|
核能對于人類是一柄雙刃劍：核能的和平利用為人類解決能源問題提供了一條出路；曾經(jīng)殺死至少十幾萬人的核武器卻又讓人類始終感受著末日的威脅。核能的出現(xiàn)，源自重核的裂變與相關(guān)的鏈式反應(yīng)。1938年12月，鈾核裂變被確認，為人類進入核能與核武器時代開啟了大門，并最終導(dǎo)致原子彈的面世。實際上，重核裂變的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了曲折的過程。這里面有哪些驚心動魄的故事？ 1945年8月6日，代號為“小男孩”的原子彈在日本廣島上空爆炸。雖然它的彈芯只有64千克濃縮鈾，卻摧毀了大半個城市，瞬間殺死數(shù)萬人。而在這個過程中，整個炸彈的質(zhì)量損失不到1克。研制威力巨大的原子彈，消耗了“曼哈頓計劃”的十余萬人的努力，但其基本原理——重核裂變——卻是以歪打正著的方式被發(fā)現(xiàn)的。1903年，劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）與他的學(xué)生索迪（Frederick Soddy，1877-1956）通過計算，斷言放射性物質(zhì)衰變放出的能量是同樣質(zhì)量的物質(zhì)的化學(xué)能的至少2萬倍，甚至可能達到百萬倍。1904年，索迪預(yù)言，放射性過程釋放出的能量將來有可能被應(yīng)用，甚至被制造為武器。他認為這樣的武器可能改變?nèi)祟惖拿\，乃至摧毀世界。盧瑟福（左，1892年，21歲）與索迪（右，1921年，44歲）。丨圖片來源：公共版權(quán)盧瑟福與索迪的預(yù)見早于愛因斯坦提出相對論以及與之關(guān)聯(lián)的質(zhì)能關(guān)系式。因此，人類對原子能的認識早于相對論與質(zhì)能關(guān)系式的誕生（1905年）。當(dāng)然，后來物理學(xué)家在解釋核能時還要用到愛因斯坦的公式。受索迪觀點的啟發(fā)，英國科幻作家威爾斯（Herbert Wells，1866-1946）于1913年寫了科幻小說《使世界獲得自由》（The World Set Free）。在這本書中，“原子彈”（atomic bombs）這個詞組首次出現(xiàn)。作者想象在1956年英、法、美與德國發(fā)生世界大戰(zhàn)，手提包內(nèi)的一顆原子彈就足以毀滅半個城市，這些原子彈被投到世界所有的重要城市，持續(xù)的放射性導(dǎo)致持續(xù)的大火，造成巨大破壞。威爾斯（1920年）丨圖片來源：George Charles Beresford威爾斯“預(yù)測”的原子彈，原理是內(nèi)部放射性物質(zhì)通過持續(xù)的放射性衰變釋放能量。然而，人們在此后證明，無法僅通過物質(zhì)的放射性衰變大規(guī)模獲取核能并將其制造為武器。這樣的“原子彈”只能算是放射性污染物，而不是炸彈。導(dǎo)致原子能利用與原子彈爆炸的基礎(chǔ)是重核裂變以及與此相關(guān)的鏈式反應(yīng)。在重核裂變被發(fā)現(xiàn)之前，人類先發(fā)現(xiàn)了輕核裂變，并實現(xiàn)了人工放射性。1932年，卡文迪許實驗室的考克饒夫（John Cockcroft，1897-1967）和沃爾頓（Ernest Walton，1903-1995）用粒子加速器加速質(zhì)子，并用其轟擊鋰7，二者碰撞后，分裂成兩個α粒子。這個過程被稱為“分裂原子”（splitting the atom），它首次實現(xiàn)了原子核的裂變。考克饒夫（左）、盧瑟福（中）和沃爾頓（右）。丨圖片來源：公共版權(quán)考克饒夫和沃爾頓還發(fā)現(xiàn)，這個過程產(chǎn)生的質(zhì)量虧損與釋放的能量符合愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式。二人因此于1951年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。1933年，盧瑟福做了一次演講。他提到了考克饒夫和沃爾頓用質(zhì)子分裂鋰的工作，但他認為核能無法被大規(guī)模利用：“在這些過程中，我們可能獲得比質(zhì)子提供的能量多得多的能量，但總的來說，我們不能指望以這種方式獲得能量?！?/span>然而，在輕核裂變被實現(xiàn)的同一年（1932年），將來能夠?qū)е轮睾肆炎兊摹袄麆Α币驯徽业搅?