פצצת אטום

לפני קריאת פרק זה מומלץ מאוד לקרוא את הפרק הדן בגילוי האטום.

מבוא

פצצת האטום, הנקראת גם פצצה גרעינית, הינה כלי-נשק רב עוצמה והרסני ביותר. פצצת האטום הראשונה פותחה, נוסתה ובאה לידי שימוש בסוף מלחמת העולם השנייה. פיתוחה התבצע על אדמת ארה"ב ועל ידי מיטב המוחות המדעיים של אותה תקופה, חלקם אמריקאיים וחלקם מהגרים ואף פליטים שברחו מאימת הנאצים והפאשיסטים באירופה.

במקביל לתוכנית האמריקאית לפיתוח פצצת האטום הראשונה התנהלה תוכנית מחקר גרעינית על-ידי המשטר הנאצי. אך, בניגוד לתוכנית האמריקאית, התוכנית הגרמנית לא הגיע לתוצאה ממשית.

לאחר סיום מלחמת העולם השנייה השיגה המעצמה העולה, בריה"מ, את הטכנולוגיה לפתח פצצת אטום מתוצרתה. כך הפכה בריה"מ לאויבת שקולה, מבחינת כוח התקיפה הצבאי, לארה"ב. מאזן האימה שבין שתי המעצמות הגרעיניות הוליד את תקופת המלחמה הקרה שנמשכה עד לסוף שנות השמונים של המאה העשרים.

בנוסף לארה"ב ולבריה"מ גם מדינות נוספות רכשו במרוצת הזמן את היכולת לייצר פצצות אטום משל עצמן. מועדון מדינות הגרעין החל לגדול וכלל את בריטניה, צרפת, סין, הודו, פקיסטן, צפון-קוריאה ולפי מקורות זרים אף את מדינת ישראל.

מהי, אם כן, פצצת אטום?
כיצד היא בדיוק פועלת?
ובעיקר מהו הסיפור ההיסטורי המרתק העומד מאחורי המצאתה?

על כל השאלות הללו ועוד ננסה להשיב בפרק זה.

קרינה רדיואקטיבית

עוד בשנת 1896 גילה

אָנְטוֹן הֶנְרִי בָּקַרֵל (Antoine Henri Becquerel)

שגבישי מלח המכילים אורניום מפיצים מעצמם אנרגיה. אנרגיה זו זכתה לשם קרינה רדיואקטיבית. יחד עם

מָארִי ופְּיֶיר קִירִי (Maria and Pierre Curie)

קיבלו השלושה פרס נובל, בשנת 1903, על גילוי החומרים הרדיואקטיביים הפולטים קרינה רדיואקטיבית. חומר רדיואקטיבי, כמו האוּרָנְיוּם, הוא חומר שגרעין האטום שלו גדול מאוד ולכן גם אינו יציב ונוטה להתפרק. האטום הגדול של חומר רדיואקטיבי נוטה להתפרק במשך הזמן לאטומים קטנים יותר השייכים לחומר אחר.

למשל, אטומי אורניום הגדולים נוטים להתפרק לאטומי עופרת הקטנים מהם. כאשר גרעין האטום מתפרק משתחררת האנרגיה שקשרה את שני חלקי גרעין האטום. אנרגית קשר זו נפלטת בצורה של קרינת חלקיקי אלפא או ביתא ואו קרינת גאמא, זוהי הקרינה הרדיואקטיבית.

אנרגית קשר נפלטת כקרינה רדיואקטיבית

האורניום נמצא באופן נדיר במקומות שונים על פני כדור-הארץ. האורניום הוא יסוד מתכתי רדיואקטיבי כבד בצבע לבן-כסוף. האורניום מתפרק באיטיות רבה מאוד במשך אלפי ועשרות אלפי שנים. האורניום מתפרק, כפי שצוין קודם, למתכת כבדה אחרת, לעופרת. במשך כל תהליך הפירוק נפלטת קרינה רדיואקטיבית מזיקה, אך מכיוון שתהליך הפירוק נמשך לאורך פרק זמן ארוך מאוד השפעתה אינה הרסנית. אך אם ניתן היה בדרך כלשהי להאיץ באופן מלאכותי את תהליך הפירוק הטבעי של האורניום, כך שברגע קצר אחד יתפרקו בו-זמנית המוני אטומים, אז הרי שהיה נוצר אפקט פיצוץ הרסני המתבטא בגל הדף חזק, חום אדיר וקרינה רדיואקטיבית חזקה.

הרעיון התיאורטי לבניית פצצת אטום נולד אחרי גילוי החומרים הרדיואקטיביים ובעקבות גילוי מבנה האטום וחקר הגרעין שלו. בתחילת המאה העשרים ייחשף מבנה האטום ולראשונה יתאפשר לאנושות לשנות חומר מסוג אחד לחומר מסוג אחר. על כך מייד בהמשך...

האלכימאי הראשון

בשנת 1911 יצא

אֶרְנֶסְט רָתֶ'רְפוֹרְד (Ernest Rutherford)

בהכרזה על מבנה האטום. לפי רת'רפורד, האטום מכיל גרעין קטן מאוד הנמצא במרכזו. הגרעין מכיל את רוב מסת האטום ואת המטען החשמלי החיובי שלו. סביב הגרעין חגים בתנועה מעגלית חלקיקים בעלי מסה אפסית ומטען חשמלי שלילי, אלו נקראים אלקטרונים. אחרי ר'תרפורד תרם הפיזיקאי הדני,

נִילְס הֶנְרִיק דֵייְוִיד בּוֹהְר (Niels Henrik David Bohr)

להבנה הפנימית של מבנה האטום.

גרעין האטום מורכב מפרוטונים ומניוטרונים. הפרוטונים הם חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי. לכל סוג חומר בטבע מספר פרוטונים ייחודי וקבוע בגרעין האטום שלו. הניוטרונים הם חלקיקים כבדי מסה, יחסית, וחסרי מטען חשמלי.

מבנה האטום

מבנה זה של האטום סותר את מהות שמו, הרי א-טום ביוונית משמעותו בלתי-ניתן לחלוקה. האטום נחשב מאז תקופת יוון העתיקה כחלקיק קטן מאוד שלא ניתן יותר לחלוקה. כעת ברור שהאטום עצמו אינו עשוי מקשה אחת, אלא מורכב מחלקיקים שונים קטנים יותר: הניוטרונים, הפרוטונים והאלקטרונים.

לא עבר זמן רב מאז גילוי מבנהו הפנימי של האטום עד שנשאלה השאלה האם ניתן לחלק את האטום? ואם כן ניתן לחלק את האטום מה המשמעות של פעולה זו?

מספר הפרוטונים (החלקיקים בעלי המטען החשמלי החיובי) שבגרעין האטום מגדיר את התכונות הייחודיות של האטום וקובע לאיזה יסוד טבע הוא שייך. למשל, לאטום מימן יש רק פרוטון אחד בגרעין, לאטום הליום ישנם שני פרוטונים בגרעין, לאטום חמצן ישנם שמונה פרוטונים בגרעין וכו'. הטבלה המחזורית מסדרת את היסודות של הטבע לפי מספר הפרוטונים שבגרעיניהם ולפי תכונותיהם.

מספר הפרוטונים שבגרעין האטום של כל יסוד טבע הוא ייחודי. מספר זה נקרא גם בשם המספר האטומי של היסוד.

מספר האלקטרונים שבאטום יכול להיות נמוך למספר הפרוטונים, שווה למספר הפרוטונים או גבוה ממנו. מספר האלקטרונים יקבע אם האטום יהיה טעון חשמלית שלילית, ניטראלי או טעון חיובית.

מספר הניוטרונים שבגרעין האטום אינו חייב להיות שווה למספר הפרוטונים שבו. כאשר מספר הניוטרונים שבגרעין גדול ממספר הפרוטונים בו נקרא האטום בשם איזוטופ.

נציין כבר כעת, שבשכיחות של 99.28% יימצא האורניום בטבע בצורה של איזוטופ המכונה U-238. איזוטופ הוא אטום שבגרעין שלו מספר הניוטרונים גדול ממספר הפרוטונים. סימול האיזוטופ כולל את סמל היסוד של האיזוטופ (למשל, U עבור אורניום), אחריו מקף ולבסוף מספר המהווה את סכום הפרוטונים והניוטרונים שבגרעינו. בגרעין האטום של אורניום נמצאים תמיד 92 פרוטונים בדיוק. לכן בגרעין האיזוטופ U-238 ישנם 92 פרוטונים ו- 146 ניוטרונים.

פיצול האטום יתרחש אם נוכל לפצל את כמות הפרוטונים שבגרעין האטום, כך שיתקבלו שני גרעינים נפרדים חדשים שכל אחד מהם מכיל כמות חלקית ממספר הפרוטונים שבגרעין האטום המקורי.

אך לפני שהתגלתה האפשרות לפצל את האטום הכבד אורניום, התגלתה קודם האפשרות להרכיב ולפצל אטומים קטנים יותר.

בשנת 1918 ערך רת'רפורד את הניסוי הבא. הוא "הפציץ" אטומי חנקן (בעלי 7 פרוטונים בגרעין) בקרינת אלפא המכילה אטומים הדומים להליום (בעלי 2 פרוטונים בגרעין). כתוצאה מפעולה זו חלק מגרעיני אטומי ההליום פגעו בגרעיני אטומי החנקן הנייחים. חלק קטן מפעולות ההתנגשות הסתיים בכך שחלק מאטומי החנקן וההליום הפכו לאטומי חמצן (בעלי 8 פרוטונים בגרעין) שלצידם אטומי מימן (בעלי פרוטון אחד בגרעין).

