در حین جنگ جهانی دوم، فِرمی و زیلارد خیلی زود به اهمیت استفاده از موادِ هرچه خالص تر پی بردند: فِرمی و آندرسون با دقت زیاد، مقطع مؤثر جذب نوترونها در گرافیت خیلی خالص را اندازه گیری کردند و دریافتند که این ضریب، خیلی ضعیف است، پس معلوم می شد که ساختن رآکتوری مرکب از اورانیوم و گرافیت، عملی است. آنگاه سعی می کنند ساختار هندسی این رآکتور را تعیین کنند. چگونه اورانیوم و گرافیت را باید متناوب کرد؟ عناصر مختلفِ شبکه ای که باید پیل اتمی را تشکیل دهند، در چه اندازه ای باید باشند؟
حکومت انگلیس هم در سپتامبر1941 در پی گزارش کمیته ی مود، تصمیم گرفته بود سازمان جدیدی ایجاد کند که به نام رمز «اداره ی آلیاژها برای لوله» (5) نامگذاری شد، تا بر کلیه ی تحقیقات مربوط به شکافت در بریتانیای کبیر نظارت کند. اولویّت اول به روشهای جداسازی اورانیوم 235 از اورانیوم طبیعی داده شده بود که می باید عنصر تشکیل دهنده ی بمب باشد. طرح تأسیس یک رآکتور هسته ای در اولویت دوم قرار داشت. شرکت صنعتی بریتانیا «امپریال شیمیکال» به توسعه های محتمل آینده که می توانست به منبع جدید قابل بهره برداری انرژی مبدّل شود، خیلی علاقه مند بود. میان انگلیسیها و امریکاییان، اطلاعات به طور دوره ای مبادله می شد. با این وصف، در ابتدا، انگلیسیها مایل نبودند همه ی آنچه را که می دانند در اختیار امریکاییان بگذارند. اما چندی بعد، از 1942، برای انگلیسیها یقین حاصل شد که نمی توان یک رآکتور اتمی در مقیاس بزرگ را در سرزمین انگلیس، که در معرض حملات هوایی است، بنا کرد. حالا این امریکاییان بودند که با پیشرفت تحقیقاتشان، دیگر تمایلی به ادغام دو برنامه نداشتند. انگلیسیها تصمیم گرفتند توسعه ی برنامه تحقیقاتی خودشان را در کانادا ادامه دهند؛ بخشی از گروه تحقیقاتی کمبریج با هـ. هالبان با پیوستن تعدادی از دانشمندان فرانسوی به آن، که توانسته بودند به بریتانیای کبیر یا به ایالات متحده ی امریکا برسند، به مونترال انتقال یافت. با وجود این، چند تن از نامی ترین فیزیکدانان انگلیسی، بعدها در برنامه های تحقیقاتی مراکز امریکایی مشارکت پیدا کردند.
برنامه ی تجدید سازمان یافته ی امریکایی در «اداره ی توسعه ی تحقیقات علمی» ادغام شده بود و مدیریت آن را وانوار بوش (6) با معاونت جی. بی کونانت (7)، رئیس دانشگاه هاروارد، برعهده داشت. از 1942، همه ی تحقیقات درباره ی شکافت و بمب اتمی، که تا آن وقت در چهارچوب دپارتمان اورانیوم صورت می گرفت، در سازمانی با نام رمز «طرح مانهاتان (8)» متمرکز شد و ژنرال ال. ار. گروز (9) به ریاست آن منصوب گردید. از این زمان به بعد، مبالغ هنگفتی به این برنامه اختصاص یافت. آزمایشگاههای موجود، دیگر کافی نبودند، و مراکز تحقیقاتی جدید و نیز کارخانه های تولید لوازم تحقیقاتی در نقاط پَرتِ سرزمین وسیع ایالات متحده ی امریکا ساخته شدند. چند شرکت بزرگ صنعتی مأمور اجرای برخی از قسمتهای برنامه شدند. با وجود این، به رغم پیش بینی نظری، هیچ کس یقین نداشت که طرحِ در دست اجرا واقعاً به نتیجه می رسد. بیم از اینکه آلمانیها بتوانند زودتر از متفقین به هدف برسند، تا پایان جنگ همچنان باقی بود. لذا تصمیم گرفته شد، برای احتراز از شکست، آنجا که برتری یکی از آنها بر دیگری محرز نبود، چند روش موازی در پیش گرفته شود. از همان آغاز، حکومت امریکا به اهمیت تأمین منابع تدارکاتی، مخصوصاً برای اورانیوم، و به ضرورت تلاش در جهت تهیه ی مواد فوق العاده خالص، معتقد شده بود.
