Heisenberg e a bomba nuclear nazi

Este estupendo artigo está tomado do blogue “Cuentos Cuánticos“:

Durante la Segunda Guerra Mundial, los nazis tuvieron el propósito de controlar para uso energético y militar la recién descubierta energía atómica.  Werner Heisenberg jugó un destacado papel en el proyecto, y hasta la fecha, su participación en el mismo está sujeta a gran controversia.

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¿Heisenberg saboteó el proyecto para que la Alemania nazi no tuviera en su poder una bomba atómica?

¿El hecho de no conseguir tal objetivo fue debido a la incompetencia teórico/tecnológica del grupo de investigación?

Se ha escrito mucho al respecto, y en esta entrada únicamente se pretende dar unas pinceladas sobre este asunto y proporcionar referencias para todo aquel que esté interesado en el tema.

Heisenberg y el nazismo

Heisenberg obtuvo el premio Nobel en 1932, un año después Hitler sube al poder en Alemania instaurando un nuevo modelo es estado fundamentado en el control absoluto que tenía el partido nazi sobre la sociedad, política, cultura y economía del país.

La física no escapó de la locura antisemita que se apoderó de las instituciones alemanas en aquellos días. Las purgas de científicos judios en las universidades y en los institutos de investigación fueron un hecho cotidiano. Muchos científicos alemanes no-judios, se opusieron de forma abierta a esta política, entre ellos Heisenberg.

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Weissen Juden in der Wissenschaft – Judíos blancos en la ciencia, publicado en 1937 en el SS-Zeitung

Esta actitud le situó en el punto de mira de la maquinaria nazi. Tanto fue así que estuvo señalado en publicaciones del partido como un ejemplo de “judío blanco“. Esto ocasionó que fuera investigado por las SS a partir de 1937. La investigación fue parada por la acción de Himler en persona en 1938.

Una decisión controvertida en la vida de Heisenberg fue la de no exiliarse de Alemania ante el cariz que estaban tomando las circunstancias.  Aunque Heisenberg nunca estuvo afiliado a ninguna rama del partido nazi, sí consideró que su deber era permanecer en su patria y proteger, en la medida de lo posible, la cultura y ciencia almemana. Y consecuentemente, continuó trabajando en instituciones que estaban controladas por el aparato nazi.

El proyecto nuclear

Tan pronto como en 1939, Heisenberg fue instado a unirse al proyecto de investigación nuclear como su obligación en tiempos de guerra. Su trayectoria en estos tiempo lo hizo pasar de dirigir un pequeño grupo en la universidad de Leipzig al de director del grupo de investigación nuclear en el Instituto de Investigación Kaiser Wilhem para la Física en 1942 en Berlín.

Los objetivos de este proyecto eran la de proporcionar una nueva forma de energía rentable y utilizable y la de generar armas de destrucción masiva. El estado nazi proporcionó grandes sumas de dinero a este proyecto hasta casi el final de la contienda.

Toda la clave del asunto era la de aprovechar el reciente descubrimiento del neutrón y de los materiales fisionables para generar un proceso de reacción en cadena. Si este proceso se puede controlar puede ser utilizado como generador de energía, y si es descontrolado es una evidente forma de producir bombas de gran potencia y perniciosos efectos debidos a la radiactividad que generan.

El club del uranio

La armada alemana convocó a un grupo de físicos, nueve en total, para encomendarles la tarea de la investigación para uso militar de la energía nuclear. A este grupo se le conoce como el Club del Uranio, (Uranverein, en alemán).

Los científicos implicados en este club fueron:

  • Walther Bothe
  • Klaus Clusius
  • Kurt Diebner
  • Otto Hahn
  • Paul Harteck
  • Werner Heisenberg
  • Hans Kopfermann
  • Nikolaus Riehl
  • Georg Stetter

La cuestión que aún no está clara es si este grupo de científicos, que no fueron capaces de generar la bomba que se les requería, estimaron que la falta de medios a los que estaban sometidos en los últimos tiempos de la guerra haría imposible el éxito del proyecto. Parece ser que se concentraron más en el diseño y viabilidad de los reactores nucleares como método de generar energía.

Un punto importante, y diferente al del proyecto americano, es que estos científicos estaban trabajando en instituciones diferentes. Nunca fueron concentrados todos ellos en el mismo recinto para facilitar el intercambio de ideas y la posible resolución de los problemas que cada uno iba encontrando en su investigación.  Es, cuanto menos, algo curioso dadas las circunstancias.