，此后它像幽靈一樣在實驗室飄蕩了幾年，人類最終發(fā)現(xiàn)了重核裂變。1920年，盧瑟福提出：原子核是由帶正電的質(zhì)子和帶中性電荷的粒子組成。后者后來被命名為“中子”（neutron）。1931年，德國物理學(xué)家博特（Walther Bothe，1891-1957）和他的學(xué)生貝克爾（Herbert Becker，生卒年暫不可考）發(fā)現(xiàn)，釙衰變釋放出的α粒子轟擊鈹、硼或鋰時，會產(chǎn)生一種穿透力很強的輻射，這種輻射不受電場力作用。他們認為這是伽瑪射線。1932年初，皮埃爾·居里（Pierre Curie，1859-1906）和瑪麗·居里（Marie Curie，1867-1934）的女兒伊蓮娜·約里奧-居里（Irène Joliot-Curie，1897-1956，以下簡稱“伊蓮娜”）與女婿簡·約里奧-居里（Jean Joliot-Curie，1900-1958，以下簡稱“約里奧”）也在實驗中發(fā)現(xiàn)了這種輻射。伊蓮娜與約里奧還發(fā)現(xiàn)這種中性輻射的能量很高：它們轟擊石蠟或任何其他含氫化合物時，會敲出質(zhì)子。他們依然認為這是伽瑪射線。伊蓮娜與約里奧（1935年）丨圖片來源：Ph. Coll. Archives Larbor卡文迪許實驗室的查德威克（James Chadwick，1891-1974）看到伊蓮娜與約里奧發(fā)表的論文后，感覺難以置信。伽瑪射線或能力更低的X射線在轟擊電子時可以讓電子偏轉(zhuǎn)（“康普頓效應(yīng)”），但質(zhì)子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的上千倍，如何能夠被伽瑪射線從原子核中敲出去？查德威克是盧瑟福學(xué)生，早就知道盧瑟福關(guān)于中子存在的假設(shè)，因此很自然地猜測這些中性輻射很可能是中子。為了盡快確定這個猜測，他立即投入了緊張的實驗中。1932年2月，查德威克證明那些能量很高的中性輻射不是伽瑪射線，而是一群質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量幾乎相同的不帶電粒子，這些性質(zhì)與假設(shè)中的中子的性質(zhì)相符，它們就是中子。查德威克丨圖片來源：諾貝爾獎官網(wǎng)（www.nobelprize.org）查德威克很快意識到，比起帶正電的α粒子與質(zhì)子，用不帶電的中子轟擊原子核的效率將更高，因為它不受到帶負電的核外電子與帶正電的原子核的電場力影響。此外，獲取中子也相對容易：讓鐳、釙之類的放射性元素衰變后釋放出的α粒子轟擊鈹9，使其成為碳12，并釋放出1個中子。中子的發(fā)現(xiàn)與確認，為此后核物理學(xué)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。核物理學(xué)領(lǐng)域的泰斗貝特（Hans Bethe，1906-2005）認為：1932年之前的時代是核物理的史前時代；1932年，才進入核物理時代，因為中子在那一年被發(fā)現(xiàn)了。由于發(fā)現(xiàn)并確認中子，查德威克獲得1935年的諾貝爾物理學(xué)獎。博特、貝克爾、伊蓮娜與約里奧都錯失了這次諾貝爾物理學(xué)獎。1934年1月，伊蓮娜與約里奧發(fā)現(xiàn)，某些α粒子轟擊（輻照）鋁箔后，即使α粒子源被移除，鋁箔依然存在放射性。在確定蓋革計數(shù)器沒有任何問題后，他們猜測：在這個過程中，α粒子與鋁原子核結(jié)合為放射性的磷30，并釋放一個中子，然后磷30衰變?yōu)楣?0。通過化學(xué)實驗，伊蓮娜與約里奧證明產(chǎn)物中確實有磷。這意味著穩(wěn)定的鋁原子核被人工轉(zhuǎn)變?yōu)榱椎姆派湫酝凰?。至此，他們發(fā)現(xiàn)了人工放射性。人工放射性的發(fā)現(xiàn)是核物理學(xué)領(lǐng)域的一大飛躍。它使放射性元素不再僅限于那些重元素，而是可能擴展到整個元素周期表，人類可以通過人工手段制造出各種元素的放射性同位素。當(dāng)伊蓮娜將自己通過人工方式獲得的放射性物質(zhì)展示給居里夫人時，這位偉大的物理學(xué)家與化學(xué)家為女兒與女婿的這個重要成就而深感欣慰，她激動地將手指伸入裝有人工制造出的放射性磷的試管中（放射性很微弱，因此不會造成什么后果），感受這個珍貴的實驗成果。