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核武器神秘化的历史背景:探索原子核奥秘的坎坷历程

文章来源:经福谦   时间:2011-10-28 访问数:

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  20世纪初叶,物理学界发生了两场史无前例的革命。一场革命是普朗克建立了量子力学;另一场革命是爱因斯坦建立了相对论。这两场革命使科学进入了原子时代,对开创物理学乃至整个人类文明的新纪元,都产生了巨大的影响。

  到了30年代,核物理学获得飞速发展,成了当时最热门的学科。从1932年发现中子,到1942年建成核反应堆,1945年造出原子弹,这是科学技术史上发展最快的成就。近代科学发现,很少有像原子核分裂这样,对人类影响如此快速而深远。原子核分裂的新发现,之所以震惊世人,对一般大众造成极深刻的印象,主要还是由于原子弹爆炸显示了极大威力的缘故。这本来是科学知识力量最坏的一次展示,是很不幸的,但似乎却最为有效。

  从发现中子到造出原子弹,仅仅只有13年。在这短短的13年中,从闯进原子核的殿堂,到发现它释放能量的奥秘,大约占去了一半的时间;另一半时间则是技术与工程的发展过程。原子弹是科学推动技术与工程发展的结果。“原子弹之父”的桂冠给与了奥本海默,可是在他的前面,有许多科学家在崎岖的道路上攀登,不畏艰险地探索原子核的奥秘,那些充满着曲折和魔术般惊奇的故事,也是值得一提的。

  (1) 慧眼难识中子隐身术

  自从1919年卢瑟福发现原子核,并用α粒子轰击氮原子,得到另一种元素氧-17之后,许多报纸都以特大标题报道:“原子分裂了”、“现代炼金术出现了”。接下来便是科学家不断向原子核“开炮”的十几年。

  1930年德国物理学家博特(W.G.Bothe)用α粒子轰击硼和铍,发现一种奇异的射线,它不带电,穿透力很强,具有g射线的特征,能量很高,可穿透十几厘米的铅。他们按照以往的认识,总是把不带电的射线归类为g射线,把这个奇异的现象认为是一种硬g射线。当时的中国学者王淦昌,正在柏林大学迈特内(L.Meitner)教授指导下作研究生,他对有如此穿透能力的g射线发生怀疑。他认为他们在实验中用的是计数器,计数器不可能弄清这种辐射的性质。王淦昌向导师迈特内曾经两次建议,提出借用师兄菲利普的云室研究博特发现的这种射线。但不知什么原因,迈特内教授始终没有支持王淦昌的建议。

  1932年,英国科学家查德威克在一张α粒子轨迹的云室照片上,看到一条非常细的线条,正好在照片的中间,却不出现明显的来路。经过对云室粒子轨迹的仔细分析,认为这条细线只能是氢核的踪迹,一个由于某种碰撞或别的原因释放出来的氢核,而造成这种碰撞的粒子却没显踪影。但是查德威克深信,一定有这样一个粒子,否则就不可能出现这样大速度的氢核。然而这个粒子在云室中却没有留下任何痕迹,应该怎样来描述它呢:无影无踪,不可捉摸,却能给受轰击的原子核狠狠一击,使氢核从中放出来。

  查德威克首先验证了这种新射线在磁场中不会偏转,因此它是不带电的中性粒子。然后测定这种粒子的速度不到光速的1/10,从而排除了它是某种?射线的可能性。接着查德威克又通过巧妙的散射碰撞实验,确定这种新粒子的质量与氢核差不多。这样一来,查德威克获得了足够的实验证据,从而圆满地解释了过去所引起的一系列不解之谜。他认为:由于这种新粒子质量较大,所以很容易将石蜡中的氢原子核–––质子打出来;又因为这种粒子不带电,是中性的,在威尔逊云室中,这种中性粒子经过的路径中不会产生大量电离,不能引起水蒸汽的凝结,因此照片中拍摄不到这种粒子经过的迳迹。这种新粒子在整个过程中始终扮演着不露面的“隐身人”的角色。只有当它打出质子后,质子在云室中经过的路径上产生电离,使水蒸汽凝结,照片上开始摄得质子的迳迹,从而才暴露出它曾经出现过。

