博文
从核物理学到原子弹之三
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吴国林
五、价值负载的过程：从核科学到原子弹
从核物理学到原子弹的爆炸，一般要经过以下几个阶段[[i]]：
（1）原子核人工嬗变与中子的发现
早在19世纪末，放射性和电子的发现就已揭示出原子内部有结构。1919年，卢瑟福用α粒子打开原子核，标志了原子核人工嬗变的开始。1920年卢瑟福提出，原子核内可能存在一种质量同质子相近的中性粒子，它是由一个质子和一个电子结合而成的。卢瑟福的学生查德威克（J．Chadwick）通过不同的实验，比较发现了“中子”，于1932年2月17日发表了研究结果。
（2）重核裂变的发现与确认
1934年1月，约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝，得到了天然不存在的放射性元素磷。物理学家费米（E．Fermi）在获悉人工放射性的发现以后，考虑到中子不像α粒子那样带有电荷，如果用中子代替α粒子，一定会出现更多的核反应。于是，他计划按照原子序数的顺序对已知的92种元素逐一用中子进行轰击。当他们用中子轰击第92号元素铀时，得到了几种具有不同半衰期的β放射元素。通过一系列分析，证明它看来很可能是一种原子序数大于92（铀）的元素，即超铀元素。随后对超铀元素展开了争论。
在费米宣布发现超铀元素后，立即遭到德国女化学家依达·诺达克（Ida Noddack）的公开批评。她认为关于超铀元素的化学分析方面的证据不足，而很可能是重核俘获中子后分裂成几个大块的碎片。当时公认的放射化学权威奥托·哈恩（Otto Hahn）则认为，诺达克夫人的意见纯粹是谬论的。
哈恩和无机分析化学家施特拉斯曼（F．Strassmann）重新用居里夫人同样的方法仔细地做了他们自己以前的实验。1938年11月，他们宣布，铀被中子轰击后的产物，至少有3种放射性物质的化学性质类似钡，即是钡的同位素。
1938年12月，依据玻尔不久前提出的原子核液滴模型，女物理学家迈特内（L．Meitner）与物理学家弗里施（O．R．Frisch）经过几天的讨论和研究，最后确信：铀核吸收中子后，分裂成大小相近的两个原子核，并把这种现象称之为核的“裂变”（fission）。他们根据爱因斯坦的质能关系（E=mc2），估算出一个铀核裂变时会释放出2亿电子伏的能量，这比一个碳原子氧化成二氧化碳分子时所释放的能量要大5000万倍。这一结果在1939年1月27日华盛顿理论物理学讨论会上立即引起轰动。一个多月后，约里奥·居里夫妇、西拉德（L. Szilard）及费米等人分别证实了链式反应不仅可能，而且速率极高：两次反应的时间间隔只有50万亿分之一秒。这表明，铀核裂变链式反应一旦实现，极短时间内将有巨大能量释放出来。
（3）原子弹的制造
原子核裂变发现时正值第二次世界大战爆发的前夕，西拉德等人已经预感到制造原子武器的危险，特别是获悉纳粹德国正加紧链式反应的研究。1939年7月，西拉德、维格纳（E．P．Wigner）和爱因斯坦，于1939年8月2日签发了著名的给罗斯福总统的信，敦促美国赶在纳粹德国之前造出原子弹。罗斯福总统采纳了他们的建议，成立了铀顾问委员会，1942年9月成立了领导制造原子武器的庞大的工程计划，代号叫“曼哈顿工程区”。
要实现核爆炸，需要一定数量的可以发生裂变的材料。早在1939年初，玻尔根据他的原子核液滴模型理论，指出具奇数个中子的核容易发生裂变。寻找足够的裂变材料238U铀和239Pu钚就是在这一理论的指引下进行的。
为了研究链式反应实现的实际条件，以及利用天然铀中的238U来制造钚。1942年10月，费米在芝加哥大学建造一个6米高的核反应装置，于同年12月正式运行。
要制造原子弹还必须从理论上计算出各种可裂变物质实现核爆炸的临界体积（或临界质量）。由于原子弹要由飞机运载和投掷，因此，必须考虑由快中子激发核反应。1943年3月，物理学家奥本海默（J．R．Oppenheimer）在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）建立了规模庞大的实验室。1945年7月16日他们在新墨西哥州爆炸了第一颗原子弹。
1945年5月8日，德国就已宣告无条件投降，制造和使用原子弹的理由已经不再存在。早在1945年3月，西拉德就曾起草一个文件。同年6月，西拉德联合其他 5个也参加原子弹研制工作的科学家联名上书美国陆军部长，反对使用原子弹。同年7月，西拉德又联合60多个科学家写了紧急请愿书，送交白宫。所有这些努力都无济于事。1945年8月6日和9日，杜鲁门等人悍然下令向日本的广岛和长崎城市投掷刚刚制造出来的、仅有的两颗原子弹。
（4）几点结论
上述分析表明，在原子弹的研制过程中，科学理论起到了巨大的作用，其中有伦理价值观的渗透。
首先，裂变概念的提出需要实验与理论的相互确认。铀的裂变释放出的巨大能量的估算首先是通过爱因斯坦的质能方程来进行的，而这种估算是否正确也有待检验。
其次，原子核理论是寻找制造原子弹的原料的根本性向导，还是实现核爆炸的临界体积的理论向导。没有原子核的相关理论，是不可能研制出原子弹的。
第三，原子核理论向原子弹技术的转向过程中，存在合法性问题。由于非正义的德国正在研制原子弹；于是，按照正当防卫原则，科学家从人类正义角度向美国政府敦促赶在德国之前造出原子弹和美国研制原子弹是合法和合理的。但是，一旦德国宣布无条件投降，美国就失去了研制原子弹的正当理由，然而美国却一意孤行，以达到称霸世界的目的。
第四，原子弹的爆炸成功，进一步检验了原子核有关科学理论的真理性。
原子弹的研制是一个复杂的系统工程，其中有物理学家、化学家、工程师、政治家等共同参与，有科学、技术、经济、军事和社会的共同作用。显然，原子核的有关科学理论对原子弹的研制成功负有不可推脱的责任。没有原子核的相关理论，原子弹是不可能研制成功的。
[[i]] 李佩珊，许良英，20世纪科学技术简史（第二版）[M]，北京: 科学出版社，1999，61-67.
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