原子核裂變的發現
發布:楊明東 發布日期:2022/10/15 信息來源:百度網頁

一、費米的失誤

在用中子轟擊各種元素的原子核時,人們不但發現用中子能實現許多核反應,創造出多種放射性元素(稱同位素),同時還發現:中子竟是一把打開原子能寶庫的鑰匙。

1938年,當第二次世界大戰的陰影已經籠罩歐洲上空的時候,人類科學技術史上完成了一項重大發現——鈾核裂變現象的發現。從此,原子科學又翻開了新的一頁,原子科學的歷史從原子核物理研究進入到原子能技術革命的嶄新階段。

這項重大發現的序幕早在幾年以前就已揭開。1934年,當約里奧·居里夫婦發現人工放射性元素的消息傳出后,意大利羅馬大學的一些青年物理學家,在年輕的費米的領導下,決定做類似的實驗。他們已經不用 粒子做炮彈,而是用剛剛發現不久的中子做炮彈來轟擊原子核。

在用中子轟擊周期表中許多種元素的原子核試驗中,最初都像他們所預想的那樣,許多元素的原子核都吸收了一個中子。原子核吸收了一個中子后,就失去了穩定狀態,而放出射線(電子流),原子核放出電子后,變成了周期表中下一個位置的元素的原子核。既然一種元素的原子核吸收一個中子后,會衰變為周期表中的下一個元素的原子核,那么當使周期表中的最后一個元素(原子序數為92的鈾)的原子核吸收一個中子時,會產生什么現象呢?他們設想,可能產生新的、人們還不知道的超鈾元素(即鈾后面的新元素,也叫鈾后元素)。

  費米等人對這個令人感興趣的問題進行了試驗。他們用中子轟擊鈾,企圖得到原子序數為93、94的人造元素,可是所獲得的都是一些令人迷惑、無法精確分析的放射性物質。其實,這些物質,后來查明,已經蘊藏著新的重大發現。而費米等人則認為自己已經創造出了原子序數為93的超鈾元素。由于未能測出這個核反應的生成物,所以失之交臂地錯過了發現鈾核裂變重大秘密的機會。

  這里失誤的主要原因是:在當時這些物理學家們中間,沒有熟悉必要的化學分析的人,以致使這一重大發現推遲了五年。如果當時能組織多專業攻關,突破難點,可能會很快就搞清楚這一問題。

原子核會分裂?與費米同時,德國柏林凱撒·威廉研究所的放射化學家哈恩和斯特拉斯曼,以及法國的伊倫·居里和約里奧·居里都對上面的問題做了很多試驗。但是,由于他們都按著過去已知的核反應規律推斷:“元素受到中子的轟擊后,生成原子序數增加一的新元素”,得出了一些錯誤的結論,也都認為自己發現了93、94、95號等近鈾元素,并分別命名為所謂“類錸”、“類鋨”、“類銥”等等,即表示是那一類的元素。后來,哈恩和斯特拉斯曼發現,當把鋇加到被轟擊過的鈾中時,它能帶出一些放射性。他們認為,這些放射性應該是鐳的,因為鐳在元素周期表中正好列在鋇的下面。于是,他們認為,鈾被中子轟擊后,似乎有一部分變成了“鐳”。但他們盡了最大努力,這種“鐳”還是不能從鋇里分離出來。

在世界上許多實驗室中,都進行了類似的實驗。這些實驗都得到了大致相同的看法,并受到了普遍的贊揚。但德國年輕的諾達克夫婦卻不以為然。他們當時在布列斯高的弗萊堡大學物理化學學院工作。他們對此提出了完全不同的看法,對費米的“超鈾元素”做出了否定的結論,認為這位意大利物理學家的實驗在化學分析方面沒有提出令人信服的論據。也是在1934年,諾達克夫婦提出了一個大膽的假定,“鈾原子核在中子的作用下發生了裂變反應,這個反應與到目前為止發現的原子核反應有很大的區別。似乎在用中子轟擊重原子核時,原子核分裂成幾個碎片是可能的,而且毫無疑問,這些碎片應該是已知元素的同位素,但不是被轟擊元素的相鄰元素?!?/span>

上述后來得到了證實的極其有價值的假定,當時并沒有引起那些權威人士的重視,更沒有得到承認。費米得知這種批評性意見之后,并沒有認真地考慮,重新研究自己的結論。他按著過去的知識,簡單地認為,能量這么低的中子會擊破那些堅固的原子核簡直是不可能的,也是不可思議的。當他聽到世界公認的放射化學權威哈恩也同意自己的看法時,就更加相信自己的正確。所以,費米再一次失去了完成一項重大發現的機會。這是很有才能的費米在科學研究生涯中的一個很大的失誤。

