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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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点燃“原子核”之火

2013-10-11 21:29:49

1938 12 10 日,瑞典国王古斯塔夫五世向意大利物理学家费米颁发了诺贝尔奖。瑞典皇家科学院泼莱吉尔教授宣读了获奖理由:费米“用中子轰击法制成新的人工放射性元素,以及发现原子核吸收慢中子所引起的核反应”。那么,这位年仅37 岁学者的研究成果,究竟有何重大科学意义呢?这就说来话长了……

 

点燃“原子核”之火

王震元

 

鱼池实验大发现  闪光演讲蒙阴影

19 世纪末开始,电子、质子、中子以及元素放射现象的发现,特别是元素的蜕变——从镭中产生了氡,氡又变成了氦,使人们感到原子并非元素的最小粒子,它一定具有更复杂的结构。当时公认的道尔顿原子学说也不再被奉为“全科圣经”。

1933 10 月,居里夫人的女儿及女婿——小居里夫妇,用α粒子(含有2 个质子和2 个中子的氦原子核)轰击铝原子核。他们认为反应过程是:铝放出中子后,变成具有放射性的磷同位素,然后放射出正电子而产生稳定的硅同位素。但是,当时大多数物理学家对此都持怀疑态度。因为在此之前,尚未出现过人工放射性元素。于是,他们把经过α粒子强烈轰击的铝迅速溶解在盐酸中,并产生氢气。如果真有放射性磷的话,那么就会生成磷化氢。磷化氢也是气体,这种气体同样应该具有放射性。实验的结果正是这样。同样,硼和镁受到α粒子轰击后,也会产生放射性元素。于是,1934 11 15 日,在法国科学院的会议上,与会者终于以热烈的掌声一致通过了他们的报告。在短短几年中,小居里夫妇制成的放射性元素多达400 余种。1935 12 月,小居里夫妇由于发现人工放射性元素而荣获诺贝尔化学奖。

但是,费米认为α粒子并非理想的“炮弹”。由于这种粒子带2 个单位正电荷,进入原子核后,与质子的正电荷必然互相排斥,因而射中的概率并不高。于是,他决定改用不带电的中子做“炮弹”,并按照元素周期表的顺序,逐个轰击。但从氢一直轰击到氧都毫无反应。费米并不动摇,继续进行实验。轰到原子序数为9 的氟时,终于获得了氟的同位素。这种同位素具有放射性,能放射β射线——带负电的电子流后,变成了原子序数为10 的氖。

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一个偶然的机会,费米发现如果在中子源和铝元素之间,插上一块石蜡的话,银的放射性竟提高了100 倍。他认为,由于石蜡中含有大量氢,氢核是质子,中子与质子碰撞后失去了一部分携带的能量而大大降低了速度。这种慢中子将比快中子有更多机会被一个银原子俘获。就像一个飞快的高尔夫球可能从球洞跳过去,而一个慢慢滚着的高尔夫球却有更多机会进入球洞一样。按照这种逻辑,任何含氢成份高的其他物质都会产生同样效果。于是,费米和助手们快步下楼,将银筒和深藏在长玻璃管中的中子源放进位于实验室后花园的一个金鱼喷水池中进行试验,不出所料,水也把银的人工放射性提高了许多倍。结果完全证实了费米的推断。

慢中子效应的发现,大大提高了人工放射性元素的生产效率,并使之完全有可能代替天然放射性元素。更为关键的是,它为核能的释放和利用创造了必要条件。这当然是后话。

费米还发现,周期表中原子序数较大的重元素,经中子轰击后都生成放射β射线的同位素。这就意味着新的原子核中增加了1 个单位的正电荷,变成了原子序数增加1 的另一种元素。由于铀是周期表上当时已经发现的最后一种元素,原子序数为92,而他用中子轰击铀后,确实发现了放射β射线的同位素。于是,费米在荣获诺贝尔奖当天,向到会的公众明确宣布:“我们的结论是,这些载体(即放射β射线后的新元素)是原子序数大于92 的某些元素。在罗马,我们常把93 94 号元素称为镎(NP)和钚(PU)。”然而,此番发言将使这篇闪耀着创造性智慧光芒的演讲词蒙上一层阴影。这是费米始料未及的……

