blev efterfulgt af en gloende varmbølge. Folk så langt som fra 3,5 km afstand fik alvorlige forbrændinger. Deres tøj smeltede ind i huden og i mange tilfælde smeltede kroppen, eller de indre organer kogte væk. Mindst 80.000 mennesker mistede livet. Den 9. august blev Nagasaki jævnet med jorden af plutoniumbomben ”Fat Man”. Plutoniumbomben skulle give japanerne det indtryk, at USA havde et helt lager af atombomber, men i virkeligheden havde USA ikke flere atombomber tilbage. Japan kapitulerede den 11. august.

2. verdenskrig kostede mange tusinde civile livet. Her kan også nævnes brandbomberne over Tokio

d. 9. marts 1645, der kostede 185.000 civile livet. [28]

Atomvåben var en trussel mod hele menneskeheden, og fik i efterkrigstiden en stor betydning for hele verden, det ville dog ikke blive uddybet her.

Fissionsprocesser.

1939 fandt forskerne ud af, at når en u-235 kerne rammes af en neutron vil urankernen optage neutronen og omdanner sig til en compoundkerne, uran -236. Da uran -236 er ustabil, altså har flere neutroner end protoner, vil den dele sig ved fission til to lettere atomer. Når compoundkernen spaltes frigøres der energi plus to eller tre neutroner.

Den energi, der frigøres ved fissionsprocessen, kommer af atomets bindingsenergi der før og efter processen er forskellige. En atomkernens samlede masse er mindre end den samlede masse af de bestanddele, som atomet består af. Dette fænomen gælder for alle atomkerner, og kaldes for massedefekten. Massedefekten er også et udtryk for, at der i atomet er en bindingsenergi.

Bindingsenergien er den energi der skal bruges til at spalte et atom. [29] Vha. bindingsenergien kan vi se, om en kerneproces forbruger eller udvikler energi. For at illustre dette ser vi på nedenstående

27

Weilbull, Jörgen m.fl.: Politikens verdens historie bind 18: tragediens anden del, s. 325-326

28

Watts, Franklin: Hiroshima, s. 24

29

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 31-32

Side 11

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 11 af 38 fissionsproces:

235 1 236 89 144 1

92 0 92 36 56 0

𝑈+ 𝑛→ 𝑈→ 𝐾𝑟+ 𝐵𝑎 + 3 ∙ 𝑛

Først spaltes uran-235 i enkelte nukeloner, herefter samles de og den indkommende neutron der bliver skudt ind i kernerne Kr-89 og Ba-144, plus tre løse neutroner.

Δ𝑚=𝑚 ( 𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟) − 𝑚 ( 𝑓ø𝑟)
Δ𝑚=(𝑚 + 𝑚_{𝐵𝑎} − 92 ∙ 𝑚_{𝑒} + 3 ∙ 𝑚_{𝑛}) − (𝑚_{𝑢} + 𝑚_{𝑛} − 92 ∙ 𝑚_{𝑒})

𝐾𝑟

Δ𝑚= ( 88,91781 𝑢+ 143,92292 𝑢+ 3 ∙ 1,000866 𝑢) − ( 235,0439 𝑢+ 1,00866 𝑢)
Δ𝑚=−1,186 𝑢

Dvs. at Q-værdien for processen er;

𝑄=−Δ𝑚∙ 931,5

𝑀𝑒𝑉 𝑢

𝑄=− ( −1,186 𝑢) ∙ 931,5

𝑀𝑒𝑉 𝑢

𝑄=173,19 𝑀𝑒𝑉

Dvs. fissionsprocessen har en energigevinst på 173 MeV. Efterfølgende kommer yderligere ca. 30 MeV, da fissionsprodukterne Kr-89 og Ba-144 er ustabile og udsender beta- og gamma stråling. I alt leverer fissionen en energi på ca. 203 MeV [30].

Hver gang en urankerne bliver spaltet frigøres der 2-3 neutroner, som kan bruges til at spalte andre urankerne. [31] Det viser sig, at det ikke er alle de frigivne neutroner der skaber fission, selvom de rammer en urankerne. Der kan ske følgende:

Når en neutron og en urankerne mødes, vil der enten ske en absorption eller en spredning.

• Ved absorption danner neutronen og urankernen en compoundkerne. Denne compoundkerne vil enten spaltes ved fission, eller så vil neutronen blive i kernen ved indfangning, hvorefter kernen efterhånden vil henfalde under udsendelse af gamma - og beta - stråling.

• Ved spredning, spredes neutronen på urankerne dvs. den forsætter med reduceret energi.

Hvad der sker ved det her møde afhænger dels af to ting. Hvilken uran – isotop, u-235 eller u-238 man har og neutronens energi og hastighed.

30

Se også en anden fissionsproces, hvor jeg har regent energigevinsten i bilag nr. 3

31

Se fissionsprocessen i Bilag nr. 4

Side 12

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 12 af 38

Naturligt uran består af 99,3 % U-238 og 0,7 % U-235. Dette er et problem fordi uran - 235 kan fissionere, mens uran - 238 absorbere neutronen og skaber en compound kerne, som henfalder ved udsendelse af radioaktiv stråling. Det eneste stabile grundlag for at starte en kædereaktion er ren

uran. For ren uran er multiplikationsfaktoren K=2,5 – her antog man, at ingen neutroner gik tabt

under reaktionen. [32] Men der går neutroner tabt under reaktionen enten ved indfangning eller ved, at de undviger fra uranklumpen. Det der kræves for, at holde en kædereaktion i gang er den kritiske masse. Den kritiske masse afhænger af undvigelse og indfangning af neutroner. Indfangningen er uafhængig af uranklumpens egenskab, mens undvigelsen er afhængig af uranklumpens størrelse, form og massefylde [33]. Hvis man for eksempel antager, at uranklumpen er kugleformet kan man, beskrive neutronundvigelsens afhængighed af kuglens massefylde og størrelse. Man kan altså ved at forme uranklumpen manipulere med den kritiske masse.

Man kan i bilag nr. 5 se figuren for reaktionstværsnittet for neutrons møde med urankerne. Det er forskellige typer af uran, neutroner, og forskellige energimængder. Figuren viser, at når en neutron med forskellige energiniveauer rammer et uranisotop vil der enten ske en fission, spredning eller indfangning. Derudover viser den, at langsomme neutroner i naturligt uran forudsiger en god fission. Desuden er det bedre at have meget af uran-235 end uran-238 og resonansneutroner [34] blev nemt opfanget i uran-238.

En flad appelsin af uran og grafit.

I 1941 kom man frem til, at den bedste moderator var grafit. Fermi og hans medarbejdere eksperimenterede med forsøget i ugevis. De fandt ud af, at det var bedre at lave en ”pile” [35] end at lave en homogen blanding. Det viser sig, at Pile er effektive idet at de hurtige neutroner, som bliver skabt ved fission af uran-235 indfanges af uran-238 altså de undslipper uran blokken. Neutronerne bliver derefter bremset ned i grafitblokken, og kan lave nye fissioner i uran - 235, når de kommer tilbage til uran blokken.

I bunden af pile anbragte man en neutronkilde [36]

– en klump radium beryllium. Den vil ved bestråling med alfa partikler fra en smule radium blive gjort så meget radioaktiv, at den vil udstråle

32

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 38- 39

33

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 69

34

Resonansneutroner betyder: en hurtig neutron der mister energi og bliver til resonansneutroner. Disse indfanges så i uran-238

35

Da ”appelsinen” var en stabel, og fordi stabel på engelsk hedder pile, kaldte man den atomic pile.