گروه تحقیقاتی فِرمی به دانشگاه شیکاگو انتقال یافت و تحقیقاتش را در آزمایشگاه متالورژی که به مدیریت آرثر هالی کامپتن (10) تشکیل شد، ادامه داد. در روز دوم دسامبر 1942، زیر پلکانهای ورزشگاه اسکواش دانشگاه شیکاگو نخستین پیل اتمی آغاز به کار کرد. ماده ی کندساز آن، گرافیت بسیار خالص و عنصر سوختنی اورانیوم به شکل شمشهای فلزی و اکسید فشرده بود، زیرا در آن ایام، فلز اورانیوم هنوز به مقدار کافی در دسترس نبود. فِرمی و همکارانش، پوشیده از غبار گرافیت، کارگران معدن زغال را تداعی می کردند. آنها مرحله به مرحله تدریجاً خشتهای گرافیت و شمشهای اورانیوم را، پس از اندازه گیری هر مرحله ی افزایش میزان نوترونهایی که از آن نتیجه می شد، اضافه می کردند. زمانی به جِرم بحرانی رسیدند که پیل به سه چهارم ابعاد پیش بینی شده در محاسبات، رسیده بود.
آزمایشگاه آرگون، در فاصله ی چند کیلومتری آنجا، راه را ادامه داد. یک پیل اتمی جدید (که امروز رآکتور هسته ای گفته می شود) علاوه بر تولید انرژی، می بایست عنصر جدید رادیواکتیو شکافت پذیر، یعنی پلوتونیوم 239 را هم تولید می کرد، سپس پالایش شیمیایی آن را انجام می داد. برای تهیه ی این عنصر به مقدار کافی، لازم آمد که یک سری رآکتور، که به طور موازی کار می کردند، ساخته شود. ابتدا یک رآکتور هسته ای نمونه با ابعاد متوسط در مرکز جدید «کلینتن انجینیر ورُکس» (11) در اوک ــ ریج (12) در دره ی تنسی (13) برپا شد. سپس چند رآکتور هسته ای در هانفورد (14) در شمال غربی ایالات متحده ی امریکا در ایالت واشینگتن بنا شد. همین رآکتورها هستند که بعدها پلوتونیوم استفاده شده در اولین بمبهای اتمی را تولید می کنند.
(توضیح تصویر): تأسیسات عظیم اتمی امریکا در «طرح مانهاتان» در هانفورد
مطالعات و کارهای لازم برای ساختن بمبها، خود موضوع پژوهشهای اختصاصی بوده است. برای این منظور یک آزمایشگاه جدید در فلات مرتفع نیومکزیکو در محل لوس آلاموس (17) تأسیس شد. این مجتمع که تصمیم بنای آن در 1942 گرفته شده بود، از 1943 به مدیریت نظریه پرداز پرآوازه ی دانشگاه کالیفرنیا، جی. رابرت اوپنهایمر، فعالیتش را آغاز کرد. در 1944 آزمایشگاه لوس آلاموس غنی ترین و مجهزترین آزمایشگاه دنیا بود. آنجا، در نهایت اختفا، گروهی از برجسته ترین فیزیکدانان دنیا کار می کردند که چند نفری در میانشان از برندگان جایزه ی نوبل بودند: هانس آ. بته، رابرت ویلسون، امیلیو سِگره، ادوارد تلر، رودولف پایرلز، انریکو فرمی. نیلس بور هم چند ماهی در آنجا اقامت داشت. جمس چادویک در آنجا سرپرستی هیئت نمایندگی بریتانیایی را برعهده داشت. دهکده ای برای سکونت آنان با اعضای خانواده شان ایجاد شد. این فیزیکدانان، دستیارانی داشتند که بعدها عده ی زیادی از آنان کارهای ارزنده ای کردند. فراهم آوردن شرایط همکاری، در چنان نقطه ی پرت و دورافتاده ای، میان آن همه مردان علم، بر سر یک هدف، کاری بود کارستان.