חנקן + הליום = חמצן + מימן

בניסוי זה הצליח ר'תרפורד להפוך יסוד טבע אחד, חנקן, לשני יסודות טבע אחרים, חמצן ומימן, תוך השקעת אנרגיה בצורת אטומי הליום. בכך היה רת'רפורד לאלכימאי הראשון בהיסטוריה.

הניסוי של ר'תרפורד הוכיח שניתן "לשחק" עם אטומי החומרים השונים, להרכיב ולפצל יסודות שונים. כעת נשאלה השאלה מה יקרה אם נחשוף חומרים אחרים לסוגי קרינות שונות? מה תהיה התוצאה בחשיפה של יסודות כבדים יותר לקרינת אנרגיה? ובייחוד מה יקרה אם נחשוף יסודות רדיואקטיביים, שממילא נוטים להתפרק, ושממילא נוטים להפיץ קרינה, לקרינת אנרגיה כלשהי?

ביקוע גרעין האטום

אֶנְרִיקוֹ פֶרְמִי (Enrico Fermi)

נולד ב- 29 לספטמבר 1901, ברומא שבאיטליה. הוא למד באוניברסיטת פיזה, וכעבור ארבע שנים הוא קיבל תואר דוקטור בפיזיקה. בשנת 1927 הוא התקבל לעבודה כפרופסור לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת רומא. במהלך שנות השלושים של המאה העשרים ערך פרמי ניסויים רבים בהם הפציץ את היסוד המתכתי הכבד והרדיואקטיבי אורניום במטר של ניוטרונים. במהלך ניסויים אלו גילה פרמי שתי עובדות מעניינות.

העובדה המעניינת הראשונה שגילה פרמי היא היווצרותם של שני יסודות חדשים ובלתי ידועים עד כה, הנמצאים מעבר לאורניום, היסוד הטבעי האחרון בטבלה המחזורית. העובדה המעניינת השנייה שגילה פרמי היא שכאשר הניוטרונים פוגעים באורניום במהירות איטית יותר כך השפעתם גדולה יותר, כלומר ההסתברות להיווצרות היסודות החדשים גדולה יותר.

מאוחר יותר, בשנת 1938, זכה פרמי בפרס נובל על עבודתו בחקר הגרעין. בשנה זו הושגה התקדמות בתחום זה גם בגרמניה.

לָייְזַה מָייְטְנֶר (Lise Meitner)

יחד עם עמיתה

אוֹטוֹ הַאן (Otto Hahn)

ערכו סידרה של ניסויים המשחזרים את ניסוייו של פרמי. יחד הם הגיעו למסקנה מעניינת המפריכה את העובדה הראשונה שפרמי טען לה - גילוי יסודות טבע חדשים, כבדים יותר מהאורניום. לא יסודות טבע חדשים חשף פרמי, כפי שיתברר מייד, אלא תופעה פיזיקאלית חדשה ומפתיעה.

מייטנר נולדה ב- 7 לנובמבר 1878, בוינה למשפחה יהודית. מהיותה אישה היא פנתה ללמוד לימודים גבוהים רק בגיל מאוחר יחסית. בשנת 1901 היא החלה את לימודיה באוניברסיטת וינה. שם גילתה מייטנר את משיכתה לעולם המדע בכלל ולעולם הפיזיקה בפרט. בשנת 1907, משסיימה את עבודת הדוקטוראט, פנתה מייטנר להמשיך את לימודיה ואת עיסוקה במחקר בבירת גרמניה, ברלין. כשנה לאחר-מכן היא התנצרה, יחד עם שתי אחיות אחרות במשפחתה, והפכה להיות מאמינה פרוטסטנטית. בברלין היא פגשה באוטו האן והשניים הפכו לידידים ולחוקרים שותפים. מייטנר הייתה פיזיקאית ואילו אוטו האן היה כימאי, כך הם השלימו זה את זו בעבודות המחקר המשותפות שלהם. יחד הם גילו ובודדו את היסוד ה- 91, פְּרוֹטֶקְטִינְיוּם, המופיע בטבלה המחזורית מקום אחד לפני האורניום.

שותפותם האקדמאית נמשכה אל תוך שנות השלושים של המאה העשרים. אחרי שפרמי פרסם את מהלך ניסוייו והמסקנות שאליהן הוא הגיע ערכו מייטנר, האן ופיזיקאי נוסף,

פְרִיץ שְטְרַאסְמַן (Fritz Strassmann)

את הניסויים של פרמי במעבדתם. אך השנה כבר הייתה 1938, אוסטריה סופחה לגרמניה הנאצית ורדיפת היהודים גאתה בשתי המדינות. יהודים החלו להיות מסולקים ממשרות בכירות ומתפקידים בכירים ובכלל זה גם מעמדות מחקר באוניברסיטאות. מייטנר, על אף שהייתה נוצרייה פרוטסטנטית כבר כשלושים שנה נחשבה עדיין כיהודייה בעיניי השלטונות וסומנה על-ידם. מייטנר שחשה מאוימת נאלצה להימלט מגרמניה הנאצית ולמצוא מפלט בשבדיה, המדינה השכנה מצפון.

משבדיה התכתבה מייטנר עם שני עמיתיה שנותרו בברלין. היא אף נפגשה בקופנהגן שבדנמרק עם האן כדי לדון עמו בהסברים אפשריים לתוצאות הניסויים שנערכו בברלין. בינואר 1939, בעידודה של מייטנר ערכו האן ושטארסמן סדרת ניסויים נוספת, בה גילו השניים שתוצר הלוואי כתוצאה מהפגזת האורניום בניוטרונים הוא לא יסוד חדש, אלא יסוד מוכר וידוע בשם בריום. לאטום בריום יש 56 פרוטונים בגרעין, כמחצית מכמות הפרוטונים שבגרעין אטום אורניום. לכן נראה הדבר מוזר שמאטומי אורניום יופיעו פתאום אטומים של בריום.

כחודש לאחר עריכת הניסויים בברלין, בפברואר 1939, פרסמו מייטנר והאן את מסקנתם מתוצאות הניסויים. תוך ניצול מודל מבנה הגרעין של בוהר הם הסבירו, שבעקבות פגיעת הניוטרון בגרעין האורניום התעוותה רגעית צורת גרעין האורניום מכדור מושלם לצורת לולאה אליפטית מעוותת כדוגמת הספרה שמונה. צורה מעוותת זו דומה לשני כדורים המחוברים ביניהם בצוואר ארוך וצר. בצורה זו כמחצית מהפרוטונים נמצאים בצד אחד ואילו כמחצית הפרוטונים האחרים נמצאים בצד השני. המטען החיובי של שתי קבוצות הפרוטונים יוצר כוח דחייה חשמלי ביניהם וגורם לניתוק הצוואר הצר והמקשר ביניהם. בדרך זו מתקבלים שני גרעינים נפרדים זה מזה, כשבכל אחד מהם יש כמחצית מכמות הפרוטונים. תהליך החלוקה דומה לתהליך החלוקה של טיפת מים גדולה לשתי טיפות קטנות יותר.

הנה הסבר מפורט שמסביר את התהליך שנצפה בניסוי. איזוטופ U-238 של אורניום הופצץ במטר של ניוטרונים עד שאחד מהם פגע בגרעין האיזוטופ ונבלע על ידו. כתוצאה מבליעת הניוטרון הפך האיזוטופ לבלתי-יציב ונבקע מייד עם היווצרותו לשני איזוטופים חדשים, איזוטופ בריום מסוג Ba-141 ואיזוטופ קריפטון מסוג Kr-92. בתהליך זה נפלטים גם שניים-שלושה ניוטרונים עודפים. גרעין אטום מסוג קריפטון מכיל 36 פרוטונים. יחד עם 56 הפרוטונים שמכיל אטום בריום נקבל שסך-הכול קיימים לאחר הביקוע 92 פרוטונים, בדיוק מספר הפרוטונים שהיו מלכתחילה בגרעין אטום אורניום. זו הייתה הוכחה ניצחת לכך שאכן גרעין האטום נבקע!

תהליך פירוק איזוטופ אורניום U-238

זו לא הייתה הפעם הראשונה בה פוצל גרעין איזוטופ אורניום בהצלחה. גרעין איזוטופ אורניום פוצל כבר על-ידי פרמי ברומא ועל-ידי חוקרים אחרים שחזרו על מהלך ניסויו. אך הייתה זו הפעם הראשונה בה הובן שהתהליך שנצפה בניסוי הוא פיצול של גרעין האטום. מייטנר קראה לילד בשמו והעניקה שם חדש לתהליך והוא ביקוע.

אנרגיה גרעינית

עובדה מעניינת נוספת שנצפתה במהלך הניסוי של האן ושטראסמן היא קריאת מתח גבוהה על-ידי אוסצילוסקופ בסדר גודל של 200[Mev] (מאתיים מיליון אלקטרון-וולט) בקירוב. עובדה זו משכה פחות את תשומת ליבו של האן, שהתעניין יותר בהיבט הכימי של התהליך הנצפה ופחות בהיבט הפיזיקאלי.

אך זו הייתה עובדה מעניינת ביותר שנצפתה במהלך הניסויים, שבינתיים לא היה לה הסבר.

