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프리슈-피얼스 비망록

Frisch–Peierls memorandum
버밍엄 대학교 포인팅 물리학 건물 벽에 걸린 물리학자 프리쉬와 피어엘에게 보내는 파란 명패

Frisch-Pierls 각서실용적인 핵무기에 대한 최초의 기술적 설명이었습니다. 이 책은 1940년 3월 국외 거주 독일계 유대인 물리학자 오토 프리슈와 루돌프 피얼스가 제2차 세계 대전영국 버밍엄 대학마크 올리펀트를 위해 근무할 때 쓴 것입니다.

각서에는 원자폭탄에 필요한 핵분열성 물질의 임계 질량의 크기에 대한 첫 번째 계산이 포함되어 있었습니다. 필요한 양이 항공기로 배달할 수 있는 폭탄에 포함될 만큼 적을 수 있다는 것을 밝혔습니다. 또한 핵무기의 전략적, 도덕적 의미도 예상했습니다.

그것은 영국과 미국 모두를 MAUD 위원회, 튜브 합금 프로젝트, 맨하탄 프로젝트, 그리고 궁극적으로 히로시마와 나가사키의 원폭 투하로 이어지는 길로 인도하는 데 도움을 주었습니다.

배경

윌리엄 페니, 오토 프리쉬, 루돌프 피어얼스, 콕크로프트가 1946년 맨해튼 프로젝트에 대한 공로로 수여된 자유 훈장을 받았습니다.

루돌프 피얼스

루돌프 피어1907년 베를린에서 태어났습니다.[1] 그는 베를린 대학교, [2]뮌헨 대학교에서 아놀드 소머펠트,[3][4] 라이프치히 대학교에서 베르너 하이젠베르크, 볼프강 파울리 아래 ETH 취리히에서 물리학을 공부했습니다.[5] 1929년 라이프치히에서 박사학위를 받은 후, 그는 취리히에 있는 파울리의 조수가 되었습니다.[6] 1932년에는 로마에서 엔리코 페르미 밑에서 [7]공부한 뒤 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소에서 랄프 파울러(Ralph H. Fowler) 밑에서 록펠러 펠로우십(Rockfeller Fellowship)을 수여받았습니다. 독일에서 아돌프 히틀러의 권력 상승 때문에, 그는 1933년에 귀국하지 않고 영국에 남기로 결정했습니다.[8] 그는 맨체스터 대학에서 한스 베테와 함께 일했고,[9] 그 후 캠브리지의 몬드 연구소에서 일했습니다.[10] 1937년, 호주인이자 버밍엄 대학의 물리학 교수로 새로 임명된 마크 올리펀트는 응용수학 분야의 새로운 석좌를 위해 그를 고용했습니다.[11]

오토 프리슈

오토 로버트 프리쉬는 1904년 비엔나에서 태어났습니다. 그는 비엔나 대학교에서 물리학을 공부했고 1926년에 Dphil을 받았습니다. 그는 1930년까지 베를린의 Physikalisch-Technisch Reichsanstalt에서 일했고,[12] 그 후 함부르크 대학교에서 노벨 과학자 오토 스턴 아래에서 자리를 잡았습니다.[13] 비아리아인으로서, 슈테른과 프리슈는 히틀러의 즉위 후 해임되었습니다. 스턴은 런던 대학교 버크벡 칼리지에서 패트릭 블랙켓함께 영국에서 자리를 잡았고, 학업 보조 위원회로부터 보조금을 받았습니다.[14] 그는 코펜하겐닐스 보어 연구소에서 5년간 근무하면서 핵물리학, 특히 중성자 물리학을 점점 더 전문적으로 공부했습니다. 1932년 제임스 채드윅이 발견했습니다.[12][15] 1939년 여름, 올리펀트는 프리슈를 버밍엄 대학교로 초대했습니다. 1939년 9월 2차 세계 대전이 발발하여 코펜하겐으로 돌아가지 못하자 올리펀트는 버밍엄 대학교에 그의 자리를 잡았습니다.[16]

