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【原子弹英雄谱4】最后两块绊脚石 精选

已有 12184 次阅读 2015-9-6 20:36 |系统分类:人物纪事| 科学史, 原子弹, 费米, 链式反应, 临界质量

重核裂变的发现,为热闹的核物理研究又添加一把烈火,世界上所有的前沿物理实验室都沸腾起来。1939年便成为一个炽热的年份,在不到一年的时间内,所发表的有关核裂变的科学论文,总共达一百多篇。

1.链式反应假说

 

图1 恩利克·费米(Enrico Fermi

 

在1939年1月26日召开的第五届华盛顿理论物理学会议上,新发现的铀核裂变成为会议讨论的热烈话题。在与玻尔讨论时,费米特别提到重核裂变放出中子的可能性:当铀核裂变时,会放射出中子。这些中子又会击中其它铀核,于是就会发生一连串的反应,直到全部原子被分裂,这就是著名的链式反应理论。

虽然费米提及的只是一种理论假说,但当时费米是最具声望的中子研究权威,讨论对象又是量子物理学的大明星、哥本哈根学派的创始人——玻尔。于是费米作为链式反应机制的发现者之一,被明确的记录在科学史上。

费米凭借“证明了可由中子辐照而产生的新放射性元素的存在,以及有关慢中子引发的核反应的发现”而获得1938年诺贝尔物理学奖。获奖两个月后,费米听说了哈恩的实验结果,这无异于当头一棒,因为新的研究结果表明铀核受中子激发,不会产生新的超重元素。换言之,这项诺贝尔奖一半是对的,一半是错的。但反过来说,费米关于“慢中子”比“快中子”更容易引发核反应的超越当时认知的发现确实是一个了不起的贡献,并直接启迪了哈恩的新发现。

1942年12月2日,在芝加哥大学,费米指导下设计和制造出来的人类第一台可控核反应堆首次运转成功,命名为“芝加哥一号堆”。这是原子时代的真正开端,因为这是人类第一次成功地进行了一次核链式反应。费米也是直接参与曼哈顿工程的著名科学家之一,并曾担任洛斯阿拉莫斯国家实验室副主任。

2.链式反应的验证

 

图2 约里奥·居里三人研究组

(左一为约里奥,左二为哈尔班,左三为科瓦尔斯基)

 

重核裂变的实验一经报导,关于链式反应的试验验证工作旋即在许多先知先觉的实验室中开展起来。效率最高且最为引入注目的当属法国约里奥·居里夫妇的实验室。主持该项目实验的是男主人费雷德克里·约里奥·居里,直接参与实验的有研究助理法国物理学家哈尔班(Hans Heinrich von Halban)和俄裔法国物理学家科瓦尔斯基(Lew Kowarski)。

他们于1939年3月18日在《Nature》上发表了中子轰击铀核可以产生二代中子的实验结果,4月22日在《Nature》上发表了每个铀核裂变产生2-3个中子的结论,给出链式反应可能性的确证结果。

3.临界质量

科学家已经发现因绝大多数中子的逃逸,少量的裂变材料不能维持链式反应。最后一个棘手问题是:维持链式反应究竟需要多少铀燃料?这个最小的铀燃料质量即称为临界质量。约里奥-居里实验室的法国物理学家佩林(Francis Perrin)于1939年5月1日在《法国科学院通报》(Comptes Rendus)上发表了对铀临界质量的分析,他的结论是铀燃料维持链式反应的临界质量在数吨以上。显然,寻找如此巨量的铀燃料太不切实际,制造原子弹几无可能。不过,很快就有人推翻了这一错误结论。

 

图3 鲁道夫·恩斯特·派尔斯(Rudolf Ernst Peierls

 

1940年3月,已在英国伯明翰大学物理系工作的弗里施(铀核裂变理论奠基工作中迈特纳的合作者)和英国物理学家派尔斯联合写就一份短文,通过仔细计算,得出一个令人恐怖的结论:铀燃料的临界质量仅约为1千克,理论上证明了原子弹的可行性。这篇短文因保密需要,并未公开发表,而是转交到了英国陆军防空科学调查委员会主席蒂泽德(Henry Thomas Tizard)手中,这篇短文史称“弗里施-派尔斯备忘录”。弗里施和派尔斯凭借这一研究工作成为英国原子弹计划的灵魂人物,直接推动了英国铀引爆军事委员会(MAUD)的成立,并引发代号“管合金”(Tube Alloys)原子弹工程项目的上马。

1943年8月,随着英美联合开展原子弹建造计划的“魁北克协议”签署,弗里施和派尔斯均以英国科学家代表身份参与了美国的“曼哈顿工程”,其间便有一则广为人知的人工停止核反应逸闻。弗里施当时主要负责“临界质量”的精确测定,一次实验中,由于身体反射中子的效应,导致他搭建的燃料堆“高迪瓦夫人装置”启动反应,当测试仪器的警报灯逐步加速闪烁时,他马上意识到问题所在,迅即用手分离了反应堆,从而避免了一场大灾难。幸运的是,他本人在此过程中所受的辐射尚不紧要。

 

阅读索引:

【原子弹英雄谱3】关键突破

【原子弹英雄谱2】寻找破核利器

【原子弹英雄谱1】伟大的理论预言




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