二、哈恩重做實驗

費米本來是一個非常細致、一絲不茍的人。他的同事們給他起了一個外號,經常稱呼他“教皇”,意思是說,他總是正確的。但畢竟一貫正確的人是沒有的。費米確實比別人細心、冷靜。他在自己家里安裝“風斗”時,也要計算一下“通風量”,然后決定尺寸大小,結果發現還是算錯了,通風量差了一倍。不犯錯誤的人是沒有的。

在進一步的實驗研究中,實驗事實更有力地沖擊了費米等人的錯誤論斷。

1938年,伊倫·居里和沙維奇,從鈾的被轟擊的產物中發現了一種新的放射性元素,它的化學性質和鑭完全相同(后來證明是周期表中的57號元素鑭一141)。伊倫·居里發表了他們的成果論文。但是他們并沒有弄清楚鑭是從何而來。

可是,偏見使哈恩甚至連人家發表的論文也不屑一讀。斯特拉斯曼讀完這篇論文后,馬上意識到居里實驗室揭示了核反應的一個新問題,這與過去已知的核反應完全不同。他連忙跑到哈恩面前叫道:“你一定要讀這篇報道!”哈恩仍然漫不經心,不愿閱讀。于是,斯特拉斯曼便向哈恩敘述了文章的精華。這個如同驚雷的消息使得哈恩連那根雪茄煙也沒有吸完,把還燃著的煙丟在辦公桌上就同斯特拉斯曼跑到實驗室里去了。

于是,一連幾天甚至幾星期哈恩和斯特拉斯曼在實驗室里,重復著用中子射擊鈾原子核的核反應試驗。他們經過精密的分析終于也發現,獲得的核反應生成物并不是和鈾靠近的元素,而是和鈾相隔很遠,而且原子核比鈾要輕得多的鋇。這是他們過去萬萬沒有想到的。他們對此感到莫名其妙,無法解釋。這本來是一個奇跡,可是這些創造了奇跡的人,當時誰也不知道自己已經創造了奇跡。

哈恩和斯特拉斯曼對于自己的發現,思想上一直處于矛盾之中。他們是化學家,有熟練的化學分析技巧,因此對于這種核反應所產生的生成物深信不疑。但另一方面,從過去的物理學觀點來看,又感到似乎不大可能。用中子射擊元素周期表上最后一個元素,怎么會產生元素周期表上中間位置的一種元素呢?距離太遠了。能把這個結果在眾多的原子核物理學家面前公諸于世嗎?會不會因此得到取笑而有損于自己的榮譽呢?于是,他們以很謹慎的措詞,作了下列結論:“我們的‘放射性’同位素具有鋇的特性,作為研究化學的人,我們應當肯定,這個物質不是鐳,而是鋇。毫無疑問,在這里不能假定它除了鐳或鋇以外,還會是別的什么元素……然而,作為研究核物理的人,我們不能做出這樣的論斷,因為這樣的論斷與核物理過去的實驗是相矛盾的?!?/span>

三、梅特納姑侄的討論

哈恩和斯特拉斯曼感到這是一個事實,而且是一個很重要的事實,有必要把這個新發現盡快宣布出去。這樣客觀地報道一下,又不下任何結論,也許會好些。于是在圣誕節的前夕,哈恩采取了緊急措施,打電話給他的朋友——“斯普林格”出版社的經理保羅·羅茲保德博士;請求他在最近一期《自然科學》雜志上留一欄,以便發表一個非常緊急的消息。羅茲保德同意了。于是,這篇注明1938年12月22日的報道文章就被送到了郵局。文章送走以后,哈恩又感到有些猶豫不決,甚至想把文章從郵箱里取回來。經再三考慮之后,于是哈恩又給奧地利女物理學家梅特納(猶太人)寄了一份論文。因為梅特納與哈恩曾共事30年,他對自己過去的這位助手非常信任,而梅特納對他的著作一向鐵面無私,批評嚴厲。大約在五個月以前,她因“第三帝國”的種族法令,不得不逃避希特勒法西斯政權對猶太人的迫害,而遷居到瑞典。

梅特納在哥德堡附近的海濱公寓接到了哈恩的來信。她當時來到這里,要度過她流亡中的第一個圣誕節。她有一個年輕的侄子弗瑞士,是從1934年流亡國外在丹麥哥本哈根尼爾斯·玻爾的研究所里工作。這時,弗瑞士正來看望孤獨的姑母。梅特納接到信后很激動。她深知哈恩工作的準確性,很難懷疑他們的化學分析結果。她感到,如果這的確是事實,那么,這個重大的事實就可以推翻到目前為止在核物理方面那些被認為是反駁不了的概念。

