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原子的四分五裂 科学和原子弹（第1页）

原子的四分五裂：科学和原子弹

20世纪30年代末，战争的阴影渐渐逼近，就在此时，天文学家继续向着宇宙的深度和广度进军，物理学家继续探测原子核这一微观领域。与此同时，对许多欧洲科学家来说，生活条件越来越差。他们的实验室、家庭甚至生命都处在希特勒政权的威胁之下，希特勒政权正企图消灭犹太民族，压制周边国家的自由。

雪地里的散步：迈特纳和弗利胥

奥地利物理学家迈特纳（LiseMeitner，1878—1968）为了逃避纳粹对犹太人的血腥迫害，于1938年在斯德哥尔摩度过了一个寒冷而孤独的冬天后，来到瑞典的北部。对于她来说，来自她深爱的第二故乡柏林的刀光剑影，已经使她的工作和生活彻底分离。30年来她一直和受人尊敬的德国化学家哈恩（OttoHahn，1879—1968）肩并肩地一起工作。哈恩一般做实验工作，而迈特纳作出理论解释。现在迈特纳已经到了60岁，她的实验室和合作伙伴留在柏林，而斯德哥尔摩还没有建成的物理研究所几乎没有仪器设备，好在她还算幸运，竟然在此找到了一个职位。所以，当圣诞节来临时，她高兴地接受了朋友们的邀请，到瑞典东北海岸他们居住的一个休养小城昆伽夫（Kungalv）见面。她写信告诉哈恩，她要去那里，如果需要和她联系，请他写信到那里去。——这是现在他们之间唯一的联络方式。她还渴望见到她喜爱的外甥弗利胥，弗利胥计划从哥本哈根旅行到瑞典，和她一起度假。

大约1959年的迈特纳，这时距离她和弗利胥著名的雪地散步已经过了21年。

但是当迈特纳抵达昆伽夫时，出乎她的预料，来自哈恩的一封信已经先期到达。弗利胥后来写道：“当我在昆伽夫度过第一夜，刚从旅馆房间里出来时，只见迈特纳正在研究来自哈恩的信件，显得非常着急。”

他们两人离开旅馆，在附近丛林里踏雪，同时激动地讨论着，弗利胥穿着滑雪板，迈特纳在一边步行，坚持不要滑雪板。

哈恩和他的助手斯特拉斯曼（FritzStrassmann，1902—1980），一直在试图解决一个谜，它与用中子轰击少量铀有关。这一过程通常仅仅产生几千个“子代物质”的原子，新物质具有与亲代物质不同的原子成分，在本例中亲代物质就是铀。问题是如何鉴定新物质以及解释它们为什么会产生。

哈恩已经开始这一实验，因为费米1934年在意大利曾经试图用被石蜡减慢速度的中子轰击铀核。当时费米并不是想分裂原子，而是希望使某些中子粘到核上，从而产生具有不同寻常的中子数量的同位素。但所得结果使他，也使其他人大吃一惊并深感困惑。他的实验产生大量辐射。他认为也许是产生了比铀还要重的合成元素，而当时铀被公认是自然形成的最重的元素。

当时没有人认为有可能是击破了铀原子。击破较轻元素的核则是另一回事，因为较轻元素的核所含粒子较少，也许互相问的束缚并不紧密，击破它们并不需要多大能量。但是在20世纪30年代初期，没有人会想象到有可能在牢牢束缚的重铀核中释放出巨大能量。对于这一点，卢瑟福、爱因斯坦和玻尔的意见是完全一致的。

但4年后，就在迈特纳和弗利胥雪地漫步之际，从不同实验室传来的不可思议的结果开始碰到一起。在巴黎，约里奥·居里（玛丽与皮埃尔·居里的女儿）和她的同事萨维奇（PavelSaviteh）在这方面已经得到一些令人惊奇的结果。几个月前，他们刚刚发表一篇论文，证实用中子轰击铀时产生了一种物质，似乎是镧——这种元素在周期表中的位置比铀低35格!也就是说，镧元素的原子序数是57，而铀是92。（原子序数表示质子或带正电荷粒子的数目）人们绝不可能想到如铀这样的重元素还有可能被击破。