36

Neutron kilden betegnes S_{k}

Side 13

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 13 af 38 neutroner. [37] Disse neutroner skulle sætte kædereaktionen i gang, tænde op i atomovnen, spalte urankerner i stablen, hvorefter neutroner fra disse skulle spalte nye kerne, osv.

Hvis vi forstiller os, at vi har en mængde neutroner kaldt N før efter og vi ønsker at finde N

, kan vi

bruge følgende formel, 𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 𝑆_{𝑘} ∙ 𝑑𝑡+ 𝑆_{𝑓} ∙ 𝑑𝑡

S kan bestemmes på følgende måde; f

Neutroner kan deles op i generationer. En neutrongenerationslevetid, L, er den tid, der i gennemsnit forløber fra dannelse af neutroner ved fission, indtil den neutron igen har skabt nye neutroner ved fission. Hvis der er N neutroner i en generation, vil der være K∙N neutroner i den næste generation.

K er multiplikationsfaktoren. Ved fission bruges der N neutroner, så neutrontallet i tiden L vokse

med K∙ 𝑁− 𝑁. I løbet af tiden dt, sker dette dt/L gange. Tilvæksten af neutroner er derfor:

𝑆_{𝑓} ∙ 𝑑𝑡 = ( 𝐾∙ 𝑁 − 𝑁) ∙ ⇔𝑆_{𝑓} ∙ 𝑑𝑡= ( 𝐾− 1) ∙ 𝑁∙ ⇔𝑆_{𝑓} = ( 𝐾− 1) ∙ 𝑁∙ ⇔ 𝑆_{𝑓} =(𝐾− 1)∙ 𝑁∙

𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡 1

𝐿 𝐿 𝐿 ∙ 𝑑𝑡 𝐿

𝑆_{𝑓} = ∙ 𝑁

(𝐾− 1)

𝐿

Dvs. at man kan bestemme det samlede antal neutroner i en pile ved:

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 𝑆_{𝑘} ∙ 𝑑𝑡+ ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} ∙ 𝑑𝑡

𝐾− 1

𝐿

Dog gælder der at:𝐾=1,𝑆_{𝑓} =0:𝑝𝑖𝑙𝑒 𝑒𝑟 𝑘𝑖𝑟𝑡𝑖𝑠𝑘.𝑘æ𝑑𝑒𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑒𝑛 ℎ𝑜𝑙𝑑𝑒𝑠 𝑖 𝑔𝑎𝑛𝑔
𝐾>1,𝑆_{𝑓} >0:𝑝𝑖𝑙𝑒 𝑒𝑟 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑘𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠𝑘.𝑘æ𝑑𝑒𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑒𝑛 ø𝑔𝑒𝑠
𝐾<0,𝑆_{𝑓} <0:𝑝𝑖𝑙𝑒 𝑒𝑟 𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑘𝑟𝑖𝑡𝑠𝑘,𝑘æ𝑑𝑒𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑒𝑛 𝑛𝑒𝑑𝑠æ𝑡𝑡𝑒𝑠

Se bilag nr. 6 opgave 7.1 og 7.2

Chicago Pile One (CP-1)

Opbygningen af den første atomreaktor fandt sted d. 14. november 1942. Den lå i en squash bane under Chicagos universitet, og blev kaldt CP-1, Chicago Pile One [38].

I CP-1 blev der ikke indsat en neutronkilde, men derimod blev der hele tiden produceret et lille antal neutroner i uranen [39]. Efter 15. lag indsatte man en tæller der skulle registrere antallet af neutroner, derved blev det også muligt at følge væksten af neutrontallet lag for lag. Hermed kunne

37

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 57-58

38

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s.57-58

39

Se Opgave 2. model for en pile uden neutronkilde i bilag nr. 7

Antal neutroner dt tid

N_{før} N_{efter}

0

Side 14

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 14 af 38 man også præcist forudsige hvor mange der skulle til for at gøre CP-1 kritisk. Metoden man brugte var:

Neutronen N for den underkritiske pile vil vokse og stabilisere sig, for hvert lag der lægges. Dvs. at

flere lag ville giver en større N, og dermed en mindre 1/N. Det vil sige reaktoren ville være

stabil stabil

kritisk, når N bliver uendelig stor, hvilket svarer til, at 1/N bliver 0.

stabil stabil

Se bilag nr. 8 opgave 7.3 måledata fra CP-1. og Opgave 3. hvor undertegnede har beregnet N stabil.

Fermi fortsætter sit arbejde med pile.

Herefter begyndte Fermi de første forsøg på at få en kædereaktion i gang, men han kunne lige få kædereaktion i gang inden den døde ud. Han kunne simpelthen ikke holde den i gang. Forskerne mente, at de ikke kunne få multiplikationsfaktoren op over 1,00. Hver gang der blev spaltet 100 kerne, så blev det i næste omgang ikke spaltet over 100, men under. Dette vil fortsætte indtil kædereaktionen døde.

I juli 1942 lykkedes det endelig at få multiplikationsfaktoren op på 1,07 ved at gøre pilen større. Nu kunne kædereaktionen køre, men hvad så, hvis man ikke kunne standse den igen?

Fermi fandt ud af, at hvis man skubbede nogle stænger, der kunne opsuge neutronerne så vil man kunne stoppe kædereaktionen. Stængerne blev kaldt kontrolstænger idet, at de kunne ”kontrollere” kædereaktionen. Det vil sige, at når stængerne var inde i reaktoren, skulle K være mere end 1, og når de var ude, skulle den være mindre end 1. [40]

                                                                 𝑘−1
K skal være 1 ved stationære drift, og som mål for afvigelsen anvender man 𝜌= .
                                                                  𝑘

Reaktoren afhænger af 3 ting: 1) reaktiviteten, 2) levetiden ℓ for neutronerne – altså fra de opstår til de bliver indfanget og 3) forsinkede neutroner – neutroner der ikke udsendes fra kernespaltningen, men fra spaltningsproduktet.

Hvis k≠1, ville neutronerne ændre sig fra generation til generation. Man kan herved opstille en

differentialligningen der udtrykker ændringen fra generation til generation.

𝑑𝑁 1 𝑘− 1

𝑑𝑡 ℓ ℓ

= ( 𝑘𝑁− 𝑁) = 𝑁

𝑁=𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑙𝑒𝑡 𝑎𝑓 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑟 𝑖 𝑓ø𝑟𝑠𝑡𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛
𝑘𝑁=𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑙𝑒𝑡 𝑎𝑓 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑟 𝑖 𝑎𝑛𝑑𝑒𝑛 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛
ℓ=𝑙𝑒𝑣𝑒𝑡𝑖𝑑𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

                                           𝑡
                                      (𝑘−1)∙
                                           ℓ
løsningen til differentialligningen er:𝑁=𝑁 ∙ 𝑒
                                   0

40

Jensen, Hans Birger: kernespaltning, kernekraft s.42

Side 15

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 15 af 38

De neutroner der udsendes efter spaltningen (prompte neutron), har levetid med let vand som

moderator ℓ_{𝑝} ≈10^{−4} 𝑠. Hvis der kun var prompten neutroner i reaktoren, vil neutrontallet pr. s. ændres
med faktoren, og med k-1=0,001. 𝑁=𝑁_{0} ∙ 𝑒^{(10^{−3}} =22026

∙1𝑠/10^{−4} 𝑠)

Derfor spiller de forsinkede neutroner en vigtig rolle for reaktorstyringen, i og med, at de forlænger en generations middellevetid væsentligt. Man kan dele de forsinkede neutroner i 6 grupper efter deres levetid. Dvs. at man kan beregne middellevetiden:

<𝑙>= ( 1 − 𝛽) ℓ_{𝑝} + ∑ℓ_{𝑖} ∙ 𝛽_{𝑖} ≈ℓ_{𝑝} + ∑ℓ_{𝑖} ∙ 𝛽_{𝑖}

6 6

𝑖=1 𝑖=1
𝛽=𝑑𝑒𝑛 𝑏𝑟ø𝑘𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑓 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑟,𝑑𝑒𝑟 𝑒𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑠𝑖𝑛𝑘𝑒𝑑.𝑆𝑡ø𝑟𝑟𝑒𝑙𝑠𝑒𝑠 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛=10^{−3}
ℓ_{𝑖} 𝑒𝑟 𝑎𝑓 𝑠𝑡ø𝑟𝑟𝑒𝑙𝑠𝑒𝑠𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑙𝑙𝑒𝑚 0,2𝑠 𝑜𝑔 60𝑠

≈𝑓𝑜𝑟𝑠𝑖𝑛𝑘𝑒𝑑𝑒 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑟

Da ℓ_{𝑝} ≈10^{−4} s kan man se, at < ℓ > bestemmes af forsinkelsen for de forsinkede neutroner. Dvs.

< ℓ > afhænger ikke af moderatormaterialet. Idet at man har taget hensyn til de forsinkede

                                                      41
neutroner og K-1=0,001, forøges antallet af neutroner med faktoren :

𝑁

𝑁_{0}

=𝑒^{(10^{−3}} =1,01 Eller pr. 100 smed faktoren._{𝑁_{0}}^{𝑁}^{∙100𝑠/0,085𝑠)} =𝑒^{(10^{−3}} =3,2

∙1𝑠/0,085𝑠)

Atombombens konstruktion.

Little boy og Fat man, hed de to atombomber der blev smidt over Japan.

I den ene bombe brugte man uran – 235, mens man i den anden brugte plutonium – 239. Forskerne skulle blandt andet finde ud af, hvor stor en mængde af det radioaktive stof i dette tilfælde uran eller plutonium, man skulle bruge til at lave en bombe.

Uran-235 bomben [42] blev konstrueret efter kanonrørs - princippet. I kanonrørs - princippet har man

                                            Fig. 1
skildt den uranmasse, der skal til for at starte kædereaktionen, i to dele. Den ene del større end den

anden. Begge klumper er på det tidspunkt stadig underkritisk, dvs. kædereaktionen ville ikke kunne starte af sig selv. Så placerer man klumperne i hver sin ende af røret, (som vist på fig. 1). Når kædereaktionen går i gang, skydes den lille klump med konventionelt sprængstof ind i den store uranklump [43]. Når de to uran klumper støder sammen, opnår den samlede uran klump den kritiske masse. Herved starter den ukontrollerede kædereaktion, og bomben eksploderer.

41

Jensen, Hans Birger: Kernspaltning, kernekraft. S. 42-43

42

Uran bomben også kaldt Little Boy vejede 4000 og sprængvirkningen svarede til 20 kT trotyl. Den indeholdt ca. 1 kg uran. Ved

spaltningen af 1 g uran har man energi nok til at holde lys i en 60 W pære i ca. 50 år
43

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 71

Side 16

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 16 af 38

Atombomben over Nagasaki var en plutoniums bombe, der bestod af 36 klumper plutonium, som alle hver for sig er under den kritiske størrelse, men sammen er den over.

Kanonrørs- princippet kunne bruges på Plutonium bomben, også kaldt Fat Man, (se fig. 2). I Pu -

239 sker der mere spontan fission end i uran – 235. Hvilket vil sige, at neutronerne fra den spontane

                                             Fig. 2
fission kunne ”tyvstarte” kædereaktionen. Så derfor brugte man implosions princippet i Fat man.

Her har man en underkritisk klump plutonium, der er omgivet af konventionelt sprængstof.

Klumpen presses hårdt sammen, så den bliver tættere og mere kompakt. Dette gør man ved, at lægge en klump plutonium ind i en metalkapsel, og ved at lave en eksplosion uden for metalkapslen bliver kapslen trykket sammen om plutonium klumpen, derved bliver klumpen også presset hårdt sammen. Jo mere kompakt klumpen bliver, jo færre neutroner kan slippe ud. Derefter stater

                                     44
kædereaktionen, og atombomben eksploderer.

Ved begge bomber, skulle man søge for at holde kædereaktionen i gang når den var startet. [45] Desuden skulle kædereaktionen forløbe med en høj multiplikationsfaktor så længe som muligt.

Løsning var at man omgav uran – klumpen eller plutonium klumpen med en slags ”hegn”, kaldt tramper. Når neutronerne støder ind i tramperne, blev de sendt tilbage til uran – eller plutonium klumpen, derved kunne kædereaktionen holdes i gang. Det kan sammenlignes med en bold, der bliver kastet tilbage fra en væg. Fordelen ved en tramper var, at man kunne nøjes med et mindre fissionsmateriale til bomben. Man kunne nøjes med ca. 15 kg uran-235 eller ca. 5 kg plutonium-

239.^{46}

Forskerne kommer i tvivl.

Der er forskellige meninger blandt forskerne fra projektet. Nogen af de involverede forskere fik moralske skrupler over det nye våben, de havde udviklet, mens andre var forbløffet over dens virkning. Forsker gruppen var indbyrdes uenig. Jeg har derfor valgt at belyse sagen fra forskellige vinkler, dette har jeg gjort vha. de to udvalgte historiske kilder. Begge kilder er skrevet af deltagerne fra projektet, og begge er et bevis på hvordan forskerne i tidernes morgen har forsøgt, at overbevise præsident Truman om enten, at bruge bomben eller ikke at bruge den.

Før nævnte jeg den ungarske fysiker Leo Szilard, der var med til at udvikle bomben. Han var en af de første forskere, der så faren i at udvikle et atomvåben. Derfor prøvede han i 1939 at få USA til at

44

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 71-72

45

Tidsforløbet i en atombombeeksplosion i bilag nr. 9

46

Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden, s. 73

Side 17

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 17 af 38 starte et atomforskningsprojekt, der vil gøre det muligt for USA at besidde en atombombe før tyskerne. Samtidig var han også en stor engageret modstander af at bruge bomben. Hvilket han også giver udtryk for i brevet. Brevet er skrevet til præsident Truman, den 17. juli 1945. [47] Szilard har blandt andet skrevet, at da tyskerne ikke har fået udviklet en atombombe endnu, er der derfor ingen fare for, at USA skulle rammes af et atombombeangreb, og derfor behøver USA ikke at bruge bomben. Han skriver også at krigen mod Japan burde slutte hurtigst muligt, og til dette kunne det tænkes, at atombomben ville være en god ide, men dog kun hvis Japan nægter at tage imod de betingelser USA stiller. Szilard prøver at få præsident Truman til at indse, at hvis USA bruger bomben ville de åbne døren for en fremtid med voldsomme destruktioner. Han opfordrer derfor præsident til, at bære sig forsigtigt ad. Hvis præsidenten tager en forkert beslutning vil fremtiden være præget af en større og voldsommere krig, nemlig atomoprustningskrigen.

Szilard prøver at få Truman til at droppe ideen om at bruge bomberne helt. Brevet er, som sagt skrevet til præsident Truman, der tog leder rollen efter Roosevelts død [48]. Det var hans opgave at afgøre, om man skulle bruge bomben. Det var et meget svært valg, fordi der var så mange moralske forholde, der spillede ind. Det var blandt andet; de skader bomben kunne forvolde, dødstallet af amerikanske krigsfanger, hvis USA begyndte en invasion og det fremtidig atomkapløb med Rusland, der lå og lurede i baggrunden.

