《人类科学技术史-375》铀核裂变和链式反应的研究

铀核裂变和链式反应的研究

费米小组用中子轰击周期表中许多元素的原子核，象他们所预料的那样，许多元素原子核吸收一个中子后会衰变成为周期表中下一个元素的原子核。他们设想，用中子轰击周期表中最后一个元素铀，会不会产生当时元素周期表中所没有的第93号元素，即超铀元素呢？他们用中子去轰击铀，果然发现，中子被俘获，生成物中放出β射线。对生成物的分析虽然也有迷惑不清之处，但他们认为，其中至少有一种放射性元素是所希望的93号元素。

1934年5月，他们发表了实验报告。实际上，他们当时实现的正是核裂变实验，但由于受已有实验结果的误导，认为发现的是超铀元素，而错过了一次重大发现的机会。

费米小组发现超铀元素的消息引起了科学家们极大的兴趣，但少数科学家指出，费米得到的新物质并不是超铀元素，而是第91号元素镤的同位素。

当时在柏林威廉研究所工作的德国放射化学家哈恩(1879-1968)和奥地利女物理学家麦特纳(1878-1968)，曾全面研究过镤的化学特性。为了验证费米的实验结果，他们也用慢中子轰击铀，但未在新物质中发现镤。他们的实验似乎证实了费米发现超铀元素的说法，但根据对生成物的分析，他们认为，他们的实验中不仅得到93号元素，还有94号元素或其他的元素。

世界上有不少实验室当时都进行了类似的实验，而且都得出大致相同的结论，而德国的一对年轻的化学家诺达克(Nod－dack）夫妇却提出了完全不同的看法。从1929年起，他们就致力于发现天然超铀元素的研究工作。他们批评费米，在所作的化学分析中没有提出令人信服的论据来证实发现超铀元素的结论。他们提出了一些与众不同的大胆的假定。1934年，诺达克夫人写信给《应用化学》杂志说："铀原子核在中子的作用下发生了裂变反应，这个反应与到目前为止发现的原子核反应有很大的区别。似乎在用中子轰击原子核时，原子核分裂成同位素，但不是被轰击元素的相邻元素。"然而，费米没有认真对待这个正确的批评，他认为，能量这么小的中子要击破坚固的原子核是完全不可思议的事情。当他了解到放射化学权威哈恩也验证了自己的实验时，更坚信了自己的正确性。他再一次失去做出一项重大发现的机会，使重核裂变的发现推迟了许多年。

1938年，伊伦.约里奥-居里和沙维奇在用中子轰击铀的实验中发现，生成物中有一种半衰期为3.5小时的放射性元素，其化学特性接近于镧，与铀元素以及超铀元素在周期表中相距甚远。后来证明，此元素确是周期表中57号元素镧-141。他们发表文章，公布了实验结果。遗憾的是，他们没有继续追踪、分析镧的来历，也错过一次重大发现的机会。

1938年，作为犹太人的麦特纳，为了免遭法西斯的疯狂迫害，不得不离开了德国。哈恩则与物理化学家斯特拉斯曼继续进行慢中子轰击铀的实验。

斯特拉斯曼读了伊伦.约里奥-居里的文章后立刻认识到，伊伦.居里揭示出一种过去有关实验中所未曾注意到的新问题。他急忙来到哈恩面前叫道："你一定要读这篇报道"。但哈恩由于同约里奥-居里夫妇就一些实验结果的分析发生过争论，感情上有点偏见，对伊伦.约里奥-居里的文章也不屑一顾。斯特拉斯曼便向哈恩叙述了文章的基本内容。不想，哈恩听后大为震惊，顾不得把雪茄烟吸完，把还燃着的烟丢在办公桌上，就同斯特拉斯曼一起跑到实验室去了。

之后的几个星期，他们用伊伦.约里奥-居里的方法重复中子轰击铀的实验，他们在新物质中发现了一种化学特性与镭相似的物质，他们猜想，这种物质可能就是镭，因为，镭的原子序数88与铀的原子序数92相近。他们在生成物中加入了与镭的化学特性相似的钡，试图利用钡作为载体，把"镭"从生成的混合物中带出来，再把钡与"镭"分开。他们以前从混合物中分离某种物质时，经常采用这种方法。但是，他们却始终未能分离出所谓的"镭"。实验否定了他们的推想。

经过对实验结果的精密的分析，他们终于认定，所得的生成物并不是与铀相邻的元素，而是几种与铀相距甚远的放射性同位素。尽管他们对实验结果深信不疑，但由于与已有的一些结论相悖，因此，他们在准备正式公布实验结果的文章中使用了以下的谨慎措辞："作为这些研究的结果，我们必须把我们以前的蜕变图式中所得到的那些物质的名称更改一下，我们以前称为镭、锕和钍的，应改为钡、镧和铈。作为同物理学家关系密切的核化学家，要做出这样一个结论，我们是十分勉强的，因为它同以前的核物理学全部经验都发生矛盾。"他们对自己的结论总觉得犹豫、疑惑，甚至把文章投入信箱后还想从中再拿出来。他们的文章于1939年1月6日发表了。