伊蓮娜回憶，這是她母親最后一次如此興奮。1934年7月，居里夫人因病去世。伊蓮娜在母親瑪麗的指導(dǎo)下進行研究。伊蓮娜很早就開始跟隨母親研究放射性同位素，并發(fā)現(xiàn)天然放射性。她于1925年獲得博士學(xué)位。丨圖片來源：公共版權(quán) 1935年，伊蓮娜與約里奧因為發(fā)現(xiàn)人工放射性而獲得諾貝爾化學(xué)獎。人工放射性被發(fā)現(xiàn)的消息傳到意大利后，費米（Enrico Fermi，1901-1954）在團隊成員維克（Gian Wick，1909-1992）的建議下，將研究重點從理論轉(zhuǎn)向?qū)嶒?，并立即與團隊準備實驗設(shè)備，用中子轟擊（輻照）各種元素靶子，以制造更多放射性同位素。一開始，費米團隊的實驗總是不成功。后來他在靶子前放了石蠟。石蠟中的質(zhì)子使快中子變?yōu)槁凶?，使其有更多時間與原子核相互作用，極大地提高了實驗效率。費米團隊將當(dāng)時已知的元素幾乎全部轟擊，獲得了22種放射性同位素。在費米團隊轟擊90號元素釷與92號元素鈾時，他們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的元素的性質(zhì)與釷、鈾非常不同。費米等人認為它們是第93號及第94號元素，即超鈾元素。費米的結(jié)果很受同行追捧，許多團隊紛紛跟進。然而，德國化學(xué)家與物理學(xué)家諾達克（Ida Noddack，1896-1978）強烈質(zhì)疑費米的結(jié)論。諾達克與她的丈夫（Walter Noddack，1893-1960）是稀土領(lǐng)域的杰出專家，他們與合作者在1925年發(fā)現(xiàn)了75號元素錸。諾達克的照片，大約拍攝于1940年。丨圖片來源：公共版權(quán)諾達克發(fā)表了論文《論93號元素》（On Element 93），指出費米在分析反應(yīng)產(chǎn)物時，只排除了鉛以及比鉛重的元素，而沒有排除比鉛輕的元素，因此無法證明產(chǎn)物就是比鈾重的元素。只有把所有輕元素都排除了，才能證明產(chǎn)物是超鈾元素。諾達克認為，費米可能沒有制造出新的、更重的元素，而是制造出已有的、更輕的元素，這些元素是鈾分裂后產(chǎn)生的，她說：“可以想象，原子核會分裂成幾個大的碎片，這些碎片是已知元素的同位素，不會是被輻照的元素[92號元素鈾]的相鄰元素[93號元素]?！?/span>諾達克實際上預(yù)言了重核裂變的可能性。如果這個解釋屬實，那么費米實際上發(fā)現(xiàn)的是重核裂變。然而，諾達克沒有鈾，因此無法做這個實驗，她也沒有給出理論上的證明。此外，她當(dāng)時只是一個“無薪合作者”，在學(xué)術(shù)界地位低下。更重要的是，當(dāng)時科學(xué)界普遍不相信一個小小的中子可以擊碎重核，使其分裂。諾達克這篇論文因此被當(dāng)時的同行普遍嘲笑。1935年或1936年，諾達克與她的丈夫請求德國著名化學(xué)家哈恩（Otto Hahn，1879-1968）在講義或著作中提一下諾達克對費米的工作的批評。盡管此前他們就很受哈恩的關(guān)注，但哈恩還是明確拒絕了他們。因為哈恩認為諾達克的觀點很荒謬，引用她的觀點，只會讓自己成為學(xué)術(shù)界的笑話。哈恩不理會諾達克的要求是可以理解的，因為他當(dāng)時也正在探索這個課題。1934年，邁特納（Lise Meitner，1878-1968）邀請哈恩跟進費米的研究。二人曾經(jīng)長期合作，但這時兩人已經(jīng)有十幾年沒合作了。哈恩一開始并不愿意重復(fù)費米的實驗。不過，馮·格羅斯（Aristid von Grosse）對哈恩說，費米發(fā)現(xiàn)的可能是91號元素鏷的同位素，而不是超鈾元素。哈恩頓時對這個課題產(chǎn)生了興趣，因此答應(yīng)與邁特納合作，以驗證產(chǎn)物是質(zhì)量更低的鏷還是質(zhì)量更高的超鈾元素。1912年，哈恩與邁特納在實驗室的合影。丨圖片來源：公共版權(quán)1935年，哈恩招聘了一個出色的助手——施特拉斯曼（Fritz Strassmann，1902-1980）。這樣三人組如火如荼地開始了實驗。施特拉斯曼。丨圖片來源：https://www./en/universitaet/freunde-foerderer/alumni/geschichten/fritz-strassmann 從1934年到1938年初，三人組發(fā)現(xiàn)了10種以上此前未知的同位素。