一次发错的诺奖，却给对了人

诺贝尔奖历史上偶尔会出现因理由不严谨或结论存在瑕疵而引发“乌龙”，这恰恰折射出科学探索过程充满曲折，也总藏着戏剧性。意大利物理学家费米1938年的诺奖就是一个典型例子。

他获奖的官方理由是“证明中子辐照能够产生新的放射性元素，并发现慢中子引发的核反应”，并且在诺奖演讲中，费米宣称发现了超铀元素。但仅仅一个月后，另一组团队就正式发文指出新元素其实是钡，而非超铀元素。费米的发现很快被解释为核裂变。不过，科学界普遍认为该奖项依然实至名归，因为评奖理由中的另一半“慢中子诱发核反应”，直接奠定了现代核反应堆与核能利用的基石，而他本人的卓越贡献也完全配得上这项荣誉。

撰文 | 一根弦

1938年12月10日，瑞典斯德哥尔摩音乐厅灯火辉煌。37岁的意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi，1901—1954）从瑞典国王古斯塔夫五世（Gustaf V，1858—1950）手中接过诺贝尔物理学奖奖章，以表彰他“证明了中子辐照能产生新的放射性元素，并发现慢中子引起的核反应”[1]。

然而，就在费米领奖的同一个月，柏林一间实验室里，两位化学家把一篇论文寄给了《自然科学》杂志。这篇论文，让诺贝尔奖委员会陷入一场不小的尴尬——费米在获奖演讲中言之凿凿的那些“新元素”，其实根本不存在[2]。

中子“炮弹”

1919年，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）用α粒子轰击氮气，把氮核变成了氧核——这是人类第一次人为改变了一种元素。用更小的粒子当炮弹轰击原子核，以此产生新原子核，自此成为核物理的基本打法[3]。

1932年，查德威克（James Chadwick，1891—1974）在钋源的α粒子轰击铍靶的实验中，计算反推出一种比质子穿透力强的粒子，即中子。与α粒子相比，中子不带电，无须克服库仑斥力便能长驱直入钻进原子核，发生核反应的概率大得多。费米立刻意识到：中子是一种更为理想的“炮弹”。

费米自制了氡—铍中子源，在一个小玻璃泡里装上铍粉和氡气，氡放出的α粒子轰击铍，就能持续产生中子。费米在获奖演讲中提到，当放射强度达到800毫居里时，这个小玻璃泡每秒可放出约2000万个中子——产额远不如回旋加速器，却胜在小巧、稳定、简单[4]。

靠着这个装置，费米和一群年轻同事——塞格雷（Emilio Segrè, 1905—1989）、阿马尔迪（Edoardo Amaldi, 1908—1989）、拉塞蒂（Franco Rasetti, 1901—2001）、蓬泰科尔沃（Bruno Pontecorvo, 1913—1993）和达戈斯蒂诺（Oscar D'Agostino，1901—1975）等——从氢开始，沿着周期表挨个轰击[5, 6]。那时他们大多才20来岁，所在工作的罗马大学物理研究所就在帕尼斯贝尔纳路，因此他们被称为“帕尼斯贝尔纳路男孩”（Via Panisperna boys）。

图1 帕尼斯贝尔纳路男孩合影，从左至右依次为达戈斯蒂诺、塞格雷、阿马尔迪、拉塞蒂、费米。丨图源：维基百科

在被测的63种元素中，有37种能被中子激活。他们还归纳出中子产生放射性的三类反应：打出α粒子、打出质子、直接俘获中子。以铝为例，单一同位素铝-27被轰击后，三条反应同时发生，分别生成半衰期为15小时的钠-24、10分钟的镁-27和两三分钟的铝-28。寿命短的产物来不及慢慢分析，化学分离必须在一分钟左右完成。短短几个月，几十种新放射性同位素相继问世，费米由此跻身世界核物理中心人物之列。

慢中子与“超铀核”

