Oppenheimer ja ensimmäinen atomipommi

Tiede ja teknologia

8.8.2023

Elokuvissa pyörii heinäkuussa ensi-iltansa saanut Christopher Nolanin historiallinen elokuva Oppenheimer, joka on henkilökuva yhdysvaltalaisesta teoreettisesta fyysikosta J. Robert Oppenheimerista, mutta elokuva on myös tarina ensimmäisen atomipommin synnystä. Elokuvassa suuren roolin saa vuoden 1954 kuulemistilaisuus, jossa Oppenheimerilta poistettiin turvaselvitys kommunismin pelon takia. Se oli aikaa, jolloin alkoi aseellinen kilpavarustelu ja ns. kylmä sota Yhdysvaltojen ja Neuvostoliiton kesken. Pelättiin, että joku oli vuotanut ydinpommin rakentamisen salaisuudet Neuvostoliitolle ja epäilykset kohdistuivat Oppenheimeriin. Elokuvassa on myös paljon kerrottu fysiikan historiaa, joka liittyy atomin rakenteen ymmärtämiseen. Mutta mikä johti atomipommin kehittämiseen ja käyttämiseen vuonna 1945?

Atomin salaisuudet aukeavat

1900 -luvun alussa uusiseelantilainen fyysikko Ernest Rutherford tutki Henri Becquerellin keksimää radioaktiivisuutta, kun hän oli apurahan turvin siirtynyt ensin Cambridgen yliopistoon ja sieltä edelleen McGillin yliopistoon Kanadaan. Hän sattumalta havaitsi, että uraania sisältävä yhdiste aiheutti valokuvalevyjen tummumista. Tarkemmat tutkimukset osoittivat, että kyseessä ei ollut röntgensäteily, vaan radioaktiivisuus, joka aiheuttaa kolmenlaista säteilyä, joita hän nimitti alfa-, beeta- ja gammasäteilyksi. Vuonna 1903 ilmestyneessä tutkimuksessa Rutherford esitti, että radioaktiivisuus on prosessi, jossa alkuaine muuttuu toiseksi alkuaineeksi. Tämän havainnon avulla voidaan esimerkiksi tuntemattoman näytteen ikä määrittää puoliintumisajan perusteella. Vielä tärkeämpi tulos löytyi vuonna 1911, kun Rutherford pommitti alfahiukkasilla kultalevyä, jolloin osa alfahiukkasista kimposi takaisin. Tämä havainto johti atomin ytimen löytymiseen. Samaan aikaan saksalainen fyysikko Max Planck antoi selityksen valon synnylle eli atomit voivat säteillä valoenergiaa vain tietyn suuruisina energiayksikköinä eli kvantteina. Näiden havaintojen pohjalta tanskalainen fyysikko Niels Bohr sai selitettyä atomin rakenteen, joita tukivat myös Kirchoffin kokeelliset havainnot. Tätä atomimallia täydensivät 1920-luvulla Werner Heisenberg ja Ervin Schrödinger luomalla kvanttimekaanisen atomimallin, jossa atomin ilmiöt voitiin kuvata matemaattisesti.

Vuonna 1932 James Chadwick, joka oli Rutherfordin oppilas Cambridgessa, löysi neutronin pommittaessaan berylliumia nopeilla alfasäteillä. Oivallettiin, että atomin ydin koostuu sekä positiivisesti varatuista protoneista, että sähköisesti neutraaleista neutroneista. Mutta miten atomin ydin pysyy koossa? Tämä kysymys, jonka selvitti japanilainen Hideki Yukawa, johti ydinvoiman keksimiseen. Silloin huomattiin, että ytimeen liittyvät energiamäärät ovat noin miljoonakertaisia verrattuna atomiin, jossa tapahtuvat kemialliset reaktiot. Kun huomattiin, että varattuja hiukkasia voitiin kiihdyttää suurjännitteen avulla ja törmäyttää eri aineisiin, tämä johti myös muiden hiukkasten havaitsemiseen myöhemmin. Vuonna 1934 italialainen fyysikko Enrico Fermi pommitti 238-uraania neutroneilla ja sai aikaan ydinreaktion, jossa tuloksena oli uusi uraanin isotooppi. Vuonna 1938 saksalaiset kemistit Otto Hahn ja Fritz Strassmann jatkoivat tutkimuksia uraanin avulla ja halkaisivat uraaniatomin neutronin avulla, jossa syntyi bariumia. Atomiytimen hajoaminen eli fissio voitiin nyt kokeellisesti todeta. Fissio voitiin siis käynnistää neutroneilla ja koska fissiossa syntyy myös neutroneja, niin ajatus ketjureaktion mahdollisuudesta syntyi tiedepiireissä. Saman vuonna Enrico Fermi sai tutkimuksistaan Nobelin palkinnon ja palkinnon hakureissulla päätti muuttaa yhdessä Niels Bohrin kanssa Yhdysvaltoihin.