Truman modtog også et brev fra en anden forskergruppe, ”Recommendations on the Immediate Use of Nuclear Weapons” hed brevet, der blev skrevet den 16. juni 1945. Brevet er skrevet af Oppenheimer i samarbejde med A. H. Compton, E. O. Lawrence, E. Fermi til Truman. Denne gruppe af forskere gik bl.a. ind for, at man brugte bomben imod et militærmål i Japan. De understreger i brevet, at USA skal fokusere på at få krigen afsluttet så hurtigt som muligt. De mener blandt andet, at hvis USA bruger bomben vil de på længere sigt få stor indflydelse i international politik, altså vil USA få mere magt. De forklar i brevet, at et demonstrationsforsøg måske ikke ville lykkes, fordi de på det tidspunkt ikke vidste om bomberne virkede. Efterfølgende vil USA tabe ansigt overfor Japan, og japanerne vil få selvtilliden tilbage. Derudover prøver de at overbevise Truman om, at hvis man vælger at bruge bomberne, vil det spare 100.000 amerikanske krigsfangers liv. De nævner blandt andet også, at USA skulle bruge deres magt til at oprette en konvention så man kunne kontrollere atombombeoprustningen, så det hele ikke kørte af sporet. [49]

47

Bender, Johan og Gade, Hans - Kurt, mellemkrigstiden og 2. verdenskrig belyst ved kilder, s. 136.

48

Præsident Roosevelt døde I april 1945

49

J. R. Oppenheimer and the Panel: Recommendations on the Immediate Use of Nuclear Weapons, by the Scientific Panel of the Interim Committee on Nuclear Power, June 16, 1945. Se Bilag nr. 10

Side 18

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 18 af 38

Denne forskergruppe er helt forblændet, og tænker kun på at bruge bomben til at afslutte krigen.

Deres holdninger er formet efter den situation USA stod i på det tidspunkt, og derfor kunne de ikke se de fremtidige konflikter ved brugen af bomberne. De tænkte ikke over, hvilke følger bomben vil få i den nære fremtid, men igen skal der understreges, at de jo mente, at bomberne skulle bruges imod militærmål.

Begge forskergrupper er interesserede i at få krigen afsluttet. Problemet var, at de var uenige om hvordan man skulle ende krigen. Nogle var bange for at brugen af bomberne vil igangsætte en ny krig, mens andre kun tænkte på at få krigen afsluttet. Trods alle de holdninger for og imod brug af atombomben som våben, blev den brugt imod Japan. Bomberne kostede mere end 100.000 mennesker livet, mens adskillige tusinde døde senere af eftervirkningerne.

Spørgsmålet er så om det var en retfærdig ”slutning” af krigen, idet amerikanerne besluttede at kaste to atombomber over to tæt befolkede områder. Kan det overhovedet være moralsk forsvarligt?

Der er selvfølgelig ingen tvivl om, at hvis bomberne ikke var blevet kastet over Japan, ville krigen fortsætte med USA’s invasion af Japan. Det vil have kostet mange amerikanske soldater livet. Så er der tilbage at spørge sig selv, om det var en egoistisk løsning at kaste atombomber over Japan der kostede mange tusinde civile livet.

Brugen af bomberne skabte flere problemer blandt andet atombombeoprustningen efter krigen [50].

Sådan dræber en atombombe.

Atombomberne over Japan gav tre slags skader. Trykbølgen fra selve eksplosionen, varmestråling og radioaktivstråling. Ca. halvdelen af energien, der bliver frigjort ved sprængningen, blev frigjort til trykbølge. Den bevægede sig ca. 11 km på 30 sekunder. Chokbølgen havde en hastighed på cirka

3 gange lydens hastighed dvs. ca. 3.000 km/t. Den ildkugle der blev dannet under

kernesprængningen nåde med det samme solens temperatur. [51] Mange mennesker fordampede væk eller deres tøj brændte ind i huden på dem. En til to dage efter eksplosionen blev folk, der ellers så meget raske ud, syge. Mange begyndte at kaste blod op, fik diarre og døde. Man opdagede at sårene, som var opstået under eksplosionen ikke var helet, og blev ved med at bryde op. Andre begyndte at tabe håret, deres tandkød blødte, og de fik lilla udslet på kroppen. Det var resultatet af strålingen, som eksplosionen havde udsendt. Bl.a. røntgenstrålinger, gammastrålinger og neutroner.

Strålingen ramte folk, der vendte tilbage til byerne Hiroshima og Nagasaki og blev spredt i form af

50

Rasmussen, Niels Black: Atombomberne i 1945 s. 25

51

Barnaby, Frank m.fl.: Efter atomkrigen s. 65-68

Side 19

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 19 af 38 radioaktivt nedfald, luftbåret atomaffald. Bestrålingerne ødelagde bl.a. knoglemarven, dette gjorde at deres kroppe ikke længere var modstandsdygtige over for infektion. Derudover var der mange der fik kræft og leukæmi. Mange børn blev født med misdannelser, mens andre flere år efter fik

                               52
sygdomme som resultat af strålingerne.

Dødstallet omsat i tal vil ca. se således ud.

Radioaktivitet Varmestråling Lufttryk

Ca. 15 % Ca. 30 % Ca. 55 %

Atombomben, et frygteligt våben.

Underprøvesprængningen af Trinity havde man set, hvad bomben var i stand til at gøre. Hvorfor lod man så et menneskeskabt ragnarok finde sted. Hvorfor valgte USA ikke Szilard’s ide, om at lave et demonstrations forsøg?

Truman valgte Oppenheimer’s side, fordi deres hovedargument var at afslutte krigen med så få amerikanske tab som muligt. De glemte at fokusere på, at den beslutning de tog ville skade fremtiden. Det eneste, der betød noget var, at krigen skulle vindes. De trampede menneskets etiske og moralske aspekter ned. Szilard derimod kunne se de fremtidige konflikter, der vil opstå ved brugen af bomben. Efter min mening argumenterede Szilard rigtig godt for sin sag, men igen Oppenheimer talte til præsidentens følelser.

Hvorfor kastede USA den næste bombe? Man hævder, at USA kastede den næste bombe for at se, hvilken en der var mest ødelæggende. Andre mener at Nagasaki blev bombet, fordi USA vil være sikker på, at Japan overgav sig. Efter den første atombombe blev kastet, brugte japanerne tiden på at skændes om fredsbetingelserne. Selv efter begge bomber var kastet, var der stadig medlemmer fra den Japanske regering, der nægtede at overgive sig. Efter at Japan havde overgivet sig, kunne de japanske militærledere ikke tro, at deres land havde overgivet sig, mens befolkningen håbede på bedre levevilkår.

Er atombomben frygteligere end de andre våben?

Efter min mening, var beslutningen om at bruge atombomberne moralsk forkert. Det er en af de største fejl, der er begået i vores historie. Atomvåben er det største skadegørende våben mennesket har skabt, hvilket blev understreget med angrebet på Hiroshima og Nagasaki. Men når det så er sagt, kan det være på sin plads at nævne, at det alligevel næppe er frygteligere end de tidligere

52

Se oversigt over omkomne og skader i Hiroshima i 1945: bilag nr. 11.

