費米與第一座核反應堆
發布:楊明東 發布日期:2022/10/15 信息來源:百度網頁

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一、費米的少年時代

  費米出生于意大利,從小喜愛書籍,酷愛學習。羅馬有一個著名的百花廣場,每逢星期三這天,許多商人都來到這個露天市場作買賣,從活魚到鮮花,從古董到舊衣服,應有盡有。費米對百花廣場很熟悉,每星期三他總要來這里。兩只滴溜溜的大眼睛在五光十色的地攤上搜索。

原來,從小就喜歡讀書的費米根本不滿足課堂上所學到的那點知識,他對數學和物理特別感興趣。但是一來他沒有什么零用錢,二來他的父親又沒有藏書,費米就只好到百花廣場買一些價錢很便宜的舊書。有一次,費米如獲至寶地買到了一部用拉丁文寫的論述數學物理的書,他如饑似渴地“啃”著這本大部頭著作,被書中介紹的各種有關波的傳播、行星的運動、海洋潮汐的循環等知識深深地吸引住了。

當時,費米家住的房子里沒有取暖設備,一到冬天屋子里冷得就像冰窖一樣,費米又愛生凍瘡,手上常常凍得青一塊紫一塊??墒?,費米不管多冷也堅持學習,他把雙手墊在屁股底下取暖,而用舌尖舔著去一頁一頁翻書。

書籍使費米著了迷,也打開了他的眼界,使他知道世界上還有那么多誘人的秘密,還有許許多多至今尚未揭開的未知領域。就在上中學的時候;一個偶然的機會使費米得到了比較系統的科學訓練。

費米父親的一位同事,發現費米頭腦靈活,思維敏捷,在數學和自然科學方面有著非凡的才能。于是他就有意識地培養費米,把自己的藏書,循序漸進地借給費米,使他一步一步地打下了牢固的基礎。從那時起,費米就立下了要當一個物理學家的志向。

二、難倒教授的學生

19I8年,17歲的費米以優異的成績考入比薩王家高等師范學院。在入學考試時,他寫了一篇論述弦振動的論文,他的豐富的物理學知識使主考的一位教授感到驚訝。他特地找費米到辦公室里作了一次非正式的談話。從那時起費米在物理學領域的才智,就引起了學術界的注意。

大學里活躍的學術空氣和輕松的學習生活,使得費米原先內向的性格有了很大的變化。在他身上,已難以找到童年時代那種沉默寡言、害羞伯臊的痕跡。小學時代那個怯生生、不合群的少年,現在變成一個愛開玩笑,有一副結實體治的年輕人。他跟同學們一起去登山遠足,一起活躍在足球場上。

比薩給了費米豐富的知識,也激勵著他為實現遠大抱負而奮斗。

那盞當年被伽俐略細心觀察過的吊燈,依然在微微地擺動著,它象征了時間的流逝。

“數理科學是大自然的語言”,伽俐略名言在費米耳邊盤旋;他渴望能像伽俐略一樣,不但做大自然的知音,而且要用這種最美妙的語言去譜寫科學史中新的篇章。伽俐略的光輝業績,意大利民族文化的那段金光閃閃的歷史,不時在激勵著他。費米不再滿足于多讀幾本書,他要繼承伽俐略的業績,填補意大利物理學史上的空白。

每當經過比薩的大教堂,費米總要停下來凝視著那盞被伽例略細心研究過的大吊燈,默默地想:“在現代物理學的洪流中,我們伽俐略的子孫們,也應該有偉大的作為?!?/span>

1922年夏天,費米完成了畢業論文。11位主考人傾聽著他的畢業論文答辯。費米用盡可能簡潔的語言,闡明論文的觀點。內容實在太艱深,連學識廣博的主考教授有時也難聽懂。顯然,費米的論文已超出了某些老師的理解力。