Manhattan-projekti

1930-luvulla fyysikot alkoivat ymmärtää paremmin atomin luonnetta ja tällöin kävi selväksi, että atomin halkaiseminen voisi vapauttaa paljon energiaa. Vuonna 1939 syntyjään unkarilainen fyysikko Leo Szilard yhdessä Enrico Fermin kanssa totesi, että ketjureaktio on mahdollista uraani-235 -isotoopin kanssa. Koska silloin poliittinen tilanne samaan aikaan kärjistyi Euroopassa, niin Leo Szilard kirjoitti kirjeen yhdessä Edward Tellerin kanssa Yhdysvaltain presidentille Franklin D. Rooseveltille, ja sai kirjeen allekirjoittajaksi myös Albert Einsteinin. Kirjeessä he kertoivat, että atomiytimen halkaisemisella voitaisiin tehdä voimakas ase ja myös sen, että natsitiedemiehillä on todennäköisesti työkalut sen valmistamiseksi. Tämä johti huippusalaiseen tieteelliseen tehtävään, jota nimitetään Manhattan-projektiksi Manhattanilla sijainneen päämajan mukaan.

Kun rahoitus projektiin varmistui vuonna 1942, niin aluksi projekti käynnistettiin eri yliopistoissa, kuten Kalifornian ja Illinoisin yliopistossa, tutkimuksilla joissa selvitettiin laskemalla neutronien määrää ja ydinräjähdyksissä tarvittavaa kriittistä massaa eli uraani-235 -isotoopin massan määrää, joka tarvitaan ketjureaktion käynnistämiseen. Yhtenä laskijana oli Kalifornian yliopiston teoreettinen professori, J. Robert Oppenheimer, joka oli opiskellut Euroopassa 1920-luvulla eri yliopistoissa. Tärkeä rooli ketjureaktion muuttamisesta teoriasta käytäntöön oli myös Chicagon yliopistolla – Metallurgian laboratoriolla, jota johti professori Arthur Holly Compton ja jossa oli aikansa merkittävimmät fyysikot ja kemistit, kuten esimerkiksi Enrico Fermi, Leo Szilard ja Eugene Wigner. Käytännön kokeet ketjureaktion saamiseksi uraani-235 -isotoopin avulla johtivat ensimmäisen ydinreaktorin Chicago Pile-1 rakentamiseen vuonna 1942. Reaktori sijaitsi hylättyjen jalkapallokatsomoiden alla ja se rakennettiin käytännössä kasaamalla radioaktiiviset uraaniharkot sopiviin pinoihin, jossa ydinreaktiossa vapautuvat neutronit osuivat juuri oikeassa kulmassa toisiin uraanipinoihin samalla pitäen reaktiota yllä. Jotta ketjureaktio olisi hallittu, niin lisäksi tarvittiin neutroneja absorboivia grafiittisauvoja uraanipinojen väliin, joilla voitiin säädellä reaktion nopeutta. Koe, jossa hallittu ketjureaktio saatiin ylläpidettyä 28 minuutin ajan suoritettiin 2. joulukuuta 1942.

Koska ydinfysiikan tutkimus oli hajallaan ympäri maata, tarvittiin koordinointia eri fysiikan ryhmien kesken. Tämän koordinoimiseksi armeijan yhdyshenkilö Leslie Groves, joka oli niittänyt mainetta Pentagonin rakentamisen yhteydessä, palkkasi projektin vetäjäksi professori J. Robert Oppenheimerin ja aselaboratorio sijoitettiin Los Alamokseen New Mexicoon, jossa tapahtui itse pommin rakentaminen. Oppenheimer toimi tämän laboratorion johtajana. Monet pitivät Oppenheimerin valintaa projektin johtoon huonona, mutta Oppenheimerin innostus asiaa kohtaan ja kyky selostaa vaikeatkin asiat selkokielellä tekivät Leslie Grovesiin vaikutuksen. Oppenheimerilla oli kyky oivaltaa asioita nopeasti ja hän pystyi tutustumaan työn jokaiseen osaan yksityiskohtaisesti löytäen niistä oleelliset asiat. Hän oli älyllisesti ja fyysisesti läsnä sekä laboratorio- että seminaaritiloissa ja hän loi projektiin innostavan ja haastavan ilmapiirin.

