Tuesday, December 13, 2005
核分裂發現的曲折歷史
【摘要】雖然大自然的奧祕十分複雜，但人們的眼中只看得見他們所想的事情，這才真正阻礙了科學的發展。
近 代科學的發現中，很少有像由哈恩（O. Hahn）和史特拉斯曼（F. Straussmann），在1938年十二月發現的「核分裂」這樣迅速而深遠的影響人類，也很少有如此錯綜雜的背景故事。1988年發現核分裂>的50周 年紀念時，許多地方都有慶祝活動。筆者（西格瑞，Emilio G. Sergè）參與早期在羅馬和後來在美國的實驗，我也認識當時大部分的人（除了史特拉斯曼外）。因此，我將試著把整個發現的過程>和一些插曲，做一扼要的陳述。
中子造成的質變
世界第一顆原子彈的誕生過程 作者：李梓 文章來源：中新社網站 更新時間：2005-5-28 獵訊軍情網訊： 2005年被稱為世界物理年。 100年前，26歲的阿爾伯特•愛因斯坦發表了他一生中最重要的幾篇論文，在狹義相對論、光電效應和布朗運動三個領域將現代物理學向前推進了一大步。 50年前的4月18日，則是愛因斯坦的逝世紀念日。 此外，今年還是量子物理的奠基人玻爾誕辰120周年以及量子物理誕生80周年。 量子理論誕生於19世紀和20世紀之交，它揭示了本非我們這個星球所擁有的能量的秘密。人類文明在短短的幾十年間發生了飛躍，在歷史演進的這個時間段內，自然科學比其他任何時候都顯得重要。>奧本海默這樣寫道：“這是英雄的時代，一個常有重要消息和緊急會議的時代，是爭論、批評和取得輝煌數學成果的時代，這是一個創造的時代。” 在這些科學巨人和偉大的理論進步面前，原子彈像是個小小的嬰孩--它只是現代物理學的產物之一。 但是這個嬰孩誕生時卻是世界上啼聲最大的一個，全世界都聽到了來自“泰坦”的震動。那些親眼目睹了它的光芒的科學家們，忘記了他們的科學語言，腦海裏爭相浮現出宗教和神話的描繪：“漫天奇光異彩，有如聖靈逞威，只有1000個太陽，才能與其爭輝。” 原子彈的誕生還深刻地改變了世界格局。投向日本的兩顆原子彈迫使日本投降，提前了二戰結束的時間。戰後60年來，關於核俱樂部位置的爭奪一直是引發世界爭端的敏感問題，是和平年代潛伏的人>類最大的危機。 原子彈是人類所生產的最特殊的一件產品，它並非要為人類服務，而是要摧毀文明。正因為它的威力，有些原子彈生產出來的目的不是使用，而僅僅是作為一件令人望而生畏的陳列品。 關於核競爭，自從核裂變現象被揭示，那些富有遠見的科學家就已經成功地預見到並試圖讓它不要發生。但在政治的主導下，競爭還是開始了，從此，科學家不再是科學的主人。 父親們 1938年聖誕前夜，勤奮的科學家麗絲•梅特納遠離了她的工作崗位，來到哥德堡附近的一個海濱療養地，準備度過她流亡生涯中的第一個耶誕節。麗絲•梅特納是奧托•哈恩的助手，他們幾乎合作了一輩子。奧托•哈恩是一位優秀的化學家，而麗絲•梅特納在物理學領域造詣非凡，二人合作默契。梅特納有猶太血統，儘管她有奧地利國籍作為擋箭牌，但到了1938年，奧托•哈恩無論如何也不能再把她留在凱撒•威廉研究所，於是為她秘密安排了出走。 沒有梅特納小姐在身邊，奧托•哈恩感覺自己遇到了無法解釋的問題，1938年秋天他重複了約裏奧•居里夫人的實驗，用中子轟炸了鈾，檢測結果證明是產生了新元素鋇——它的重量大約為鈾的一半。 梅特納收到相關資料後，她的侄子，在哥本哈根的尼爾斯•玻爾研究所工作的弗利士來看望她，他們一起討論了這個問題。