論文答辯結束了,主考先生宣布:“費米的論文水平很高,可得一個最高分?!?/span>

三、科學無坦途

費米很想在羅馬大學從事物理學的研究,但這僅僅是希望。人生的道路并沒有人們想象得那么美妙,費米沒有如愿。作為愛因斯坦信徒的費米,遭到反愛因斯坦相對論考官的冷落。

分子、原子是多么微小,芝麻大的一滴水中,大約就有一億億個分子。若要掌握那一個個分子和原子的運動規律,那該是多么困難。

當人們處身于車水馬龍之中,繁華的大街顯得那么雜亂無章,汽車、行人來來往往,使人眼花繚亂??墒?。如果登上高樓之頂,往下鳥瞰時,那種亂七八糟的景象會頓時消失,呈現在我們眼前的車流人行卻是井井有序。

科學家們研究原子、分子也有類似情況,他們要區別的往往并非是某一個原子或分子的行為,感興趣的卻是那一群粒子的洪流,這種研究大量微觀粒子所組成的系統的學科就叫做統計力學。

后來,費米提出了一個新的統計理論,成了微觀世界最重要的規律之一。那時費米才24歲。他成為物理學界的一顆明星。

教育部長看準了費米的才華,特別建議在羅馬大學設立一個理論物理新講座,以便費米出任。1926年,25歲的物理學教授費米登上講臺,開始了他的第一堂課:“物理學,當今正處在一個新生的時代,上一個世紀還認為是正確的東西,今天已暴露出了它的局限性……我們必須全力以赴去獲得這些新知識……”。

費米的科學方法立足于鼓勵學生培養創造性,而反對那種分數加名利的窒息青少年思想的陳舊教育手段。費米團結了一批血氣方剛的青年科學工作者。

費米教授和學生羅拉相識并相愛。羅拉是一位有著猶太血統的可愛姑娘,她佩服費米的淵博知識和自信心。他們結婚后,一切家務由羅拉照料,費米消除了后顧之憂,更專心于他的科學研究。后來費米解釋了原子核衰變現象,并且成功地提出了弱相互作用理論。

但是,意大利法西斯的崛起,瘋狂的戰爭叫囂打破了人們的美夢。歇斯底里的排猶太運動,使有著猶太血統的羅拉和費米一家受到了嚴重的威脅。這是1935年,大街上,一隊隊法西斯匪徒正在游行,不斷地狂呼著:“絞死猶太人!”“猶太人滾出去!”“墨索里尼萬歲!”等口號。

沿街的墻上,觸目驚心的標語映入眼簾:“一手持書,一手拿槍”,“墨索里尼永遠正確!”

此刻,費米再也無心去思考中子和原子核了,擠滿了他腦子的是怎樣才能生存下去。

四、生死逃亡

費米過去很少過問政治,可是現在,老伽俐略受到迫害的命運已擺在費米的面前,他不得不考慮自己的命運。

走,既然羅馬已無他生存的余地,那就走得遠遠的,到大洋的彼岸去。

1938年11月10日,一陣急促的電話鈴聲,把費米、羅拉從夢中喚醒。

瑞典科學院已決定授予費米為該年度諾貝爾物理學獎金,以表彰他發現了由中子轟擊所產生的新的放射性元素,以及他在這一研究中發現了慢中子引起的核反應,他對超鈾元素的研究也具有開拓意義。

對于正想逃離意大利的費米一家,這可是一個天賜的良機。這樣一來費米就可以冠冕堂皇地出國了。12月6日,費米來到羅馬大學,最后看了一眼那間蒙上了灰塵的實驗室,深深地鞠了一躬,隨即匆匆向火車站走去。費米和妻子羅拉離開了意大利。