Suurin ongelma atomipommin rakentamisessa oli uraani-235 -isotoopin saatavuus. Aluksi atomipommiin tarvittavan uraani-235:n kriittinen massa arvioitiin noin 200 kiloksi, myöhemmin massa korjattiin 50 kiloksi, mutta kun uraani-235 isotoppia saatiin syklotroneista vain muutama milligramma päivässä, käytettävissä oleva aikaikkuna tuntui liian pitkältä atomipommin valmistukseen. Tämä ongelma ratkaistiin tekemällä kaksi erilaista atomipommia, jossa toisessa käytettiin uraani-235 ja toisessa plutonium-239. Plutoniumilla oli puolellaan selkeä etu eli sen kriittinen massa oli paljon pienempi kuin uraanilla eli vain noin 10 kg. Jotta uraani-235:n ja plutoniumin-239:n tuotanto ei olisi yliopistojen varassa ja vähäistä, niin atomipommin valmistusta varten rakennettiin Hanford Siten plutoniumin erottelulaitos Washingtoniin, ja Oak Ridgen uraanin erottelulaitos Tennesseehen. Molemmat laitokset maksoivat satoja miljoonia dollareita. Plutonium-239 -isotooppia voitiin valmistaa luonnonuraanista eli uraani-238 -isotoopista pommittamalla sitä neutroneilla. Sitä vastoin uraani-235 -isotooppia on luonnossa 0,7

Uraanin vähäisen saatavuuden vuoksi, uraani-235 avulla rakennettiin vain yksi pommi eli se, joka pudotettiin Hiroshimaan 6. elokuuta. Pommi sai nimen ”Little Boy”. Se oli myös samalla uraanifissiopommin ensimmäinen onnistunut testi. Pommin idea oli yksinkertainen: uraani-235 sijoitettiin pommin molempiin päihin. Räjähdepanoksen avulla toinen puolikas uraania laukaistiin sylinterin toiseen päähän 300 m/s nopeudella, joka käynnisti ketjureaktion eli fission törmätessään toiseen uraanikohtioon. Reaktio on muotoa

$$\begin{matrix}235\\92\\\end{matrix}Ur+\begin{matrix}1\\0\\\end{matrix}n\rightarrow\begin{matrix}141\\56\\\end{matrix}Ba+\begin{matrix}92\\36\\\end{matrix}Kr+3\begin{matrix}1\\0\\\end{matrix}n$$

Pommi siis tarvitsee myös neutronilähteen käynnistyäkseen. Uraanin halkeamisreaktiossa syntyy kolme neutronia, jotka pitävät yllä ketjureaktiota. Pommin pituus oli noin 3 metriä ja se painoi noin 4400 kg. Pommissa oli uraania 64 kg, jonka rikastusaste oli 80

Sitä vastoin plutonium-pommeja rakennettiin kaksi ja kolmaskin olisi tarvittaessa saatu nopeasti kasaan. Ensimmäinen plutoniumpommi räjäytettiin testausmielessä Los Alamoksessa 16. heinäkuuta 1945. Testiä pidettiin välttämättömänä, koska plutoniumpommin rakenne piti kehittää sopivan pieneksi ja se osoittautui hankalaksi toteuttaa. Laskettiin, että jos plutoniumpommista tehtäisiin tykkityyppinen pommi, niin plutonium pitäisi ampua 1000 m/s nopeudella. Tämä tekisi pommista niin ison, että sen kuljettaminen lentokoneella olisi mahdotonta. Piti keksiä uusia ratkaisuja. Niinpä kehitettiin luhistumistyyppinen pommi, jossa räjähdysaine oli plutoniumytimen ympärillä. Koska pommin rakentamisessa riitti haasteita, se haluttiin koelaukaista ennen sotilaskäyttöä. Testiräjäytystä nimitettiin Trinity-testiksi, jonka nimi juonsi John Donnen runoista. Testi onnistui monesta vastoinkäymisestä huolimatta yli odotusten. Pommi oli kooltaan 1,5 metriä ja sen keskellä oli 6,2 kg painava ja halkaisijaltaan yhdeksän senttimetriä oleva plutonium-239 pallo. Pommi räjäytettiin räjähdelinssien avulla sisäänpäin, mikä muutti plutonium-239:n kriittiseksi käynnistäen ketjureaktiot. Koska kyseessä oli koskaan ensimmäinen räjäytetty atomipommi, fyysikot löivät vetoa räjähdyksen suuruudesta. Räjähdyksen voimakkuudeksi mitattiin noin 20 000 TNT, joka oli paljon suurempi kuin oli veikattu.