این هدف، روز16 ژوئیه ی 1945، ساعت 5 و30 دقیقه ی بامداد تحقق یافت، و آن، وقتی بود که در کویر نیومکزیکو، در لوس آلاموس، بر بالای برج فولادی بلندی، نخستین بمب اتمی پلوتونیومی آزمایش شد. موفقیت انفجار، فراتر از هر انتظاری بود. آذرخشی باور نکردنی سلسله جبال کویری این منطقه را روشن کرد. توده ی ابری رنگارنگ تا ارتفاع ده هزار متری بالا رفت. برجای برج آزمایش، یک دهانه ی عظیم آتشفشانی باز شده بود. نخستین پُست دیدبانی در پناهگاهی در فاصله ی ده کیلومتری، و دومی در فاصله ی هفده کیلومتری بود. دانشمندان، مهندسان و تکنیسینها که مدت مدیدی در آن نقطه ی دورافتاده منزوی و بسیج شده بودند، از مشاهده ی موفقیت آمیز بودن نتیجه ی آزمایش، از خوشحالی سراز پا نمی شناختند. فیزیکدان جوان، ریچارد فینمان که بعدها خودش نیز جایزه ی نوبل فیزیک را برد، این لحظه را در خاطراتش چنین روایت می کند: «پس از انفجار، هیجان به اوج خود رسید. ما رقصیدیم، آواز خواندیم. من هنوز خودم را می بینم که پشت یک جیپ، چمباتمه زده ام و با باتری ور می روم. تنها باب ویلسون در گوشه ای ساکت و افسرده مانده بود. از او پرسیدم: «چرا ناراحتی؟» ــ در پاسخ درآمد گفت: «وحشتناک است، کاری که ما کرده ایم وحشتناک است». گفتم: با این وصف، این تو بودی که ما را به این راه کشاندی!» البته، در آغاز ما به دلایل موجه قدم در راهی گذاشتیم؛ سپس، گرفتار هیجان کارهایی که باید می کردیم و هدفی که باید به آن می رسیدیم، بودیم. حالا، همه از فکر کردن بازمانده بودیم. تنها، باب ویلسون بود که هنوز هم فکر می کرد».
اینشتین علیه هیتلر
برنامه ی تحقیقات امریکایی سرعت واقعیش را به دست نیاورد مگر از دسامبر 1941 که ایالات متحده ی امریکا مستقیماً در جنگ درگیر شد. آخرین کار مهم درباره ی شکافت که در ژوئن 1940 در ایالات متحده ی آمریکا منتشر شد از مک میلان و آبلسون بود. این محققان اعلام کردند که با استفاده از سیکلوترون دانشگاه برکلی، نخستین عنصر ماورای اورانیومی (1) را به دست آورده اند که نپتونیوم نامیده شد. نتایج تحقیقات بعدی، دیگر منتشر نشد. در دانشگاه برکلی، گلن تی سیبورگ (2)، امیلیوسِگره (3) و همکارانشان ثابت کردند که اورانیوم 238 پس از جذب یک نوترون به اورانیوم 239 تبدیل می شود که به یک ایزوتوپ نپتونیوم، عنصر شیمیایی با عدد اتمی 93 واپاشیده می شود؛ این ایزوتوپ اخیر به نوبه ی خودش به یک ایزوتوپ پلوتونیوم، عنصر شیمیایی با عدد اتمی 94 مبدّل می شود. در آزمایشگاه، خیلی زود ــ آنچه از لحاظ نظری پذیرفته شده بود ــ به شیوه ی تجربی به اثبات رسید که پلوتونیوم 239 حتی بیشتر از اورانیوم 235 شکافت پذیر است. بنابراین، این ایزوتوپ جدید، از جرم فرد یک ماده ی بالقوه برای ساختن بمب بود. در اواخر سال 1941، پس از یک گزارش به پرزیدنت روزولت و پس از دریافت اطلاعات جدید از بریتانیای کبیر، مخصوصاً پس از دیدار اچ. سی. اوری (4) و گ. پگرام، تصمیم گرفته شد که به تحقیقات در امریکا وسعت تازه ای داده شود.