梅特納的思緒紛壇,難以安靜。幸好弗瑞士正在她的身邊。但弗瑞士總想避免與姑母討論科學問題,為的是能輕松地度過這個節日的假期。當他們在這有著一種寂靜風光的小鎮周圍滑雪的時候,弗瑞士扣緊了滑雪板,想很快地跑到姑母跑不到的地方去??墒敲诽丶{卻總是緊跟在他的身邊,對這個學術問題嘮嘮叨叨地講個沒完。姑母的話終于引起了他的注意,激起了他的思考。

一連幾天,他們進行了熱烈的討論。最后,他們經過了仔細的考慮以后,接受了玻爾最近設想的原子核“液滴”模型(這是當時物理學家在探討原子核模型時的許多設想之一)。這就是說,設想原子核像一滴水,當外來的中子闖進這個“液滴”時,“液滴”會發生劇烈的震蕩。它開始變成橢圓形,然后變成啞鈴形,最后分裂為兩半。不過,這個過程的速度快得驚人。

四、確認“核分裂”

梅特納和弗瑞士決定將他們兩人討論的結果,合作為一篇論文。當時,在哥本哈根,有一位弗瑞士的朋友,他叫阿諾德,是美國生物學家。他了解到梅特納和弗瑞士正在研討的新問題以后,很感興趣。他說,根據你們所形容的,原子核就像一滴液滴,它被中子擊中以后,就分裂成為兩個原子核,這種情形,多么像我在顯微鏡下面看到的細胞繁殖時的分裂現象??!想不到原子核也會分裂,大自然的結構是多么的相似,又是多么微妙??!

梅特納和弗瑞士聽了阿諾德的一番議論,很受啟發,他們正在尋找一個合適的名詞,來表示原子核被打破而分裂的現象,現在他們認為,就用細胞分裂的“分裂”(在英文中,原子核的“裂變”和細胞“分裂”,兩個名詞都叫fission。)這個名詞,來表示原子分裂,把它稱做“核裂變”,或“原子分裂”。

梅特納認為:“由此可以看出,這似乎是可能的,鈾原子核在結構上僅具有很小的穩定性,在俘獲中子以后,它可以將自身分裂為兩個體積大致相等的核。這兩個核將相互排斥(因為它們都帶有巨大的正電荷),并且能獲得總共約為兩億電子伏特的能量?!?/span>

至于弗瑞士,他后來描寫當時的情況說:“我們逐漸清楚了,鈾原子核破裂成兩個幾乎相等的部分……可以說是完全按照一定的形式發生的。情況是這樣的……原始的鈾原子核逐漸變形,中部變窄,最后分裂成兩半?!边@種情況與生物學上細胞繁殖的分裂過程非常相似,這使我們有理由把這種現象在自已的第二篇報告中稱為“核分裂”。

五、核能誕生

梅特納用數學方法分析了實驗結果。她推想鋇和其它元素就是由鈾原子核的分裂而產生的。但當她把這類元素的原子量相加起來時,發現其和并不等于鈾的原子量,而是小于鈾的原子量。

對于這種現象,唯一的解釋是:在核反應過程中,發生了質量虧損。怎樣去解釋所發生的虧損現象呢?梅特納認為,這個質量虧損的數值正相當于反應所放出的能。于是她又根據愛因斯坦的質能關系式算出了每個鈾原子核裂變時會放出的能量。

當弗瑞士從瑞典返回哥本哈根以后,把哈恩的研究工作以及自己與姑母的討論情況,向玻爾談了。玻爾聽完以后,猛敲自己的前額,大聲說道:“??!我們為什么這么久都沒有發現呢?”

弗瑞士趕回實驗室去證實他和姑母在瑞典所作的設想。他也用中子轟擊鈾,每當中子擊中鈾核時,他觀察到了那異常巨大的能量幾乎把測量儀表的指針逼到刻度盤以外。這樣他就完全證實了這個新的觀點。

后來,弗瑞士與姑母梅特納通了長途電話,這時她已經從哥德堡到了斯德哥爾摩,電話中商量好了他們的公報。這份公報終于在1939年2月的《自然》雜志上發表了。

鈾核裂變為兩個碎片(兩個新的原子核)的消息立即傳遍了全世界。緊接著各國科學家們都證實:鈾核確實是分裂了。

鈾核分裂產生的這個能量,比相同質量的化學反應放出的能量大幾百萬倍以上!就這樣,人們發現了“原子的火花”,一種新形式的能量。這個能量就是原子核裂變能,也稱核能,或原子能。但當時,人們只注意到了釋放出驚人的能量,卻忽略了釋放中子的問題。稍后,哈恩、約里奧·居里及其同事哈爾班等人又發現了更重要的一點,也是最引人注目的一點,就是:在鈾核裂變釋放出巨大能量的同時,還放出兩、三個中子來。

這是又一項驚人的發現。為什么呢?