1934年10月，实验出了一件怪事：同一套装置，放在木桌上测出的放射性总比放在大理石桌上强。费米在中子源和银靶之间插一块石蜡，结果发现放射性强度竟一下提高了数十倍。就在大家面面相觑时，费米很快就想通了其中的原理。

关键在于中子的速度。中子和质子质量几乎相等，正面对撞就像两个台球相碰，中子一次就能把大部分动能交给质子。石蜡富含氢（氢原子核就是一个质子）。中子在石蜡中平均碰撞二十来次，就能从百万电子伏特量级（MeV量级）降到与室温分子相当的“热中子”（约0.025eV）。这些“慢”下来的中子在原子核附近停留的时间长，被俘获的概率反而大上成百上千倍。用现代科学语言说，就是许多核素的中子俘获截面大致与速度的倒数成正比[7]。

这里需要说明的是，慢中子是一个泛指大类，能量小于0.5eV的中子统称为慢中子；而热中子是其中的特例，热中子专指与周围环境达成热平衡状态时的中子。室温下，中子能量大概0.025eV。因此，热中子都是慢中子，但慢中子还包含了未完全达到热平衡的其他低速中子。

费米团队设计了一个实验：把中子源装在高速旋转的轮子边缘，轮缘上等距放置两个相同的探测器，一前一后。轮子不动时，两个探测器被同样地激活；轮子高速转起来后，落在后面的探测器活性明显更强。由此推算，中子在石蜡里约需停留万分之一秒才慢下来。

几个月后，伦敦的穆恩（Philip B. Moon, 1907—1994）和蒂尔曼（J. R. Tillman）把石蜡冷却到液态空气的温度，发现活化强度随温度而变化，证明中子的确慢到了热运动的水平。费米和阿马尔迪接着系统测量各元素的吸收，发现每种元素都有自己的特征吸收带。镉的吸收带正好覆盖热中子能区，因此一片薄镉就能把热中子从混杂的辐射中滤出来，对快中子却几乎透明。

这些反常的吸收带很快有了解释。玻尔（Niels Bohr, 1885—1962）与布雷特（Gregory Breit, 1899—1981）、维格纳（Eugene Wigner, 1902—1995）各自独立提出，慢中子会与“复核”（靶核加中子）的某个虚能级发生共振；玻尔进一步指出，中子进入原子核后能量被众多核子分摊，高激发态的能级非常密集，慢中子几乎总能碰上某个能级。巧合的是，玻尔为解释慢中子而建立的核模型，后来演变成了阐释裂变的微观理论。

铀（92号元素）是当时已知原子序数最大的元素。用中子轰击铀时，费米团队测到至少四种新的β放射性，半衰期从10秒、40秒到13分钟、90分钟不等[6]。

他们用锰的化合物作载体进行共沉淀，做了细致的放射化学分析，发现新活性的化学性质类似铼的同族元素——按照当时的周期表，93号元素正好排在铼下面，叫“类铼”；接着又逐一做载体排除实验。

费米在获奖演讲中给出的结论是：这些活性的载体“既不是铀本身的同位素，也不是从86号到铀之间任何较轻元素的同位素”。在当时的认知框架下，解释似乎只剩一个：铀核俘获中子后经β衰变，变成原子序数93、94的“超铀元素”。因此，费米在《自然》杂志上报告了这一可能[5]，在诺贝尔奖的获奖演讲中，他直接用“奥斯”（Ausenium）和“赫斯”（Hesperium）来称呼这两种“新元素”。

当时，德国化学家哈恩（Otto Hahn,1879—1968）和奥地利物理学家迈特纳（Lise Meitner, 1878—1968）沿同样的思路做了类似的实验。其中，哈恩负责化学分析，迈特纳负责解释核过程。后来，斯特拉斯曼（Fritz Strassmann, 1902—1980）加入团队[8]，他们一路追查，甚至“发现”了96号元素（从今天的视角看，整个领域正在“错误的”方向上越走越远）。