حکومت انگلیس هم در سپتامبر1941 در پی گزارش کمیته ی مود، تصمیم گرفته بود سازمان جدیدی ایجاد کند که به نام رمز «اداره ی آلیاژها برای لوله» (5) نامگذاری شد، تا بر کلیه ی تحقیقات مربوط به شکافت در بریتانیای کبیر نظارت کند. اولویّت اول به روشهای جداسازی اورانیوم 235 از اورانیوم طبیعی داده شده بود که می باید عنصر تشکیل دهنده ی بمب باشد. طرح تأسیس یک رآکتور هسته ای در اولویت دوم قرار داشت. شرکت صنعتی بریتانیا «امپریال شیمیکال» به توسعه های محتمل آینده که می توانست به منبع جدید قابل بهره برداری انرژی مبدّل شود، خیلی علاقه مند بود. میان انگلیسیها و امریکاییان، اطلاعات به طور دوره ای مبادله می شد. با این وصف، در ابتدا، انگلیسیها مایل نبودند همه ی آنچه را که می دانند در اختیار امریکاییان بگذارند. اما چندی بعد، از 1942، برای انگلیسیها یقین حاصل شد که نمی توان یک رآکتور اتمی در مقیاس بزرگ را در سرزمین انگلیس، که در معرض حملات هوایی است، بنا کرد. حالا این امریکاییان بودند که با پیشرفت تحقیقاتشان، دیگر تمایلی به ادغام دو برنامه نداشتند. انگلیسیها تصمیم گرفتند توسعه ی برنامه تحقیقاتی خودشان را در کانادا ادامه دهند؛ بخشی از گروه تحقیقاتی کمبریج با هـ. هالبان با پیوستن تعدادی از دانشمندان فرانسوی به آن، که توانسته بودند به بریتانیای کبیر یا به ایالات متحده ی امریکا برسند، به مونترال انتقال یافت. با وجود این، چند تن از نامی ترین فیزیکدانان انگلیسی، بعدها در برنامه های تحقیقاتی مراکز امریکایی مشارکت پیدا کردند.
برنامه ی تجدید سازمان یافته ی امریکایی در «اداره ی توسعه ی تحقیقات علمی» ادغام شده بود و مدیریت آن را وانوار بوش (6) با معاونت جی. بی کونانت (7)، رئیس دانشگاه هاروارد، برعهده داشت. از 1942، همه ی تحقیقات درباره ی شکافت و بمب اتمی، که تا آن وقت در چهارچوب دپارتمان اورانیوم صورت می گرفت، در سازمانی با نام رمز «طرح مانهاتان (8)» متمرکز شد و ژنرال ال. ار. گروز (9) به ریاست آن منصوب گردید. از این زمان به بعد، مبالغ هنگفتی به این برنامه اختصاص یافت. آزمایشگاههای موجود، دیگر کافی نبودند، و مراکز تحقیقاتی جدید و نیز کارخانه های تولید لوازم تحقیقاتی در نقاط پَرتِ سرزمین وسیع ایالات متحده ی امریکا ساخته شدند. چند شرکت بزرگ صنعتی مأمور اجرای برخی از قسمتهای برنامه شدند. با وجود این، به رغم پیش بینی نظری، هیچ کس یقین نداشت که طرحِ در دست اجرا واقعاً به نتیجه می رسد. بیم از اینکه آلمانیها بتوانند زودتر از متفقین به هدف برسند، تا پایان جنگ همچنان باقی بود. لذا تصمیم گرفته شد، برای احتراز از شکست، آنجا که برتری یکی از آنها بر دیگری محرز نبود، چند روش موازی در پیش گرفته شود. از همان آغاز، حکومت امریکا به اهمیت تأمین منابع تدارکاتی، مخصوصاً برای اورانیوم، و به ضرورت تلاش در جهت تهیه ی مواد فوق العاده خالص، معتقد شده بود.
