Una reuni´on en Copenhague, el reactor de Chicago y … · Premio Nobel de Qu´ımica 1944 • Enrico Fermi (1901-1954) ... • Hechos importantes? Fisi´on libera energ´ıa. ‘Solo’

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Aula Cultural de Medicina, Diciembre 2007

Una reunion en Copenhague, el reactor de Chicagoy el uranio de los nazis

Mariano Santander Universidad de Valladolid

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Las preguntas

• ¿Cual fue el alcance del Proyecto Atomico Aleman durante el tercerReich?

• ¿Intentaron los alemanes construir una bomba atomica y no lo consi-guieron?

• O por el contrario, ¿Pretendieron realmente no tener exito en eseintento?

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Una reunion en Copenhague (Septiembre 1941)

• W. Heisenberg visito Septiembre de 1941 en Copenhague, en la Di-namarca ocupada, a N. Bohr, su antiguo maestro y mentor en unmomento en que la guerra parecıa favorable a los alemanes. Heisenberg erala cabeza visible del Programa Atomico aleman, mientras que N. Bohr nosimpatizaba ni habıa transigido con los nazis, lo que muy poco despues lellevo a tener que huir apresuradamente a Suecia y luego a EEUU.

• ¿Que querıa decir Heisenberg a Bohr? ¿Que esperaba de el? ¿Que men-saje confiaba en que Bohr captara y transmitiera? ¿Consiguio algorealmente?

• Heisenberg sugirio, a traves del periodista Robert Jungk en 1958, quese trataba de discutir con su maestro la cuestion de si los fısicos tenıanderecho moral a trabajar en la explotacion practica de la energıa atomica.

• Ni Heisenberg ni Bohr fueron nunca muy explıcitos sobre el contenidode la conversacion. Lo unico claro es que la profunda relacion anterior sehabıa quebrado, de manera irreversible.

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Una reunion en Copenhague (Septiembre 1941)

• No parece que la reunion tuviera ninguna repercusion en el cursoposterior de los acontecimientos Pero a nivel al menos simbolico, haejercido una irresistible atraccion. Solo dos ejemplos

• ‘Copenhague’, pieza teatral de Michael Frayn, estrenada en 1998 enLondres y luego New York. Escenografıa escueta, tres personajes, aridezaparente del tema, y sin embargo parece tocar alguna fibra, a diferentesniveles, a todos los espectadores.

• ‘En busca de Klingsor’, novela de Jorge Volpi, publicada en 1999 (PremioBiblioteca Breve de Seix Barral, 1999).

• Tras la publicacion de un libro en 1958, por el periodista Robert Jungk,que recoge basicamente los recuerdos de Heisenberg, Bohr escri-bio varios borradores de cartas a Heisenberg que finalmente prefi-rio no enviar pero que se han conservado. Ante el interes despertadopor el tema entre fısicos e historiadores se publicaron en 2002, pero tampocohan resultado ser concluyentes ya que su lenguage es elıptico.

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Dramatis Personæ

• Niels Henrik David Bohr (1885-1962)

Premio Nobel de Fısica 1922

• Werner Karl Heisenberg (1901-1976)


• (E)Lise Meitner (1878-1968)

• Otto Hahn (1879-1968)

Premio Nobel de Quımica 1944

• Enrico Fermi (1901-1954)


• Irene Joliot-Curie (1897-1956) y

• Frederic Joliot-Curie (1900-1958)

Premios Nobel de Quımica 1935

• Leo Szilard (1898-1964)

• John Archibald Wheeler (1911-...)Niels Bohr

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• Otto Hahn (1879-1968)








• John Archibald Wheeler (1911-...) Werner Heisenberg

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• Otto Hahn (1879-1968)








• John Archibald Wheeler (1911-...) Lise Meitner

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• Otto Hahn (1879-1968)








• John Archibald Wheeler (1911-...)Otto Hahn

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• Otto Hahn (1879-1968)








• John Archibald Wheeler (1911-...)Enrico Fermi

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• Otto Hahn (1879-1968)








• John Archibald Wheeler (1911-...)Irene y Frederic Joliot-Curie

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• Otto Hahn (1879-1968)








• John Archibald Wheeler (1911-...)Leo Szilard

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• Otto Hahn (1879-1968)








• John Archibald Wheeler (1911-...)John Archibald Wheeler

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1896-1934. La prehistoria de la fision nuclear

• Descubrimientos basicos Radiactividad natural (Becquerel 1896, Marie Cu-rie, 1898), Prueba ‘directa’ de la realidad de los Atomos (Einstein 1905), Mo-delo atomico de Bohr (Bohr 1913), Estructura atomica (Rutherford 1912, ...,Schrodinger, Heisenberg y Pauli 1926-1930), Neutron (Bothe y Joliot-Curie1930, Chadwick 1932)

? En 1934 se habıa completado la explicacion la Tabla Periodica.