当时的科学界几乎都接受了这个错误的结论。唯一的异议来自德国化学家伊达·诺达克（Ida Noddack，1896—1978）。她曾在1934年就指出，费米并没有排除另一种可能：不是中子加铀核形成了更重的原子核，而是中子把铀撞成了几个较轻的碎片[9]。由于她给不出解释原子核分成几个碎片的机制，她的质疑也很快就无人问津。包括诺达克本人在内，所有人都没有沿这个方向再走一步。

路上的真相

1938年秋，巴黎的伊蕾娜·居里（Irène Curie, 1897—1956）与萨维奇（Pavle Savić, 1909—1994）报告了一种半衰期3.5小时的物质，化学性质与镧接近[10]。哈恩和斯特拉斯曼决定查个水落石出。他们用钡作载体做分级结晶，本想从中分出“镭的同位素”，却怎么也分不开，最终发现放射性出在钡里。这让哈恩和斯特拉斯曼对钡元素的放射性有了更深入的认识。

1938年12月，就在费米领奖前后，哈恩和斯特拉斯曼进行实验反复确认得出结论：费米用中子轰击铀的实验中，产物里就有钡。钡的原子序数是56，原子量只有铀的一半多一点。因此，他们推测，经过中子撞击后铀并没有生成超铀核，而是分裂成了两个原子量接近的核素。

以现代科学观点，哈恩和斯特拉斯曼发现了如下的过程：

但在当时，哈恩两人并不能很好地想清楚其中的机理，他们唯一能确定的是产物中有大量的放射性钡。

真正理清其中原理的是故事的另外一条线。1938年7月，本来与哈恩密切合作的迈特纳由于犹太血统被迫离开德国，流亡到了位于斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所。在那里，她只能靠书信继续为哈恩的实验出谋划策[8]。

1938年12月，哈恩给迈特纳寄来信件，信件中描述了慢中子轰击铀核后会出现钡元素（“钡”之谜），迈特纳同样百思不得其解。

1938年圣诞节期间，在哥本哈根研究所工作的弗里希（Otto Frisch，1904—1979）拜访迈特纳。弗里希是迈特纳的外甥，两人在哥德堡附近的小镇碰面后，就针对哈恩那封信进行讨论。起初，两人都没能跳出β衰变的理论框架，一致认为“一个中子一口气敲掉近一百个粒子”（从

两人在雪地里散步讨论，最后决定用液滴模型[liquid drop model；该模型最初由伽莫夫（George Gamow，1904—1968）于1928年提出，后由玻尔改进提出复合核理论（compound nucleus theory）]进行尝试，就近在一个树桩旁停下来开始演算。

所谓液滴模型，顾名思义，就是把原子核当做一个经典液滴。对重核这个液滴，表面张力要维持球形，正电荷的斥力却要把它撕开。铀核正处在不稳定边缘，中子轻轻一碰，它就震荡、拉长，最后断成两截。

弗里希多年后回忆，迈特纳当时画了一个虚线圆圈，问道：“会不会是这样？”[11]思路一下打开了，受到激发的铀核，两块碎片都带正电，会被静电斥力以很大能量推开。

图2 弗里希据回忆画的最早描述裂变的图。 丨图源：文献[11]

中子轰击铀反应中还释放了200MeV的能量，迈特纳计算出两个子核的质量加起来，比原来的铀核少了约五分之一质子质量（质子质量约938MeV/c²），代入质能方程后正好是200MeV，这就和实验结果几乎完全吻合。

圣诞晚餐后，弗里希回到哥本哈根，两人靠长途电话的通话完成了论文修改（那时候长途电话费用非常昂贵）。在论文发表前，弗里希向一位叫威廉·阿诺德（William A. Arnold, 1904—2001）的美国生物学家请教细胞分裂的术语，阿诺德告诉他是“二分裂”（binary fission）。于是，弗里希把这个新发现的核反应过程命名为“核裂变”（fission），论文于1939年2月11日发表在《自然》杂志，核裂变一词从此进入物理学[12]。