핵분열

1938년 크리스마스 연휴 동안 프리슈는 독일의 오스트리아 합병 후 이주한 스웨덴의 쿵헬프에 있는 고모 리세 마이트너를 방문했습니다. 그곳에서 그녀는 베를린에 있는 그녀의 전 동료 오토 한과 프리츠 스트라스만이 중성자와 우라늄 핵의 충돌이 그 부산물 중 하나로 바륨을 생성한다는 것을 발견했다는 소식을 들었습니다. 프리슈와 마이트너는 우라늄 핵이 두 개로 갈라졌다고 가정했습니다. 그들은 약 200 MeV에서 방출되는 에너지를 추정했고, 프리쉬는 생물학에서 나온 핵분열이라는 용어를 사용하여 설명했습니다.[17] 한 교수의 논문은 바륨 부산물의 실험과 발견에 대해 설명했습니다.[18] 1939년 1월 16일자 마이스너와 프리슈의 논문은 이 현상의 배후에 있는 물리학을 설명했습니다.[19] 프리슈는 코펜하겐으로 돌아가서 핵분열 반응에 의해 생성된 파편들을 분리할 수 있었습니다.[20][21] 프리쉬는 나중에 다음과 같이 회상했습니다.

이 모든 흥분 속에서 우리는 가장 중요한 점인 연쇄반응을 놓쳤습니다. 덴마크의 동료인 크리스티안 묄러는 제게 핵분열 파편들(새로 형성된 두 개의 핵)이 각각 중성자 한두 개를 방출할 만큼 충분한 잉여 에너지를 가지고 있을지도 모른다고 처음으로 제안했습니다. 이 각각은 또 다른 핵분열을 일으키고 더 많은 중성자를 생성할 수도 있습니다. 그래서 묄러의 발언으로부터, (적절한 주의로) 충분한 순수 우라늄을 조립함으로써, 제어된 연쇄 반응을 시작하여 정말로 중요한 규모의 원자력 에너지를 해방시킬 수 있을 것이라는 흥미로운 비전이 생겨났습니다.[22]

핵분열의 발견 소식은 1939년 1월 보어에 의해 미국에 전해졌습니다.[23] 보어와 존 A. 휠러는 핵분열의 메커니즘을 설명하기 위해 보어와 프리츠 칼카르가 개발한 액체 방울 모델을 적용하는 작업을 시작했습니다.[24] 핵분열에 대한 전체적인 생각에 회의적이었던 조지 플랙젝은 우라늄이 매우 빠른 중성자와 매우 느린 중성자를 모두 가지고 핵분열을 하는 것처럼 보이는 이유를 보어에게 설명해 달라고 요청했습니다. 보어는 낮은 에너지에서 핵분열이 우라늄-235 동위원소 때문인 반면 높은 에너지에서는 우라늄-238 동위원소가 더 풍부하기 때문이라는 깨달음을 얻었습니다.[23] 전자는 천연 우라늄의 0.7%에 불과하고 후자는 99.3%[25]를 차지합니다. 4월 16일, 보어, 플라젝, 휠러, 유진 위그너, 레온 로젠펠트원자폭탄을 만들기 위해 연쇄 반응을 사용하는 것이 가능한지에 대해 논의했고, 그렇지 않다고 결론지었습니다. 보어는 "폭탄을 만들기 위해서는 한 나라의 모든 노력이 필요할 것"이라고 관찰했습니다.[23]