Dødsfald forårsaget af:

Side 20

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 20 af 38 kendte våben. Et eksempel her på er bombeangrebet på Tokio den. 9 marts 1945. Under dette angreb mistede 83.000 mennesker livet og 102.000 blev sårede. [53]

Dvs. flere end i Hiroshima, og over det dobbelte i Nagasaki, dog er den radioaktive stråling undtaget.

2. verdenskrig er slut og, hvad så?

Askemagterne var besejrede og USA havde vundet krigen. Var alle fredens fjender så slået ud?

Menneskets herredømme over kerneenergien var i første omgang blevet omsat i atombomber, som ikke havde været til gavn for nogen. Nu ventede alle spændt på, at det skulle blive omsat i noget bedre og dog kom man ikke til at vente længe, før menneskeheden oplevede det omsat i bedre bomber (brintbomberne), endnu frygteligere end dem man hidtil havde set. I sted for fred fik vi Den Kolde Krig.

Udnyttelser af kerneenergi.

Hvis man skal udnytte kerneenergien til fredelige formål, skal man søge for at kædereaktionen forløber langsomt og kontrolleret.

I en kernereaktor forgår der spaltninger af urankerner under kontrol. Derved kan man bestemme den energimængde der frigøres hvert sekund.

Formeringsreaktoren findes både i England, Rusland, USA og Japan. Opbygningen af denne form for reaktor er komplicerede og meget dyrere.

I denne formeringsreaktor bliver uran- 235 spaltet. Når en hurtig neutron rammer en uran-238 kerne, bliver den indfanget. Herved bliver der dannet en radioaktiv uran isotop. Uran-238 udsender en beta partikel, hvorefter den bliver omdannet til grundstoffet neptunium. Neptunium udsender beta partikler, og vi får et nyt stof plutonium, der er alfa radioaktivt. Den har en halveringstid på ca.

24000 år. Plutonium kan, som uran -235 spaltes af hurtige neutroner. Dvs. at en formeringsreaktor går ud på at beskyde uran-238 med hurtige neutroner, hvorefter man får plutonium, som bruges i formeringsreaktoren. I formeringsreaktor anvendes der omkring 20 % uran-235 el. plutonium, mens der uden om bliver placeret omkring 80 % uran-238.

I denne reaktor bruges der ikke en moderator, fordi man skal bruge hurtige neutroner [54]. Som kølemiddel anvender man natrium. Natrium kan ikke bremse neutronerne.

Det var først efter 2. verdenskrige, at man begyndte at bygge reaktorer hvor man kunne udnytte energien til drift af el-kraftværker. Et el-kraftværk, som udnyttede kerneenergi kaldte man

53

Rasmussen, Niels Blak: Atombomberne i 1945 s. 80

54

http://en.wikipedia.org/wiki/Breeder_reactor

Side 21

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 21 af 38 kernekraftværk. I dag er der stor behov for mindre forurenende elektricitetskilder, og derfor er der mange tusinde kernekræftværker rundt om i verden [55]. Her er et par eksempler: USA, England, Frankrig, Tyskland, Rusland og Sverige. Et af Sveriges kernekræftværker, Barsebäckværket, ligger ca. 25 km væk fra København.

Kernereaktorer bliver anvendt, som energikilde i undervandsbåde. En kernereaktor bruger ikke ilt og kernebrændsel, altså uranstænger fylder meget lidt i forhold til den mængde olie, der er nødvendig for, at få den til at køre. Fordelen ved at bruge en kernereaktor i undervandsbåde er, at de

kan sejle i mange år uden at tage nyt brændstof. I dag er der et stort antal af ”atom” u-både.^{56}

I en periode arbejdede man også med kernereaktorer i store flyvemaskiner, men man har så efterfølgende opgivet ideen. Man har derimod installeret kernereaktor i satellitter, der kredser rundt om jorden. Ulempen ved at udnytte kerneenergi fra kernereaktor i satellitter er, at hvis de falder ned på jorden, risikerer man, at det område satellitten falder ned på, bliver radioaktiv forurenet.

55

Se kort over kernekraftværker i Europa i bilag nr.12

56

http://www.sct-knud.dk/10/login/uvpdf/Fysik/Kerneenergi

Side 22

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 22 af 38

Konklusion.

Der er igennem perioden den 8. til d.21. dec. 2010 arbejdet med Manhattan Projektet og dets historie. Denne rapport er resultatet på arbejdet.

I deres jagt på transuranernes tilstedeværelse fandt forskerne ud af, at urankerner kunne bliver delt ved, at man beskød dem med neutroner. Denne nye kerneproces vil igangsætte en kædereaktion, som i sidste ende vil udløse store mængder af energi, og ville derfor kunne omsættes i bomber.

Mange af forskerne begyndte at frygte, at Hitler måske havde igangsat et atombombeprojekt. Derfor opfordrede forskere, som Szilard og Einstein den amerikanske præsident til, at påbegynde et atomforskningsprojekt, så de kunne komme tyskerne i forkøbet. Først i 1941 begyndte USA at tage atombombeprojektet alvorligt, og igangsatte det hidtil største hemmelige projekt. Da japanerne bombede Pearl Harbor erklærede USA Japan krig. Efterfølgende lod den amerikanske regering alle kræfter i for at få udviklet en atombombe. Selve princippet i en atombombe er fissionsprocessen.

Det er fissionsprocessen, der igangsætter kædereaktion, som i sidste ende leverer en meget stor energigevinst på få millisekunder.

De involverede var enige om én ting, de ønskede en ende på krigen, men der herskede uenigheder om, hvilke metoder man skulle bruge. De forskere, der var imod brugen af atombomben frygtede, at fremtiden vil bringe et atomoprustningskapløb, hvis USA ikke bar sig forsigtigt ad. De der var for brugen af bomben, ville have krigen afsluttet med mindst mulig amerikanske tab. De mente, at USA ikke skulle bruge tid på at ”ulovliggøre” atombomben, de skulle fokusere på at få afsluttet krigen.

2. verdenskrig blev afsluttet med, at USA smed to atombomber over Japan, derefter overgav japanere sig, og USA havde vundet krigen indtil videre.

Side 23

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 23 af 38

Litteraturliste:

Bøger:

• Barnaby, Frank m.fl.: Dansk udg. 1985 forlaget ASK; Efter atomkrigen

• Bender, Johan og Gade, Hans-Kurt: 1. udgave, 1. oplag 1984: Mellemkrigstiden og 2.

verdenskrig belyst ved kilder

• Bryld, Carl – Johan: 1. udgave, 1. oplag: Verden efter 1914 – i dansk perspektiv

• Christensen, Claus og Meyer, Torsten: Munksgaard, KBH, 1. udgave, 2. oplag 1989:

Manhattan projektet. Da videnskaben mister uskylden.

• Haagerup, Niels J. udg. Af atlantsammenslutningen 1964: Politik og atomvåben

• Jensen, Hans Birger og forlaget Systime A/S, Herning: Kernespaltning, Kernekraft.

• Niels, Knud Erik og Fogh Esper: 1 udg. 2007 forlaget HAX: Vejen til Fysik A2

• Petersen, Palle, 1984. Borgens forlag: Atombomberne over Hiroshima

• Rasmussen, Niels Blak: Atombomberne i 1945

• Rhodes, Richard: A touchstone Book, Publish by Simon & Schuster 1986: The making of the atomic bomb.

• Weilbull, Jörgen m.fl.: Politikens forlag A/S, KBH 1986: Politikkens Verdenshistorie, Bind

18: Tragediens anden del.