论文发表之前，哈恩先把实验结果和存在的疑难问题通告给与他共事30多年的麦特纳。这位女物理学家收到信后很激动，她深知这位长期合作者工作的准确性和严肃性，她意识到哈恩的实验结果意义重大。

麦特纳经过认真思索后，提出了一个大胆的设想，她认为，铀的稳定性很小，铀核俘获中子后可能分裂成大小相近的两个原子核。当时，她的侄子弗瑞士正好利用圣诞节的休假从哥本哈根玻尔的研究所前来看望她。他们两人一连几天对哈恩的实验结果进行了激烈的讨论。

他们想到了玻尔当时刚刚提出的原子核液滴模型。这是早期的一种原子核模型，它把原子核比作一个液滴，将核子即中子和质子比作液滴中的分子。液滴受扰动就会活动起来，参与扰动的能量足够大，液滴就有可能分裂为更小的水滴。运用玻尔的液滴核模型，他们对哈恩的实验作如下解释：外来的中子闯入原子核时，这个"液滴"即发生剧烈震荡，开始变成椭圆，然后变为哑铃形，最后分裂为两半。

他们把这种类似细胞分裂的过程称为核分裂。麦特纳又对反应前后物质的原子量进行了分析比较，发现铀核分裂后生成物的原子量总和不等于铀的原子量，而是小于铀的原子量。她称这种现象为"质量亏损"。根据爱因斯坦的质能关系式，她计算出，每个铀原子核裂变时，因质量亏损而释放出的能量应为200兆电子伏。与只能释放几个电子伏的化学反应相比，铀核裂变释放的能量大得惊人。

弗瑞士返回哥本哈根后，把他们姑侄二人对哈恩实验结果的分析告诉了玻尔。玻尔听说自己的原子核液滴模型可以很好地解释哈恩的实验，感到非常兴奋，并责备自己为什么这么久未能发现这一点。他建议弗瑞士对铀核分裂所释放的能量进行测定。弗瑞士很快拿出了实验结果，并完全证实了麦特纳的分析。

1939年2月，麦特纳与弗瑞士一起在《自然》杂志上发表了论文，解释了哈恩的实验结果，并指出，因质量亏损，核分裂必然伴随着巨大的能量释放。

在弗瑞士的实验尚在进行中时，玻尔已前往华盛顿参加第五届理论物理会议。玻尔在途中进行了深入的思考和计算，确信麦特纳对哈恩实验的解释是正确的。会前，他便写好了一篇对重核裂变的机制进行评论的文章，题目是"重核的分裂"。当玻尔在会上介绍了哈恩的实验和麦特纳姑侄二人的解释后，铀核分裂的消息引起了强烈的反响，一些物理学家赶紧打电话通知自己的实验室安排实验，有的则立即赶回自己的实验室。当晚，卡奈学院、哥伦比亚大学、霍普金斯大学等的实验室都进行了同样的实验。重核裂变的现象和理论解释很快获得了世界的承认，哈恩因发现重核裂变的实验而获得1944年诺贝尔奖。

费米的妻子是犹太血统。为了躲避法西斯匪徒的迫害，费米利用1938年11月到瑞典接受诺贝尔奖的机会，携带全家离开德国。1939年初到了美国，在哥伦比亚大学任教。他从玻尔那里得知核裂变的消息后，终于明白了他用慢中子轰击铀核时得到的所谓"第93号元素"，实际上是核裂变的生成物。他为自己当时错过了一次重大发现的机会，感到十分遗憾，要不然，核裂变的现象可以提前4年得到发现。不过，费米没有沉浸于懊悔中，他从验证麦特纳的解释中发现了另一个非常重要的问题，那就是，核裂变过程中能否产生更多的中子。如果铀核分裂时，能放出两个以上的中子，这些中子将作用于其他铀核，使它们再发生分裂，于是，有4个中子，又会有8个中子……，如此下去，形成"链式反应"，铀核裂变便会自发地进行下去，并在极短的时间释放出极大的能量。

其他科学家如约里奥-居里夫妇以及移居在美国的匈牙利青年物理学家西拉德(1898-1964)也都思考了这个问题，他们和费米都很快地进行了证实。实验表明，铀核分裂约产生3.5个中子，"链式反应"的速度极高，两次反应的间隔只有五十万亿分之一秒。1939年春，费米和约里奥-居里夫妇分别在《自然》和《物理学评论》上发表论文，介绍了他们的实验结果。