영국의 반응

영국에서, 과학자들은 원자폭탄이 실용적인지 또한 고려했습니다. 리버풀 대학에서 채드윅과 폴란드 난민 과학자 조셉 로트블라트는 이 문제에 대처했지만, 그들의 계산은 결정적이지 않았습니다.[26] 캠브리지에서 노벨 물리학상 수상자인 조지 패젯 톰슨윌리엄 로렌스 브래그는 정부가 우라늄 광석을 독일의 손에 넣지 않기 위해 긴급한 조치를 취하기를 원했습니다. 헤이스팅스 이스메이 소장헨리 티자드 경에게 의견을 구했습니다. 티자드는 성공 확률을 10만 대 1로 계산하면서 원자폭탄이 개발될 가능성에 회의적이었습니다.[27]

그렇게 오랜 갈등이 있더라도 그 위험은 심각하게 받아들여질 만큼 충분히 컸습니다. 우라늄을 즉시 획득하는 것은 가치가 없다고 여겨졌지만,[27] Tizard의 방공 과학 조사 위원회는 원자폭탄의 타당성에 대한 연구를 수행하도록 지시를 받았습니다. 임페리얼 칼리지 런던의 톰슨과 버밍엄 대학교의 올리펀트는 우라늄에 대한 일련의 실험을 수행하는 임무를 맡았습니다. 1940년 2월, 톰슨의 팀은 천연 우라늄에서 연쇄 반응을 일으키지 못했고, 그는 그것이 추구할 가치가 없다고 판단했습니다.[28]

각서

피어와 프리쉬가 각서를 작성한 버밍엄 대학포인팅 물리학 건물.

적 외계인으로서, 적어도 1940년 2월에 피얼스의 귀화 서류가 도착하기 전까지,[29] 프리슈와 피얼스는 버밍엄의 올리펀트 팀이 레이더로 수행한 가장 중요하고 비밀스러운 전쟁 작업에서 제외되었습니다.[30] 그러나 올리펀트는 Peierls에게 반구강에서 맥스웰 방정식의 해에 대한 이론적 질문을 할 것입니다. Peierls는 이러한 성질의 질문들이 마이크로파 레이더의 작업과 관련이 있다는 것을 알고 있었고, Oliphant도 이를 분명히 알고 있었지만, 비밀의 외관은 유지되었습니다. 핵 조사는 아직 비밀이 아니어서 프리슈가 조사에 참여할 수 있었습니다. 그는 열 확산을 통한 우라늄 농축 실험을 시작했는데, 이 과정은 클라우스 클루시우스에 의해 독일에서 처음으로 입증되었습니다. 진행 속도가 느렸고, 필요한 장비를 사용할 수 없었고, 레이더 프로젝트는 가용 자원을 먼저 요청했습니다.[31]

Francis Perrin은 우라늄의 임계 질량을 연쇄 반응을 유지할 수 있는 가장 작은 양으로 정의하고 산화 우라늄의 임계 질량을 약 40톤(39 롱톤, 44 쇼트톤)으로 계산했습니다. 그는 빠른 중성자를 크게 방해하지 않는 철이나 납과 같은 물질로 중성자 반사기를 주변에 배치하면 이를 12톤(12톤, 13톤)으로 줄일 수 있다고 계산했습니다.[32] Peierls는 또한 핵분열에 의해 생성된 빠른 중성자를 사용함으로써 문제를 단순화하려고 시도했고, 따라서 감속제에 대한 고려를 생략했습니다. 그리고 나서 그는 1939년에 작성된 이론 논문에서 우라늄 금속 구의 임계 질량을 계산했습니다.[33][34] 그는 나중에 임계 질량의 크기가 "톤의 크기"였다고 회상했습니다. 따라서 이 논문은 핵무기와 관련이 없는 것처럼 보였습니다."[35]

그러나 보어는 우라늄-235 동위원소가 중성자를 포획할 가능성이 훨씬 높으므로 낮은 에너지의 중성자를 사용하더라도 핵분열이 가능하다고 주장했습니다. 프리슈는 자신이 순수한 우라늄-235의 구체를 만들 수 있다면 어떻게 될까 생각했습니다. 그가 피어르의 공식을 이용해 이것을 계산했을 때, 그는 깜짝 놀랄 만한 답을 얻었습니다.[36] 피얼스는 나중에 다음과 같이 관찰했습니다.