他們認為它們都是超鈾元素的同位素，并“確認”出93到96號元素，確認了產(chǎn)物中的鈾239并測出其半衰期為23分鐘。不過，他們依然無法獲得真正的93號元素以及更重的元素。哈恩和斯特拉斯曼改進了實驗的化學(xué)過程，而邁特納設(shè)計了新的實驗。這個時期，伊蓮娜和來自南斯拉夫的物理學(xué)家薩維奇（Pavle Savi?，1909-1994）也在跟進費米的實驗。他們發(fā)現(xiàn)，鈾被中子轟擊后，產(chǎn)物中有一種半衰期為3.5小時的元素，它可能是90號元素釷的一種同位素。薩維奇（1969年之前）丨圖片來源：公共版權(quán)哈恩等人認為這個結(jié)論很荒謬，它意味著慢中子轟擊鈾核，卻可以敲出一個α粒子。此外，這篇論文沒有充分肯定哈恩等人的貢獻，哈恩對此很不滿。哈恩三人組在此后的實驗中沒有發(fā)現(xiàn)這種半衰期為3.5小時的釷同位素。1938年1月，哈恩寫信給伊蓮娜與薩維奇，指出他們的研究有誤，希望他們撤稿。二人沒有回信，而是繼續(xù)進行實驗。他們發(fā)現(xiàn)可以用57號元素鑭作為載體，提取出這種元素。因此，伊蓮娜與薩維奇在第二篇論文中宣布，新發(fā)現(xiàn)的同位素不是釷的同位素，而可能是89號元素錒的同位素。施特拉斯曼勸哈恩讀一讀這篇論文，哈恩拒絕，以示抗議。1938年5月，哈恩在羅馬召開的一次國際會議上遇到約里奧，私下對他說：“我是看在你妻子是女性的份上，才沒有公開批評她。但她錯了?！奔s里奧回到法國后，將哈恩的這個意見轉(zhuǎn)達給妻子伊蓮娜。伊蓮娜與薩維奇決定將繼續(xù)做實驗。5月，他們發(fā)表了第三篇與鈾相關(guān)的論文。這次，他們確定中子轟擊鈾之后的產(chǎn)物，即新同位素，很像57號元素鑭。二人不相信92號元素鈾受到轟擊后會失去那么多質(zhì)子與中子，成為鑭。因此，他們認為這是一種新的，極難解釋的超鈾元素。1938年7月，邁特納逃離了德國，輾轉(zhuǎn)來到瑞典。從1933年開始，她長期處于被威脅的狀態(tài)，由于她出身于猶太家庭，受到了希特勒種族政策的迫害。不過那時候她還是奧地利人，處境還沒那么危險。1938年3月12日，德國吞并奧地利，邁特納失去奧地利國籍，成為德國人，德國的種族法令開始對她生效，她的科研資助很快被停止，并處于極度的危險之中。為了避免更可怕的迫害，邁特納從那時候就開始籌備逃亡，最后在7月僥幸逃離。1938年9月，伊蓮娜與薩維奇在《法國科學(xué)院院刊》（Comptes Rendus）上再次發(fā)表他們最近的結(jié)果。根據(jù)施特拉斯曼的回憶，他在讀了這篇論文后，確定伊蓮娜等人不僅沒有犯下任何錯誤，而且給出了一個正確的研究路徑。他激動地跑到樓上，對哈恩說：“您一定要讀這篇論文?！?/span>哈恩抽著雪茄，傲慢地答復(fù)：“我對我們這位有交情的太太最近寫的東西不感興趣?！笔┨乩孤⑽椿倚?，他堅持在哈恩面前敘述了伊蓮娜等人論文的精華部分。哈恩聽完被驚呆了。他把沒來得及抽完的雪茄直接放在桌上，立即和施特拉斯曼一起去重復(fù)伊蓮娜等人的實驗。這個故事有另一個版本（可能是哈恩提供的）：哈恩看到了伊蓮娜與薩維奇的新文章后，強烈質(zhì)疑里面的結(jié)論，并將其交給施特拉斯曼閱讀，然后二者開始重復(fù)這個實驗。不論是哪一種情況，哈恩與施特拉斯曼在1938年秋天開始了分離元素的實驗。哈恩與施特拉斯曼以鑭作為載體，來分離可能產(chǎn)生的錒之類的元素；他們同時以鋇作為載體，來分離可能產(chǎn)生的鐳之類的元素。他們很快確認出16種同位素，其中有3種是此前未知的。他們猜想這是鐳的同位素。11月10日，哈恩應(yīng)玻爾（Niels Bohr，1885-1962）邀請，訪問哥本哈根。他與玻爾、邁特納和弗里施（Otto Frisch，1904-1979）討論了這些結(jié)果。玻爾（1922）丨圖片來源：AB Lagrelius & Westphal弗里施是邁特納姐姐奧古斯特·邁特納·弗里施（Auguste Meitner Frisch，1877-1951）的兒子。他是一名優(yōu)秀的理論物理學(xué)家，曾經(jīng)在德國工作，在1933年希特勒開始推行種族迫害政策時，嗅覺靈敏的他立即離開德國，前往英國，跟隨布萊克特（Patrick Blackett，1897-1974）從事云室技術(shù)與人工放射性的研究。