מייטנר, שעמלה לפענח את תוצאות הניסוי כמשקיפה מהצד חשה מייד שיש משהו חשוב בעובדה מעניינת זו. יחד עם אחיינה, הפיזיקאי

אוֹטוֹ פְריש (Otto Frisch)

, היא חקרה מתמטית את תוצאות הניסוי והגיע למסקנה נרעשת. מייטנר גילתה שעוצמת האנרגיה שנמדדה תואמת בקירוב את האובדן במסה שנוצר כתוצאה מביקוע האטום.

מקור האנרגיה שנמדדה הוא מתהליך המרת מסה לאנרגיה, לפי הנוסחה הידועה של

אָלְבֶּרְט אָייְנְשְטַייְן (Albert Einstein)

,

E = m c²

בזמן שהאטום הגדול (אורניום) מתפצל לשני אטומים קטנים יותר (בריום וקריפטון) ולשניים-שלושה ניוטרונים עודפים אובד הקשר שהיה קיים בתחילה בין כל הפרוטונים והניוטרונים. איבוד קשר זה מתבטא גם באיבוד קטן של מסת האטום הגדול. כלומר, סכום מסותיהם של שני האטומים הקטנים החדשים יחד עם המסות של השניים-שלושה ניוטרונים הנפלטים אינו זהה למסת האטום הגדול המקורי, אלא מעט קטן ממנו. הפרש המסה החסר אינו נעלם לגמרי, אלא הופך לאנרגיה לפי הנוסחה שלעיל.

הפרש המסה בין לפני הביקוע לאחריו נמדד לפי המסה העודפת של כל מרכיב ומרכיב. המסה העודפת היא ההפרש בין המסה בפועל ובין הערך האטומי.

המסה העודפת של המרכיבים השונים בתהליך היא,

U-238 = 238.050788 - 238 = 0.050788[u]
Ba-141 = 140.914411 - 141 = -0.085589 [u]
Kr-92 = 91.926156 - 92 = -0.073844[u]
Neutron = 1.008665 - 1 = 0.008665[u]

כאשר היחידה [u] היא יחידת מסה אטומית אחת.

מכאן שהפרש המסה שנוצר בתהליך הביקוע של U-238 הוא,

∆m =
U-238 mass + Neutron mass -
(Ba-141 mass + Kr-92 mass + 2.5•Neutron mass) =
~0.197[u]

יחידת מסה אטומית אחת, המסומנת כ- u, שווה גם ל-

1[u] = ~931 [MeV/c²]

מהצבה בנוסחה הידועה של איינשטיין נקבל,

E = ∆m c²

E = 0.197 • 931 [MeV] = ~183 [MeV]

הערה: נשים לב ש- c² שבנוסחה הצטמצם עם c² שביחידות של [u].

כך התקבלה בקירוב התאמה כמותית בין האנרגיה הצפויה להשתחרר בתהליך הביקוע לפי הנוסחה של איינשטיין ובין האנרגיה שנמדדה בניסויים של האן-שטרסמן.

מקור אנרגיה חדש התגלה שמקורו בקשרי המרכיבים השונים של גרעין האטום. מסיבה זו זכתה אנרגיה זו לשם אנרגיה גרעינית. כעת נשאלה כמובן השאלה המעשית - מהי התועלת שבמקור האנרגיה החדש וכיצד ניתן יהיה להשתמש בו?

הולדת הרעיון של פצצת אטום

מהלך ביקוע גרעין האטום של אורניום משיג שתי תוצאות שמשכו את תשומת ליבם של הפיזיקאים. מצד אחד משתחררת אנרגיה בתהליך. זוהי אנרגיה שהייתה אגורה בקשרי מרכיבי גרעין האטום. מצד שני נפלטים גם שניים-שלושה ניוטרונים במהירות גבוהה. הניוטרונים הללו יכולים לשמש להזנת תהליך הביקוע וליצור תגובת שרשרת שבמהלכה ייבקעו אטומים נוספים ללא כל התערבות חיצונית.

אם בכל ביקוע של אטום אורניום יצליח בממוצע לפחות אחד מהניוטרונים הנפלטים לבקע אטום אורניום אחר נוסף, אז הרי שתהליך הביקוע ימשיך להתבצע באופן עצמאי. זהו תהליך תגובת השרשרת.

תגובת שרשרת

כלומר, ניתן להשקיע אנרגיה התחלתית קטנה יחסית, רק כדי לבקע גרעין אטום אחד ולהתיז ממנו ניוטרונים בודדים. הניוטרונים שנפלטו בתהליך הביקוע הראשון ישמשו כקליעים שיבקעו גרעיני אטומים אחרים וכך הלאה. כך נוצרת תגובת שרשרת שבמהלכה מספר האטומים הנבקעים הולך וגדל. כל אטום שנבקע משחרר בתורו אנרגיה הנפלטת בצורה של קרינה.

בעזרת השקעה של אנרגיה התחלתית מועטה, למשל פיצוץ של מטען נפיץ, ניתן לגרום לפעולה בעלת תגובת שרשרת שתשחרר מאיזוטופים רדיואקטיביים חלק קטן מהאנרגיה הגרעינית המצויה בהם. מכיוון ששחרור האנרגיה מתרחש באופן מהיר ובכמות הולכת וגדלה של איזוטופים נקבל אפקט של פיצוץ אדיר, עוצמתי והרסני ביותר.

כעת משהתיאוריה פותחה והייתה ידועה לכול נותרו רק השאלות הטכניות ללא מענה.

האם ניתן באמת לבנות פצצה כזו באופן מעשי?
אם כן, איך זה שבכל הניסויים שנערכו עד כה באורניום במעבדות לא התרחש פיצוץ אטומי?
איזה מכשול מנע את הפיצוץ? וכיצד, אם בכלל, ניתן להתגבר עליו?

התשובות לשאלות אלו תינתנה מייד בהמשך.

אורניום מועשר

הידיעות על הניסוי של האן-שטרסמן וניתוח תוצאותיו על-ידי האן ובנפרד על-ידי מייטנר התפרסמו במהירות גדולה ברחבי העולם המדעי כולו. דבר הניסוי הגיע, כמובן, גם אל הפיזיקאי בוהר. בוהר היה מוטרד מאותם שאלות שהוצגו בסוף החלק הקודם וחיפש להן מענה.

תוך זמן קצר העלה בוהר, יחד עם אחד מתלמידיו לשעבר,

ג'וֹן ווִילֶר (John Wheeler)

, את הטענה שתגובת שרשרת לא הושגה בעת הפצצת האורניום בניוטרונים במעבדה מכיוון שמטיל אורניום טבעי מכיל רק כמות קטנה של איזוטופים הניתנים לביקוע גרעיני. מטיל אורניום טבעי מכיל כמעט כולו, 99.27%, איזוטופים מסוג U-238 אשר אינם ניתנים לביקוע גרעיני. רק האיזוטופים מסוג U-235, כך לפי בוהר וווילר, הנמצאים באופן טבעי בכמות מזערית של 0.27%, ניתנים לביקוע גרעיני.

לכן, רוב הניוטרונים הנפלטים בתהליך הביקוע יבלעו על-ידי איזוטופים מסוג U-238 שאינם ניתנים לביקוע, וכך למעשה יאבדו ולא ינוצלו למטרת יצירת תגובת השרשרת. לכן יהיה זה בלתי אפשרי להשיג תגובת שרשרת במידה כזו שתוכל להזין את עצמה במטיל אורניום כפי שהוא נמצא בטבע.

כדי להשיג תגובת שרשרת שתוכל להזין את עצמה יש למצוא דרך בה ניתן יהיה באופן מלאכותי להגדיל את אחוז האיזוטופים מסוג U-235 שבמטיל האורניום. גוש אורניום המכיל יותר איזוטופים מסוג U-235 מאשר באופן טבעי, כפי שהוא נמצא בטבע, נקרא אורניום מועשר.

אם כן כדי שניתן יהיה להשיג תגובת שרשרת נדרש למצוא דרך בה ניתן יהיה להעשיר את האורניום באיזוטופים מסוג U-235.

השאלה כיצד ניתן להעשיר אורניום, כך לפתע הסתבר, היא אחד המכשולים בדרך לייצור פצצת אטום. הבעיה הטכנית עוררה מספר שאלות... כיצד ניתן להעשיר אורניום? עד לאיזו רמה צריך האורניום להיות מועשר כדי להשיג תגובת שרשרת? מהי כמות האורניום המועשר הנדרשת לייצור פצצת אטום אחת? כיצד ניתן לבנות את הפצצה? מהו ההתקן שיפעיל אותה ואיזה מנגנון בטיחות ימנע את פעולתה לפני הזמן?

את התשובה לשאלות אלו ולשאלות נוספות אחרות נאלצה הקהילייה המדעית לענות כשהיא כבר חצויה משני צידי מאבק הלחימה של מלחמת העולם השנייה.

עד לפרוץ מלחמת העולם השנייה כבר רגשה קהיליית המדע העולמית בקשר לרעיון ביקוע הגרעין לשם הפקת אנרגיה. רעיונות לגבי בניית פצצת אטום ולגבי הקמת תחנת אנרגיה גרעינית היו תלויים באוויר. אך לאחר פרוץ המלחמה באירופה כל שיתוף פעולה בין המדענים ברחבי העולם נקטע. משני צידי המתרס נאסר על כל פרסום פומבי של ניסויים שנערכו, נאסר על פרסום תוצאות מחקר וגם על חילופי השערות למיניהן בנושא האטום וביקוע הגרעין.