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“核裂变”哈恩困惑  迈特纳雪地顿悟

早在1934 年,德国《应用化学》杂志上就发表了题为《论第93 号元素》的论文,作者是女科学家诺达克。她批评费米的“证明方法是不正确的”。因为他仅仅证明了新的粒子放射物“不是铀到铅之间的元素”,并没有“与全部的已知的元素来进行比较”。她特别指出,用中子轰击重核,可能分裂成几个大块的碎片。当然,这些碎片必然是已知元素的同位素,而不是与重元素相邻的元素。但费米并不同意诺达克的见解。因为能量不足百分之几电子伏特的中子,竟会使可以经受几百万电子伏特能量轰击的铀原子核分裂,完全是不可思议的。著名的德国放射化学专家哈恩的见解,与费米可说是“英雄所见略同”。

但是,实践是检验真理的唯一标准。据我国著名科学家钱三强回忆:1938 年秋,他听过居里夫人女儿的一个学术报告。主要内容是她和南斯拉夫化学家萨维奇,在细心分析中子轰击铀的产物过程中,发现了放射性元素镧。镧的原子序数只有57,与93 号元素的原子序数相距甚远。可惜他们并未继续深究下去,仅仅匆忙发表了实验结果,错过了一次重大发现的机会。

同年12 7 日,哈恩从助手斯特拉斯曼那里读到了这篇报告。他连一支雪茄烟都没有抽完,立即夜以继日地进行中子轰击铀的实验。经过反复精密的分析,确认反应产物中并无原子序数接近铀的元素,而是两种大小相当的元素,其中之一就是原子序数为56 的钡。时间转眼到了12 22 日,他们把实验报告寄给了德国《自然》杂志。哈恩此时的心情十分矛盾:一方面,他感到这是一个十分重要的发现;另一方面,他和费米一样,无法从理论上予以解释。于是,哈恩写信给与自己共事已达30 年之久,目前由于犹太血统受到希特勒迫害,而正在瑞典避难的女物理学家迈特纳。她的外甥弗里施在《残缺的记忆》一书中写道:“今天正是圣诞节。当我在哥德堡附近一个名叫孔格尔夫的小镇上的一家小旅馆中见到姨妈时,她正在吃早饭并不时地对餐桌上刚收到的哈恩来信凝神沉思。说实话,我是抱怀疑态度的。因为当时科学家们的共识是:有一种强大的引力把众多的质子和中子束缚在原子核之内。不然的话,质子和质子之间的正电荷排斥力早已使它们各奔东西了。而一个运动速度并不快的小小中子竟有如此巨大的力量把原子核一劈为二,真是不可思议!但是,姨妈却深信不疑。因为据她了解,哈恩是一位作风十分严谨的化学家。没有非常充分的证据,他是绝不会轻率地宣布产物中发现钡的同位素的”。“后来我们在一起滑雪的过程中,”弗里施继续回忆道,“看得出姨妈在继续思考。她谈到了丹麦的玻尔提出的‘核液滴’模型。液滴可以蒸发而不会被打碎。但是,原子核这个‘液滴’带正电荷,与真正液滴不同。如果受到某种外因扰动后液滴伸长,中间逐渐变细而质量就会向两头集中。最后由于两头的正电荷相互排斥,克服液滴的表面张力,大液滴就被撕裂成两个较小的液滴。这样‘核液滴’就可以变成两个碎块了。这时,我发现姨妈眼中闪烁着奇异的神采,并坐到雪地的树桩上飞速进行演算。她的记忆力使我钦佩之至。她算出:铀核质量和两个碎块质量之差值约为1 个质子质量的1/5。根据爱因斯坦质能关系式E(能量)=m( 亏损”的质量)c2 (c为光速,约为30 万千米/) 的推算,1/5 质子质量约等于200兆电子伏特(MeV)。这么大的能量应该使两个碎块具有极大的运动速度。于是,我在第一时间回到哥本哈根,果然在电离室观察到了裂变碎块引起很高幅度的脉冲,它们所带的能量与姨妈的推算完全一致。于是我与已在斯德哥尔摩的姨妈打了几次长途电话,通报相关情况,写成论文并发表于1939 年初的《自然》杂志上。”弗里施在论文中描述这一现象时,借用了生物学上细胞分裂的术语——裂变。

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当弗里施根据姨妈的要求,把这一重大发现向已经登上远洋客轮“杜丁荷姆”号,准备去美国的玻尔通报时,这位一向温文尔雅的原子物理学家,竟用手掌拍打自己的脑袋,大声地说:“我怎么这么笨?没有想到这一点呢?”