一個中子打碎一個鈾核,產生能量,放出兩個中子來;這兩個中子又打中另外兩個鈾核,產生兩倍的能量,再放出四個中子來,這四個中子又打中鄰近的四個鈾核,產生四倍的能量,再放出八個中子來……。以此類推,這樣的鏈式反應,也就是一環扣一環的反應,又稱連鎖反應,持續下去,宛如雪崩,山頂上一團雪滾下來,這團雪帶動了其它雪,其它的雪再帶動另一塊雪,這樣連續下去,愈滾愈烈,瞬間就會形成大雪球,滾下山坡,勢不可擋。這意味著:極其微小的中子,將有能力釋放沉睡在大自然界中幾十億年的物質巨人。

正是由于這一發現,盧瑟福和同他持同樣觀點的人認為開發利用原子能量的設想不可能的結論,終于被一種新的科學手段所動搖,并且最后被徹底摧毀了。

1944年,哈恩因為發現了“重核裂變反應”,榮獲該年度的諾貝爾化學獎。但是,在這一研究中曾經與其合作并作出過重大貢獻的梅特納和斯特拉斯曼卻沒有獲此殊榮,對此,人們不免感到遺憾。特別是對梅特約而言,是她首先創造性的采用了“原子分裂”這個科學史上從來沒有過的名詞,難道僅僅因為她是一位女科學家就可以“忽略不計”嗎?對此,一直到20世紀的90年代,仍然有人為她和有同樣命運的女科學家們感到不平。

不過,尚可欣慰的是,1966年,梅特納博士和哈恩博士,還有斯特拉斯曼博士共同獲得瑞典原子能委員會頒發的5萬美元的“恩里科·費米獎”。那時的梅特納已有80高齡,身體很虛弱,不能到維也納去領獎,是由原子能委員會主席西博格博士親自到英國劍橋向她授獎的。這對梅特納博士來說,當是極大的榮譽,也是莫大的欣慰。

六、費米與自持鏈式反應

  說到“費米獎”,讓我們再回過頭來說說費米在1934年時,用中子去轟擊鈾核,得到新的放射性元素,于是就宣布自己創造了原子序數為93的超鈾元素。其實那時他已經用實驗完成了原子的裂變,可惜他沒能認識到,以至這一發現原子裂變的榮譽被哈思、梅特納和斯特拉斯曼所獲得。

當發現原子的裂變越來越受到科學界的重視時,費米夫人曾經不無惋惜地對費米說:“其實,你在1934年所做的那個實驗,就完成了原子的分裂?!?/span>

費米說:“是的?!?/span>

夫人又說;“但是你們沒有認出來,而且作了錯誤的解釋?!?/span>

費米說;“事情正是這樣,我們當時沒有足夠的想象力來設想鈾會發生一種與任何其他元素都不一樣的轉變過程;我們當時試圖把放射性產物證明為元素周期表中那些最靠近鈾的元素。況且,我們也沒有足夠的化學知識去一個一個地分離鈾原子核受到轟擊以后生產的轉變產物?!?/span>

夫人又問:“你們曾經宣布已經創造出來的第93號超鈾元素呢了”

費米說:“我們當時認為可能是第93號元素的東西,已被證實是各種轉變產物的混合物。我們曾經對此懷疑了很長的時間,現在可以確定它其實并不是了?!?/span>

費米真不愧是一位有氣度有遠見的核科學家,一他對自己的失誤的剖析,說得是多么坦然和深刻。而且,他很快就放棄了自己的失誤,也不為失誤感到沮喪,他立即全力以赴地去研究原子裂變,并且對裂變提出了一系列理論,他發現,鈾核被分裂為二時,可以放出兩個中子,這兩個中子再去擊中兩個鈾原子核,它被分裂為四,同時放出四個中子……,由此類推,原子的裂變就會這樣自發地持續下去,產生一連串的原子分裂,同時不斷放出能量。

原子裂變自持鏈式反應的概念就是這樣提出來的,它是利用原子裂變產生能量的重要理論基礎。



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