弗利士利用玻爾的理論“液滴模型”得出了一個富有想像力的結論：“在衝擊之>下，原始的鈾核逐漸變形，中部變窄，最後變為兩半，其過程與細菌繁殖的分裂過程非常相似……” 弗利士從瑞典返回哥本哈根，把他與姑母的談話講給玻爾聽，玻爾激動地說：“當然是這樣，我們做了多大的傻瓜！” 從這個時候起，聰明人開始意識到了，通過轟炸原子核釋放中子，從而引起鏈式反應是可能實現的事情。此前好幾年，已經有許多物理學家重複過這樣的工作，用越來越複雜的工具，轟炸這小小的原>子裏最堅固的部分原子核，以創造新的元素。1932年，查德威克發現中子，在這以前，盧瑟福于1920年曾設想原子核中還有一種中性粒子，質量大體與質子相等，但他沒能驗證這一設想。1934年，恩裏科•費米在羅馬用中子作為炮彈轟炸了鈾併發現有強烈的放射現象，他捕捉到放大了100倍的放射性，卻未能解開這個現象的真正奧秘。這位向來自信的天才，將之貼上了93號新元素的標籤了事。這是他一生中的遺憾之一。 誕生前夜的爭論 1939年春天，核子物理學家們在爭相討論原子彈的可能性。尼爾斯•玻爾，這位元量子物理的奠基人，列舉了15條理由來說明原子核的裂變無法具備實用價值，他當時無法預見，美國人用了3年時間和20億美元擊敗了他提出的每一個不可能。而奧托•哈恩，這位將因發現核裂變而獲得諾貝爾獎的人，在1939年春天與朋友的辯論中脫口而出：“這是違背上帝的旨意的！” 二戰前，科學走過了一段“理想年代”，盧瑟福所在的劍橋，尼爾斯•玻爾所在的哥本哈根，以及德國哥廷根，同為物理學的三大中心。他們彼此之間聯繫緊密，存在著難以分清的師承關係。在這樣的氣氛下，許多物理系的學生同時也研究拉丁語的詩歌，一些富有想像力的念頭隨時會打破物理學嚴謹的基石。恩裏科 •費米在對學生講課時說：“你們按照我的方法，可以得到結果，但是請不要問我這個方法的根據。” 1933年，哥廷根陷入納粹種族清洗的危機中，玻爾向受難的同行拋出了橄欖枝，哥本哈根比以前更加熱鬧了。而這一年，愛因斯坦把自己的家從柏林搬到了美國的普林斯頓。 等到1939年春天，他們中的許多人，尤其是猶太裔，都到了美國。費米也無法再守住他的羅馬學派，他的妻子是猶太人，他們於1938年12月趁著領取諾貝爾獎的機會出國，並到了美國定居。在戰後許>多人討論為什麼是美國而不是德國首先造出原子彈，這肯定是至關重要的因素。 1939年訪問美國時，玻爾洩漏了原子彈的秘密，他不僅向新大陸的聽眾介紹了哈恩的工作，還闡述了梅特納和弗利士的解釋。一位聽眾，後來被稱作“美國原子彈之父”的奧本海默後來回憶說：“我當時頭腦裏就有了關於原子彈的概念。”回家之後，奧本海默做了關於爆炸所需要的臨界質量的計算。 而另外一位科學家利奧•西拉德則試圖讓美國政府重視這個問題，他通過過去在歐洲的關係，瞭解到有跡象表示德國可能已經開始動手研究原子彈了。西拉德找到了羅斯福總統的非正式顧問亞歷山大•>薩克斯，薩克斯對此表示支持。為了能夠引起總統的重視，西拉德又找到了愛因斯坦，愛因斯坦在給羅斯福的信上簽了名。 1939年10月11日，薩克斯得到機會把信件呈遞給羅斯福，疲憊的總統未加注意。第二天他們還有見面的機會，薩克斯徹夜未眠，終於想到了一個具有說服力的典故：在拿破崙時代，美國發明家富爾頓>曾經建議這位皇帝建立一支蒸汽機動力的艦隊，以便在任何天氣下都能在英國登陸，拿破崙因為對這種艦隊聞所未聞而將富爾頓趕了出去。如果當權者能夠對科學多一些瞭解的話，歷史將會沿著完全不同>的曲線發展。羅斯福被他說服了，美國的原子彈計畫開始啟動。初期對這個計畫熱衷的科學家，大部分來自歐洲，他們對一點深信不疑，即納粹德國已經開始著手研製原子彈。 