  查德威克发现中子的实验方法,也就是两年前中国学者王淦昌曾经向迈特内建议的方法。王淦昌当时只是一名研究生,没有条件实现自己的设想,因而失掉了发现中子的机会。真是可惜。

  查德威克发现中子,对原子核科学作出了重大贡献。因为中子不带电,用它打进原子核不需要克服任何电能的势垒,甚至能够穿过和分裂重元素的原子核。这样,查德威克为铀-235的分裂和制造原子弹开辟了一条途径。因此,人们普遍认为,中子打开了人类进入原子能时代的大门。中子的发现,在理论上带来了一系列深刻的变革。不久之后,德国物理学家海森堡(W.Heisenberg)提出了原子核是由质子和中子组成的模型。

  为了奖励查德威克的中子发现和研究中所作出的杰出贡献,诺贝尔基金会决定将1935年度的诺贝尔物理学奖颁给他。

  (2) 化学家发现了核裂变

  卢瑟福用α粒子轰击氮,得到了氧原子;查德威克用α粒子轰击铍,得到了碳原子。要是这样一直轰击下去,还能发现多少秘密呢?这项研究从英国传到法国,进行得十分热烈。

  居里夫人的女儿依伦娜,为了从事这项研究,付出了宝贵的生命代价。她是一位向原子核发起大进攻的著名的女炮手。她用α粒子轰击铝,得到了一种自然界并不存在的磷的放射性同位素,从而发现了人工放射性而获得诺贝尔奖金。可惜她由于长年接触放射性,因而得了不治之症,几个月后便不幸去世。

  在英国、法国进行的这些工作,后来转到了意大利,有一位叫恩里科·费米(E.Fermi)的年轻人接了班。费米小时就表现出非凡的才能,17岁读中学时就有大学研究生的水平了。后来在比萨大学读书,他每次走过那世界闻名的斜塔,都要肃然起敬,伫立片刻。费米26岁就任罗马大学理论物理学讲座首席教授。他团结了一批青年物理学家,自信伽利略的故乡在物理研究方面,不该落在英、法、德国的后面。

  依伦娜获得人造同位素的消息传到罗马,费米想,我不能总跟在人家后面,你用α粒子,原子核的正电荷必然抵消α粒子的一部分冲击力,我何不用中子呢!于是他找到了一种轰击原子核的新炮弹。

  科学家找到了一种新武器如同孩子得到了一个新玩具一样,便玩得不肯放手。1934年,费米开始了史无前例的核反应实验。这一群物理学家,玩起中子炮来哪肯罢休,他们对着所有能找到的元素都狂轰一顿,看看会出现什么变化。按元素周期表上列出的元素从氢开始轰下去。当他们把这门“大炮”对准最后一个元素铀时,却得到了一种意想不到的结果。好象经轰击后铀中产生的放射性元素不止一种,但每一种的数量又极其微小。这群年轻人都是物理学家,他们的化学知识不足,无法鉴别新元素。他们按以往的经验猜想,一定是制成了过去不曾发现的新元素。他们知道用中子轰击的方法是很容易把一种元素变为原子序数加1的下一种元素,铀的原子序数是92,新元素就叫它“93号元素”吧。于是他们认为突破了元素周期表的边界,找到了“第93号元素”,并把它命名为铀X。

  1936年,费米发现新元素的新闻在欧洲各报热闹了一阵。消息传到了德国、法国。伊伦娜将那个实验重做了一遍,新元素的化学性质不像周期表上93号位置应有的化学性质,它倒有点像57号元素镧的化学性质。这时德国威廉皇家化学研究所里以哈恩(O.Hahn)为首的科学家小组,有著名的斯特拉斯曼和奥地利籍女物理学家迈特内(就是前面所说的王淦昌的那个导师)。迈特内本来才华出众,但她曾经溜掉了发现中子的机会,这次她一眼就看出那个“93号元素”里有文章。但又深知光靠物理学家不能解开这个谜,便说服哈恩来选这个课题。