만약 그가 "순수한 U235의 핵분열 단면은 얼마인가?"라는 질문을 받았다면, 유능한 핵물리학자라면 우리와 매우 비슷한 대답을 했을 것입니다. 분리된 U235의 임계 크기는 다음과 같습니까? 그런 질량의 폭발력은 얼마나 될까요? 분리를 위해 얼마나 많은 산업적 노력이 필요합니까? 그리고 군사적 가치가 있을까요?" 이 시점에서 프리쉬와 제가 한 유일한 특이한 일은 그 질문들을 하는 것이었습니다.[37]

문서의 민감한 특성을 깨닫고 Peierls는 직접 타이핑했습니다. 탄소 복사판이 하나 만들어졌습니다.[38] 오늘날 원본은 옥스퍼드 대학보들리언 도서관에 있습니다.[39][40]

비기술적

각서는 두 부분으로 작성되었습니다. 첫 번째는 그들의 계산의 의미에 대한 우아하고 포괄적인 개요였습니다.[38] 여기에는 독일이 그런 무기를 개발하기 전에 그런 무기를 개발하는 것이 가장 좋은 방어가 될 것이라는 제안이 포함되어 있었습니다. 이 두 과학자는 짧은 몇 페이지에서 냉전 지정학을 형성할 억제 정책을 예상했습니다. 두 번째는 그들의 결론을 뒷받침하는 과학에 대한 설명이었습니다.[41] 각서는 다음과 같이 시작합니다.

첨부된 상세 보고서는 원자핵에 저장된 에너지를 에너지원으로 활용하는 '슈퍼 폭탄'의 건설 가능성에 관한 것입니다. 이러한 슈퍼 폭탄의 폭발로 방출되는 에너지는 다이너마이트 1,000톤의 폭발로 생성되는 에너지와 거의 같습니다. 이 에너지는 작은 부피로 방출되어 순간적으로 태양 내부의 온도와 비슷한 온도를 만들어냅니다. 그러한 폭발로 인한 폭발은 넓은 지역의 생명체를 파괴할 것입니다. 이 지역의 규모는 추정하기 어렵지만, 아마도 대도시의 중심을 차지할 것입니다.

게다가, 폭탄에 의해 자유로워진 에너지의 일부는 방사성 물질을 생산하기 위해 가고, 이것들은 매우 강력하고 위험한 방사선을 방출할 것입니다. 이러한 방사선의 영향은 폭발 직후에 가장 크지만, 폭발 후 며칠 동안만 점진적으로 감소하고 심지어 폭발 후에도 영향을 받는 지역에 들어오는 사람은 누구나 사망할 것입니다.

이 방사능의 일부는 바람과 함께 운반되어 오염을 확산시킬 것입니다. 바람이 부는 수 마일 아래에서 사람들을 죽일 수도 있습니다.[41]

계산

피얼스의 출발점은 프란시스 페린의 논문으로, 그는 핵상수의 관점에서 임계 질량 계산을 유도했습니다. 물리학자들은 주어진 부피에 대해 최소 표면적을 갖는 구를 고려했습니다. 생성된 중성자의 수가 탈출하는 수와 같을 때 임계 질량이 발생합니다. 페린은 평균자유행로가 구의 반지름보다 훨씬 크다고 가정했습니다. Peierls는 동의하지 않고 자신의 계산을 시작했습니다. 핵심적인 통찰은 천연 우라늄 대신 우라늄-235 동위원소의 구를 사용하면 어떻게 될까 하는 의문을 품었던 프리슈에게서 나왔습니다.[42] 정의에 따르면 평균 자유 경로는 다음과 같습니다.