Internet sider:

http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon
http://www.sct-knud.dk/10/login/uvpdf/Fysik/Kerneenergi
http://en.wikipedia.org/wiki/Manhattan_Project
http://www.dannen.com/decision/scipanel.html
http://www.aip.org/history/einstein/ae44.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Einstein%E2%80%93Szil%C3%A1rd_letter
http://en.wikipedia.org/wiki/Critical_mass

Einstein og Szilards brev til Præsidenten:

http://en.wikipedia.org/wiki/Einstein%E2%80%93Szil%C3%A1rd_letter

Oversigt til hjælp med at finde kilder:

http://www.emu.dk/gym/fag/fy/inspiration/forloeb/kvantfysik/manhattanprojekt.html

www.leksikon.org

Side 24

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 24 af 38

Billeder:

http://da.wikipedia.org/wiki/Fat_Man

http://da.wikipedia.org/wiki/Little_Boy

Film:

The Moment in Time: The Manhattan Project

http://www.youtube.com/watch?v=xwpgmEvlRpM

Testing the atomic bomb and destroying lives in Japan - BBC

http://www.youtube.com/watch?v=7jS4muIxFkw&feature=fvw

Side 25

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 25 af 38

Bilag nr. 1

Videnskabelige opdagelser.

Herunder ses de vigtigste videnskabelige opdagelser, man har gjort gennem tidens løb. Disse opdagelser førte frem til udviklingen af atombomben

1896: Bequerel: Opdager radioaktive stråling

1897: Thomsons^{57} atommodel: Elektronen opdages.

1905: Einsteins specielle relativitetsteori

1911: Rutherfords^{58} atommodel: Atomkernen opdages^{59}.
1913: Bohrs^{60} atommodel: Beta-partikler kommer fra atomkernen.

1919: Rutherford: Første kunstige grundstofomdannelse

1920: Rutherford: Elektroner og protroner kan eksistere sammen, som neutrale partikler i atomkerner

1932: Chadwick^{61}: Neutronen opdages
1934: Fermi^{62}: Verdens første kernespaltning

1938: Hahn og Strassmann: navngivning af spaltningsprodukter

1939: Meitner^{63} og Frisch: Opdager fissionsprocessen i atomkerner.

1942: Fermi skaber den første menneskeskabte kædereaktion.

1942: Openheimer^{64} forudsiger brintbomben.

57

Joseph Thomson en engelsk fysiker, opdagede elektronen i 1897 - modtog nobelprisen i fysik i 1906.

58

Ernest Rutherford engelsk atomfysiker - Modtog Nobelprisen i kemi i 1908.

59

Christensen, Claus, Meyer, Torsten - Manhattan Projektet, da videnskaben mister uskylden. S. 9

60

Niels Bohr, en dansk fysiker - Modtog Nobelprisen i fysik i 1922.

61

James Chadwick, en engelsk fysiker - Modtog Nobelprisen i fysik i 1935

62

Enrico Fermi, var en amerikansk fysiker - Modtog Nobelprisen i fysik i 1938

63

Lise Meitner var en østrigsk fysiker der forskede i atomfysik.

64

J. Robert Oppenheimer, fysiker og leder af Los Alamos laboratoriet under hele Manhattan projektet.

Side 26

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 26 af 38

Bilag nr. 2

Bohrs dråbe model.

Bilag nr. 3

Øvelse 4.2 Energigevinsten ved fission:

Beregn energigevinsten for fissionsprocessen:

235 1 236 94 140 1

92 0 92 38 54 0

𝑈+ 𝑛→ 𝑈→ 𝑆𝑟+ 𝑋𝑒 + 2 ∙ 𝑛

Energitab ved at spalte: 𝑈 −235:1784 𝑀𝑒𝑉
Energigevinst ved at samle: 𝑆𝑟− 94:808MeV
Energigevinst ved at samle: 𝑋𝑒 − 140:1161𝑀𝑒𝑉
Samlet energigevinst ved fission: 808+ 1161− 1784= 185 𝑀𝑒𝑉

Dvs. fissionsprocessen har en energigevinst på 185 MeV

Bilag nr. 4

Atomkernespaltningen: fission.

Ovenstående fig. viser spaltning af en urankerne ved neutron indfangning, samt hvorledes udsendelsen af nye neutroner kan give anledning til nye spaltninger i kædereaktion. Se nedenstående fig.

Kædereaktion.

Bilag nr. 5

Reaktionstværsnit for en neutrons møde med en urankerne.

Side 27

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 27 af 38

Bilag nr. 6

Opgave 7.1 Numerisk løsning for pile uden neutronkilde:

N(t) som funktion af tiden tegnes. Til det benyttes følgende startværdier:

K=1,0005 (lidt overkritisk)
L=0,1
S =0 (ingen neutronkilde).

k

dt = 1.
N=100 for t=0

Grafen for N(t) ser således ud:

På grafen kan vi se at funktionen N(t) =100,5 ∙ 𝑒^{0,005∙𝑡} er eksponentielt voksende, dvs. K>1.

Find fordoblingstiden T:

2

𝑇_{2} =𝑙𝑛2 ∙

𝐿

𝐾− 1

𝑇_{2} =𝑙𝑛2 ∙

0,1

1,0005 − 1
𝑇_{2} =138,629

Dvs. neutroner der halveres hver gang der går 138,629 s.

N(t) = 100,5e^{0,005t}
R² = 1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

00 350

Antal neutroner

Neutrongeneration

K=1,0005, S(k)=0

Side 28

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 28 af 38

Lav kørsel med K=0,9995; alt andet uændret.

Funktionen N(t) =99,5 ∙ 𝑒^{−0,005∙𝑡} er eksponentielt aftagende, dvs. k<1 er eksponentielt aftagende.
Vis at de to ligninger med k=1,0005 og k=0,9995 bliver til:
𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} = 1,005 ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} 𝑜𝑔 𝑁 = 0,995 ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟}

𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟

Den første er k>1, hvilket vil sige at den er overkritisk. Derfor er grafen voksende, da kædeprocessen øges. I det andet tilfælde kan man se, at K<1, hvilket vil sige at den er underkritisk, altså vil kædeprocessen nedsættes, derfor er grafen aftagende.

Efterfølgende ved jeg, at tiden, dt =1, og generationens levetid L=0,1 og vi har ingen neutron kilde,
derfor er S =0, N =100.

k fø r

Der gælder derfor: k = 1,0005

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =N_{før} + S_{k} ∙ dt + ∙ N_{før} ∙ dt

K − 1

L

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 0 ∙ 1 + ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} ∙ 1

1,0005− 1

0,1

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 0,005 ∙𝑁_{𝑓ø𝑟}
𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =1,005 ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} =100,5

N(t) = 99,5e^{-0,005t}
R² = 1

0

20

40

60

80

100

120

00 350

Antal neutroner

Neutrongeneration

K=0,9995, S(k)=0

Side 29

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 29 af 38

Og det samme gælder for: k=0,9995

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 0 ∙ 1 + ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} ∙ 1

0,9995− 1

0,1

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} − 0,005 ∙𝑁_{𝑓ø𝑟}
𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =0,995 ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} =99,5

Øvelse 7.2 numerisk løsning for pile med neutronkilde:

Først tegnes N(t) grafen for K=0,9995, K=1 og K=1,0005.