費米在瑞典首都斯德哥爾摩領取了諾貝爾物理學獎金。并于1939年1月2日和妻子羅拉一同到達美國紐約。

這一年,費米又迎來了丹麥首都哥本哈根的著名科學家玻爾,并且從他那里聽到了一個既驚人又可伯的消息:德國的哈恩及斯特拉斯曼實現了鈾核的分裂。

原子核的研究正面臨著一個新的轉折點,人類應用原子核內能量的日子已為時不遠。

費米從玻爾那里得知這個消息以后,二話沒說,就徑奔哥倫比亞大學實驗室,立即動手重復做他五年前做過的沒成功的試驗。

許多物理學家加入了費米小組,協同作戰。幾個星期以后,消息傳出,實驗結果完全同玻爾他們預言的一樣:一個中子把一個鈾原子核轟擊成兩半,釋放出能量,同時又跑出兩個以上中子,這些中子又去轟擊更多的原子核。分裂,分裂,越來越猛烈的分裂。能量,能量,越來越多的能量。費米把這種現象稱為連鎖反應(或鏈式反應)。鈾的連鎖反應就是炸彈!而且是一種新的威力無比的炸彈,它可以把千萬條生命瞬間燒成灰燼。費米一想到這里,心中不禁打了個寒噤,要是德國的希特勒、意大利的墨索里尼這兩個戰爭狂人掌握了這個秘密,那人類將遭受多大的災難。

戰爭烏云已籠罩著整個大地,但原子核的分裂也同樣使科學家們憂心仲忡,因為原子核釋放的超級能量,不但可以給我們這個能源日益缺乏的世界帶來光明,而且它可能把人類推向災難的深淵。

后來,從匈牙利逃到美國的西拉德等科學家找到了費米,決定起草一封給羅斯??偨y的信,請愛因斯坦簽名,敦促美國籌劃研制原子彈的工程計劃。這個建議被羅斯福所采納。并且把研制原子彈的計劃稱為“曼哈頓工程計劃?!?/span>

不久,日本偷襲珍珠港事件爆發,美國同日本、德國、意大利宣戰。美國政府進一步大力推動實施原子彈研制的曼哈頓工程計劃。

當時在美國的費米一家巳經成為敵國僑民,因為他來自法西斯一方的意大利。美國戰時的憲法規定,這些敵僑的言行將受到限制。

但費米同時已是一位成就卓著的核物理學家,原子武器的研制,沒有費米參加可不行,他的朋友們千方百計設法使費米擺脫這些外加的限制。

核計劃的主要負責人康普頓教授向政府部門竭力推薦費米:“事實很明顯,如要進行核反應堆的研究,那一定要有費米領導。他在理論上的修養和在實驗上的經驗,在我們中間是沒有一個人能與他相比的?!?/span>

推薦獲準。費米著手領導建設第一座核反應堆。

五、費米與第一座核反應堆(上)

原子彈爆炸的能量和核反應堆的能量雖然都來自原子核裂變,但這是兩種不完全相同的過程。如作一個對比,原子彈就好像我們把一根火柴丟進一桶汽油中,引起猛烈的燃燒和爆炸,而核反應堆猶如將汽油注入汽車發動機慢慢消耗一樣。原子彈是由原子核里產生的快速中子在一瞬間引發的,而反應堆中的中子速度必須先降低,然后加以控制利用。

制造原子彈,必先建造核反應堆。因為設計原子彈所需要的許多重要數據和機理,必須事先在反應堆的實驗中取得。

1942年11月,費米出其不意地在芝加哥大學運動場的西看臺下忙碌起來。

1942年12月2日,上午8點30分,參加這項研究的40余位科學家聚集在北面的看臺上。

9點45分,費米下了第一道命令:“啟動!”

下午3點20分,反應堆進入自持的工作狀態。

“勝利了!勝利了!”

“反應堆成功了!”