여기서 ℓ은 평균 자유 경로, n은 단위 부피당 목표 입자의 수, σ은 유효 핵분열 단면적입니다. Peierls는 계산을 수행하지 않았고, 이 작업은 Frisch에게 맡겼습니다.[43] 당시 우라늄의 화학적 성질은 잘 알려져 있지 않았고, 프리슈는 우라늄의 밀도가 세제곱 센티미터 당 15 그램 (0.54 lb/cuin)이라고 믿었습니다.[44] 실제 값은 세제곱 센티미터 당 약 19 그램 (0.69 lb/cuin)입니다.[45] 핵분열 단면 값이 더 문제였습니다. 이 때문에 프리슈는 1939년에 L. A. Goldstein, A. Rogozinski, R. J. Walen이 쓴 네이처 논문을 통해 (11.2±1.5)×10cm−242 값을 부여했습니다.[46] 이것은 크기에 따라 너무 컸습니다. 현대적인 값은 약 1.24×10−24 cm입니다2.[45] 프리쉬는 자신이 가지고 있는 값을 사용하여 아보가드로 상수를 사용하여 우라늄-235에 대한 평균자유행로의 값을 계산했습니다.

Peierls와 Frisch는 임계 반경이 평균 자유 경로의 약 0.8배라고 주장했습니다.[44] 이로부터 프리슈는 잘 알려진 방정식으로부터 구의 부피를 계산할 수 있었습니다.

그러면 질량은 다음과 같이 됩니다.

그 후 프리슈와 피어렐은 우라늄 핵분열 연쇄반응의 속도를 지수적으로 고려했는데, 여기서 τ은 "중성자 밀도가 e배로 증가하는 데 필요한 시간"입니다. 사용 가능한 데이터는 매우 근사했지만 빠른(~2 MeV) 중성자를 사용하여 폭탄이 가능했다는 중심점은 여전히 남아 있습니다. 제레미 번스타인(Jeremy Bernstein)은 이 노력에 대해 다음과 같이 말했습니다: "좀 다른 질문을 하지만 정확한 숫자를 사용함으로써 같은 주장을 하겠습니다. 빠른 중성자를 이용해 1kg의 U를 핵분열시키는 데 걸리는 시간은 얼마나 됩니까?"[39] 현대적인 가치를 사용하여 그는 "약 마이크로초와 같으며, 이것은 사실 [sic] 중성자와의 핵분열 속도에 대한 요점을 말해줍니다."[39]

원래 각서에서 중성자의 속도가 10cm9/s라면 핵분열 충돌 사이의 평균 시간은 2.6×10초입니다−9. 따라서, 번스타인의 우라늄-235 1킬로그램이 핵분열하는 시간은 다음과 같이 해결함으로써 알 수 있습니다.

여기서 τ은 핵분열 중성자 밀도가 e만큼 증가하는 평균 시간입니다. 두 배로 증가하는 시간을 감안할 때

이것은 평균 핵분열 지수 접힘 시간을 의미합니다.

그 결과 방출되는 에너지를 계산할 수 있었고, Peierls는 이를 대략 다음과 같이 계산했습니다.

여기서 M은 구의 질량, r은 반지름, r0 임계 질량 반지름입니다.[47]

도출된 결론은 수천 톤의 다이너마이트의 에너지로 몇 킬로그램이 폭발할 것이라는 것이었습니다.[47]

영향을 주다

이 각서는 공중전 과학 조사 위원회(CSSAW) 위원장 자격으로 Tizard에게 전달된 Oliphant에게 전달되었습니다. 그는 차례로 CSSAW가 우라늄 연구에 대한 책임을 위임한 위원회의 위원장인 Thomson에게 이를 전달했습니다.[48] 톰슨의 위원회는 곧 해체될 것입니다. 우라늄의 핵반응, 원자로에서 흑연을 중성자 매개체로 사용하는 것 등을 연구했지만 결과는 부정적이었고, 흑연에 의한 중성자 포획 속도가 너무 커서 그러한 원자로를 실용적인 제안으로 만들 수 없다는 결론을 내렸습니다. Frisch-Pierls 각서는 Thomson이 재고하게 만들었습니다.[38] Cockcroft, Oliphant, Thomson 간의 논의 끝에 CSSAW는 추가 조사를 위해 MAUD 위원회를 만들었습니다.[49] 적 외계인으로서 피얼스와 프리슈는 처음에는 심의에서 제외되었지만 나중에 기술 분과 위원회에 추가되었습니다.[38]