התוכנית הנאצית לניצול אנרגיית האטום

כאמור, בברלין, בירת גרמניה הנאצית, התנהל לפני המלחמה מחקר פורה של ביקוע הגרעין. אם היה צריך להמר איזו מדינה תפתח ראשונה נשק אטומי, אז הרי שגרמניה הייתה נחשבת כתשובה בטוחה. גרמניה הייתה מדינה בה גרו ועבדו טובי המדענים של אותה תקופה. גם לאחר בריחת לא מעט מוחות מבריקים, עדיין נשארו בה אנשי מדע ואקדמיה רבים מן השורה הראשונה. ידע מדעי, ניסיון מקצועי, מעבדות וציוד לעריכת מחקר לא חסרו בה. אז איך קרה שגרמניה, מדינה, שלמשל, הצליחה והקדימה את כל שאר המדינות בתחום ההנעה הרקטי, נכשלה בפיתוח תועלת כלשהי מביקוע הגרעין?

למרות הבסיס המדעי האיתן שהיה בגרמניה, אחרי פרוץ המלחמה לא הושקע מאמץ כביר בכיוון של השגת פצצה גרעינית ואו מקור כוח גרעיני. המאמץ המלחמתי דרש השקעת כל המשאבים והכוחות הקיימים רק לשם השגת מטרות שנראו ברות-השגה ובטווח זמנים קצר. השקעה במחקר, שלא בטוח שיניב תוצאות חיוביות, נחשבה כהימור מסוכן במקרה הטוב וכבזבוז משווע של משאבי מלחמה יקרים במקרה הרע.

המחקר בתחום הגרעין אמנם לא זכה לתנופה גדולה, אך גם לא נעצר לגמרי. מחקר הגרעין נמשך כשמטרתו היא המשך לימוד הנושא ולא מתוך תוכנית פעולה שכוונתה להצליח ולהוציא אל הפועל יישום כלשהו. ההצלחה פשוט לא נלקחה כאפשרות מעשית, וודאי שלא בתוך פרק זמן קצר האמור להתאים לסגנון לחימת הבזק (בליץ-קריג) של גרמניה בשנות המלחמה הראשונות.

וֶורְנֶר הָייְזֶנְבֵּרְג (Werner Hiesenberg)

נולד ב- 5 לדצמבר 1901, בווּרְזְבּוּרְג (Würzburg) שבגרמניה. בשנים 1924-1926 הוא עבד תחת בוהר, באוניברסיטת קופנהאגן. בשנת 1925 הוא קנה לו שם בעולם הפיזיקה כאשר ניסח את עיקרון אי-הוודאות כחלק מהתורה הפיזיקאלית החדשה, תורת הקוונטים. עקרון אי-הוודאות קובע שלא ניתן לקבוע בוודאות מוחלטת את מיקומו של חלקיק ואת התנע שלו בו-זמנית. תמיד תהיה אי-וודאות מסוימת בקשר לתנע של החלקיק אם מיקומו ידוע בוודאות, ולהיפך.

כאשר המפלגה הנאצית עלתה לשלטון בגרמניה סווגו תורת הקוונטים ותורת היחסות כ- "פיזיקה של היהודים". כל מי שתמך בתורות אלו, נעזר בהן, פיתח אותן וכדומה נחשד על-ידי השלטונות כבוגד ברייך השלישי. הייזנברג לא היה חסין מכך וזומן על-ידי השלטונות לבירור. הייזנברג עבר את הבירור בהצלחה וזוכה מחשדות בגידה.

"זה קשה יותר לבקע דעה קדומה
מאשר את האטום" - אלברט איינשטיין

בוהר, שהייזנברג עבד תחתיו בתקופת שהותו בדנמרק, הציע להייזנברג להימלט מגרמניה לדנמרק, אך ללא הצלחה. הייזנברג העדיף ממניעים פטריוטיים להישאר בגרמניה, למורת רוחו של בוהר. הייזנברג לא רק שבחר להמשיך ולהישאר בגרמניה הנאצית, אלא אף הסכים מאוחר יותר לקבל על עצמו את תפקיד ניהול התוכנית לניצול אנרגיה גרעינית עבור הנאצים. לימים יטענו תומכיו של הייזנברג שהוא קיבל על עצמו את התפקיד בלית ברירה, מחשש שיוציאו אותו להורג אם יסרב, ושממילא התכוון לחבל בחשאי בתוכנית הגרעין. אחרים, לעומת זאת, יטענו שהייזנברג, גרמני פטריוט ופיזיקאי נלהב, עשה ככל שביכולתו לפתח את המחקר הגרעיני תחת המשטר הנאצי.

תהא האמת אשר תהא, על דבר אחד מוסכם, הייזנברג הציג כלפי מפקדו בהירארכיה הנאצית חוסר אופטימיות לגבי הסיכוי לבנות פצצת אטום מעשית תוך פרק-זמן קצר. הייזנברג באמת נתקל בקשיים רבים שלא הצליח לפתור (לטענת אוהדיו, במכוון). תוכנית הגרעין הגרמנית התנהלה ללא תוכנית-אב מוגדרת היטב עם אבני-דרך ולוחות-זמנים. לא היה לה סיכוי להצליח עם הגישה הפסימית והחשדנית שבה היא נתפסה.

התנהלותו של הייזנברג בזמן המלחמה הייתה מוזרה ולא ברורה. באפריל 1940 פלשו הגרמנים לדנמרק. בספטמבר 1941, בתחילת דרכו כראש צוות המחקר הגרעיני, הגיע הייזנברג לקופנהגן הכבושה אל מפתן דלתו של בוהר, מורהו הרוחני. שוררת אי-וודאות לגבי מטרת הגעתו של הייזנברג לבוהר. גם בוהר עצמו לא הבין לשם מה הגיע אליו הייזנברג בעיצומה של המלחמה. האם הסיבה שהוא הגיע היא כדי לקבל עזרה טכנית מבוהר? האם הסיבה שהוא הגיע היא כדי לשמוע דברים חדשים מבוהר על הפיתוח שנעשה באמריקה? או האם הסיבה לבואו היא רק כדי למצוא אוזן קשבת, אהדה והבנה כפי שיכול היה לקבל רק מפיזיקאי דגול אחר?

לאחר המלחמה ניסה הייזנברג, מתוך רצון לטשטש את זיקתו למשטר הנאצי, לטעון שיצא להיפגש עם בוהר רק כדי לרמוז לו שאכן ניתן לפתח פצצת אטום, אך שבעת מלחמה ייטיבו המדענים משני צידי המתרס אם ימנעו מלקדם מחקר בכיוון מעשי זה. בוהר, כששמע על כך, הגיב בזעם וטען ששום-דבר בפגישתם לא רמז על כוונתו זו של הייזנברג. סיבת הגעתו של הייזנברג אכן אפופת מסתורין וככל הנראה נבעה מתמהיל כלשהו של שלושת הסיבות שהוזכרו לעיל גם יחד.

בשנת 1943, היו נתונים יהודי דנמרק תחת איום של גירוש מארצם בכוח על-ידי הנאצים. המחתרת הדנית דאגה להעביר את אלפי יהודי דנמרק בסירות דייג למקלט זמני בשבדיה. גם בוהר, שהיה חצי יהודי מצד אביו ואנטי-נאצי, היה נתון בסכנה. בוהר הועבר בעזרת המחתרת הדנית לשבדיה בסירת דייג יחד עם קרובי משפחה נוספים. משבדיה הוא הוטס לאנגליה ובה שהה מספר חודשים. את השנתיים האחרונות של המלחמה העביר בוהר באמריקה כאשר הוא מייעץ לאמריקאים בתוכנית הגרעין שלהם.

לאחר נפילת גרמניה הנאצית היה נתון הייזנברג, יחד עם פיזיקאים גרמניים אחרים, במאסר בית באנגליה. שם הם שמעו לראשונה על הטלת פצצת האטום האמריקאית מעל העיר היפנית הירושימה. בעזרת מיקרופונים מוחבאים הוקלטו שיחותיהם של הפיזיקאים הגרמניים. משיחותיהם עולה תמונה של הפתעה גמורה של הגרמנים מהצלחתם של האמריקאים לייצר פצצת אטום. משיחות אלו ניתן להתרשם שלפיזיקאים הגרמניים היו ספקות גדולים בקשר ליכולת לייצר פצצת אטום, לפחות בפרק-זמן כל-כך קצר, מה שמעיד על הבנתם הלקויה בתחום זה. מכאן עולה שלא מניעים מוסריים נסתרים מנעו מהם להגיע לפצצת האטום, אלא רק חוסר ידע פיזיקאלי.

בין הסיבות שמנעו מהגרמנים להגיע לפצצת אטום ניתן למנות את הסיבות הבאות:
• אי אמונה מצד ההנהגה הבכירה (מהייזנברג ועד היטלר) ביכולת לייצר פצצת אטום
   o הייזנברג פחד להבטיח לספק פצצת אטום מהחשש שלא יוכל לעמוד במילתו
• חוסר במשאבים פנויים
   o משאבים רבים כבר הופנו לשם השגת נשק מלחמתי אימתני אחר - הרקטות
   o אי הרצון להשקיע משאבים גדולים בתוכנית תיאורטית חדשה שלא בטוח שתצלח
   o עם תחילת מפלתם הצבאית של הגרמנים החלו להידלדל משאביהם
• הבנה לקויה של הצד הפיזיקאלי בדרך להשגת פצצת אטום
   o למשל, הכמות הקריטית שחושבה בצד הגרמני הייתה שגויה ומופרזת

לסיכום, לא סיבה מוסרית נעלה ונסתרת הניעה את הפיזיקאים, שפעלו תחת המשטר הנאצי, מלהימנע או לפחות לעכב את פיתוח פצצת האטום על-ידם, כפי שחלקם ניסו לטעון אחרי המלחמה.