关于裂变如何传到费米耳朵里，还有一桩有趣的轶事。前文提到，弗里希当时在玻尔研究所工作，他在文章正式发表前就意识到自己和迈特纳手头的研究很可能是一件具有里程碑意义的工作。于是，在玻尔赴美前，弗里希拦住了玻尔给他汇报进展和成果。

弗里希只讲了不到半分钟，玻尔就一拳砸在自己脑门上：“哎呀，我们早该想到的！事情当然就该是这样。”在跨越大西洋的9天航程里，玻尔和同行的罗森菲尔德（Léon Rosenfeld，1904—1974）一道把裂变的理论解释补充得更完整。

1939年1月16日，玻尔的轮船抵达纽约。两周前刚到美国的费米在码头迎接他。第二天，玻尔到哥伦比亚大学找费米，走进一间实验室，结果没见着费米，撞见了一个叫安德森（Herbert L. Anderson，1914—1988）的年轻人。玻尔根本不认识这位年轻人，可他满脑子都是裂变的理论，一把抓住安德森的肩膀，以耳语的方式，把中子撞击铀核并分裂成两半、放出能量的理论完整地讲了一遍，然后就离开了。

安德森看到玻尔说了那么多，赶紧跑去费米办公室汇报，想告诉他玻尔在找他——没想到费米似乎已经听到了风声，然后费米走到黑板前边写边讲。按安德森的回忆，费米讲得生动清楚得多。安德森听完后第一感受和大部分研究生一样，“也许我能靠它写出毕业论文来”。从安德森的回忆看，前一天费米在码头迎接玻尔的时候，两人已经对裂变做了深入的讨论。

因此，在诺奖演讲稿正式出版时，费米在其中追加了一条脚注：“哈恩和斯特拉斯曼在轰击铀的产物中发现了钡——铀在此过程中分裂成两个大致相等的部分——这使得必须重新审视所有关于超铀元素的问题，因为其中许多可能会被证明是铀分裂的产物。”科学史上这次著名的乌龙事件，由当事人亲手画上了句号。

图3 费米在诺贝尔奖演讲词添加的脚注。 丨图源：文献[14]

回头看，真相颇有戏剧性。费米测到的那些神秘放射性，并不是什么超铀元素，而是五花八门的裂变碎片。他本人早已亲手实现了最早的核裂变，只是把它当成了“新元素”。而后来，费米和核裂变打了一辈子的交道。

理由错了，人却对了

这场乌龙改变了费米的一生，从某种意义上也改变了世界。1938年，意大利颁布种族法令，费米的妻子劳拉（Laura Fermi，1907—1977）是犹太人，费米借领奖的机会带全家离开意大利，从斯德哥尔摩直接登船去了纽约，再没回来[13]。如果那封写着“错误理由”的获奖通知晚来一年，这次出走未必这么顺利。

图4. 费米和家人在去往美国的船上，右一为费米。丨图源：维基百科

看错裂变的费米，很快成了“驯服”裂变的科学家。1939年1月，裂变的消息经玻尔传到美国，他在哥伦比亚大学和同事们很快验证了铀的裂变[14]；1942年12月2日，费米领导建成人类第一座链式反应堆——芝加哥一号堆，原子能时代由此开启。几乎同时，他加入了曼哈顿计划，那就是另一个广为人知的故事了。

1944年的诺贝尔化学奖授予哈恩（因战争推迟至1945年宣布），为裂变发现的归属正了名；而看清裂变图像的迈特纳始终与诺奖无缘，成为科学史上的一大遗憾（和吴健雄的遭遇颇为相似）。

图5. 迈特纳（左）和哈恩（右）在实验室。丨图源：atomicarchive.com

平心而论，费米得这个奖实至名归。颁奖词里提到的慢中子效应货真价实，何况他还有一长串诺奖级的工作，例如费米—狄拉克统计、β衰变理论等等。正因如此，科学史家常开玩笑说：1938年的物理学奖，理由写错了，人却选对了。