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Radioactividad Natural y Artificial

• En 1933 (antes de que se hubieran desvelado los mecanismos en jue-go), Leo Szilard concibe la posibilidad de una reaccion en cadena.Patenta y cede la idea al Almirantazgo Britanico.

• Radiactividad artificial y transmutaciones artificiales (Joliot-Curie 1934)

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1934. A la busqueda de los Transuranidos

• A partir de 1934 tres grupos se dedican a una exploracion sistematica de losproductos que resultan de bombardear atomos conocidos con neutrones.

? Enrico Fermi en Roma

? Los Joliot-Curie en Parıs

? Otto Hahn y Lise Meitner en Berlın

• Objetivos Entender el proceso y producir nuevos elementos quımicos, ‘artifi-ciales’, mas alla del Uranio, en la Tabla Periodica.

• Exitos parciales, junto con resultados muy difıciles de interpretar Enparticular, la identificacion de los productos de la reaccion era extraordina-riamente dificil.

? Cantidades ınfimas; mezclas de muchos isotopos que quımicamenteno son distinguibles.

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Isotopos

• Prout habıa emitido, a principios del S. XIX, la hipotesis de que los atomos delos diversos elementos formados de atomos de Hidrogeno. Pero las masasatomicas no siempre son multiplos de la del hidrogeno

? Dos razones explican la discrepancia: existencia de isotopos y E =mc2

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El auge del nacional-socialismo en Alemania y del fascismo en Italia

• Fısica Alemana o aria versus Fısica Judıa Johannes Stark y Phillip Lennard,ambos Premio Nobel como principales inductores. La corriente xenofoba aca-bara arrastrando a casi todos los personajes de nuestra historia.

• En 1933 Leo Szilard emigra a Inglaterra; acabara en EEUU.

• En 1933 Robert Otto Frisch, sobrino de Lise Meitner y colaborador en eltrabajo con Otto Hahn y F. Strassmann emigra a Londres.

• En 1938 Lise Meitner pasa a Holanda, en condiciones dramaticas, y deallı viaja a Suecia, donde subsiste en condiciones precarias.

• En 1938, Enrico Fermi viaja a Estocolmo con su familia para el acto derecepcion del Premio Nobel. De allı se traslada a EEUU.

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El auge del nacional-socialismo en Alemania y el fascismo en Italia

• En 1942, Niels Bohr escapa con su familia a Suecia. De allı viajara finalmentea EEUU, donde vivio bajo un nombre ficticio, hasta su regreso a Dinamarca.

• Los Joliot-Curie permanecen inicialmente en la Francia ocupada, aun-que ....

• Otto Hahn y W. Heisenberg permanecen en Alemania . Heisenbergacepta dirigir el Programa Atomico Aleman.

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1938. El descubrimiento de la Fision Nuclear

• Una vez Lise Meitner instalada en Estocolmo, Hahn continua sus expe-rimentos y mantiene con ella una comunicacion regular.

• Al igual que los otros grupos, Hahn y Meitner estaban convencidos deque los productos obtenidos al bombardear un atomo de Uranio conneutrones debıan ser atomos con numeros masicos cercanos. Uno delos candidatos era el Radio. Pero los resultados de los analisis quımicosde los productos de reaccion sugerıan, cada vez con mayor enfasis, que unode los productos era Bario.

• En Diciembre de 1938, Hahn escribe a Meitner, pidiendola analice la posi-blidad de que existan isotopos de Bario con numeros masicos tan altos comolos del Radio.

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• Tras leer la carta, Lise y su sobrino Frisch salen a pasear con esquıespor la nieve. En la conversacion, Lise concibe por vez primera la idea de queel producto obtenido es Bario, y que el atomo de Uranio se ha escindido endos atomos diferentes, liberando en el proceso una gran cantidad de energıa(el 0,1% de la energıa contenida en la masa del atomo inicial).

• Usando la relacion de Einstein E = mc2 Meitner confirma la posibilidadteorica de este proceso, que bautiza como Fision Nuclear.