מים כבדים

כדי לקבל תגובת שרשרת נדרש שהניוטרון הנפלט בתהליך הביקוע של איזוטופ U-235 אחד ישמש לביקוע של גרעין איזוטופ U-235 אחר. הניוטרון נפלט בתהליך הביקוע במהירות גבוהה מאוד. מהירות גבוהה זו של הניוטרון פירושה אנרגיה גדולה. לניוטרון בעל אנרגיה גדולה קל להיקשר לגרעין של איזוטופ U-238, זאת מבלי שיתבצע ביקוע. כך יוצא שהניוטרון האנרגטי לא מנוצל לביצוע של ביקוע נוסף ושרשרת הביקוע נקטעת. מסיבה זו נדרש אמצעי אשר יאט את תנועת הניוטרון, כך שיהיה פחות אנרגטי ולא ייבלע על-ידי גרעין של איזוטופ U-238. במקום להיקשר לגרעין של איזוטופ U-238 יקפץ הניוטרון החופשי מאיזוטופ U-238 אחד למשנהו עד אשר יתקל בגרעין איזוטופ U-235 הלא יציב ויגרום לביקועו. דרך אפשרית אחת להאטת הניוטרון היא להשקיע את מוטות האורניום באמבט של מים כבדים.

על-אף שקיימות דרכים אחרות, טובות יותר ואף פשוטות יותר, להאטת הניוטרונים בחר הייזנברג במים כבדים. לבחירה מוזרה זו יכולות להיות שתי סיבות אפשריות. ייתכן והייזנברג, כפי שיטען אחרי המלחמה, אכן רצה באמת לעכב את תוכנית הגרעין תחת המשטר הנאצי. אולם יש רבים הסבורים שהייזנברג דווקא פעל לקדם את תוכנית הגרעין, ובחר במים כבדים, בזכות זמינותם הזולה יחסית לגרמנים.

מולקולת מים רגילה מכילה שני אטומי מימן ואטום אחד של חמצן. מולקולת מים כבדים מכילה שני אטומי דיאוטריום ואטום אחד של חמצן. אטום דיאוטריום הוא אטום כבד של מימן. גרעין אטום דיאוטריום מכיל פרוטון אחד וניוטרון אחד, בניגוד לגרעין אטום מימן רגיל המכיל רק פרוטון אחד.

מים כבדים נמצאים בטבע בכמויות מזעריות. ניתן לייצר מים כבדים באופן מלאכותי בעזרת תהליך הקרוי אלקטרוליזה. בעיר וֶומוֹרְק (Vemork) שבדרום נורווגיה, הכבושה על-ידי הגרמנים, היה קיים בתקופת המלחמה מפעל לייצור מים כבדים. הגרמנים שיעבדו מפעל זה כדי לייצר ולהעביר כמויות גדולות של מים כבדים לגרמניה לשם ניסויי המחקר שלהם בתחום הגרעין. עובדה זו הדאיגה מאוד את מדינות הברית, שלא ידעו הרבה על הנעשה בתחום מחקר הגרעין ועל קצב התקדמותם. כדי לשבש את התקדמות המחקר הגרעיני של הגרמנים ניסו הבריטים לפגוע במפעל ולשבש את קצב אספקת המים הכבדים היוצאת ממנו לגרמניה. הניסיון שנערך על-ידיהם בסוף שנת 1942 נכשל. אך בתחילת שנת 1943 נעשה ניסיון נוסף, הפעם מצד הנורווגים עצמם, לחבל במפעל הנורווגי. ניסיון זה צלח וחלק ניכר מהמפעל נפגע ונהרס בפעולת קומנדו אמיצה. הגרמנים לא אמרו נואש, ולקראת סוף אותה שנה כבר נבנה המפעל מחדש וייצור המים הכבדים בו חודש. אך הייצור בו לא ארך זמן רב, כי עוד לפני שהשנה הסתיימה הופצץ המפעל מן האוויר על-ידי הבריטים ונהרס כמעט לחלוטין.

הגרמנים החליטו להעביר את כמות המים הכבדים שהספיקו בינתיים לייצר יחד עם המכונות ששרדו את המתקפה האווירית אל גרמניה, זאת מתוך מטרה להקים מפעל חדש על אדמתם. גם תוכניתם זו נתקלה בהתנגדותם של בנות הברית. בתחילת שנת 1944, המעבורת שהועמסה במטען החשוב טובעה בהצלחה על-ידי כוח קומנדו.

ניתן להניח שאף אם הייתה לפיזיקאים הגרמניים אספקה זמינה של מים כבדים לא היה עולה בידם לייצר פצצת אטום לפני האמריקאים. גם האמריקאים לא התנהלו נכונה בתחילת הדרך. אך הפחד מפצצת אטום גרמנית הניע אותם, עם כניסתם באופן פעיל למלחמה, לדרך הנכונה.

התוכנית האמריקאית לניצול אנרגיית האטום

לייזה מייטנר לא הייתה האינטלקטואלית היחידה שברחה מגרמניה הנאצית. פיזיקאים ואנשי מדע רבים אחרים ברחו מגרמניה, מאיטליה וממדינות נוספות. בין אותם פליטים ניתן למנות גם את אלברט איינשטיין, ליאו סילארד, אדוארד טלר ואנריקו פרמי. אליהם הצטרפו עוד רבים אחרים. רוב הפליטים נמלטו לארה"ב ומקצתם לאנגליה. הפיזיקאים האירופאים הגיעו לארה"ב כשהם משאירים מאחוריהם את עמיתיהם הפיזיקאים, הנאמנים מעתה למשטר הנאצי. הללו המשיכו בעבודתם בגרמניה על חקר ביקוע הגרעין מהנקודה בה היא נפסקה טרם המלחמה. תחושה רעה עלתה בקרב אותם פיזיקאים שנמלטו מאירופה, שמא עמיתיהם במדינות הציר יתקדמו במחקר ויצליחו בסופו של דבר לפתח פצצת אטום עבור המשטר הנאצי.

אלברט איינשטיין גם הוא היה שותף לדאגה זו. עוד בקיץ 1939, טרם פרצה המלחמה באירופה, ביוזמת עמיתו

לִיאוֹ סִילַארְד (Leo Szilard)

, חיברו וחתמו השניים על מכתב עבור נשיא ארה"ב. במכתב זה הזהירו השניים מפני פיתוח של פצצת אטום על-ידי הגרמנים. בעזרת מכתב זה הם קיוו להאיץ את המחקר בתחום זה שכבר התנהל בארה"ב, אך בקצב איטי.

בתגובה למכתב זה, הוקמה, באישור הנשיא פרנקלין ד. רוזוולט, וועדה למחקר בתחום האורניום. הוועדה כללה גם אנשי מדע וגם אנשי צבא. בראש הוועדה נבחר לעמוד

לִיהמַן בְּרִיגְס (Lyman Briggs)

. אך חקר הגרעין התבצע בארה"ב עדיין בעצלתיים. רק בתחילת שנת 1940 הוחלט בוועדה להקצות תקציב זעום מתוך התקציב הצבאי שנוהל בימים של מלחמה. תקציב קטן זה מימן את המשך חקר האורניום על אש קטנה וגם את עבודתם של פרמי וסילארד בניסוי להוכחת האפשרות להשיג תגובת שרשרת מאורניום, ניסוי שעתיד היה להיערך באוניברסיטת קולומביה.

מעבודת המחקר בתחום האורניום עלה שכדי לייצר פצצה חייבים להשתמש באורניום מועשר. נזכיר שאורניום מועשר הוא אורניום שבו אחוז האיזוטופים מסוג U-235 הוגדל באופן מלאכותי על חשבון איזוטופים מסוג U-238. כדי שניתן יהיה להעשיר אורניום יש למצוא דרך בה ניתן להפריד בין שני איזוטופים אלו. אך מכיוון שהאיזוטופים U-235 ו- U-238 מאוד דומים אחד לשני בתכונותיהם, משימת ההפרדה ביניהם צפויה להיות קשה מאוד.

אָלְפֶרְד אוֹטוֹ קַארל נִיהר (Alferd Otto Carl Nier)

היה החוקר הראשון שהצליח להפריד ולהפיק אורניום טהור מסוג U-235. ניהר, חוקר באוניברסיטת מִינֶסוֹטָה, הצליח להפיק כמות מזערית ביותר של החומר הנדרש. ניהר נעזר בעובדה שהאיזוטופ הקל יותר, U-235, מוסט באופן שונה מאיזוטופ כבד יותר, U-238, במעבר של השניים דרך שדה מגנטי. שיטת הפרדה זו קרויה שיטת הפרדה אלקטרומגנטית. קצב ההפקה בשיטה זו היה נמוך מאוד. לפי קצב ההפקה בשיטה זו היו נדרשים אלפי שנות עבודה עד להפקת מספיק כמות חומר עבור פצצת אטום אחת בלבד.

