重核裂變的發(fā)現(xiàn)，為熱鬧的核物理研究又添加一把烈火，世界上所有的前沿物理實驗室都沸騰起來。1939年便成為一個熾熱的年份，在不到一年的時間內，所發(fā)表的有關核裂變的科學論文，總共達一百多篇。

1.鏈式反應假說

圖1 恩利克·費米（Enrico Fermi）

在1939年1月26日召開的第五屆華盛頓理論物理學會議上，新發(fā)現(xiàn)的鈾核裂變成為會議討論的熱烈話題。在與玻爾討論時，費米特別提到重核裂變放出中子的可能性：當鈾核裂變時，會放射出中子。這些中子又會擊中其它鈾核，于是就會發(fā)生一連串的反應，直到全部原子被分裂，這就是著名的鏈式反應理論。

雖然費米提及的只是一種理論假說，但當時費米是最具聲望的中子研究權威，討論對象又是量子物理學的大明星、哥本哈根學派的創(chuàng)始人——玻爾。于是費米作為鏈式反應機制的發(fā)現(xiàn)者之一，被明確的記錄在科學史上。

費米憑借“證明了可由中子輻照而產(chǎn)生的新放射性元素的存在，以及有關慢中子引發(fā)的核反應的發(fā)現(xiàn)”而獲得1938年諾貝爾物理學獎。獲獎兩個月后，費米聽說了哈恩的實驗結果，這無異于當頭一棒，因為新的研究結果表明鈾核受中子激發(fā)，不會產(chǎn)生新的超重元素。換言之，這項諾貝爾獎一半是對的，一半是錯的。但反過來說，費米關于“慢中子”比“快中子”更容易引發(fā)核反應的超越當時認知的發(fā)現(xiàn)確實是一個了不起的貢獻，并直接啟迪了哈恩的新發(fā)現(xiàn)。

1942年12月2日，在芝加哥大學，費米指導下設計和制造出來的人類第一臺可控核反應堆首次運轉成功，命名為“芝加哥一號堆”。這是原子時代的真正開端，因為這是人類第一次成功地進行了一次核鏈式反應。費米也是直接參與曼哈頓工程的著名科學家之一，并曾擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室副主任。

2.鏈式反應的驗證

圖2 約里奧·居里三人研究組

（左一為約里奧，左二為哈爾班，左三為科瓦爾斯基）

重核裂變的實驗一經(jīng)報導，關于鏈式反應的試驗驗證工作旋即在許多先知先覺的實驗室中開展起來。效率最高且最為引入注目的當屬法國約里奧·居里夫婦的實驗室。主持該項目實驗的是男主人費雷德克里·約里奧·居里，直接參與實驗的有研究助理法國物理學家哈爾班（Hans Heinrich von Halban）和俄裔法國物理學家科瓦爾斯基（Lew Kowarski）。

他們于1939年3月18日在《Nature》上發(fā)表了中子轟擊鈾核可以產(chǎn)生二代中子的實驗結果，4月22日在《Nature》上發(fā)表了每個鈾核裂變產(chǎn)生2-3個中子的結論，給出鏈式反應可能性的確證結果。

3.臨界質量

科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)因絕大多數(shù)中子的逃逸，少量的裂變材料不能維持鏈式反應。最后一個棘手問題是：維持鏈式反應究竟需要多少鈾燃料？這個最小的鈾燃料質量即稱為臨界質量。約里奧-居里實驗室的法國物理學家佩林（Francis Perrin）于1939年5月1日在《法國科學院通報》（Comptes Rendus）上發(fā)表了對鈾臨界質量的分析，他的結論是鈾燃料維持鏈式反應的臨界質量在數(shù)噸以上。顯然，尋找如此巨量的鈾燃料太不切實際，制造原子彈幾無可能。不過，很快就有人推翻了這一錯誤結論。

圖3 魯?shù)婪颉ざ魉固亍づ蔂査梗?/span>Rudolf Ernst Peierls）

1940年3月，已在英國伯明翰大學物理系工作的弗里施（鈾核裂變理論奠基工作中邁特納的合作者）和英國物理學家派爾斯聯(lián)合寫就一份短文，通過仔細計算，得出一個令人恐怖的結論：鈾燃料的臨界質量僅約為1千克，理論上證明了原子彈的可行性。這篇短文因保密需要，并未公開發(fā)表，而是轉交到了英國陸軍防空科學調查委員會主席蒂澤德（Henry Thomas Tizard）手中，這篇短文史稱“弗里施-派爾斯備忘錄”。弗里施和派爾斯憑借這一研究工作成為英國原子彈計劃的靈魂人物，直接推動了英國鈾引爆軍事委員會（MAUD）的成立，并引發(fā)代號“管合金”（Tube Alloys）原子彈工程項目的上馬。

1943年8月，隨著英美聯(lián)合開展原子彈建造計劃的“魁北克協(xié)議”簽署，弗里施和派爾斯均以英國科學家代表身份參與了美國的“曼哈頓工程”，其間便有一則廣為人知的人工停止核反應逸聞。弗里施當時主要負責“臨界質量”的精確測定，一次實驗中，由于身體反射中子的效應，導致他搭建的燃料堆“高迪瓦夫人裝置”啟動反應，當測試儀器的警報燈逐步加速閃爍時，他馬上意識到問題所在，迅即用手分離了反應堆，從而避免了一場大災難。幸運的是，他本人在此過程中所受的輻射尚不緊要。

閱讀索引：

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