事情說來也湊巧,1492年是意大利航海家哥倫布橫渡大西洋到達美洲新大陸;而1942年,又有一位意大利“航海家”登上另一塊“新大陸”——人類終于首次實現了有控制地釋放蘊藏在原子核中的巨大能量。1492年和1942年只是中間兩個數字顛倒一下,這不能不說是一種巧合。

人類第一次利用原子核反應堆,直接從原子核中提取了能量,凝聚了很多人的心血。包括核技術在內的現代高技術,都是綜合性的科學技術,要對人類作出可觀的貢獻,對社會產生效益,決不是靠少數科學家的天才或努力可以完成的,必須有科學家及工程師的群體齊心協力、共同奮斗才能實現。

因此,我們將從費米領導建設人類利用原子能的第一個核反應堆談起,看看這個科學家工程師群體是如何實現這項偉大事業的。

“在芝加哥大學的校園里,有一所破舊而古老的建筑。像個有炮塔和城垛的足球場的西看臺。第一座原子核反應堆就是在這看臺下面的室內網球場里,由一個科學家小組建造的。當時,B于離指望達到目標的日期異常緊迫,他們都以最快的速度,在極端保密的方式下,進行著這件工作。那時,第二次世界大戰正打得吃緊,在網球場里工作的那些人,心中明白他們的探索將使得原子武器的研制成為可能。經過極為艱苦的努力,他們終于成為第一批目睹物質確可完全按照人類的意愿而放出其內部能量的人。在這當中,我的丈夫費米是他們的領導者?!?/span>

這是費米的夫人羅拉講的一個真實回憶。

如今,來到芝加哥大學的游人都會在這座建筑的外墻上,看到如下的碑文:

“1942年12月2日”

“人類于此首次完成自持鏈式反應的實驗并因而肇始了可控的核能釋放?!?/span>

這就是原子時代的出生證書。

六、費米與第一座核反應堆(中)

首次證實原子核自持鏈式反應的歷史,也像其他科學成就的歷史一樣,起源于人類最初對宇宙本性的哲學思索。在這一科學成就的背后,經歷了無數艱苦的探索。

1939年1月16日,玻爾到美國普林斯頓高級研究所和在那里工作的愛因斯坦探討鈾裂變問題。然后,又和費米在華盛頓大學舉行的一次理論物理學會議上交換了各自的研究心得。在這次交談中,關于鏈式反應的概念開始成型。

3月,在哥倫比亞大學工作的費米、津恩、西拉德和安德森等人,進行試驗以確定鈾核裂變的所釋放出的中子數目到底是幾個:實驗結果表明,鈾核在裂變時能夠釋放多于兩個的中子,因而鈾原子核一個接一個分裂的鏈式反應應該是可以實現的。至此,在理論上能否實現核分裂鏈式反應的問題已經得到基本解決。由于納粹德國也在沿著這一方向進行研究,聚集在美國的各國著名科學家們強烈地預感到,美國政府應該利用這一最新科研成果,開始研制一種威力強大的原子武器,而且必須趕在德國人前面。

現在,需要費米全力以赴的是建造一座能產生自持鏈式反應的原子核反應堆。

1941年7月,費米和津恩等人在哥倫比亞大學,開始著手進行石墨-鈾點陣反應堆的研究,確定實際可以實現的設計方案。

12月6日,即日本偷襲珍珠港的前一天,羅斯??偨y下令設置專門機構,以加強原子能的研究。此時,康普頓被授權全面領導這項工作,并決定把鏈式反應堆的研究集中到芝加哥大學進行。1942年初,哥倫比亞小組和普林斯頓小組都轉移到芝加哥大學,掛上“冶金實驗室”的招牌。這就是后來著名的國立阿貢實驗室的前身。

在芝加哥大學的這個“冶金實驗室”里,費米所領導的小組主要是設計建造反應堆。他們既有分工又有交叉,自覺地、有條不紊地進行著實驗研究和工程設計工作。

在建造并試驗了30個亞臨界反應堆實驗裝置的基礎上,最后才制訂出建造真正反應堆裝置的計劃。

1942年11月,這個反應堆主體工程正式開工。由于機制石墨磚塊、沖壓氧化鈾元件以及對儀器設備的制造很順利,工程進展很快。費米的兩個“修建隊”,一個由津恩領導;另一個由安德森領導,幾乎是晝夜不停地工作著。而由威爾森所領導的儀器設備組,也是日夜加班,緊密配合。