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“曼哈顿”再创辉煌  喜重逢劫后沧桑

当费米获悉核裂变的信息后,既为自己的失误深感遗憾,更敏锐地意识到这一发现的深远意义。他根据玻尔的重核裂变理论经过详细计算,指出:当1 个中子打碎铀核时,会放出2 个中子,这2 个中子又可以打碎2 个铀核,放出2 倍的能量和4 个中子,这4 个中子又可以击碎4 个铀核放出4 倍的能量,并再放出8 个中子……这样的一连串的裂变反应可以自发地持续下去。费米和其他科学家们,在此后不到2 个月的时间内,分别证实了链式反应不但可能,而且速率极高。也就是说,核裂变反应一旦实现,在极短的时间内就会释放极大的能量。这样,人类对这种链式反应的速率就面临两种选择:控制——核能将变成一种新的巨大能源;不控制——核能必然成为大规模杀伤性武器。

1939 年初的欧洲,战云密布,如果核裂变被希特勒所利用,必将产生灾难性的后果。于是,一批包括流亡到美国的匈牙利籍西拉德在内的科学家,说服爱因斯坦写信给罗斯福总统,终于抢先一步,在1942 年全面启动了研制原子弹的浩大又绝密的“曼哈顿工程”。

为了论证链式反应的实际条件,美国政府决定首先建造一座可控核裂变装置,并任命芝加哥大学康普顿教授总负责。由于妻子是犹太人而受到牵连到美国避难的费米,进行现场指挥。

费米的任务,可以形象地比喻为:设法点燃一堆干柴,让它持久地燃烧。怎样把铀点燃呢?这次费米用的不是石蜡和水,而是石墨。为了防止中子释放过多而爆炸,又用镉来“吃掉”它。1942 12 2 日,芝加哥大学足球场看台下面的一个室内网球场上,这座反应堆开始运转。它是由一层石墨、一层铀相间隔堆成的蜂窝状装置,共57 层,高6.5 米,长度近10 米,呈扁球形。当日上午9 45 分,费米下令开动反应堆,到下午3 20 分,不断抽出镉棒,使其达到稳定状态。正常的链式反应持续了28 分钟。这个反应堆开始时的功率虽然很小,只有0.5 瓦。10 天之后,也只能点亮几盏家用电灯,但这却开辟了一个新时代——原子能时代!

只要明白了原子能反应堆的原理,就很容易理解:只要把这种链式反应由“可控”转为“不可控”,就能生产原子弹了。具体设计思路是:把两块铀235(或钚239)分别隔开,置于金属圆筒中,同时放置一些普通炸药。外面裹一层中子反射层和弹壳。只要引爆炸药,两块核材料就会相撞达到“临界质量”,瞬间发生核爆炸并放出具有毁灭性的能量。1945 7 16日,世界首次核试爆成功。同年8 6 日,第一颗原子弹投向日本广岛,当天就夺去了约8 万人的生命;89 日,第二颗原子弹投向长崎,又造成重大伤亡……

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那位首先发现重核裂变反应的哈恩,虽然早已于1944 年就被确认获得诺贝尔化学奖。但是,他由于有纳粹德国原子能开发委员会重要成员的身份,因而一直在战俘营中受到严格审查,主审他的女检察官正是迈特纳。无罪开释后,哈恩才于1946 12 10日真正享受到这一殊荣。两人在庆典结束后的盛大晚宴上重逢时,相隔已有8 年之久。他们在惊喜之余,回首往事,真是别有一番滋味在心头……

更加发人深思的是,哈恩、迈特纳、被誉为“原子弹之父”的奥本梅默和由于在“曼哈顿工程”中做出重大贡献而被授予美国国会颁发的勋章的费米,以及其他许多科学家在二战结束后,都不约而同地投身到反对核武器的洪流中去……











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