Toinen räjäytetty plutoniumpommi oli Nagasakiin 9. elokuuta pudotettu pommi, joka sai nimen ”Fat Man”. Pommin pituus oli noin 3,3 metriä ja se painoi noin 4900 kg. Pommissa oli plutoniumia 13,2 kg. Lisäksi pommi tarvitsi ionilähteen eli beryllium–polonium ytimen, joka toimi pommin sytyttäjänä. On arvioitu, että noin 8

kaavakuva pommien erilaisista rakenteista — Kuva 1: Tykkityyppisen ja luhistumatyyppisen atomipommin ero. Vasemmalla on kuvattu uraani-235-pommin periaate. Kun ammutaan räjähdyspanoksen avulla toinen alikriittinen uraanikohtio toiseen alikriittiseen kohtioon kiinni, muodostuu uraanimassa, joka on ylikriittinen ja ketjureaktio käynnistyy. Oikealla on kuvattu plutonium-239 atomipommin rakenne. Plutoniumin ytimen ympärillä on 96 räjähdyspanosta, jotka räjähtäessään murskaavat plutoniumatomin ytimen ylikriittiseen tilaan käynnistäen ketjureaktion. Vaikeinta tässä atomipommissa oli saada aikaiseksi yhtaikainen tasainen puristus joka puolelta ydintä räjähdysten avulla.

Oppenheimerin perintö

J. Robert Oppenheimeria syytetään usein atomipommin kehittämisestä. Alun perin atomipommi kehitettiin Yhdysvalloissa, koska pelättiin Natsi-Saksan olevan paljon pidemmällä pommin kehittämisessä. Saksa ehti kuitenkin antautua ennen kuin atomipommi oli valmis. Sitä vastoin Yhdysvalloissa pelättiin, että sota Japanin kanssa tulisi olemaan pitkä ja verinen. Päätöksen pommin pudottamisesta Japaniin teki kuitenkin Yhdysvaltojen silloinen presidentti Harry Truman. Koska poliittinen paine pommin käyttämiseksi oli suuri ja tietämättömyys pommin vaaroista oli pieni, atomipommia päätettiin käyttää.

Atomipommien kehittämiseen Manhattan-projektin aikana käytettiin reilu kaksi miljardia dollaria ja sen parissa työskenteli parhaimmillaan 129 000 ihmistä, joten siinä mielessä projekti olisi vedetty läpi myös ilman Oppenheimeria. Päätöksen pommin rakentamisesta teki presidentti Franklin D. Roosevelt. Itse asiassa käytännön kokeissa Oppenheimer oli jopa hieman kömpelö. Oppenheimerin ansioksi voisi kuitenkin katsoa sen, että hän teki hajanaisista fyysikkoryhmistä yhtenäisen ja aikataulussa pysyvän. Sodan päätyttyä monet fyysikot, Oppemheimer ja Einstein mukaan lukien, kertoivat että pommien kehittämistä pitäisi rajoittaa ja pommin pudottaminen Hiroshimaan ja etenkin Nagasakiin oli virhe. Sodan jälkeen Oppenheimer meni johtamaan Institute for Advanced Study -instituuttia Princetoniin ja tieteelliset julkaisut jäivät vähälle, eikä hän siksi koskaan saanut esimerkiksi Nobelin palkintoa, vaikka oli kolmasti ehdolla.

Oppenheimer johti myös vuonna 1947 perustettua atomienergiakomissiota, jossa hän puhui kansainvälisen asevalvonnan puolesta. Kun Neuvostoliitto kehitti oman atomipommin vuonna 1949, se johti ns. kylmän sodan syttymiseen ja kilpavarusteluun suurvaltojen kesken. 1950-luvulla tehtiin paljon ydinkokeita ja kehitettiin myös vetypommi. Oppenheimer oli julkisesti vetypommin kehittämistä vastaan ja mukana monessa komiteassa, jolloin Oppenheimer sai myös monta vihamiestä vetypommin kannattajien keskuudesta, etenkin sotilaspiireistä. Siksi Oppenheimer sai myös tekaistut syytteet tietojen vuotamisesta kommunisteille ja häntä pidettiin Neuvostoliiton agenttina. Oppenheimerilta peruttiin turvaluokitus vuonna 1954 ja sen jälkeen hän vetäytyi pois kaikesta julkisesta toiminnasta ja muutti asumaan Yhdysvaltojen Neitsytsaarille. Oppenheimerin maine palautettiin vasta vuonna 1963, jolloin hän sai Enrico Fermi -palkinnon Yhdysvaltojen hallitukselta. Oppenheimer kuoli kurkkusyöpään vuonna 1967. Vaikka ydinaseiden uhka on jäänyt ihmiskunnan riesaksi, niin paljon hyvääkin on saavutettu atomienergian rauhanomaisen käytön suhteen. Oppenheimer ei saanut Nobelin palkintoa, mutta kyllä hän on elokuvansa ansainnut.