אך הכמות שניהר הפיק, שתי מאיות הגרם, הספיקה על-מנת לערוך ניסוי חשוב. בחומר הטהור השתמשו כדי לערוך ניסוי שיוכיח את נכונות טענתם של בוהר ושל ווילר. נזכיר שבוהר ווילר טענו שרק האיזוטופים מסוג U-235, הנמצאים בכמות מזערית בלבד במטיל אורניום רגיל, משתתפים בתהליך הביקוע הגרעיני. הניסוי נערך במרץ 1940, באוניברסיטת קולומביה, והוכיח את טענתם זו.

שיטת הפרדה אחרת, שנראתה מבטיחה יותר, היא שיטת ההפרדה המסתמכת על פעפוע גזים. האיזוטופים מסוג U-235 הם פיזית קטנים במעט מאיזוטופים מסוג U-238. בהסתמך על הבדל גדלים זעיר זה, נקבל שהאיזוטופים מסוג U-235 יכולים לעבור יותר בקלות דרך מסננת בעלת חורים מיקרוסקופיים ולפעפע בין צד אחד של המסננת לצד האחר.

שיטת הפרדת שלישית שנבדקה היא שיטת ההפרדה בעזרת צנטריפוגה. היכולת להפריד בין שני סוגי חומרים בתערובת אחת, הנבדלים במשקלם, כבר הייתה ידועה מזמן. אם נכניס את התערובת לתוך תוף ונסובב את התוף במהירות גדולה מאוד הרי שיפעל כוח צנטריפוגלי על התערובת. הכוח הצנטריפוגלי ידחף את מסת התערובת אל עבר דפנות התוף המסתובב. אך מכיוון שהתערובת מכילה שני סוגי חומרים שונים, כל אחד בעל צפיפות מסה אחרת, הרי שיפעל כוח צנטריפוגלי מעט שונה על כל אחד משני סוגי החומרים. על החומר הכבד יותר יפעל כוח צנטריפוגלי גדול יותר ולכן הוא יהיה צמוד יותר לדפנות התוף, מאשר החומר הקל יותר. כך ניתן לאסוף ולהפריד את החומר הקל ממרכז הצנטריפוגה.

אף שיטת הפרדה רביעית נוספת והועלתה שלא נציין כאן.

ניסוי תגובת השרשרת

התקדמות הגרמנים ברחבי אירופה, ובייחוד נפילתה של צרפת ב- 22 ביוני 1940 הביאה את ארה"ב להתייחס יותר ברצינות לחקר האורניום. וועדת המחקר בתחום האורניום אורגנה מחדש והוטמעה בתוך וועדה חדשה שנקראה הוועדה הלאומית למחקר בתחום ההגנה. מונה ראש חדש לוועדה והנציגות הצבאית הוצאה ממנה. תקציב הוועדה הוגדל והסתמך על קרנות פרטיות ולא היה תלוי עוד בתקציב צבאי קטן. אך המחקר המשיך להתבצע באותם כיווני מחקר ובעיקר באותו קצב התקדמות איטי עד לסוף אותה שנה. למעשה, עד לתקיפה היפנית בפרל-הארבור וכניסתה הרשמית של ארה"ב למלחמת העולם השנייה התנהלה ארה"ב בתחום הגרעין באיטיות.

בדצמבר 1941 התקיפו היפנים את הצי האמריקאי שעגן בפרל-הארבור, תקיפה שמייד לאחריה הכריזה ארה"ב על כניסתה למלחמה. הכניסה למלחמה והפחד שהגרמנים ישיגו פצצת אטום לפניהם האיצו את האמריקאים לפתח פצצת אטום ראשונים. סופסוף תוכנית ברורה הותוותה עם נקודות ציון המוגבלות בזמן בדרך להשגת המטרה המבוקשת - פצצת אטום.

תוך חודשים ספורים מכניסתה למלחמה הוחלט בארה"ב להאיץ את חקר הגרעין והוצב יעד לבצע ביקוע של הגרעין עם תגובת שרשרת עד לסוף שנת 1942. אנריקו פרמי הוצב כמנהלה של תוכנית זו.

ב- 2 לדצמבר 1942, בשיקגו, בוצעה בהצלחה תגובת השרשרת הראשונה. בחצר האוניברסיטה של העיר פיקח פרמי על בניית ערימת בלוקי גרפיט. גרפיט שימש כחומר המאט את תנועת הניוטרונים ביעילות טובה יותר מאשר המים הכבדים ששימשו את הגרמנים לשם אותה מטרה. בלוקי הגרפיט סודרו בערימה במרווחים ובמבנה מיוחד שיצר מראה של סורגים. לתוך הרווחים שמבוך זה יצר הוכנסו גושים של אורניום מועשר. מוטות נוספים הוכנסו לערימה שנוצרה כדי להשיג שליטה על קצב הגידול של התפרקות האיזוטופים מסוג U-235. פעולה של הוספת מוטות מבודדים ואו הוצאת מוטות של אורניום נועדה להבטיח השגת שליטה על תגובת השרשרת וביטולה במידת הצורך במקרה של סכנה להתלהטות המוטות בשל האנרגיה המשתחררת ולשם מניעת פיצוץ הערימה כולה.

ערימת גרפיט ואורניום

בעזרת מונה גייגר נמדד קצב ההתפרקות של אטומי האיזוטופים מסוג U-235 שבערימה. נקישות הקליקים שהשמיע המונה תאמו לקצב התפרקותם של האיזוטופים. קצב התפרקותם העיד על כך שתהליך התפרקותם מזין עצמו ואינו הולך דועך.

תגובת השרשרת הושגה לראשונה בהיסטוריה!

אך הערימה הייתה גדולת מימדים ורק משקל מבודדי הגרפיט (ללא האורניום עצמו) חצה את ה- 5.5 טון.

בטכנולוגיה בעלת מימדים אלו ניתן יהיה להשתמש כדי להפיק אנרגיה גרעינית זולה, אך לא ניתן יהיה לייצר פצצה מעשית. כדי שניתן יהיה לבנות פצצה שניתן יהיה לשאת אותה ממקום למקום היה חובה להקטין את מימדיה. כדי להקטין את מימדי הפצצה יש להעשיר את האורניום כמה שרק ניתן תוך שאיפה להגיע לאורניום טהור המכיל רק איזוטופים בקיעים מסוג U-235, אך לשם כך יש לשוב ולשפר את תהליך ההפרדה של האיזוטופים שבאורניום.

באמצע שנת 1942 הוחלט להתחיל בתוכניות הייצור. אך לשם כך נדרש היה להחליט איזו שיטת הפרדה היא הטובה ביותר מבין הארבעה. הוועדה למחקר גרעיני לא ידעה להחליט איזו שיטה היא הטובה ביותר ולהשקיע בה ורק בה את כל המשאבים. משום כך, המאמץ המלחמתי בחקר הגרעין התפצל בין ארבעת שיטות ההפרדה השונות. בנוסף, כדי להבטיח את סודיות וחשאיות תהליך הייצור הוחלט להחזיר את השליטה לידי הצבא. שוב הפכו המדענים החוקרים לצוות פנימי בתוך המערכת צבאית הסבוכה שמפקדיה חסרי הידע הטכני לקבלת החלטות ניהוליות.

מעבדת המחקר הועברה לרובע מנהטן שבניו-יורק. שם ההתנהלות חזרה להיות איטית, מהוססת ותחת מנהיגות חלשה שלא ידעה לקבל החלטות ולתת פקודות לצוותים ולאנשים העובדים תחתיה. נדרש בדחיפות שינוי אישי מלמעלה כך שרוח חדשה וסמכותית תפיח חיים חדשים במערכת.

פרויקט מנהטן

תוך זמן קצר, משהתברר שנדרש שינוי בצמרת הארגונית, מונה לראש המעבדה החדשה והפרויקט האטומי כולו קצין צבא מוכשר, נמרץ, החלטי וסמכותי בשם

לֶזְלִי גְרוֹבְס (Leslie Groves)

. גרובס היה נחוש להביא את אמריקה לייצור פצצת אטום עוד במלחמה הנוכחית ולא במלחמה הבאה. הוא הבין שלשם כך יש להאיץ את קצב הפיתוח והייצור באופן משמעותי ביותר. המשך המחקר והפיתוח של ארבע שיטות הפרדה שונות במקביל היה בזבוז נוראי של משאבים שגרובס לא יכול היה לשאת עוד. הוא שם כיעד להחליט עד סוף אותה שנה באיזו שיטה אחת בלעדית יש להמשיך במלוא המרץ קדימה.

צוותי מחקר שונים נתנו המלצות שונות ולפעמים סותרות בקשר לשיטת ההפרדה היעילה שיש לבחור בה. לבסוף הוחלט, בסוף חודש דצמבר של שנת 1942, לחלק תקציב ענק בין מפעל גדול שנועד להפריד אורניום וגם פלוטוניום בעזרת שיטת הפעפוע של הגזים ולהקים, כמין סוג של פשרה, גם מפעל קטן יותר להפרדה בעזרת השיטה האלקטרומגנטית. לפי הערכות המדענים, כדי לייצר פצצת אטום נידרש אורניום מועשר ברמה של 90% או יותר של איזוטופים מהסוג הבקיע U-235.

התקציב הענק, של שני מיליארד דולר, מימן את הפרויקט הלאומי של ממשלת ארה"ב בזמן המלחמה. לפרויקט ניתן, מטעמי סודיות, שם אשר אינו מרמז על תוכנו ומטרתו. לפרויקט ניתן שם הצופן "פרויקט מנהטן" על שם הרובע הניו-יורקי בו היה ממוקם צוות המחקר הגרעיני.