Otro detalle curioso es la falta de acierto a la hora de encontrar un método efectivo para generar uranio enriquecido de manera eficiente. El uranio natural está compuesto principalmente de dos isótopos, el U-238 y el U-235. Para la fisión es mucho más efectivo el U-235. Por lo tanto, hay que separar estos isótopos de una forma fácil y eficiente. Hay diversas formas de hacerlo, pero la más interesante es la de la difusión gaseosa, basta combinar el U con fluor y formar un gas. Este gas tendrá moléculas con U-238 y otras con U-235. Si ahora ponemos una membrana porosa conectada a una cámara vacía se producirá por los poros de la membrana un proceso de difusión. Se sabe que este proceso es más eficiente cuanto menor es la masa molecular del gas, por lo tanto los compuestos con U-235 se difundirían antes que los del U-238. Perfeccionando esta técnica se puede enriquecer uranio “fácilmente”.

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Pues bien, los alemanes desecharon esta posibilidad porque la consideraron impracticable, en contra de lo que hicieron los americanos en el proyecto Manhattan.  Más curioso aún, la técnica de la difusión gaseosa fue introducida por Gustav Hertz, físico alemán pero… sí, lo habéis adivinado, judío.

La tarea de Heisenberg

A Heisenberg se le encomendó el proyecto de comprobar si el uranio podría ocasionar una reacción en cadena. Debía de calcular la masa crítica para esto sucedira. La reacción en cadena es el paso esencial para tener una bomba y se sabe que el material fisionable ha de alcanzar una determinada masa para que este proceso sea funcional.

En Diciembre de 1939, Heisenberg presentó un resultado según el cual, una mezcla 1.2 toneladas de uranio con 1 tonelada de agua pesada (compuesta por moléculas de agua que contienen el isótopo del hidrógeno Deuterio) concentrada en un recinto esférico de 60 cm de radio podría ser estabilizada a unos 800º C. Esto parece indicar que lo que estaba calculando Heisenberg era como controlar la reacción en cadena y no qué masa crítica es necesaria para provocar una explosión.

De todas formas presentó un cálculo de masa crítica, pero para uranio natural (mezcla de los dos isótopos) lo que daba un resultado de una masa tan grande que haría impracticable la construcción de una bomba manejable. Nunca estudió la masa crítica necesaria para uranio enriquecido ya que todo indicaba que el proceso de purificación no sería lo suficientemente bueno como para tener que considerar este caso.

Algunos han sugerido que Heisenberg manipuló los resultados para dar una sobrestimación de la masa crítica y evitar la construcción de la bomba.  Una cantidad de Uranio-235 de alrededor de 20 kg es suficiente para generar una masa crítica que se pueda emplear como arma de destrucción.

La sociedad del Miércoles

Hay quienes piensan que Heisenberg tuvo contacto con la resistencia alemana al régimen nazi en reuniones con gentes de altas esferas. Formaba parte de un grupo de discusión llamado La sociedad del Miércoles. Este grupo estaba formado por individuos pertenecientes a la élite económica, cultural y militar de Berlin, se reunían los miércoles en casa de uno de sus asociados y discutían acerca del desarrollo de la guerra, política y cultura.

Parecen existir indicios de que Heisenberg, sobre el 1944, gracias al contacto con este tipo de grupos, supo de la existencia de planes para asesinar a Hitler y derrocar el gobierno nazi, con la consiguiente capitulación en la guerra.

¿Estaba Heisenberg conspirando contra el régimen? ¿Buscó apoyos en los miembros de esta sociedad para sabotear el plan de construcción de la bomba nuclear?  Estas son preguntas que los historiadores aún no han respondido.

La gran incognita: Copenhagen

Cuando Alemania invade Dinamarca, Heisenberg se encuentra con el dilema de cómo ayudar a su colega Niels Bohr. El famoso físico danés tenía orígenes judíos, se negó a colaborar con los nazis después de la invasión de su país, y era responsable de un instituto de investigación donde habían muchos científicos judíos trabajando.

En septiembre de 1941, Heisenberg acudió a Copenhagen a un seminario sobre astrofísica y aprovechó para conversar con Bohr.  Los resultados y contenidos de las conversaciones que tuvieron lugar entre estos dos científicos son a día de hoy fuente de mucha controversia.