• El artıculo que describe el proceso, ‘Disintegration of Uranium byNeutrons: a New Type of Nuclear Reaction’. Lise Meitner and O.R.Frisch. Nature, 143, 239-240, (Feb. 11, 1939) causa en poco tiempouna autentica conmocion.

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• Hechos importantes

? Fision libera energıa. ‘Solo’ el 0,1% dela masa fisionada,

? Fision produce emision de neutronesextra Variantes ‘en cadena’ controlada(Reactor Nuclear) o descontrolada (Bom-ba Nuclear), ambas previstas por Szilard.

• Bohr desarrolla en 1939 un modelo del nucleo(de la gota lıquida) que permite entender lafision, y con J.A. Wheeler publica lo que seha convertido en el estudio clasico.

• Se marca ası un punto de partida parainvestigar la fision como fuente de energıay potencialmente, de una bomba de granpotencia.

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1939. Los Proyectos Atomicos Aleman y Anglo-Estadounidense

• A mediados de 1939 la posibilidad de obtener energıa mediante unareaccion nuclear en cadena controlada parecıa alcanzable en un plazocorto de tiempo Mas lejana era la de una Bomba Atomica.

• Como consecuencia de las noti-cias sobre el Programa Atomi-co aleman, Szilard se dedicatenazmente a convencer al go-bierno de los EEUU de la necesi-dad de oponer un Programa Atomi-co aliado. Persuade a Einstein,quien firma una carta al presiden-te Roosevelt.

• El prestigio de Einstein lleva a Roosevelt a iniciar un Programa, que a lalarga llevara a la construccion de la bomba atomica

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1939. El diseno del Reactor: Heisenberg versus Fermi-Szilard

• Un reactor nuclear requiere un combustible fisionable (Uranio) y unmoderador que disminuya la velocidad de los neutrones emitidos sin absor-berlos

• Moderador: grafito y agua pesada eran los mejores candidatos

? Grafito: una forma de Carbono. Abundante, facil de producir.

? Agua pesada: D2O Muy abundante, pero energeticamente muy costosade separar del agua ordinaria, en la que esta presente.

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1939. El diseno del Reactor: Heisenberg versus Fermi-Szilard

• Ambos equipos realizan medidas de la eficiencia del grafito comomoderador

? El equipo aleman encarga las medidas a W. Bothe, el fısico nu-clear experimental mas prestigioso en Alemania En contra de lasprevisiones, el resultado indica que el grafito no sirve como moderador. Laautoridad de Bothe es indiscutida, y el equipo aleman se decanta por elagua pesada, mucho mas difıcil de producir.

? El equipo ‘americano’ realiza las medidas con grafito, obteniendoel mismo resultado negativo. Pero Szilard, que en su juventud habıaestudiado ingenierıa quımica, atribuye el resultado negativo a impurezas deboro presentes en el grafito comercial.

• Es interesante leer entre lıneas en esta diferencia de actitud: en elfondo, se trata del peso de la autoridad y de la apertura/confianza hacia losprofesionales de disciplinas complementarias

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1939-1941. El Reactor de Chicago

• Szilard consigue que un fabricante eli-mine el boro en el proceso de produc-cion, obteniendo un grafito ultrapuro.Las medidas muestran que se comporta co-mo el buen moderador que la teorıa pre-decıa.

• Con grafito ultrapuro como moderador,el equipo construye un reactor en un patiode la Universidad que se habıa destinadoa pista de squash, y en un tiempo recordconsiguen la primera reaccion automante-nida el 2 de Diciembre de 1941

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1939-1941. El Reactor de Chicago

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1939-1941. El Club del Uranio aleman

• En 1939 se prohibe en Alemania la venta de Uranio (minas en Checos-lovaquia) y se crea el ‘Proyecto Uranio’, o Club del Uranio, con KurtDiebner y Erich Bagge al frente. Heisenberg se encarga de la direccioncientıfica, en la que colaboran otros fısicos: C.F. von Weiszacker y WaltherGerlach entre otros.

? Una vez excluido el grafito como moderador, la alternativa era elagua pesada. En 1938, las existencias de agua pesada en todo el mundoeran unos cientos de litros, producidos sobre todo una factorıa noruega,situada en Vemork, Telemark (Noruega), por electrolisis o por destilacionrepetida. Ambos metodos tienen un consumo monstruoso de energıa.

• Importancia estrategica: aparte de su ubicacion geografica, Noruega ad-quiere una importancia extra para los alemanes.

? Con su ocupacion se aseguran el control de la planta de Telemark,cuya produccion se incrementara espectacularmente los anos si-guientes. No sin una contrariedad inicial: la mayor parte del agua pesadacon la que contaban para empezar no estaba en Noruega, sino ...