במסגרת פרויקט מנהטן הוקמו מפעלים ומתקנים במקומות שונים בארה"ב. באוֹק-רִידְגְ' שבמדינת טנסי הוקמו מתקנים להעשרת אורניום הן לפי שיטת הפעפוע בגזים והן לפי השיטה האלקטרומגנטית. בהאנפורד שבמדינת וושינגטון הוקמו מתקנים לייצור פלוטוניום. בלוֹס-אָלַמוֹס שבמדינת נְיוּ-מֶכְּסִיקוֹ הוקמה מעבדה מדעית חדשה שמטרתה לתכנן את פצצת האטום על הנייר ולהרכיב את הפצצה בפועל ממרכיביה השונים. מקום זה נבחר כך שיהיה מרוחק מאוכלוסיה אזרחית מטעמי בטיחות.

בראש צוות המעבדה העיקרית והחשובה שבלוס-אלמוס נבחר לעמוד

רוֹבֶּרְט אוֹפֶּנְהַייְמֶר (Robert Oppenhaimer)

. גרובס ואופנהיימר, שהיה בחירתו של גרובס, יעבדו מעתה כצוות המוביל של הפרוייקט. בלוס-אלמוס הרכיב אופנהיימר צוות אקדמי נבחר במטרה להביא לסיעור מוחות במהלך הדיונים המדעיים שעתידים להתנהל במקום. מיטב המוחות מרחבי המדינה גויסו למטרה זו.

סימן אזהרה מקרינה רדיואקטיבית

רוברט אופנהיימר נולד ב- 22 באפריל 1904 בעיר ניו-יורק. הוריו היו ממוצא יהודי, אך לא שמרו על זהותם הדתית. בתחילת דרכו האקדמאית למד אופנהיימר כימיה, אך מהר מאוד עבר ללמוד פיזיקה. אופנהיימר הבריק בלימודיו והפגין ידע מעמיק בתחומים רבים.

כישוריו של אופנהיימר לא חמקו מגרובס, והלה החליט למנות אותו לאחראי על מתחם לוס-אלמוס, שהנו החלק העיקרי בפרויקט מנהטן. אופנהיימר היה מיוחד באישיותו והתאים למשרת ניהול הפרויקט הגדול, שבשיאו כשלושת אלפים איש עבדו תחת ניהולו. אופנהיימר היה האיש שאליו היו פונים החל מבעיות יומיומיות הנובעות מהחיים במתחם המבודד, דרך בעיות תשלום משכורות, בעיות אישיות ועד לאתגרים בתחום הפיזיקה של האטום.

על הגיית, פיתוח והרכבת פצצת האטום עבדו אנשים רבים מאוד ומתחומים רבים ושונים. לא ניתן לזקוף את הצלחתה על אדם אחד מסוים בלבד. אך בעיניי רבים נחשב רוברט אופנהיימר, בזכות מנהיגותו וכישורי ניהוליו, כאבי פצצת האטום.

"פצצת האטום הפכה את הסיכוי למלחמה עתידית לבלתי נסבל.
היא הובילה אותנו את הצעדים האחרונים במעלה ההר;
שמעבר לו נמצאת ארץ אחרת" - רוברט אופנהיימר

גילוי הפלוטוניום ומבנה פצצת האטום

בשנת 1941 התגלה במעבדת אוניברסיטת ברקלי כי ניתן לייצר מאורניום טבעי אלמנט חדש, כבד יותר, בעל 94 פרוטונים בגרעין. אלמנט זה נקרא בשם פלוטוניום, וכמו האורניום גם הוא נוטה להתפרק, ולכן נכלל בקטגוריה של חומרים רדיואקטיביים. לפלוטוניום יש איזוטופ מיוחד Pu-239 המתאים להשגת תגובה גרעינית ולכן מתאים לשימוש כנשק אטומי.

הפלוטוניום מתקבל באופן מלאכותי כמוצר מלוואי מאורניום, במהלך תהליך יצירת איזוטופים מסוג U-238. קל יחסית להפיק אותו ובזכות תכונותיו השונות קל להפריד אותו בעזרת שיטות הפרדה כימיות מהאורניום שממנו הוא מיוצר. לכן, הרבה יותר קל לייצר ולהפריד פלוטוניום מסוג Pu-239 מאשר לייצר ולהפריד אורניום מסוג U-238. אך כדי לייצר פצצת אטום מהפלוטוניום הבקיע נדרש מנגנון הפעלה מורכב יותר.

ראש הנפץ של פצצת אטום מסוג אורניום מכיל כמות קריטית של אורניום בקיע המספיק לקיים תגובת שרשרת וליצור פיצוץ. אך הכמות הקריטית מופרדת לשני חצאים. כך שכל חצי אינו מספיק כדי ליצור תגובת שרשרת בפני עצמו. רק ברגע הפיצוץ מובאים שני החצאים ומחוברים יחד לכמות קריטית, כדי שיתקבל פיצוץ אדיר. מנגנון הצתה זה נקרא מנגנון מ- "סוג תותח" (gun type) משום ששני החצאים נמצאים משני פתחיו של צינור חלול הדומה בצורתו לקנה תותח או רובה. ברגע הפעלת מנגנון הפצצה נורה חלק אחד, דרך הקנה החלול, אל עבר החלק השני כדי ליצור מסה קריטית אחת.

מבנה פצצת אטום מסוג תותח

ראש הנפץ של פצצת אטום מסוג פלוטוניום מצריך מבנה שונה לגמרי. כל כמות הפלוטוניום מרוכזת בחלל כדורי אחד. כדי ליצור תגובת שרשרת בפלוטוניום לא די שתהיה כמות קריטית של חומר, אלא נדרש גם שהחומר יהיה צפוף ודחוס היטב. החלל הכדורי בו מרוכזת כמות הפלוטוניום מוקף מכל צידיו בחומר-נפץ רגיל. כדי ליזום תגובת שרשרת בפלוטוניום נדרש גם להזריק לתוכו מטח של ניוטרונים וגם, בתזמון המתאים, לפוצץ את חומר-הנפץ הרגיל. על פיצוץ חומר-הנפץ להתבצע כך שגלי ההדף יגרמו דחיסה של כדור הפלוטוניום ולקריסת המבנה כולו. על הפיצוץ להתרחש גם בתזמון מיוחד וגם באופן אחיד מסביב לכל כדור הפלוטוניום.

מבנה פצצת אטום מסוג פלוטוניום

באתר שבלוס-אלמוס עבדו במקביל על פיתוח שני סוגי פצצות האטום, כל אחד עם מנגנון ההצתה המתאים לו.

פצצת האטום

ב-7 למאי נערך פיצוץ מקדים באתר הניסויים. הפיצוץ כלל כמאה טון של חומר-נפץ רגיל מסוג ט.נ.ט יחד עם חומר בקיע. שתי מטרות היו לניסוי זה, לכייל את מכשירי המדידה לקראת הניסוי האמיתי בפצצת אטום ולבדוק כיצד מושפע חומר בקיע בעת הפיצוץ.

ב-8 למאי גרמניה נכנעה והמלחמה באירופה הסתיימה. החשש מכך שהאויב הגרמני ישים את ידיו קודם על הנשק האימתני הוסר באופן סופי. גרמניה, גם מעתה שנכנעה לא תוכל להיות יעד לפצצת אטום לכשתיוצר כזו. עדיין נותרה חזית המלחמה היפנית בפני האמריקאים. הרצון לסיים את המלחמה שם בצורה מהירה שאולי בסופו של דבר תחסוך בחיי אדם, בעיקר בחייהם של חיילים אמריקאים, הותירה את לוח הזמנים של הפרויקט על כנו.

הפצצה הראשונה נוסתה בניסוי שזכה לשם הצופן טריניטי (השילוש הקדוש בלטינית). הניסוי נערך ב- 16 ליולי וזכה להצלחה גדולה. עוצמת הפיצוץ הוערכה כשווה לעוצמה של 20,000 חומר-נפץ מסוג ט.נ.ט.

פיצוץ של פצצת אטום

"זה עבד." - רוברט אופנהיימר, מייד אחרי הניסוי

הפצצה השנייה שנבנתה, שכונתה "ילד קטן" ("Little Boy"), הוטלה על העיר הִירוֹשִימָה ב-6 לאוגוסט 1945. פצצה זו, שהייתה מסוג אורניום, שקלה כ- 4 טון. את הפצצה נשא והטיל מעל שמי הירושימה מפציץ מסוג B-29, שכונה "אנולה גיי" ("Enola Gay"), על שם אימו של טייס המטוס. הפיצוץ אירע בגובה של כ- 600 מטרים מעל לפני הקרקע, כדי להשיג את מירב הנזק. עוצמת הפיצוץ מוערכת כעוצמה השווה ל- 13,000 טונות של חומר-נפץ ט.נ.ט. הפיצוץ החריב לגמרי חלק ניכר מהעיר וקרוב ל-90% מהמבנים נהרסו או ניזוקו במידה משמעותית. כשהתברר גודל ההרס של העיר ההנהגה הצבאית היפנית לא הבינה כיצד זה ייתכן. כדי ליצור הרס כה כבד דרושה פשיטה אווירית ממושכת של טייסת מפציצים גדולה, וזו לא זוהתה במכ"ם.