گروه تحقیقاتی فِرمی به دانشگاه شیکاگو انتقال یافت و تحقیقاتش را در آزمایشگاه متالورژی که به مدیریت آرثر هالی کامپتن (10) تشکیل شد، ادامه داد. در روز دوم دسامبر 1942، زیر پلکانهای ورزشگاه اسکواش دانشگاه شیکاگو نخستین پیل اتمی آغاز به کار کرد. ماده ی کندساز آن، گرافیت بسیار خالص و عنصر سوختنی اورانیوم به شکل شمشهای فلزی و اکسید فشرده بود، زیرا در آن ایام، فلز اورانیوم هنوز به مقدار کافی در دسترس نبود. فِرمی و همکارانش، پوشیده از غبار گرافیت، کارگران معدن زغال را تداعی می کردند. آنها مرحله به مرحله تدریجاً خشتهای گرافیت و شمشهای اورانیوم را، پس از اندازه گیری هر مرحله ی افزایش میزان نوترونهایی که از آن نتیجه می شد، اضافه می کردند. زمانی به جِرم بحرانی رسیدند که پیل به سه چهارم ابعاد پیش بینی شده در محاسبات، رسیده بود.
آزمایشگاه آرگون، در فاصله ی چند کیلومتری آنجا، راه را ادامه داد. یک پیل اتمی جدید (که امروز رآکتور هسته ای گفته می شود) علاوه بر تولید انرژی، می بایست عنصر جدید رادیواکتیو شکافت پذیر، یعنی پلوتونیوم 239 را هم تولید می کرد، سپس پالایش شیمیایی آن را انجام می داد. برای تهیه ی این عنصر به مقدار کافی، لازم آمد که یک سری رآکتور، که به طور موازی کار می کردند، ساخته شود. ابتدا یک رآکتور هسته ای نمونه با ابعاد متوسط در مرکز جدید «کلینتن انجینیر ورُکس» (11) در اوک ــ ریج (12) در دره ی تنسی (13) برپا شد. سپس چند رآکتور هسته ای در هانفورد (14) در شمال غربی ایالات متحده ی امریکا در ایالت واشینگتن بنا شد. همین رآکتورها هستند که بعدها پلوتونیوم استفاده شده در اولین بمبهای اتمی را تولید می کنند.
روش دوّمی که برای ساختن بمب اتمی در مدّنظر بود، روش جداسازی ایزوتوپی اورانیوم 235 از اورانیوم طبیعی است. این جداسازی به چند شیوه میسر بود و از همه ی آنها به صورت موازی استفاده می شد. در دانشگاه بِرکلی، زیر نظر مخترع سیکلوترون، ارنست لارنس (15) نخستین جداسازهای الکترومغناطیسی توسعه یافتند.
در اول کار، مقدار اورانیوم 235 که جدا می شد از چند میکروگرم بیشتر نبود، اما مقدار مورد نیاز باید از کیلوگرمها بیشتر باشد. برای تهیه ی مقدار بیشتری اورانیوم 235، ابتدا از آهنربای الکتریکی به قطر یک متر در سیکلوترون استفاده شد، سپس از آهنربای بزرگی با قطر پنج متر که برای ساختن سیکلوترون غول پیکر طراحی و ساخته شده بود، استفاده شد. جداسازهای دیگری به اولیها افزوده شدند، این دستگاههای جدید را کالوترون نامیدند که از حروف اول و آخر سه کلمه «کالیفرنیا یونیورسیتی سیکلوترون» (CALifornia University cycloTRON) گرفته شده است. گاهی پیش می آمد که در بِرکلی شش دستگاه جداسازِ ایزوتوپی به طور همزمان کار می کردند. چندی بعد سری به هم پیوسته ای از جداسازهای ایزوتوپی در کلینتن تأسیس شد. علاوه بر این، آنجا یک کارخانه ی جداسازی با فرایند نفوذ گازی از خلال غشاهای متخلخل متوالی ساخته شد (سرعت نفوذ گاز برای دو ایزوتوپ، یکسان نیست). در کلینتُن بود که با این روش جداسازی اورانیوم 235، بمب هیروشیما را تهیه کردند.(16)(توضیح تصویر): تأسیسات عظیم اتمی امریکا در «طرح مانهاتان» در هانفورد