况且，费米设想的路线本身并没有错。铀-238确实会俘获中子生成铀-239，再经两次β衰变变成94号元素——只是这条反应道信号太弱，被大量裂变碎片的放射性淹没，以当年的技术根本分辨不出来。1940年，麦克米伦（Edwin McMillan，1907—1991）和阿贝尔森（Philip Abelson，1913—2004）沿这条路找到了真正的93号元素镎[15]；西博格（Glenn Seaborg，1912—1999）团队随后合成出94号元素钚。

科学本来就是在不断纠错中前进的，她不要求任何人永远正确，只承诺一件事：错误终将被发现，真理终将被发现。

参考文献

[1] The Nobel Prize in Physics 1938 — Award Ceremony Speech, NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1938/summary/

[2] O. Hahn, F. Strassmann, “Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle”, Naturwissenschaften 27, 11-15 (1939). https://doi.org/10.1007/BF01488241

[3] E. Rutherford, “Collision of α particles with light atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen”, Phil. Mag. 37, 581-587(1919). https://cds.cern.ch/record/262759

[4] E. Fermi, “Artificial radioactivity produced by neutron bombardment” (Nobel Lecture, Dec. 12, 1938), NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1938/fermi/lecture/

[5] E. Fermi, “Possible production of elements of atomic number higher than 92”, Nature 133, 898-899 (1934). https://www.nature.com/articles/133898a0

[6] E. Fermi, E. Amaldi, O. D’Agostino, F. Rasetti, E. Segre, “Artificial radioactivity produced by neutron bombardment”, Proc. R. Soc. Lond. A 146, 483-500 (1934).

[7] E. Amaldi, O. D’Agostino, E. Fermi, B. Pontecorvo, F. Rasetti, E. Segre, “Artificial radioactivity produced by neutron bombardment—II”, Proc. R. Soc. Lond. A 149, 522-558 (1935).

[8] A. Chodos, “December 1938: Discovery of Nuclear Fission” (This Month in Physics History), APS News, Dec. 2007. https://www.aps.org/apsnews/2007/12/december-1938-discovery-nuclear-fission

[9] I. Noddack, “Über das Element 93”, Angew. Chem. 47, 653-655 (1934). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1934AngCh..47..653N

[10] I. Curie and P. Savitch, “Sur les radioéléments formés dans l'uranium irradié par les neutrons. II”, Journal de Physique et le Radium9(9), 355-359 (1938).https://doi.org/10.1051/jphysrad:0193800909035500

[11] AIP Center for History of Physics, “The Discovery of Fission” (Moments of Discovery exhibit), history.aip.org. https://history.aip.org/exhibits/mod/fission/fission1/fission.pdf

[12] L. Meitner, O. R. Frisch, “Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction”, Nature 143, 239-240 (1939). https://www.nature.com/articles/143239a0

[13] E. Segre, Enrico Fermi, Physicist, University of Chicago Press, 1970. https://books.google.com.sg/books?id=0QwSAQAAIAAJ

[14] H. L. Anderson, E. T. Booth, J. R. Dunning, E. Fermi, G. N. Glasoe, F. G. Slack, “The fission of uranium”, Phys. Rev. 55, 511-512 (1939). https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.55.511

[15] E. McMillan, P. H. Abelson, “Radioactive element 93”, Phys. Rev. 57, 1185-1186 (1940). https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.57.1185.2

作者简介

一根弦，中关村文理学院非优秀毕业生。博士期间主业发展原子核集体激发态理论，副业打听八卦新闻。因帝都房价高企加上错信IT高薪传闻，误入码农行列，逃离北京来到卷都杭州。除全职工作外，分别在知乎以“一根弦”和在B站以“一根弦肥二”的网名挖掘和写作物理学家，并以此为乐。

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