לפי הערכות, מתו כתוצאה מהטלת פצצת האטום על הירושימה קרוב ל- 80,000 ביום הפיצוץ עצמו וקרוב ל- 200,000 סך-הכול מפגיעות גופניות ונזקי הקרינה במשך השנים שלאחר-מכן.

מאחר ויפן לא נכנעה הוטלה ביפן פצצת אטום נוספת, שכונתה "איש שמן" ("Fat man"), הפעם על העיר נָגָסַקִי. פצצה זו, שהייתה מסוג פלוטוניום, שקלה מעט יותר מ- 4 טון. אחרי החרבת נגסקי יפן נכנעה ללא שום תנאים מוקדמים. מלחמת העולם השנייה הסתיימה גם במזרח אסיה, וללא צורך בפלישה יבשתית אמריקאית לאיי יפן המרכזיים.

מרוץ החימוש הגרעיני

סביב פצצת האטום התעורר וויכוח מוסרי החל מהיום בו הייתה עדיין רק בתיאוריה והנמשך עד עצם היום הזה. בעזרת פצצה פרימיטיבית ופשוטה אחת ניתן להרוג מאות אלפי אזרחים. עובדה זו הרתיעה, הפחידה ואף זעזעה אנשים רבים. סביב הטלות פצצות האטום על הירושימה ונגסקי לקראת סוף מלחמת העולם השנייה התעורר וויכוח עוד לפני מועד התרחשותן.

אלו שצידדו בעד הטלת הפצצות טענו שאין הבדל בין הטלת פצצת אטום ממטוס אחד ובין הטלת אלפי טונות של חומר-נפץ מסוג ט.נ.ט בפשיטת הפצצה אווירית ממספר רב של מטוסים. בשני המקרים התוצאה תהיה זהה: החרבה של העיר עד ליסוד והרג של לפחות עשרות אלפי אזרחים. החרבת העיר הגרמנית דרזדן עד ליסוד ומותם של עשרות האלפים מתושביה היא דוגמה מצוינת לכך. לדעתם של המצדדים, הטלת הפצצות רק חסכה חיי אדם, בזכות כך שקיצרה את זמן המלחמה.

אלו שהתנגדו להטלת הפצצות טענו מנגד שהקלות בה ניתן להרוג כמות גדולה של בני-אדם, בייחוד אזרחים, היא בלתי נסבלת לדעת. השימוש בפצצת אטום גם גורם לכמות גדולה של נפגעי קרינה שסובלים במשך השנים לאחר אירוע הפיצוץ ממחלות שונות ומשונות, מתינוקות בעלי מומים וכיו"ב. האזור הנפגע נשאר ספוג קרינה למשך זמן ממושך ומסכן את בריאותם של האזרחים גם לאחר סיום המלחמה וחתימה על הסכם שלום. המתנגדים להתחמשות והשימוש בנשק אטום גם מעלים את החשש מתקלה שעלולה לגרום לאסון גדול ומהגעה של הפצצות לידיים הלא נכונות.

אך מרגע שפצצת האטום הראשונה יצאה לאוויר העולם ברור היה שאי אפשר יהיה לעצור ולהגביל את פיתוחה רק לארה"ב. המרוץ אחרי הגרעין נפתח ומדינות נוספות רצו להניח את ידן על הנשק האולטימטיבי החדש.

"שחרור האנרגיה האטומית לא יצר בעיה חדשה.
זה רק גרם לצורך לפתור בעיה קיימת
להיות דחוף יותר." - אלברט איינשטיין

להלן ציר-זמן ובו נקודות ציון שונות במרוץ החימוש והפיתוח הגרעיני:

1896 - גילוי הקרינה הרדיואקטיבית.
1911 - גילוי מבנה האטום.
1918 - ניסוי האלכימאי הראשון של ראת'רפורד.
1938 - פרמי מקבל פרס נובל על ניסוייו בחקר הגרעין.
1939 - מייטנר מפרסמת מסקנותיה מניסוי האן-שטראסמן.
1939 - סילארד ואיינשטיין כותבים מכתב לנשיא ארה"ב.
1940 - ניסוי באוניברסיטת קולומביה מוכיח את טענת בוהר-ווילר.
1941 - הייזנברג מבקר את בוהר בקופנהגן.
1941 - היפנים מתקיפים בפרל-הארבור.
1942 - פרמי משיג תגובת שרשרת בפעם הראשונה בהיסטוריה.
1944 - אוטו האן מקבל פרס נובל בכימיה על עבודתו בתחום הגרעין. מייטנר זוכה להתעלמות.
1945 - פצצות אטום ראשונות מיוצרות בארה"ב.
1945 - הטלת פצצות אטום על הירושימה ונגסקי.
1949 - בריה"מ מפוצצת פצצת אטום מתוצרתה.
1952 - ארה"ב מפוצצת את פצצת המימן הראשונה בעולם. פצצת המימן קטנה יותר במימדיה מפצצת אורניום, אך עוצמתה גדולה ממנה פי 500.
1953 - בריה"מ מפוצצת פצצת מימן מתוצרתה.
1954 - ארה"ב מציגה את הצוללת הגרעינית הראשונה.
1954 - רוברט אופנהיימר מתנגד להצטיידות בפצצות מימן ומאבד את הסיווג שלו.
1957 - שיתוף הפעולה בתחום הגרעין בין צרפת לישראל מגיע לשיא עם בניית כור מחקר דימונה.
1959 - ארה"ב מציגה טילים גרעיניים בין-יבשתיים.
1960 - צרפת מפוצצת פצצת אטום מתוצרתה.
1961 - שתי מעצמות-העל מחזיקות כמות פצצות שיכולה להחריב את כדור-הארץ.
1961 - בריה"מ מציגה צוללת גרעינית מתוצרתה.
1962 - משבר טילים פורץ כשבריה"מ מעוניינת להציב טילים גרעיניים בקובה.
1964 - צרפת מפוצצת פצצת מימן מתוצרתה.
1966 - מייטנר זוכה סופסוף להכרה כאשר שלישיית מייטנר-האן-שטראסמן זוכה בפרס ע"ש פרמי.
1967 - סין מפוצצת פצצת מימן מתוצרתה.
1967 - ישראל, לפי הערכות מודיעין זרות, מחזיקה בפצצת אטום אחת לפחות.
1973 - בימי אי-הוודאות של מלחמת יום-כיפור, ישראל, לפי פרסומים זרים, מכינה פצצות אטום לשיגור.
1974 - הודו עורכת פיצוץ גרעיני תת-קרקעי.
1979 - לפי פרסומים זרים שונים, ישראל ודרום-אפריקה עורכות ניסוי גרעיני משותף.
1986 - על פי הערכות שונות ישנם כ- 40,000 ראשי נפץ גרעיניים ברחבי העולם.
1986 - מרגל הגרעין מרדכי וענונו מספר לעולם על פיתוח גרעיני בישראל.
1986 - אסון צ'רנוביל - כור גרעיני באוקראינה קורס וגורם לזיהום קרינה נרחב.
1988 - ארה"ב ובריה"מ חותמות לראשונה על הסכם להגבלת הנשק הגרעיני.
1991 - סוף המלחמה הקרה ומרוץ החימוש.
1992 - היסוד (המלאכותי) ה- 109 נקרא מייטנריום, לאות כבוד והערכה למייטנר.
1998 - הודו ופקיסטן עורכות ניסויים גרעיניים סמוך לגבולן המשותף.
2007 - צפון-קוריאה עורכת ניסוי גרעיני.
2007 - מתקן החשוד כמתקן גרעין מופצץ בסוריה ע"י גורם לא ידוע.
2012 - נשיא ארה"ב מכריז שלא ייתן לאיראן להגיע לפצצת אטום.

"אני לא יודע באיזה נשק ישתמשו במלחמת העולם השלישית,
אך במלחמה הרביעית ישתמשו כבר במקלות ובאבנים" - אלברט איינשטיין





[ עמוד ראשי - המצאות | מתמטיקה קדומה | מספרים אי-רציונליים | משפט פיתגורס | גיאומטריה אוקלידית | אלגברה | התפתחות הסְפַרוֹת | משוואות קוביות וקווארדיות | מספרים מורכבים | לוגריתם | חשבון דיפרנציאלי ואינטגראלי | עיקרון הציפה | זכוכית מגדלת | משקפיים | מיקרוסקופ | טלסקופ | חוק סְנֵל | חוק בויל | חוקי התנועה | עיקרון ברנולי | שלושת חוקי התרמודינמיקה | טבלה מחזורית | מדידת מהירות האור | כוח לורנץ | קרינת רנטגן | טרנספורמצית לורנץ | תורת היחסות הפרטית | גילוי האטום | תורת היחסות הכללית | חשמל | חוק קולון | חוק אוהם | חוקי קירכהוף | נורת להט | מנוע קיטור | מנפה כותנה | מצלמה | מקרר | מזגן | מחשב | מכבש דפוס | כתב ברייל | טלגרף | טלפון | רדיו | טלוויזיה | כדור פורח | מצנח | רכבת | אופניים | מכונית | אווירון מדחף | מטוס סילון | אבק שריפה | תותח | רובה מוסקט | מרגמה | אקדח | מוקש | מקלע | רובה-מטען | הוביצר | תת-מקלע | רימון-יד | טנק | רובה-סער | פצצת אטום | תורת האבולוציה | פסטור | תיאוריית התורשה | פניצילין ]