这一消息引起高度争论，哈恩已着手证明约里奥·居里和萨维奇是否已“把事情弄糟”（有一位正在访问的放射化学家听到他这样评论）。哈恩和斯特拉斯曼开始轰击自己的铀样品。但是在经过多次重复之后，他们在1938年11月也报告了一系列令人惊奇的新结果。他们发现了三种同位素，是过去从未有人鉴定过的，他们相信这些同位素是属于第88号元素镭。他们在1938年11月出版的论文中写道，这“一定是由于发射了两个连续的a粒子”（a粒子是带正电的亚原子粒子，由两个质子和两个中子组成）。尽管镭并不那么接近镧在周期表中的位置，但哈恩和斯特拉斯曼的报告仍然和约里奥·居里及萨维奇的论文一样，引起了人们的怀疑和兴趣。哈恩后来写道，玻尔“对此表示怀疑，问我是不是高度不可靠”。对此，哈恩从内心同意。整个形势令人迷惑不解。是不是在实验中出了什么差错?哈恩和斯特拉斯曼回到实验室继续工作。故事就像他的信中所写。在迈特纳度假之前，她已经收到了来自哈恩的一封信，是12月19日写的，信中写道：

“关于铀的活性，我已竭尽可能，斯特拉斯曼也是全力以赴。……现在几乎是晚上11点钟了……事实是，‘镭同位素’里面有如此奇怪的东西，到现在为止我们只告诉您一个人：……我们的镭同位素行为就像钡。”

这是比以前更为神奇的结果。钡的原子序数是56!比铀的92一半略微多一点。

哈恩在信中继续说道，“也许您能够提出某种有趣的解释。我们知道，它绝不可能分裂成钡”。在信中他的表述一清二楚（并不正确），“……因此，请您想一想，是否还有什么别的可能?”

因此，当迈特纳发现在昆伽夫另有一封来自哈恩的信等着她时，并不感到意外。哈恩写道，进一步的实验有助于确定的确是生成了钡。作为化学家，哈恩认为自己有十足的把握。用慢中子轰击铀生成的不是镭，而是钡。她有没有可能提出另一种更合理的解释呢?这就是迈特纳和年轻的弗利胥在那个冬雪的日子里面对的如此困惑的问题。

正如后来弗利胥所写：“从原子核里从来没有分裂出比质子或氦核（α粒子）更大的碎片，而且也没有足够的能量来做到这一点。再就是，没有可能把铀核一分为二。原子核并不是易碎的固体，可以被劈开或者击破……”

其实，当时最新的核理论已经由俄国物理学家伽莫夫（Geamow，1904—1968）提出，并得到了弗利胥的导师玻尔的补充，他们把原子核比作一滴水。迈特纳和弗利胥在雪地散步时，开始假设原子核有可能分裂成了两个更小的“液滴”，就像挂在屋檐下或者雨伞边沿的水滴那样。它有可能是缓慢地伸长，形成狭窄的颈部，最终分离开来，而不是一下子就分裂为两个部分。

他们两人坐在一根原木上，从口袋里拿出纸片，在上面潦草地写下了几个公式。他们发现，铀核的电荷实际上已经大到足以抵消表面张力，从而使铀核变得很不稳定。单个中子就可以把它击破。“但是还有另一个问题”，据弗利胥回忆道：

“分离之后，两个碎片由于相互间的电斥力而远离，远离速度之高因而带有非常大的能量，能量总共大约为200MeV（百万电子伏）。这个能量从哪里来呢?幸运的是，迈特纳记得计算原子核质量的经验公式，从而算出两个从铀核分裂的核加在一起要比原来的铀核轻，大约轻五分之一的质子质量。根据爱因斯坦的质能公式E=mc2五分之一个质子的质量正好相当于200MeV。这就是能量的来源，一切都很吻合!”