反應堆一天天朝著它的最終形象增長。為它工作的人們,神經緊張的程度也在增加。雖然從理論上說,他們明白:在這反應堆里,鏈式反應是可以控制的。但畢竟是第一次,是不是可控還得用實踐來證明。

七、費米與第一座核反應堆(下)

  費米教授頭腦機敏,遇事果斷。他對一些重大的技術問題,雖然已胸有成竹,但總常常同周圍的人商量如何處理更好。只要是正確的、好的見解,不管是誰提出的,他都采納。所以,他的助手們形容他是“完全自信,而毫不自負的人”。費米一直親臨建造現場,根據工程進展情況和實測結果,證明原來的設計是那么精確。他能夠預言出幾乎完全精確的石墨-鈾磚塊的數目,這些磚塊堆到了這個數目,就會發生鏈式反應。

12月1日中午剛過,測量表明,鏈式反應馬上就要開始了。最后一層石墨-鈾磚塊放到反應堆上,津恩和安德森一起對反應堆內部的放射性做了測量。認為只要一抽掉控制棒鎘棒,鏈式反應就會發生。兩人商定先向費米匯報情況,然后再進行下一步的工作。當晚,費米向所有工作人員傳話:“明天上午試車?!?2月2日(星期三)上午8點30分,大家聚集在這間屋子里,北端陽臺東頭放著檢測儀器,費米、康普頓、津思和安德森都站在儀器前面。反應堆旁邊站著韋爾,他的職責是抽出那根主控制棒。

9點45分,費米下令抽出電氣操縱的控制棒。

10點鐘剛過,又令津恩把另一根叫“急樸”的控制棒抽出。

接著,命令韋爾抽出那根主控制棒。由于安全點定得太低,自動控制棒落下來了,鏈式反應沒有發生。時為11點35分。因為控制棒能吸收中子,中子數下降就會使反應暫時中止。

午后,韋爾對控制棒的安全點做了一些調整。

下午3點過后,費米一面盯著中子計數器,一面命令韋爾抽出那根主控制棒。費米說:“再抽出一英尺?!薄昂?!這就行了?!苯又鴮σ恢闭驹谒赃叺目灯疹D教授說:“現在鏈式反應就成為自持的了。儀器上記錄的線跡會一直上升,不會再平延了?!贝藭r正是1942年12月2日下午3點25分。

當這世界上第一座原子核反應堆開始運轉之際,在場的人們聚精會神地盯著儀器,一直注視了28分鐘。

“好了!把‘急樸’插進去?!辟M米命令操縱那根控制棒的津恩。立刻,計數器慢下來了,反應停止了。時為下午3點53分。

此時此地,人們心潮洶涌澎湃,激動萬分。費米剛一宣布反應停上,理論物理學家威格納就把早已準備好的一瓶吉安提酒遞上來。費米啟開瓶蓋,向大家分發了紙杯??茖W家們為自己是最早的成功者,互相祝賀著,并在這瓶酒的商標紙上簽了名,這一舉動成了事后考證有誰參加這次實驗的唯一書面記錄。

世界上第一座原子核反應堆被命名為“芝加哥”第一號CP-1)。

在人類歷史上,只有很少的幾樁個別事件曾在本質上改變過文明的進程,“CP-1”的建成就屬于這類事件。從它對未來的推動和它對社會變遷的重大意義來說,可以同蒸汽機的發明相提并論。這一偉大科學成就,首先被應用于原子武器和潛艇核動力方面。然后,各種類型的核電站相繼建成。今后還會有更多的奇跡出現。



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