  斯特拉斯曼研究认为,这个“93号元素”倒有点像56号元素钡。他把这个想法告诉迈特内,迈特内却不屑一听地说道:“中学生也不会提这个问题,快把你的想法扔到纸篓里去吧!”因为过去用中子去轰击原子核,只能打掉一小块,只能是变成与原来的元素相近的元素,怎么可能一下从92号的铀退到56号的钡呢?斯特拉斯曼也觉理由不足,所以不敢再争。这是1936年的事。

  1938年7月,迈特内因为是犹太人,被迫离开了德国。12月17日,斯特拉斯曼翻阅新到的期刊,其中有伊伦娜关于“93号元素”是镧的一篇报告,这时他立即想起自己关于钡的想法。中午就去报告哈恩。哈恩将那篇文章扫了一眼,一见作者是伊伦娜,便不愿看下去。原来他们过去有一点小矛盾。斯特拉斯曼着急地说:“不,她说是镧,我说是钡,两个元素一个57号,一个56号,问题可能就在这里。”不管哈恩听不听,斯特拉斯曼将论文中主要的段落飞快地念出来。哈恩和伊伦娜同是放射化学专家,内行一听就知其中的深浅。哈恩急忙拉着斯特拉斯曼说:“走,快到实验室去!”他们两人反复测试,就化学性质来说,这个“93号元素”是钡确定无疑。

  一个小小的中子怎么能把铀原子打出近一半呢?物理学家对此怎么解释?这时他们更加怀念那位被希特勒赶走的伙伴–––迈特内。哈恩遇到这个新问题,便立即写信给迈特内。迈特内真不愧为核物理专家,她立即明白了这是怎么回事–––铀原子核被中子从中一劈两半了!

  迈特内把这个消息告诉了她的外甥青年物理学家弗里施,弗里施不敢相信。他们立即到丹麦请教活着的最伟大的核物理学家–––玻尔。玻尔正在穿大衣,旁边有一只手提箱,正要出远门去美国讲学。迈特内忙说:“我们有一件重要的事要立即向您请教,可以吗?”玻尔说“我们可以有半个小时来谈话。”迈特内说:“从德国来的消息说,哈恩已经用中子将铀核一分为二,但是现在还不敢最后肯定,哈恩自己也把握不大。”

  玻尔一听,立即询问实验的情况。迈特内详细谈了他们过去做的实验,又拿出了哈恩写的信说:“看来这是可能的,伊伦娜在法国也得出了近似的结论。”玻尔说:“这件事非同小可。它将给物理界,不,给整个社会带来什么变化就很难预料了。现在你们要在德国之外立即进行实验,关键是要证实裂变发生时是否放出巨大的能量。”玻尔要赶火车,忙起身穿大衣,又说:“你们抓紧实验,我立即将这个情况带给爱因斯坦先生。”他匆匆忙忙地跑到火车站,差几分钟就要误车了。

  哈恩与斯特拉斯曼于1938年圣诞节前夕宣布了他们实验分析的结果。1939年1月,玻尔刚踏上美国国土,迈特内和弗里施的电报也到了:“实验已经做完,和设想的完全一致,铀在分裂时能放出大量的能量。”这是释放原子能的第一声春雷。在此之前,人们对释放原子能的争议中,怀疑论者占上风,不少人以为要打破原子核,需要额外供给强大的能量,根本不可能在打破的过程中还能释放出更多的能量。

  从裂变发现的经过,我们看到,费米已窥视了“铀核裂变现象”的曙光,只是由于他们受到定势思维的束缚,习惯于按照老一套方法分析事物,使他毫不犹豫地断定铀俘获中子后,只能生成比铀更重的“超铀元素”,而不会生成比铀轻的其他元素。旧观念往往是新发现的强大阻力,已现端倪的“铀核裂变”,就这样轻易地与核物理学家费米失之交臂,而成了化学家哈恩的重大发现。

