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把人类带入原子弹时代的科学实验 精选

已有 14958 次阅读 2014-4-16 15:27 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦| 相对论, 爱因斯坦, 原子弹, 裂变, 质能关系式

提起原子弹,人们首先想到的是质能关系式E=mc2和爱因斯坦。媒体和社会大众的普遍印象是原子弹是根据爱因斯坦的质能关系式制造出来的。E=mc2确实能解释原子弹的威力,但是它也能解释农村烧柴火做饭,内燃机使用汽油、柴油驱动汽车。质能关系式是普适公式,因此,它对于制造原子弹实际上并没有什么指导意义。美国物理学家罗伯特·塞伯(Robert Serber1909–1997)是曼哈顿工程负责理论的科学家,他给参加该工程的科学家讲解制造原子弹的物理基础的讲义于1965年解密,并已出版,书名为《洛萨拉莫斯启蒙:关于如何制造原子弹的第一批讲义》(Los Alamos primer: the first lecture on how to build an atomic bomb)。以研究核物理与核武器历史著称的美国历史学家理查德·罗德斯(Richard Rhodes1937-)在给该书写的序言中指出:“这里完全不包括相对论(需要的所有知识是裂变释放能量和释放多少能量),只有很少一点量子力学。”对于制造原子弹起决定性意义的是二十世纪三十年代后期的几个实验,正是这几个科学实验的结果及其解释,把人类带入了原子弹时代。

 

 

图1 洛萨拉莫斯实验室关于制造原子弹的物理基础讲义的解密批准页

 

一、核裂变发现前人们对利用原子能的认识

随着放射性和镭元素的发现,人们认识到原子中蕴藏着巨大的能量。1900年法国物理学家贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel, 1852–1908,放射性的发现者,与居里夫妇同获1903年诺贝尔物理奖)用物质转变为能量来解释镭持续释放能量很高的射线而其质量却没有可测量的减少这一现象。他所用的质能转化关系与E=mc2在同一数量级。即使如此,人们却长期没有找到大规模开发利用原子能的有效办法。

1932年英国物理学家考克饶夫(John Douglas Cockcroft1897-1967和沃尔顿(Ernest Thomas Sinton Walton 1903–1995用质子轰击锂靶,一个锂核产生两个8百万电子伏特能量的a-粒子(氦核)。考克饶夫和沃尔顿因这一工作获得1951年的诺贝尔物理奖。虽然在考克饶夫和沃尔顿实验中原子核分裂并产生大量能量,但是他们的老师卢瑟福(Ernest Rutherford1871-1937认为不可能通过类似过程来利用核能。卢瑟福因证明放射性是由元素嬗变而致以及确定ab射线的性质获得1908年的诺贝尔化学奖,但是他的a射线轰击金箔实验、由此提出原子行星模型的工作,以及a射线轰击氮产生氧和氢核(质子)从而发现质子的工作,是比他的获奖工作更重要的发现。人们公认他是唯一一个获诺贝尔奖后的工作比获奖工作更重要的科学家。匈牙利籍物理学家列奥·西拉德(Leó Szilárd1898–1964)因为是犹太人受纳粹德国排犹政策影响,当时刚从德国来到英国不久,读到了卢瑟福的观点。他不赞同卢瑟福的观点,他设想了核链式反应,其中中子可以激发产生能量的核反应,同时也产生新的中子再激发新的核反应,从而使能量产生过程自我维持下去。西拉德为中子激发的核链式反应登记了专利,但这只是一个设想,当时还没有发现可实现链式反应的核过程。西拉德试图用钡和铟来实现核链式反应,但是这些元素不能实现核链式反应。

1932年英国物理学家查德威克(James Chadwick1891–1974)通过一系列实验证明了中子的存在,并因此获得1935年诺贝尔物理奖。中子为实验物理学家提供了轰击原子核的理想工具,物理学家试图用中子轰击铀核来制作超铀元素。1934年意大利物理学家费米(Enrico Fermi1901 –1954,因用中子轰击靶元素产生放射性和超铀元素获得1938年诺贝尔物理奖)报告中子轰击铀靶后产生新的b射线源,这些新产生的b核素可能是新的超铀元素。他测定了轰击铀靶后样品中是否含铅(原子序数82)以上的已知元素,没有发现这些元素,因此,他认为新的b射线源应该是超铀元素。德国女物理学家和化学家伊达·诺达克(Ida Noddack 1896 –1978发文批评了费米的推理。她认为应该在测量原子序数更小的元素后才能作出产生新超铀元素的结论,因为铀核被轰击后可能产生两个较轻的元素。不过诺达克本人并未做实验验证自己的想法,其他人也没有认真地对待诺达克的意见。