由于他的杰出才能，他又被玻爾招募到哥本哈根，跟隨玻爾做研究（為期5年）。弗里施參加曼哈頓計劃期間的證件照丨圖片來源：Los Alamos Laboratory這次討論沒有得到突破?；氐桨亓趾螅骼^續(xù)做實驗。經(jīng)過多日的實驗、測量與分析后，哈恩和施特拉斯曼于1938年12月16日與17日獲得突破性進展，他們確認：那3種未知的同位素可以從其他所有元素中分離出來，但不能從鋇的載體中分離出來，這意味著它們很可能就是鋇，而不是鐳。鋇是56號元素，比鈾輕40%。當(dāng)時認為鈾通過失去100多個核子而轉(zhuǎn)化為鋇是不可能的，因為中子不可能有這么多的能量剝離走這么多核子。哈恩與施特拉斯曼遇到了當(dāng)初伊蓮娜與薩維奇一樣的困境。12月19日，哈恩寫信給邁特納，將自己最新的發(fā)現(xiàn)告訴她。信中說：“我們越來越接近一個可怕的結(jié)論，我們的鐳同位素的行為不像鐳，而是像鋇……也許你能想出一些奇妙的解釋。我們自己也意識到它（鈾）不可能分裂成鋇?，F(xiàn)在我們想測試由'鐳’衍生出的錒同位素，它的行為不像錒，而是像鑭。”實際上，此時哈恩已經(jīng)傾向于認為鈾被中子分裂。通過貝塔衰變，鐳會衰變?yōu)殄H，鋇會衰變?yōu)殍|。只要判斷出產(chǎn)物是錒還是鑭，就可以判定出母元素是鐳還是鋇。哈恩和施特拉斯曼立即開始進行這個實驗。12月20日，哈恩打電話給《自然科學(xué)》（Die Naturwissenschaften）雜志編輯，將自己的發(fā)現(xiàn)告訴他，并希望對方能夠加急安排他的論文發(fā)表。編輯答應(yīng)將預(yù)定要出版的一篇論文推遲一期，為哈恩的論文騰出位置，條件是哈恩的論文必須在23日提交。哈恩安排一位打字員在22日敲出論文。12月21日，哈恩和施特拉斯曼確定了實驗結(jié)果：未知元素的衰變產(chǎn)物是鑭，而不是錒。所以，那個神秘的同位素確實是鋇的同位素，而不是鐳的同位素。這意味著，伊蓮娜與薩維奇當(dāng)時確認出很像鑭的同位素，實際上就是鑭的同位素，它是鋇衰變后的產(chǎn)物；只不過他們當(dāng)時不知道這一點，一直將其作為某種令人費解的超鈾元素。同一天（21日），邁特納收到了哈恩19日寫的信，她也被這個結(jié)果震驚了。她在回信中說：“目前，假設(shè)這樣一個徹底的破裂，對我來說很困難，但在核物理學(xué)中，我們經(jīng)歷了如此多的驚奇，因此我們不能斷然地說：'這是不可能的?！比缓笏嬖V哈恩，自己23日開始就要到孔艾爾夫度假，為期一周。如果有新的信件，請寄到那里。1906年（28歲時）的邁特納丨圖片來源：公共版權(quán)雖然尚未收到邁特納的回信，但兩天前還搖擺不定的哈恩此時已經(jīng)堅定了自己的信念：中子轟擊鈾之后，鈾核的產(chǎn)物之一是鋇，它在此后衰變?yōu)殍|。為了避免伊蓮娜與薩維奇也得到相同結(jié)論并搶先發(fā)表，哈恩已經(jīng)迫不及待，他們要立即公布自己的結(jié)果。21日，在尚未收到邁特納回信時，他又寫信給邁特納，說他們確認產(chǎn)物是鋇而不是鐳，哈恩還提到，雖然他認為這個結(jié)果在物理學(xué)上是荒唐的，但不能繼續(xù)保密了。論文將在明天或后天提交。并將寄一份副本給她。12月22日，論文呈到編輯部。這篇論文沒有署上邁特納的名。當(dāng)天晚上，哈恩將論文的副本寄給邁特納，此時他還不知道邁特納即將去度假。這篇重要的論文于1939年1月6日發(fā)表。12月23日上午，邁特納按照計劃離開斯德哥爾摩，前往孔艾爾夫。稍后，她的外甥弗里施來這里探望她。此時，邁特納還不知道哈恩昨天投出了論文且論文中沒有署她的名。由于論文副本與哈恩21日寄出的信都被寄往斯德哥爾摩，她在回到斯德哥爾摩之前也不可能看到信的內(nèi)容。在孔艾爾夫，邁特納將哈恩19日發(fā)的信交給弗里施。弗里施看完后，不相信鈾核被轟擊后會產(chǎn)生鋇，他跑出去滑雪。但是，邁特納對弗里施窮追不舍，邊追邊說。弗里施被說服了，決定考慮鈾核被分裂的可能性。他們想到伽莫夫（George Gamow，1904-1968）于1935年提出、卡爾卡（Fritz Kalckar，1910-1938）和玻爾于1937年完善的液滴模型。這個模型假設(shè)原子核像一顆液滴。但卡爾卡與玻爾認為重核液滴很難破裂。弗里施曾經(jīng)與卡爾卡相處過（見下圖；卡爾卡于1938年逝世，年僅27歲）。