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1939-41. Los Joliot-Curie y el agua pesada en Francia

• Irene y Frederic Joliot-Curie, eran una pareja de convicciones antifas-cistas Inicialmente habıan publicado sus resultados abiertamente.

• Previsoramente, habıan adquirido y transportado a Francia unos 200 lde las reservas de agua pesada de la factorıa noruega.

• Ante la noticia de la inminente ocupacion de Francia, Frederic embarcacon rumbo a Inglaterra el mismo dıa de la ocupacion, sentado sobre losbidones de agua pesada en la cubierta, mientras a su alrededor patrullan lossoldados alemanes

• Consumada la ocupacion, F. Joliot es interrogado Para su sorpresa, elinterprete es Wolfgang Gentner, un aleman antiguo estudiante de su propiolaboratorio. Joliot engana a sus interrogadores sobre el destino del aguapesada, que ubica en un barco que habıa sido hundido por los alemanes.

? Partes de esta historia han sido objeto de algunas pelıculas: unareciente es ‘Bon Voyage’ de Jean-Paul Reppeneau (2004)

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1939-41. Los Joliot-Curie y el agua pesada en Francia

• Mientras Irene se ocupa de sus hijos, y finalmente se traslada a Sui-za, Frederic Joliot inicia una arriesgadısima tarea de aparentar colaboracion,mientras es realmente un miembro activo de la Resistencia.

• Mas fiel a la Ciencia que a sus compatriotas, Gentner advierte (ensecreto) a Joliot que los alemanes planean trasladar a Alemania el ciclotronque estaba casi acabado de construir en los sotanos del Colegio de Francia,y le sugiere que proponga a los invasores usarlo en la propia Francia.

• El ciclotron, cuya direccion se asigno a Gentner, funcionaba a duraspenas, ayudado por Gentner y por el jefe de taller de Joliot, especialmen-te cuando W. Bothe aparecıa por Parıs para realizar algun experimento omedida.

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1939-43. La resistencia noruega y los ‘heroes de Telemark’

• Tambien partes de esta historia han sido objeto de pelıculas: ‘Losheroes de Telemark’ (1965) de Antony Mann, con K. Douglas y R. Harris.

• El almirantazgo ingles intenta destruir la factorıa, sin exito

• Se encarga a la resistencia noruega sabotearla fabrica, sin decirles porque es importanteEl sabotaje fue relativamente efectivo.

• Cuando los alemanes deciden transportar aAlemania la produccion se sabotea el trans-bordador, que queda semihundido

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El Programa Atomico Aleman entre 1942 y 1945

• En 1942 los militares en el gobierno aleman desean resultados del Pro-grama Speer pregunta directamente a Heisenberg si serıa posible construiruna bomba en menos de un ano, a lo que Heisenberg responde que no.

? El programa recibe un recorte economico importante, y el resto deltrabajo, que prosiguio hasta el fin de la guerra se centra en el Reactornuclear

• Desgraciadamente tampoco esta claro si el Reactor aleman llego afuncionar

? Segun una version, poco aceptada, el reactor aleman ya era operati-vo, aunque poco fiable, cuando Heisenberg visita a Bohr (tres mesesantes de la puesta en marcha del reactor de Chicago)

? Parece mas probable que el Reactor aun no fuera operativo (debido alas dificultades con el agua pesada y a otros problemas de diseno).

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Los motivos de la visita de Heisenberg a Bohr

• Es verosımil que el objetivo de la visita fuera informar (elıpticamente)a Bohr sobre el estatus de los trabajos, para hacer llegar a los aliadosla informacion de que los alemanes no estaban trabajando en la bomba,y para tratar de conseguir, a traves de Bohr, que los aliados abandonaran eleventual trabajo en una bomba que Heisenberg temıa que fuera usada contraAlemania.

• Ante la ausencia de pruebas documentales, hay, por supuesto, otrashipotesis verosımiles

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Julio a Diciembre de 1945. La operacion epsilon: Farm Hall

• Tras el final de la guerra, los aliados capturan a los diez cientıficosnucleares mas importantes de Alemania: Werner Heisenberg, Max vonLaue, Otto Hahn, Walther Gerlach, Paul Harteck, Kurt Diebner, C.F. vonWeizsacker, Karl Wirtz, Erich Bagge y Horst Korsching y los internan enFarm Hall, una casa de campo en Inglaterra cerca de Cambridge.