MAUD 위원회의 연구는 1941년 7월에 일반적으로 MAUD 보고서로 알려진 두 가지 보고서로 정리되었습니다. 첫 번째 보고서인 "우라늄을 폭탄에 사용하라"에서는 우라늄으로 슈퍼 폭탄을 만들 수 있는 가능성에 대해 논의했는데, 그들은 이제 이것이 진짜라고 생각했습니다. 두 번째인 "우라늄을 동력원으로 사용하기"에서는 우라늄을 단순한 폭탄이 아닌 동력원으로 사용하는 방안에 대해 논의했습니다. MAUD 위원회와 보고서는 영국의 핵 프로그램인 튜브 합금 프로젝트를 이끌어내는 데 도움을 주었습니다. 그것은 영국에서 원자력 프로젝트를 시작하는 데 도움이 되었을 뿐만 아니라 미국 프로젝트를 시작하는 데 도움이 되었습니다. MUD 위원회의 도움이 없었다면, 미국의 프로그램인 맨해튼 프로젝트는 몇 달 늦게 시작했을 것입니다. 대신에 그들은 그것이 가능한지 여부가 아니라 어떻게 폭탄을 만들 것인지에 대해 생각하기 시작할 수 있었습니다.[50][51] 역사학자 마가렛 고잉(Margaret Gowing)은 "시간 척도를 몇 달만 바꾸는 사건은 그럼에도 불구하고 역사를 바꿀 수 있다"[52]고 언급했습니다.

1941년 8월 올리펀트는 미국인들의 극초단파 레이더 지원을 위해 미국으로 파견되었습니다.[53] 그는 MUD 위원회의 획기적인 발견에 대해 그곳의 과학계를 계몽하는 데 앞장섰습니다. 그는 곧 그의 열정을 사로잡은 친구 어니스트 로렌스를 만나기 위해 버클리로 여행을 갔습니다. 올리펀트는 미국인들에게 핵무기를 가지고 전진하라고 설득했고, 그의 로비는 바네바 부시가 그 보고서를 대통령에게 직접 가져가게 하는 결과를 낳았습니다.[54] 레오 실라드는 후에 다음과 같이 썼습니다: "만약 의회가 원자력 프로젝트의 진정한 역사를 안다면, 저는 의심할 여지 없이 그것이 외국인들에게 뛰어난 공로로 간섭하는 것에 대해 특별한 메달을 만들어 줄 것이며, 올리펀트 박사가 그 메달을 가장 먼저 받을 것입니다."[55]

메모들

  1. ^ Peierls 1985, 3쪽.
  2. ^ Peierls 1985, 16-17쪽.
  3. ^ Peierls 1985, 23-24쪽.
  4. ^ Peierls 1985, pp. 32–33.
  5. ^ Peierls 1985, pp. 40–41.
  6. ^ Peierls 1985, pp. 44–46.
  7. ^ Peierls 1985, pp. 82–86.
  8. ^ Peierls 1985, pp. 89–93.
  9. ^ Peierls 1985, pp. 99–104.
  10. ^ Peierls 1985, pp. 115–118.
  11. ^ Peierls 1985, pp. 127–128.
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  13. ^ Frisch 1979, 43-45쪽.
  14. ^ 프리슈 1979, 50-53쪽.
  15. ^ 프리슈 1979, 66-67쪽.
  16. ^ Frisch 1979, pp. 120–122.
  17. ^ Frisch 1979, 페이지 113–117.
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  35. ^ 클라크 1961, 43쪽
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참고문헌

외부 링크