從左到右：普利斯特（Milton Plesset，1908-1991）、玻爾、卡爾卡、特勒（Edward Teller，1908-2003）與弗里施。1934年1月到8月，特勒以訪問學(xué)者身份在哥本哈根與玻爾合作，因此這張照片應(yīng)該拍攝于這個時期。丨圖片來源：AIP Emilio Segrè Visual Archives, Wheeler Collection 在液滴模型的框架內(nèi)，弗里施與邁特納合作進行了計算。他們發(fā)現(xiàn)鈾原子核的電荷大到足以幾乎完全克服表面張力束縛，因此處于瀕臨破裂的狀態(tài)，仿佛一顆不穩(wěn)定的水滴。中子的敲擊會導(dǎo)致鈾核變?yōu)闄E球形，然后其“腰部”變細，接著從“腰部”斷開，分裂為兩個小“液滴”。重核裂變的液滴模型。丨圖片來源：Hullernuc他們還計算出這樣的分裂會釋放出200 MeV（1 MeV=1.6×10-13焦）的能量。這個能量從何而來？邁特納想起自己曾經(jīng)聽過愛因斯坦關(guān)于相對論的報告，里面的質(zhì)能關(guān)系式使當(dāng)時的她大受震撼。邁特納用計算原子核質(zhì)量的經(jīng)驗公式計算出這個質(zhì)量差約為質(zhì)子質(zhì)量（1.67 × 10-27千克）的1/5，將這個值乘以光速的平方（9×1016），得到的值（3.0×10-11焦）幾乎等于裂變后產(chǎn)生的能量（3.2×10-11焦）。由于質(zhì)量差自身是估算值，因此3.0與3.2之間的微小差異可以忽略。這個結(jié)果意味著，鈾核確實可能發(fā)生了分裂。弗里施借用生物學(xué)領(lǐng)域的術(shù)語，首次用“裂變”（fission）這個詞命名鈾核分裂過程。回到丹麥哥本哈根后，弗里施將自己的發(fā)現(xiàn)告訴了玻爾。玻爾立即明白了，他用手掌拍了一下自己的額頭，說：“我們怎么這么白癡！”（“What idiots we have been !”）緊接著，弗里施使用云室（他在英國期間的研究領(lǐng)域之一就是云室技術(shù)）追蹤了反應(yīng)產(chǎn)物的軌跡，用直觀的、物理學(xué)的方式直接證明：中子碰撞鈾核后，確實發(fā)生了裂變。因此，諾達克4年前提出的假設(shè)是正確的：鈾被中子轟擊之后，發(fā)生了裂變。人們這才發(fā)現(xiàn)費米的團隊獲得的元素并不是超鈾元素，他們實際上首次發(fā)現(xiàn)了重核裂變，卻錯過了這個榮譽。伊蓮娜與薩維奇也錯過了這個榮譽。1939年2月11日，邁特納與弗里施的理論解釋論文發(fā)表在《自然》。2月18日，弗里施用云室證明鈾發(fā)生裂變的論文也發(fā)表在《自然》。然而，在這兩篇論文發(fā)表前，相關(guān)的消息就被玻爾傳到美國了。玻爾在1月抵達華盛頓后，將消息告訴了伽莫夫。伽莫夫打電話給特勒，說：“玻爾剛剛進來，他發(fā)瘋了。他說一個中子可以使鈾分裂?！碧乩樟⒓聪氲酱饲百M米團隊的那些難以解釋的觀測結(jié)果，立即就明白那就是裂變。1939年1月26日，玻爾與費米在華盛頓共同主持了第五屆華盛頓理論物理會議，鈾裂變的消息轟動了整個會場。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家很快就在實驗室重復(fù)出這個結(jié)果，并確定被慢中子裂變的鈾主要是鈾235。此前不久，玻爾還信誓旦旦地向弗里施保證自己會保密；然后，他又因為消息傳得太快而感覺對不起弗里施。消息傳到西海岸的加州伯克利時，正在理發(fā)店的阿爾瓦雷斯（Luis Alvarez，1911-1988）大驚失色，因為他與他的學(xué)生此前也一直在用中子轟擊鈾，以尋找超鈾元素，但一直沒有預(yù)料到會發(fā)生裂變。他讓理發(fā)師停止理發(fā)，直奔輻射實驗室。阿爾瓦雷斯把消息轉(zhuǎn)告給奧本海默（J. Robert Oppenheimer，1904-1967），奧本海默不相信，并從理論上論證鈾核不可能裂變。但實驗很快顯示了中子轟擊鈾之后釋放出的能量。15分鐘內(nèi)，奧本海默相信鈾核發(fā)生了裂變。1939年2月，哈恩和施特拉斯曼發(fā)表了第二篇相關(guān)論文，預(yù)測鈾裂變的同時可以釋放出中子。約里奧的團隊迅速證明鈾的裂變會釋放出2個以上中子，并在1939年3月發(fā)表了相關(guān)論文。