? El objetivo era, a travesde las conversacionesque estaban siendo re-gistradas, averiguar has-ta donde habıa llegadoel programa atomico na-zi.

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Julio a Diciembre de 1945. La operacion epsilon: Farm Hall

• El 6 de Agosto de 1945, tras escuchar la noticia de la BBC del lan-zamiento de una bomba atomica sobre Hiroshima, los alemanes reac-cionan con incredulidad. La impresion que se deriva de las transcripciones esque no creıan posible una bomba, debido a una estimacion previa excesivade la masa crıtica de Uranio

• Unos dıas despues, el 14 de Agosto, Heisenberg da una charla al restode los internados sobre la construccion de la bomba atomica, conuna estimacion correcta de la masa crıtica.

• El internamiento en Farm Hall acabo en Enero de 1946

• Las conversaciones transcritas se publicaron finalmente en 1990, trasla oposicion del gobierno aleman. Hay fragmentos disponibles en Inter-net. Como suele ocurrir en todos los problemas complicados, al tiempo quealgunas cuestiones recibıan respuesta otras importantes quedaban en el airey aparecen nuevas dudas derivadas de las conversaciones.

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Cual fue el papel de Heisenberg en el Proyecto nuclear aleman

• ¿Porque Heisenberg se implico en este proyecto? ¿Porque sus resulta-dos fueron tan pequenos:? un prototipo de reactor que quizas no llego afuncionar.

• Cuestiones complicadas y con gran carga emocional: respuestas muyvariadas y no incompatibles

? ¿Participo Heisenberg en el proyecto deliberadamente para sabo-tearlo? Esto explicarıa sus pobres resultados, pero es completamentehipotetico.

? ¿Cometio Heisenberg, un teorico sin interes ni practica experimen-tal, errores importantes en las primeras etapas del proyecto (p.ej.,agua pesada versus grafito)

? Heisenberg se sentıa, seguramente, antes aleman que pro-nazi loque tampoco disculpa su implicacion.

• Hacia mediados de 1942 el gobierno aleman derivo su prioridad a la inves-tigacion en cohetes (los V2 de von Braun) y dejo bajo mınimos el proyectoatomico.

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1945–... Szilard y Meitner

• Entre 1941 y 1945 Leo Szilard fue apar-tandose progresivamente del proyectoManhattan En 1945, tras el final de laguerra en Europa, suscribio una carta alpresidente de EEUU pidiendo que no seutilizara la bomba atomica sobre Japon.Szilard abandono la fısica, para dedicarsea la biologıa. La idea del telefono rojo, queconecto durante la guerra frıa a los presi-dentes de EEUU y la URSS fue suya.

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1945–... Szilard y Meitner

• Lise Meitner rehuso trabajar en el pro-yecto Manhattan. Recibio varios reco-nocimientos tardıos, que en parte re-pararon la evidente injusticia de no serincluida en la concesion del Nobel aHahn. Fue muy crıtica sobre la resis-tencia solo pasiva que Hahn y otroshabıan enfrentado al nazismo, y masaun con la colaboracion de Heisenberg.A pesar de ello, mantuvo buen espırituy relaciones con sus antiguos colegas.Murio en Inglaterra en 1968.

• Su sobrino Otto Frisch hizo grabar sobre su lapida la inscripcion: Lise Meitner:una fısica que nunca perdio su humanidad

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Lecturas complementarias y Fuentes

Jorge Volpi, En busca de Klingsor, Premio ‘Biblioteca Breve 1999’, Seix Barral,1999.

Michael Frayn, Copenhague, Methuen 1998. Texto traducido al espanol enwww.temakel.com/teatrocopenhague.htm

Patricia Rife, Lise Meitner and the dawn of the Nuclear age, Birkhauser, 1999 y2007

Mark Walker, Nazi science: Myth, Truth and the German Atomic bomb, PlenumPress 1995

William Sweet, Hitler Uranium’s Club: The secret recodings of Farm Hall, AIPPress 1996

David Cassidy, Uncertainty: the life and Science of Werner Heisenberg, Freeman1992

Thomas Powers, Heisenberg’s War: The Secret History of the German Bomb,Penguin 1994

Robert Jungk, Brighter than a Thousand Suns, Harcourt Brace, 1958.

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Una reuni´on en Copenhague, el reactor de Chicago y … · Premio Nobel de Qu´ımica 1944 • Enrico Fermi (1901-1954) ... • Hechos importantes? Fisi´on libera energ´ıa. ‘Solo’