二、哈恩和斯特拉斯曼的实验与迈特纳和弗里施的解释

第一个预告原子弹时代来临的科学发现是1938年德国化学家奥托·哈恩(Otto Hahn, 1879 –1968和弗里茨·斯特拉斯曼(Friedrich Wilhelm "Fritz" Strassmann 1902–1980)在中子轰击铀靶的样品中发现了元素钡的实验。哈恩1904年到发现惰性气体的英国化学家威廉·拉姆齐(William Ramsay18521916,因对惰性气体的研究获得1904年诺贝尔化学奖)在伦敦大学学院(University College London)的实验室工作开始放射化学的研究。1906年到柏林大学工作。1912年成为新成立的威廉皇帝化学研究所放射系主任。他先后发现了-228、-227、镭-228-228-234、镤-231等核素。哈恩是威廉皇帝研究院最后一任院长和马克斯·普朗克研究院第一任院长。斯特拉斯曼1933年因不满纳粹对德国化学家协会的控制而退出,因此上了黑名单。哈恩和莉泽·迈特纳(Lise Meitner 1878 –1968)帮他在实验室安排了半薪实验助理的工作。二战期间斯特拉斯曼和妻子曾将犹太人朋友藏在家中予以保护。莉泽·迈特纳是奥地利的犹太人,1905年在维也纳大学得到物理学博士学位(她是维也纳大学的第二位女物理学博士)。长期在德国工作,是德国大学中的第一个女物理学正教授,爱因斯坦曾称她为德国的居里夫人。1938年前因为她是奥地利人,暂时没有受到纳粹德国排犹政策的影响。

1934-1938年期间,哈恩、迈特纳和斯特拉斯曼用中子轰击铀靶,发现了很多嬗变产物。开始,他们和不少科学家一样认为这些嬗变产物是超铀元素。1938年德国吞并了奥地利,迈特纳不再受奥地利人身份的保护。19387月她经荷兰、丹麦逃到瑞典。在策划逃跑时,哈恩将母亲留下的钻石戒指送给迈特纳以备路上贿赂之用。战后迈特纳为自己在1938年前对纳粹德国政策的沉默表示了深刻反省和自责,并对哈恩的不作为也做了严词批评。

迈特纳逃走后,哈恩和斯特拉斯曼继续进行中子轰击铀靶的实验。他们发现中子轰击后的样品中的元素像是钡。193811月哈恩到哥本哈根与玻尔(Niels Henrik David Bohr 1885 –1962,因对原子结构和量子理论的贡献获1922年诺贝尔物理奖,量子力学哥本哈根学派领头人)和迈特纳讨论了他们的发现。193812月,哈恩和斯特拉斯曼在仔细鉴定核反应产物后,肯定其中之一非常可能是放射性钡样品中发现了元素钡,说明中子轰击铀靶产生的不都是超铀元素,而可能是伊达·诺达克猜想的铀核分裂为较轻元素。19381219日哈恩将这一结果写信告知自己的长期合作者迈特纳:“我们越来越接近一个可怕的结论:我们的镭同位素性状不像镭,而像钡。…… 也许你能提供一个绝妙的解释。我们自己认识到它不可能实际上分裂成钡。”(we aremore and more coming to the awful conclusion that our Ra isotopes behave notlike Ra, but like Ba. ... Perhaps you can suggest some fantastic explanation. We ourselves realize that it can't really burst into Ba.19381222日哈恩投稿Naturwissenschaften(自然科学)报告他们的发现,中子轰击铀靶的产物可能不是以前认为的超铀元素,而是鍀和铂族金属。19391月,哈恩发表了修改版,肯定他们发现的是钡、镧、铈等较轻的元素。1938年圣诞节,奥托·弗里施(Otto Robert Frisch 1904 –1979)到瑞典看望自己姨母迈特纳,他们认为哈恩和斯特拉斯曼实验中,中子轰击铀核使其分裂为质量相近的两个较轻元素,钡和氪,并释放数个中子和大量能量,弗里施使用裂变”(fission)来命名这一过程。他们用原子核的“油滴模型”(droplet model)来解释这一过程,并提出自然中没有稳定超铀元素的原因是过多质子形成的静电斥力超过了强相互作用核力。迈特纳和弗里施的犹太人身份,使哈恩和斯特拉斯曼不能与他们发表同一篇文章。迈特纳和弗里施的文章发表在1939211日的Nature杂志。瑞典皇家科学院在1945年11月15日宣布,因哈恩发现核裂变将1944年的诺贝尔化学奖授予哈恩。不少当代学者认为迈特纳或迈特纳和弗里施应该因同一工作得到诺贝尔物理奖。