很顯然，被釋放出的中子還會轟擊其他鈾原子核，這個過程會以滾雪球一樣的方式迅速持續(xù)下去，形成鏈式反應(yīng)，釋放出巨大的能量。此前，匈牙利核物理學(xué)家西拉德（Leo Szilard，1898-1964）在1933年也猜想了鏈式反應(yīng)實現(xiàn)的類似途徑，并設(shè)想這樣的鏈式反應(yīng)可以用于制造原子彈。他在1934年推導(dǎo)出鏈式反應(yīng)的方程式，并提出“臨界質(zhì)量”這個概念（當(dāng)裂變的物質(zhì)的質(zhì)量超過臨界質(zhì)量時，鏈式反應(yīng)就可以自我持續(xù)并產(chǎn)生核爆炸）。1915年時的西拉德丨圖片來源：Szilard, Leo (February 1979). "His version of the facts". Bulletin of the Atomic Scientists. 但是，那時沒有任何人（包括西拉德）預(yù)想到重核會發(fā)生裂變，西拉德也不知道什么樣的元素被轟擊后可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)。他想用中子把當(dāng)時已知的92種元素逐一轟擊，以找到答案。不過，他無法申請到資金進行這樣的實驗。西拉德提交了鏈式核反應(yīng)的專利申請。為了避免這個發(fā)現(xiàn)被德國等國用來制造核武器，他將專利交給了英國海軍部，并要求海軍部保密。到了1939年，人們已經(jīng)知道鈾在慢中子轟擊下會發(fā)生裂變并可能引發(fā)鏈式反應(yīng)。此后，美國、蘇聯(lián)、德國、英國與日本分別開始探討制造原子彈的可能性，并在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前不同程度地付諸實施。奧本海默在確信鈾核裂變后，只用了幾分鐘，就討論到鏈式反應(yīng)以及制造原子彈的可能性。一個星期后，他辦公室的黑板上就出現(xiàn)了原子彈的草圖。弗里施從丹麥回到英國，與佩爾斯（Rudolf Peierls，1907-1995）一起計算出純的鈾235發(fā)生鏈式反應(yīng)的臨界質(zhì)量約為1磅（約0.45千克）或2磅。1940年，弗里施與佩爾斯寫了“弗里施-佩爾斯備忘錄”（Frisch-Peierls memorandum），并將使用鈾鏈式反應(yīng)的炸彈稱為“超級炸彈”（super-bomb），他們還設(shè)計出世界上第一個原子彈暴轟模型。然而，當(dāng)時大部分了解核物理的人都不相信有任何國家可以在當(dāng)時制造出原子彈。天然鈾有三種同位素：鈾234、鈾235與鈾238。鈾238占99.28%，它會在快中子的轟擊下發(fā)生裂變，但裂變時釋放的中子能量低于入射中子的能量，無法讓其他鈾238原子核發(fā)生裂變，因此無法啟動鏈式反應(yīng)。鈾235可以發(fā)生鏈式反應(yīng)，但僅占天然鈾的0.714%。必須將鈾中大部分鈾238分離出去，讓鈾235的濃度提高到80%以上（最好達到90%），才能成為武器級鈾。這對工業(yè)能力的要求很高，動用舉國之力也未必能夠?qū)崿F(xiàn)。后來被制造出來的钚239也可以用來制造原子彈，但批量制造钚239也需要動用舉國之力。因此，玻爾到美國后就宣稱，原子彈不可能被造出來，除非美國成為一個巨大的工廠。1942年，費米在芝加哥大學(xué)制造出人類歷史上第一個核反應(yīng)堆，為人類和平使用核能奠定了基礎(chǔ)，也為此后批量生產(chǎn)钚239奠定了基礎(chǔ)。此后，曼哈頓計劃（Manhattan Project）迅速推進了原子彈的制造進程。目睹美國制造原子彈的進度后，玻爾沒有收回自己的話，他感嘆道：美國確實已經(jīng)成為一個巨大的工廠。1945年7月16日，美國成功引爆了世界上第一顆原子彈，其爆炸的威力相當(dāng)于2萬噸TNT炸藥的威力。不到一個月后，兩顆原子彈先后轟炸了廣島和長崎。1945年，哈恩因為“發(fā)現(xiàn)重核裂變”（“for his discovery of the fission of heavy nuclei”）而被授予1944年度的諾貝爾化學(xué)獎。邁特納與施特拉斯曼無緣分享這個獎項，這對他們并不公平。當(dāng)時，哈恩還在盟軍的拘留營，直到1946年才去領(lǐng)了獎。盡管因為發(fā)現(xiàn)核裂變而獲得諾獎，哈恩卻有遺憾。