Se sabe que Heisenberg creía que era necesaria una victoria alemana en la guerra, posiblemente por no perder la cultura e identidad germana (que ya estaba ciertamente perdida). Bohr, por razones obvias no coincidía en este punto.

Después de una cena en la casa de Bohr, él y Heisenberg tuvieron una famosísima y desconocidísima conversación. Los problemas acerca de este hecho histórico son múltiples:

  • Heisenberg afirmó que tuvieron la conversación paseando por la calle después de cenar.
  • Bohr recordaba exactamente según declaró que esta conversación se produjo en su despacho privado.
  • Parece ser que Heisenberg estaba convencido de que Alemania derrotaría a Rusia en aquellos días y le recomendó a Bohr que fuera a la embajada alemana para buscar protección.

Pero, el tema más espinoso es si tuvieron una conversación acerca de la investigación nuclear y en qué terminos. En los papeles de Heisenberg se encuentran evidencias de que le confirmó a Bohr que era posible constuir bombas atómicas pero que sería necesario un esfuerzo enorme en términos económicos, tecnológicos y de mano de obra. Parece que Bohr quedó destrozado ante la posibilidad de que los nazis tuvieran tal poder en sus manos.

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Lo que sí se sabe es que al llegar Bohr a Estados Unidos, tuvo que escapar de un inminente arresto, entregó un papel dibujado por Heisenberg que era un diseño de un reactor nuclear.

Hay quienes han insinuado que Heisenberg fue enviado a Copenhagen para sonsacar a Bohr alguna información que pudiera tener sobre el proyecto americano. Sin embargo, no es lógico que este fuera su objetivo y luego le entregara información sensible del proyecto alemán. El tema no deja de tener su miga.

Farm Hall

Heisenberg estuvo retenido por el gobierno inglés del 3 de julio hasta el 3 de diciembre de 1945 en  Farm Hall, sitio situado cerca de Cambridge.

Las transcripciones de las conversaciones que tuvo con los militares británicos y con otros colegas retenidos como él que también habían participado en el proyecto nuclear alemán, indican su sopresa (puede que fingida) cuando el 6 de agosto de 1945 USA lanza la bomba atómica sobre Hiroshima.

Existen dudas de si esta sorpresa era real o fingida, ante su colega Hahn reconoció que no consideraba posible tener U-235 puro. Pero se sabe que en 1941 le dijo a von Ardene que la masa crítica en ese caso sería de pocos kilogramos.

Conclusión

Yo no tengo ninguna, he leído que Heisenberg era un villano, un héroe, un científico comprometido con la paz, un defensor del régimen nazi, etc. En cada texto se dibuja un perfil, y es difícil, al menos para mí, discriminar qué es verdad de lo que no”.

O gato de Schrödinger

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Este experimento imaxinario supón unha famosa paradoxa da mecánica cuántica. Nela, unha substancia radiactiva que emitirá radiación con un 50% de probabilidade, provocará e non provocará a morte dun gato encerrado nunha caixa. Soamente saberemos se morreu ou non cando abramos a caixa. Mentres non o fagamos, haberá unha superposición dos dous estados, igualmente probables.

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Aí radica a paradoxa. Mentres que na descrición clásica do sistema o gato estará ou vivo ou morto antes de que abramos a caixa e comprobemos o seu estado, na mecánica cuántica o sistema atópase nunha superposición dos estados posibles (gato vivo e morto ao mesmo tempo) ata que intervén o observador. O paso dunha superposición de estados a un estado definido prodúcese como consecuencia do proceso de medida (cando abrimos a caixa), e non pode predecirse o estado final do sistema: soamente a probabilidade de obter cada resultado. Aínda que este comportamento resulta absurdo a nivel macroscópico, as evidencias demostran que a nivel cuántico sí sucede. Por exemplo, cos electróns (ver o artigo “A natureza ondulatoria do electrón“).

Esta superposición de estados impide a determinación da traxectoria concreta do electrón. Podemos falar dunha zona de probabilidade, e o electrón dunha determinada enerxía pode existir simultáneamente en calquera punto desa zona. Son os orbitáis atómicos.

A natureza ondulatoria do electrón

O experimento de Davisson e Germer (1927) levou aos científicos a cambiar a súa concepción sobre a natureza do electrón. Obtívose experimentalmente a confirmación de que os electróns non só se comportan como partículas, senon tamén como ondas. Neste vídeo tedes unha explicación sinxela deste experimento.