三、弗里施的中子轰击铀核产生较轻元素实验

弗里施本来也在德国工作。希特勒1933年上台后,弗里施因担心受纳粹迫害离开德国到英国。先在伦敦大学的Birkbeck学院工作,然后到丹麦哥本哈根大学玻尔的理论物理研究所工作。在与姨母迈特纳完成对哈恩和斯特拉斯曼实验结果的解释后。弗里施回到实验室用实验证明他们的解释,中子轰击铀核导致铀核裂变成两个较轻的元素。弗里施实验用铀衬电离室壁,电离室连接到线性放大器,放大器的灵敏度调到只对>5x105个离子对的事件有反应;以300毫克混有铍的镭做中子源,放在离铀衬里1厘米处。弗里施发现,实验结果符合中子轰击铀核产生原子序数40-45、原子质量100-150的元素;用钍做衬里的结果与铀相似。当没有中子源或铀衬里时,放大器数小时内没有记录到任何电脉冲。当中子源放在4厘米处时,用石蜡包裹中子源可以将效应加倍。记录到的脉冲数与中子源的强度呈线性关系。弗里施的实验在1939113日完成。迈特纳和弗里施解释哈恩和斯特拉斯曼实验结果的文章与弗里施的实验文章都在116日投稿Nature杂志。弗里施的实验文章发表在1939218日的Nature,两篇文章同时投出,发表仅相距一星期。他们把文稿也送给了玻尔。玻尔在120日写了一篇分析讨论他们工作的文章,也投给Nature。玻尔的文章发表在1939225日的Nature,即弗里施的实验文章一星期之后。据弗里施回忆,他的实验是由当时流亡丹麦的捷克物理学家普拉切克(Georg Placzek 1905 - 1955))建议的。这一建议是普拉切克在19391月离开丹麦去美国前做出的,玻尔当时已去美国普林斯顿大学。普拉切克也是犹太人,父母和一个妹妹后来死在纳粹集中营。

四、哈尔班等人证明铀核分裂二代中子足够维持链式反应的实验

迈特纳和弗里施解释哈恩和斯特拉斯曼实验结果的文章与弗里施的实验文章发表后,法国巴黎物理学家约里奥-居里(Jean Frédéric Joliot-Curie1900 –1958)的实验室也开始了这方面的研究。弗雷德里克·约里奥-居里居里夫妇的长女伊雷娜·约里奥-居里Irène Joliot-Curie18971956丈夫,两人因为对人工放射性的研究而获得1935年诺贝尔化学奖德国出生的物理学家哈尔班(Hans Heinrich von Halban1908 –19641937年到约里奥-居里的实验室工作,哈尔班也是犹太人。当时在约里奥-居里实验室工作的还有俄罗斯出生的物理学家廖·科瓦尔斯基(Lew Kowarski 1907 - 1979)和法国物理学家佩林(Francis Perrin 1901 - 1992)。科瓦尔斯基也是犹太人。哈尔班、约里奥-居里和科瓦尔斯基测量了镭-铍中子源发出的中子束经过不同距离的硝酸铵或硝酸铀溶液后的中子密度。当距离较短时,经过硝酸铵溶液的中子密度高于经过硝酸铀溶液;当距离较长时,经过硝酸铵溶液的中子密度低于经过硝酸铀溶液。这一实验证明中子轰击铀核分裂可以产生二代中子。这一工作发表于1939318日的Nature。哈尔班、约里奥-居里和科瓦尔斯基进一步分析了中子轰击铀核二代中子的产量,维持链式反应的一代与二代中子比例必须大于1。他们的分析显示一代与二代中子比例大于1,核能开发和原子弹的可行性是存在的。他们的文章发表在1939422日的Nature上。

在德军19405月占领巴黎之前,约里奥-居里让哈尔班和科瓦尔斯基带着他们的实验记录、论文、1克镭和26桶重水(当时世界全部的重水库存)逃到了英国。英国政府邀请他们到剑桥大学继续他们的研究。哈尔班和科瓦尔斯基的部分关于建设核反应堆的论文在查德威克的建议下因当时不适宜发表而封存。英美政府决定合作发展原子弹后,哈尔班1942年被英国政府任命为加拿大蒙特利尔实验室负责人,蒙特利尔实验室是曼哈顿工程的一部分。后来科瓦尔斯基也来到蒙特利尔实验室。约里奥-居里在二战期间一直留在法国,秘密参加了法国的抵抗运动。不过负责曼哈顿工程的美军将领格罗夫斯在他的回忆录《现在可以说了》中却表示了在盟军解放巴黎后他对约里奥-居里的不信任。格罗夫斯回忆说,虽然约里奥-居里他们在巴黎解放时都戴着法国抵抗运动的标志,但是他知道约里奥-居里实验室在德军占领期间保持着与德国科学家的联系。

哈恩-斯特拉斯曼实验及迈特纳和弗里施的理论解释、弗里施实验、哈尔班-约里奥-居里-科瓦尔斯基实验提供了制造原子弹的实验基础。罗伯特·塞伯给参加曼哈顿该工程的科学家讲解制造原子弹的物理基础的讲义主要是关于这几个实验及其分析。(待续)

 



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