中子轟擊鈾之后，一部分鈾確實發(fā)生了裂變，但還有一部分鈾真的轉(zhuǎn)化為93號與94號元素，而哈恩當(dāng)時沒有檢測出來。與超鈾元素相關(guān)的諾貝爾獎后來落到了別人手里。在當(dāng)時激烈競爭、幾乎瞬息萬變的情形下，哈恩等人在確認鈾核裂變現(xiàn)象的同時，實在無法想到另一部分鈾核真的變成了超鈾元素。在科學(xué)研究領(lǐng)域，經(jīng)常是一個驚奇連著一個驚奇。[1] Richard Rhodes, The Making of the Atomic Bomb, Simon & Schuster, 1986 （中譯本：《原子彈出世記》，李匯川 等 譯，李匯川 校；世界知識出版社，1990年；《橫空出世》，江向東，廖湘彧 譯；方在慶 譯校，2023；此書還有上?？萍冀逃霭嫔缱g本，本文未參考此譯本。）[2] Robert Jungk, Heller als tausend Sonnen. Das Schicksal der Atomforscher (Stuttgart, 1956) （英譯本Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists，中譯本《比一千個太陽還亮——原子科學(xué)家的故事》，原子能出版社，1991年）[3]Winifred Conkling Radioactive!: How Irène Curie and Lise Meitner Revolutionized Science and Changed the World （中譯本《她們開啟了核時代：不該被遺忘的伊蕾娜·居里與莉澤·邁特納》，王爾山 譯 上?？萍冀逃霭嫔?，2017年）[4]Noddack, Ida (1934). über das Element 93. Angewandte Chemie. 47(37): 653-655. (On Element 93).[5]Joliot-Curie, Irène; Savi?, Pavle (1938). "On the Nature of a Radioactive Element with 3.5-Hour Half-Life Produced in the Neutron Irradiation of Uranium". Comptes Rendus. 208 (906): 1643.[6] Hahn, O.; Strassmann, F. (1939). "über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle". Naturwissenschaften (in German). 27 (1): 11–15. Received 22 December 1938.[7]Hahn, O.; Strassmann, F. (February 1939). "Nachweis der Entstehung aktiver Bariumisotope aus Uran und Thorium durch Neutronenbestrahlung; Nachweis weiterer aktiver Bruchstücke bei der Uranspaltung". Naturwissenschaften. 27 (6): 89–95.[8]Meitner, Lise, & Frisch, O. R. (1939). Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction. Nature. 143 (3615): 239–240.[9]Frisch, O. R. (1939). Physical Evidence for the Division of Heavy Nuclei under Neutron Bombardment. Nature. 143 (3616): 276.[10]Otto R. Frisch, "The Discovery of Fission – How It All Began", Physics Today, V20, N11, pp. 43-48 (1967).[11] Bethe, H. A.; Winter, George (January 1980). "Obituary: Otto Robert Frisch". Physics Today. 33 (1): 99–100
|