مطالعات و کارهای لازم برای ساختن بمبها، خود موضوع پژوهشهای اختصاصی بوده است. برای این منظور یک آزمایشگاه جدید در فلات مرتفع نیومکزیکو در محل لوس آلاموس (17) تأسیس شد. این مجتمع که تصمیم بنای آن در 1942 گرفته شده بود، از 1943 به مدیریت نظریه پرداز پرآوازه ی دانشگاه کالیفرنیا، جی. رابرت اوپنهایمر، فعالیتش را آغاز کرد. در 1944 آزمایشگاه لوس آلاموس غنی ترین و مجهزترین آزمایشگاه دنیا بود. آنجا، در نهایت اختفا، گروهی از برجسته ترین فیزیکدانان دنیا کار می کردند که چند نفری در میانشان از برندگان جایزه ی نوبل بودند: هانس آ. بته، رابرت ویلسون، امیلیو سِگره، ادوارد تلر، رودولف پایرلز، انریکو فرمی. نیلس بور هم چند ماهی در آنجا اقامت داشت. جمس چادویک در آنجا سرپرستی هیئت نمایندگی بریتانیایی را برعهده داشت. دهکده ای برای سکونت آنان با اعضای خانواده شان ایجاد شد. این فیزیکدانان، دستیارانی داشتند که بعدها عده ی زیادی از آنان کارهای ارزنده ای کردند. فراهم آوردن شرایط همکاری، در چنان نقطه ی پرت و دورافتاده ای، میان آن همه مردان علم، بر سر یک هدف، کاری بود کارستان.
این هدف، روز16 ژوئیه ی 1945، ساعت 5 و30 دقیقه ی بامداد تحقق یافت، و آن، وقتی بود که در کویر نیومکزیکو، در لوس آلاموس، بر بالای برج فولادی بلندی، نخستین بمب اتمی پلوتونیومی آزمایش شد. موفقیت انفجار، فراتر از هر انتظاری بود. آذرخشی باور نکردنی سلسله جبال کویری این منطقه را روشن کرد. توده ی ابری رنگارنگ تا ارتفاع ده هزار متری بالا رفت. برجای برج آزمایش، یک دهانه ی عظیم آتشفشانی باز شده بود. نخستین پُست دیدبانی در پناهگاهی در فاصله ی ده کیلومتری، و دومی در فاصله ی هفده کیلومتری بود. دانشمندان، مهندسان و تکنیسینها که مدت مدیدی در آن نقطه ی دورافتاده منزوی و بسیج شده بودند، از مشاهده ی موفقیت آمیز بودن نتیجه ی آزمایش، از خوشحالی سراز پا نمی شناختند. فیزیکدان جوان، ریچارد فینمان که بعدها خودش نیز جایزه ی نوبل فیزیک را برد، این لحظه را در خاطراتش چنین روایت می کند: «پس از انفجار، هیجان به اوج خود رسید. ما رقصیدیم، آواز خواندیم. من هنوز خودم را می بینم که پشت یک جیپ، چمباتمه زده ام و با باتری ور می روم. تنها باب ویلسون در گوشه ای ساکت و افسرده مانده بود. از او پرسیدم: «چرا ناراحتی؟» ــ در پاسخ درآمد گفت: «وحشتناک است، کاری که ما کرده ایم وحشتناک است». گفتم: با این وصف، این تو بودی که ما را به این راه کشاندی!» البته، در آغاز ما به دلایل موجه قدم در راهی گذاشتیم؛ سپس، گرفتار هیجان کارهایی که باید می کردیم و هدفی که باید به آن می رسیدیم، بودیم. حالا، همه از فکر کردن بازمانده بودیم. تنها، باب ویلسون بود که هنوز هم فکر می کرد».
پی نوشت ها :
1. transuranien.
2. G. T. Seaborg.
3. E. Segre.
4. H. C. Urey.
5. Direction for Tube Alloys.
6. Vannevar Bush.
7. J. B. Connant.
8. manhattan District.
9. L. R. Groves.
10. A. H. Compton.
11. Clinton Engineer Works.
12. Oak Ridge.
13. Tennessee.
14. Hanford.
15. E. Lawrence.
16.در فرایند نفوذ گازی با عبور گاز هگزافلورید اورانیوم (UF6) از خلال بیش از 2000 غشای متخلخل متوالی، اورانیوم غنی شده ای که نسبت اورانیوم 235 در آن به چهار برابر افزایش یافته است، تهیه می شود. ــ م.
17. Los Alamos.