Graferne ser således ud:

0

2000000

4000000

6000000

8000000

00 350

Antal neutroner

Neutrongeneration

K=0,9995, S(k)=100000

K=0,9995
L=0,1
S =10^{5}

k

Side 30

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 30 af 38

                                                          5
Graferne ovenover er alle påvirket af en neutronkilde, neutronkilde = 10 . dvs. at ligningerne for

dem kommer til at se således ud:

0

5000000

00 350

Antal neutroner

Neutrongeneration

K=1, S(k)=100000

0

00 350

Antal neutroner

Neutrongeneration

K=1,0005, S(k)=100000

K=1
L=0,1
S =10^{5}

k

K=1,0005
L=0,1
S =10^{5}

k

Side 31

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 31 af 38

For K=1,0005 gælder der at:

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 𝑆_{𝑘} ∙ 𝑑𝑡+ ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} ∙ 𝑑𝑡

𝐾− 1

𝐿

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 10^{5} ∙ 1 + ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} ∙ 1

1,0005− 1

0,1

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 0,005 ∙𝑁_{𝑓ø𝑟} + 100000
𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =1,005∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} + 100000
For K=0,9995 gælder der:

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 𝑆_{𝑘} ∙ 𝑑𝑡+ ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} ∙ 𝑑𝑡

𝐾− 1

𝐿

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 10^{5} ∙ 1 + ∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} ∙ 1

0,9995− 1

0,1

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} − 0,005 ∙𝑁_{𝑓ø𝑟} + 100000
𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =0,995∙ 𝑁_{𝑓ø𝑟} + 100000

Hvis man zoomer ind på grafen kan man se, at K<1 bliver stabil hen imod slutningen. Hvis N bliver stabil betyder det, at forbruget er ligeså meget som bidraget, altså er neutron tallet konstant i tiden.

Det vil sige, at jeg kan finde N: stabil

𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} + 𝑆_{𝑘} ∙ 𝑑𝑡+ 𝑆_{𝑓} ∙ 𝑑𝑡
𝑆_{𝑘} =𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑙𝑒𝑡 𝑎𝑓 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑟 𝑘𝑜𝑚𝑚𝑒𝑟 𝑓𝑟𝑎 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑘𝑖𝑙𝑑𝑒𝑛 𝑝𝑟.𝑠.
𝑆_{𝑓} =𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑙𝑒𝑡 𝑎𝑓 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑟 𝑒𝑟 𝑠𝑘𝑎𝑏𝑡 𝑣𝑒𝑑 𝑓𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑟.𝑠.
𝑁_{𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟} =𝑁_{𝑓ø𝑟} 𝑔æ𝑙𝑑𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑟 𝑎𝑡 𝑆_{𝑘} ∙ 𝑑𝑡+ 𝑆_{𝑓} ∙ 𝑑𝑡=0
𝑆_{𝑓} 𝑏𝑒𝑠𝑡𝑒𝑚𝑚𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑑:

𝑆_{𝑓} = = = ∙ 𝑁

𝐾∙ 𝑁− 𝑁 (𝐾− 1)∙ 𝑁 𝐾− 1

𝐿 𝐿 𝐿

𝐿=𝐿𝑒𝑣𝑒𝑡𝑖𝑑𝑒𝑛.
𝐾=𝑚𝑢𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑘𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟𝑒𝑛
Når N = N så gælder der:

efter før

𝑆_{𝑘} ∙ 𝑑𝑡+ ∙ 𝑁∙ 𝑑𝑡=0

𝐾− 1

𝐿

⇕ 𝑆_{𝑘} + ∙ 𝑁=0

𝐾− 1

𝐿

⇕ ∙ 𝑁=−𝑆_{𝑘}

𝐾− 1

𝐿

Side 32

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 32 af 38

⇕ 𝑁 =− ∙ 𝑆_{𝑘}

𝐾− 1

𝐿

𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙}

𝐿∙ 𝑆_{𝑘}
1 − 𝐾

Ud fra denne formel kan jeg nu finde N: stabil

L=0,1
K=0,9995
S =10^{5}

k

𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙} = =20 ∙ 10^{6}

𝐿∙ 𝑆_{𝑘} 0,1 ∙ 10^{5}
1 − 𝐾 1 − 0,9995
Dvs. N er 20 ∙ 10^{6}. Det vil sige, at K er stabiliser sig jo tættere man kommer på 1.

stabil

Bilag nr. 7

Opgave 2 model for en pile uden neutronkilde:

Vi ser på neutronmodellen i afsnit 7.2 og 7.3 uden neutronkilde, dvs. S =0. for K>1 kan det vises, at

k løsningen N(t) bliver eksponentielt voksende funktion med fordoblingstiden

𝑇_{2} =𝑙𝑛2 ∙

𝐿

𝐾− 1
Bergen for en atombombe med L=10^{-8} s og K=1,5, og for en pile med L=0,1 s og K=1,0005:

a) Neutrontallets fordoblingstid:

For en atombombe: 𝑇 =𝑙𝑛2 ∙_{𝐾−1}^{𝐿}

2

𝑇_{2} =𝑙𝑛2 ∙ =1,38629∙ 10^{−8} 𝑠

10^{−8} 𝑠
1,5 − 1
For en pile: 𝑇 =𝑙𝑛2 ∙_{𝐾−1}^{𝐿}

2

𝑇_{2} =𝑙𝑛2 ∙ =138,629𝑠

0,1 𝑠

1,0005− 1

b) hvor lang tid der går før neutrontallet er blevet 1024 gange så stort

                               1024
                          −8
For en atombombe:1,38629∙ 10 𝑠 ∙(  )= 0,000007097805 𝑠
                                 2

Det vil sige at efter 0,000007097805 sek, er neutrontallet er blevet 1024 gange i en atombombe.

                    1024
For en pile: 138,629𝑠∙ ( )= 70978,048 𝑠.
                     2

Det vil sige efter 70978,048 sek, er neutrontallet blevet 1024 gange så stort i en pile.

Side 33

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 33 af 38

c) Hvor mange fordoblinger finder der sted på 1 sekund.

𝐼 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑏𝑜𝑚𝑏𝑒𝑛= =7,2135 ∙ 10^{7}

1𝑠

1,38629∙ 10^{−8} 𝑠
Det vil sige, i atombomben finder 7,2135 ∙ 10^{7} fordoblinger sted i 1 sekund.

𝐼 𝑝𝑖𝑙𝑒= =0,007213497897

1𝑠

138,629 𝑠

Det vil sige, i pile finder der 0,7897 fordoblinger sted i 1 sekund.

Bilag nr. 8

Opgave 7.3 måledata fra CP-1

Tabel 7.1 indeholder originale måledata fra opbygningen af CP-1. venstre søjle viser, hvor mange lag der er blevet lagt. Højre søjle viser antal neutroner, N, registreret pr. minut af en tæller, som var anbragte centralt sted i konstruktionen. Med god tilnærmelse er N proportional med det stabiliserede neutrontal N i pilen.

stabil

1/N afsættes som funktion af antal lag i Excel - ark og herefter vurderes ved hvilket lag pilen bliver

kritisk ved at forlænge kurven til skæringen med 1. aksen.

Antal Antal 1/N

lag i neutroner alt. pr. min (N).

15 42 0,02381

19 78 0,012821

23 | 119 | 0,008403
29 | 221 | 0,004525
33 | 345 | 0,002899
41 | 846 | 0,001182

45 1360 0,000735

47 1940 0,000515

54 12400 0,000806

Side 34

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 34 af 38

N er proportional med de stabiliserende neutroner N i pile.

stabil

Det fremgår af grafen at den aldrig rammer 0. Dette er jo en forholdsvis stor fejl i opgaven, men med de metoder man havde dengang, er det kun en sikkerheds magen, så det ikke løb løbsk.

Hvis vi ser på grafen som den er, så bliver pilen kritisk i lag nr. 68,5.