迈特纳和弗利胥在耀眼的雪地里相互对望。在日常生活中200MeV并不算很大的能量，可是对于单个原子，释放这么多的能量却是很大的数量。许多化学反应只产生5个电子伏的能量，而这个过程产生的能量却是它的4000万倍。

有了哈恩的结果和计算的公式，可以断定，哈恩和斯特拉斯曼已经做了难以企及的事情。他们击破了铀原子。当迈特纳和弗利胥坐在瑞典的雪地里时，他们意识到了这一点。他们还意识到，如果这一能力落到纳粹手中意味着什么。原子裂变所释放出的如此巨大的能量将有极大的破坏力。当然迈特纳和弗利胥得到的结论对科学界来说也是极其重要的新闻，出于科学和政治两方面的理由，都必须让正义的人民知道这一消息。

当迈特纳回到斯德哥尔摩她的实验室时，弗利胥也匆忙返回丹麦，他在那里的玻尔研究所工作。当他到达时，玻尔正准备坐船去美国参加一个会议，弗利胥向玻尔讲述了发生的事情。

“哦，我们大家多么愚蠢?哦，这真是神奇!但正应该如此呀!”玻尔惊呼，用手敲击脑袋。他非常激动，鼓励弗利胥和迈特纳一起尽快发表一篇论文，解释哈恩一斯特拉斯曼的结果。然后他上船去了美国。途中他向一位同事讲述了这一激动人心的消息，在1939年1月16日的会议上，消息泄露了出去，后来才知道，这时迈特纳和弗利胥的论文还没有发表（好心的玻尔后来经常为这一疏忽表示歉意）。仅仅过了一夜，全美国各个大学的物理学家和化学家就开始检验这一命题，确证这是真实的。原子被击破了!物理学界和化学界被弄得神魂颠倒。

和希特勒竞赛

根据迈特纳从哈恩处得到的消息，德国科学家已经实现了核裂变，这使美国上下一片惊慌。若是如此，希特勒就有可能已经成功制造出原子弹，其破坏能力会是相当惊人的。如果这一武器在战争期间落入不讲原则的领导人手里，其后果将不堪设想。于是抢在希特勒前面，打击希特勒，赢得战争，就成为当务之急。

1939年，西拉德（LeoSzilard，1898—1964）成功地说服了爱因斯坦——这位世界上最有影响的科学家，一起去说服美国总统罗斯福（FrankinDela，1882—1945），让他相信美国迫切需要进行一项研制裂变炸弹的紧急计划。爱因斯坦这样做了，其实这大大违反了他一直持有的信念，因为爱因斯坦是一位热忱的和平主义者，但是希特勒和纳粹已经变成了世界上最可恶的势力。在爱因斯坦难得的支持下，一项绝密的计划产生了。它的代号就是曼哈顿计划，其目的就是建造“原子”弹。

费米的核反应堆

正如哈恩和斯特拉斯曼所证明的，铀核可以分裂。对于一个原子来说，巨大的能量由此可以被释放。但是要启动这一战略性武器，首先需要更多的能量。为此，必须进行链式反应，而链式反应以前从来没有人实现过。所以尽管没有人怀疑能够建造原子弹，但第一步却是要证明链式反应真正能够发生。

费米

这件工作落到了来自意大利的能干的物理学家费米身上，他在1938年获得诺贝尔物理学奖——正好是迈特纳和弗利胥以裂变解释哈恩—斯特拉斯曼结果的几个月前。费米利用他到斯德哥尔摩参加诺贝尔奖颁奖典礼之机，与家人一起逃避了墨索里尼（BenitoMussolini，1883—1945）在意大利的法西斯统治。费米一家离开时只带了少量财产，以后再没有回去，在美国定居下来。

于是，就在芝加哥大学运动场的看台下，费米领导一组科学家建造了一座试验“堆”（他这样称呼）。他在6年前就已经知道用查德威克的中子轰击铀原子核的方法，现在他要使它成为现实。