A natureza ondulatoria dos electróns e o principio de incerteza de Heisemberg levaron a Schrödinger a describir ao electrón a través dunha función de onda cuxa solución conduce aos orbitais atómicos que coñecedes. Así mellorouse o modelo atómico de Bohr, quen defendía o concepto de órbita definida.

Aquí tedes outra explicación sobre o experimento de difracción. Leva ao Principio de Superposición (unha partícula cuántica pode atoparse ao mesmo tempo en diferentes estados, e só podemos falar da probabilidade de que se atope nalgún deles), e ao Principio da Medida (no momento en que pretendemos observar o comportamento desta partícula, é cando adopta un determinado estado:

Ensaios á chama

  • Nos seguintes vídeos as sales de diversos metais son vaporizadas nunha chama. Os electróns excítanse a niveis superiores de enerxía e, cando volven ao seu estado fundamental, obsérvase a luz que emiten. A cor que emite (lonxitude de onda) depende dos saltos electrónicos característicos dese elemento. Observamos a cor predominante (a máis intensa) do espectro de emisión de cada un deses metais.
  • E aquí podedes ver como as liñas do espectro de emisión dun elemento (saltos dos electróns dende un nivel superior de enerxía ata un nivel inferior) coincide coas liñas do seu espectro de absorción (os mesmos saltos, pero dende un nivel inferior ata un superior).

Resultado de imagen de absorción y emisión atómica

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Primeiros modelos atómicos: Dalton, Thomson, Rutherford

  • A primeira idea de átomo foi introducida polo filósofo grego Demócrito (s III a.C.), quen defendía a idea dunha última partícula indivisible como constitutiva da materia. Ademáis, creía que as propiedades das substancias dependían da FORMA destes átomos.

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  • Esta idea é rexeitada polos seus contemporáneos, pois a discontinuidade implicaba a existencia do vacío, e esta idea non era concebible, pois a velocidade neste espazo sería infinita. Preferiuse durante séculos a Teoría dos catro elementos de Aristóteles.

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  • No ano 1803 o inglés John Dalton a partir de innumerables medicións no laboratorio coa axuda da súa balanza, recolle a idea de átomo indivisible e propón que as propiedades dos distintos elementos débense ás MASAS dos seus átomos, concebidos como esferas ríxidas. Así, os puntos fundamentais son: 1-A materia está formada por partículas indivisibles e inalterables chamadas átomos. 2- Os átomos de distintos elementos diferéncianse pola súa masa. 3-Os compostos químicos están formados por átomos de diferentes elementos combinados segundo unha relación sinxela de números enteiros.  4-Nunha reacción química os átomos reorganízanse.

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  • Unha vez descubertos os electróns, o átomo indivisible xa non é un modelo aceptable, así que Thomson elabora en 1904 o do “budín de pasas“, insertando aos electróns negativos de masa despreciable nunha masa positiva.

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  • No ano 1910 Rutherford e o seu equipo realizan o famoso experimento que os leva ao primeiro modelo nucleado do átomo. A sorprendente traxectoria das partículas alfa coas que rebotaban contra a fina lámina de ouro foi a clave do experimento, que revelaba que existe unha altísima concentración de carga positiva e masa nun núcleo central e un enorme espazo practicamente vacío, a codia, polo que viaxan os electróns.

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  • Esta aplicación serve para traballar na construción dun átomo segundo o modelo planetario:

Imagen relacionada

 

 

Descubrimento do protón

En 1886 Goldstein emprega tamén un tubo de raios catódicos pero, esta vez, co cátodo perforado e un detector detrás del. Observa, ademáis dos raios catódicos xa estudados, outros que se dirixen en sentido contrario.

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Estes raios: -Son positivos (con carga igual á do electrón q=+1,602·10(-19) C) .  -Conteñen masa (sempre múltiplo da cantidade m=1,673·10(-27) kg) .   -Dependen da natureza do gas encerrado no tubo.

Chegouse á conclusión de que os raios canales se orixinaban no seo do gas, polo choque dos raios catódicos (e-) cos átomos do gas contido no tubo. Por iso, os raios observados con gases diferentes, presentan partículas con masas diferentes.

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El-protón-y-los-rayos-canales

Como en todos os gases as masas das partículas positivas sempre eran múltiplos da mesma cantidade (m=1,673·10(-27) kg) , chégase á conclusión de que os átomos de todos os gases conteñen unha ou máis partículas fundamentais de masa m e carga +: os PROTÓNS.