  铀核裂变的研究引起了各国科学家极大的注意。1946年中国科学家钱三强、何泽慧在法国居里实验室,先后分别发现了铀核裂变的新方式–––“三分裂”和“四分裂”现象,在科学界引起了很大的反响。重核裂变及其伴随放出巨大能量的发现,开创了人类利用原子能的新纪元,对改变人类生活以及改变世界局势产生了十分惊人的影响。

  (3) 费米偶得慢中子反应

  费米领导的小组进行了那个“93号元素”实验,可惜未能穷根究底。发现核裂变这个实验让哈恩接了过去,并在1944年获得了诺贝尔化学奖。人们都替费米感到遗憾。但是费米领导的小组作了那么多的实验研究,王牌何止这一张。

  费米实验组的研究人员拉赛蒂用中子轰击银板时,发现在木桌上做实验和在金属桌上做实验,银板的放射性不一样。他向费米汇报,费米想了想,认为放射源周围的物体对轰击效果有影响。叫他们在银板前挡一块铅板试试。准备好后,费米将中子源对准银板,结果计数器响得更快。费米又叫换一块轻物质–––石蜡板,把中子源放进去一照,结果计数器发疯似地响过不停。他们都惊得目瞪口呆,整个大楼的人都来看这个怪现象,大家不可思议,都说“活见鬼了!”只这么稍稍放一块石蜡,银的人工放射性就增加了100倍。这是1934年10月22日中午的事。吃饭时年轻人大声争论,吃了三个小时,桌上东西剩下不少,但合理的解释一个也没有。

  这天,费米夫人带孩子到乡下度假未归,费米一人倒好安安静静地思考着白天的事。他踱着步子,想这石蜡究竟有什么魔力?石蜡里无非是含有大量氢,氢核是质子。想到这里,费米突然用手把脑门一拍说:“问题可能就出在这里。”

  原来他想到氢核是质子,质量与中子差不多。中子源被封在石蜡块里,中子射向银板之前先要碰上石蜡中的质子,这一撞就要损失能量,减慢了中子的速度。正像游得慢的鱼容易让人抓住一样,这种慢中子比快中子更容易被银俘获,因此银的人工放射性就大大增加。他想,这只是一种假设,如果别的含氢物质也有这种效应,那就对了。

  第二天,他们到物理楼后面系主任柯比诺私人花园的鱼池里重做这个实验。中子源和银板慢慢沉入水中,计数器又立即疯狂地叫起来。年轻人忽地一下狂喊胜利,并嚷嚷要给《科学研究》写信。吵闹惊动了楼上看书的柯比诺教授。柯比诺下去仔细听了他们的汇报,又看了实验,突然火起来:“你们疯了?难道没有看出它的工业用途吗?这是了不起的发现,你们应该先申请专利!”费米他们没有想到小鱼池里却得到了一个大发现。

  小鱼池里发现的慢中子反应也是一件足够轰动物理界的大事。1938年11月10日晚上6点钟,从斯德哥尔摩打来长途电话:“是费米教授吗?我是瑞典科学院,首先祝贺您获得本年度诺贝尔物理学奖金。现在向你宣读奖状:奖金授予罗马大学恩里科?费米教授,以表彰他认证了由中子轰击所产生的新的放射性元素,以及他在这一研究中发现了由慢中子引起的核反应。”

  这本来是一个特大喜讯,可是在这喜讯之前,收音机里刚广播了那条杀气腾腾的排斥犹太人的新闻。费米夫人是犹太人,墨索里尼的排犹政策已使她难以在这里生存了。费米放下电话,喜忧参半,沉思片刻,然后拉着夫人的手说:“好机会,我们就乘出国领奖之际到美国定居,那里已经有爱因斯坦等一大批科学家,这样对我们个人和事业都有好处。”1939年1月2日,他们安全地到达了美国。


   本文摘自《揭开核武器神秘面纱》

   经福谦 陈俊祥 华欣生著

   清华大学出版社 暨南大学出版社

   出版时间:2002年7月

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