Fermi forudsagde, at pilen vil blive kritisk i lag nr. 56. Konstruktionen blev afsluttet i lag nr. 57, der var et lag over den kritiske grænse.

Opgave 3:

I kasse 7.1 findes en formel for det stabile N stabil for en underkritisk pile med neutronkilde.

• Beregn N for en pile i øvelse 7.2 stabil

𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙} 𝑓𝑖𝑛𝑑𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑑 𝑓ø𝑙𝑔𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒𝑙: 𝑆_{𝑓} =−𝑆_{𝑘} ↔𝑁= =𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙}

𝑆_{𝑘} ∙ 𝐿
1 − 𝐾
𝑲=𝟎,𝟗𝟗𝟗𝟓

𝑝𝑖𝑙𝑒 𝑒𝑟 𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑘𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠𝑘

𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙} = =2 ∙ 10^{7}

10^{5} ∙ 0,1
1 − 0,9995

𝑲=𝟏

𝑃𝑖𝑙𝑒 𝑒𝑟 𝑘𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠𝑘,𝑑𝑒𝑟 𝑔æ𝑙𝑑𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟:

𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙} = =→ ∞ 𝑓𝑜𝑟 𝐾 →1 (𝑓𝑟𝑎 𝑣𝑒𝑛𝑠𝑡𝑟𝑒)

10^{5} ∙ 0,1
1 − 1

y = 0,0823e^{-0,099x}
R² = 0,9433

0

0,005

0,01

0,015 1/N

0,02

0,025

0,03

0 50 60

1/N

antal lag måledata fra CP-1

Expon. (1/N)
Expon. (1/N)

Side 35

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 35 af 38

𝑲=𝟏,𝟎𝟎𝟎𝟓

𝑝𝑖𝑙𝑒 𝑒𝑟 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑘𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠𝑘

𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙} = =−2 ∙ 10^{7} →−∞ 𝑓𝑜𝑟 𝐾 →1 𝑓𝑟𝑎 ℎø𝑗𝑟𝑒 𝑠𝑖𝑑𝑒

10^{5} ∙ 0,1
1 − 1,0005
𝑁å𝑟 𝐾 𝑛æ𝑟𝑚𝑒𝑟 𝑠𝑖𝑔 1 𝑣𝑖𝑙 𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙} 𝑔å 𝑚𝑜𝑑 ∞ 𝑎𝑙𝑡𝑠å 𝑝𝑖𝑙𝑒𝑛 𝑛æ𝑟𝑚𝑒𝑟 𝑠𝑖𝑔 𝑑𝑒𝑛 𝑘𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠𝑘𝑒 𝑡𝑖𝑙𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑.

• I en stabil pile er N = 10^{14}, S =10^{5} pr. s. og L=0,1 s. Beregn 1-K.

stabil k

𝑁_{𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙} =

𝑆_{𝑘} ∙ 𝐿
1 − 𝐾

𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒( =10^{14},𝐾)

10^{5} ∙ 0,1
1 − 𝐾
𝐾=0,9999999999999900

𝑒𝑟 𝐾 𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙 ?

𝐾→1 𝑢𝑒𝑛𝑑𝑒𝑙𝑖𝑔 𝑡æ𝑡 𝑝å 1,𝑠𝑜𝑚 𝐾 𝑔å𝑟 𝑖𝑚𝑜𝑑 𝑛å𝑟 𝑑𝑒𝑛 𝑒𝑟 𝑘𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠𝑘,𝑑𝑣𝑠.𝐾 =1

Bilag nr. 9

Atombomben aktiveres først når fissionsmaterialet sprænges sammen.

20 mikrosekunder: kædereaktionen er i gang, den kan under ingen omstændigheder stoppes!

20,5 mikrosekunder: kædereaktionen standser. Temperaturen i centrum er oppe på 50 millioner grader.

21 mikrosekunder: der er nu dannet en ildkugle, der har en temperatur på over 100.000 grader.

25 mikrosekunder: trykbølge, der breder sig med en hastighed på 3 gange lydens hastighed, ca 3000

km/t.

1 millisekund: ildkuglen stiger op ad.

1 sekund: der er nu dannet en paddehattesky.

1 mikrosekund: 1/100.000

sekund

1 millisekund: 1/100.000

sekund

Side 36

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 36 af 38

Bilag nr. 10

Recommendations on the Immediate Use of Nuclear Weapons, June 16, 1945

Recommendations on the Immediate Use of Nuclear Weapons, by the Scientific Panel of the Interim Committee on Nuclear Power, June 16, 1945.

Source: U. S. National Archives, Record Group 77, Records of the Office of the Chief of Engineers, Manhattan Engineer District, Harrison-Bundy File, Folder #76.

TOP SECRET

THIS PAGE REGRADED UNCLASSIFIED

Order Sec Army By TAG per

720564

THIS DOCUMENT CONSISTS OF 2 PAGE(S)

NO. 1 OF 12 COPIES, SERIES A

RECOMMENDATIONS ON THE IMMEDIATE USE OF NUCLEAR WEAPONS

A. H. Compton

E. O. Lawrence

J. R. Oppenheimer

E. Fermi

[signature]

J. R. Oppenheimer

For the Panel

June 16, 1945

You have asked us to comment on the initial use of the new weapon. This use, in our opinion, should be such as to promote a satisfactory adjustment of our international relations. At the same time, we recognize our obligation to our nation to use the weapons to help save American lives in the Japanese war.

(1) To accomplish these ends we recommend that before the weapons are used not only Britain, but also Russia, France, and China be advised that we have made considerable progress in our work on atomic weapons, that these may be ready to use during the present war, and that we would welcome suggestions as to how we can cooperate in making this development contribute to improved international relations.

(2) The opinions of our scientific colleagues on the initial use of these weapons are not unanimous: they range from the proposal of a purely technical demonstration to that of the military application best designed to induce surrender. Those who advocate a purely technical demonstration would wish to outlaw the use of atomic weapons, and have feared that if we use the weapons now our position in future negotiations will be prejudiced. Others emphasize the opportunity of saving

Side 37

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 37 af 38

American lives by immediate military use, and believe that such use will improve the international prospects, in that they are more concerned with the prevention of war than with the elimination of this specific weapon. We find ourselves closer to these latter views; we can propose no technical demonstration likely to bring an end to the war; we see no acceptable alternative to direct military use.

(3) With regard to these general aspects of the use of atomic energy, it is clear that we, as scientific men, have no proprietary rights. It is true that we are among the few citizens who have had occasion to give thoughtful consideration to these problems during the past few years. We have, however, no claim to special competence in solving the political, social, and military problems which are presented by the advent of atomic power.

Copyright Notice: The original of this document is believed to be in the public domain. Its transcription and formatting as an e-text, however, is copyright by Gene Dannen. [65]

Bilag nr. 11^{66}

Oversigt over omkomne i Hiroshima i 1945:

Døde: 78.150

Savnede: 13.983

Sårede: 37.425

Andre skader: 176.977

I alt berørt: 306.535

Heri er ikke medregnet senere stråleskader.

Oversigt over skader i Hiroshima:

Huse ødelagt af trykbølgen: 10.570

Huse brændt: 57.290

Byens størrelse: 72,7 km^{2}

Område helt ødelagt af brand: 13,2 km^{2}

Område berørt af branden: 30,3 km^{2}

65

http://www.dannen.com/decision/scipanel.html

66

Petersen, Palle. Borgens forlag, 1984: Atombomben over Hiroshima

Side 38

Studieretningsprojekt

Historie A og Fysik A

Side 38 af 38

Bilag nr. 12