玻爾：原子彈的“雙重生父” 2005年春天，為了紀念“世界物理年”而在北京一所大學裏上演的一出科學戲劇惹惱了一位80多歲的老先生。物理史家、翻譯家戈革發表了兩篇文章指斥中國版的《哥本哈根》扭曲了玻爾的形象，體現>出對物理史的無知。戈革對玻爾有著特別的感情，他認為玻爾對於現代物理的重要性，不在愛因斯坦之下。遺憾的是，玻爾的名字在中國不僅沒有傳揚開去，而且隨著時間的流逝，這個名字所具有的榮光>不僅被公眾，也被諸多的物理學家所淡忘。 如果一定要給原子彈找出一位教父的話，玻爾毫無疑問是最合適的人選。1913年，玻爾提出了著名的原子理論，對原子結構模型的研究為他贏得了1922年的諾貝爾物理獎。玻爾不僅從科學的角度為原>子彈的誕生提供了最基礎的理論，也從精神上照管這個核子物理的嬰兒：在原子彈尚未試驗之前，玻爾就指出，如果原子能掌握在世界上愛好和平的人民手中，這種能量就會保障世界的持久和平；如果它>被濫用，就會導致文明的毀滅。戰後他獲得了美國首屆和平利用原子能獎。 玻爾有猶太血統，丹麥被德國佔領後，他被困在了哥本哈根。玻爾的學生，德國原子能研究的核心人物海森堡在1941年秋天拜訪了玻爾，他們謹慎地談到了鈾的分裂、核武器等等敏感問題。海森堡在>戰後被認定為德國核研究的領導者，1939年費米曾經想說服海森堡也到美國去，但海森堡拒絕了。 戰後，海森堡和支持者辯護說，他在戰爭中表面與當權者和解，實際上則進行了積極的抵抗，即讓德國的原子彈計畫無限期拖延。但在戈革看來，這樣的說法可以被上百個事實駁倒。“1941年，海森堡作為一個特殊的使者訪問了所有被德國佔領的國家，他當時已經是凱撒• 威廉物理研究院的院長。在這樣的氣候下，很難想像玻爾和他之間有什麼開誠佈公的談話。”作為《玻爾全集》的譯者，戈革認為，這次談話加深了玻爾對“德國的原子彈研究已經開始了”的印象。 1943年，知道研究所再也保不住了的玻爾終於出走了，英國皇家空軍把他安置在投彈倉裏，像一件貴重物品那樣運到英國，然後他去了美國。這時候研製原子彈的曼哈頓工程已經開始了一年多，儘管>羅斯福總統在1939年10月就說過：“對此事要加緊辦理。”但真正的大額撥款決議直到1941年12月6日才通過。 美國的理論物理學家費曼這時候也在曼哈頓工程區，他俏皮地說：“這裏本來有許多大腕，玻爾來到洛斯-阿拉莫斯後，所有的人都成小人物了。” 但玻爾並沒有給美國的原子彈計畫帶來什麼新的推動力。在戰後，惠勒回憶說：“玻爾來美國，不是幫我們製造原子彈，而是對使用原子彈的後果提建議來了。” 除了奧本海默，還有一位重要人物在1939年專心聆聽了玻爾關於原子彈的演講，他就是恩裏克•費米。 費米是一個計算天才，在1945年7月，當人類第一顆原子彈試爆的衝擊波抵達他的位置時，他抛灑出手中的紙片，並通過紙片被吹飛的距離計算出原子彈產生的威力，結果和儀器檢測結果非常接近。不過他偶爾也有失手的時候。1939年他舉家搬遷到美國時，費米夫人由於寒冷提出要裝擋風窗，費米計算後發現擋風窗對提升室內溫度的作用幾乎可以忽略，於是沒有裝擋風窗。好幾個月後，窗子還是裝了>，因為費米發現他上次的計算把小數點挪錯了一位。 費米的反應堆 從玻爾的演講現場回到家，費米對妻子解釋其中包含的意義：“打碎一個鈾原子，要用掉一個中子，然後假設這個鈾原子在裂變時，釋放出兩個中子，這兩個中子將擊中另外兩個鈾原子，分裂它們，這兩個分裂的原子將發射出4個中子，如此繼續下去，開始時我們僅需很少的幾個人造中子來進行轟擊，但最後這種反應會自發地持續下去，直到所有的鈾原子都被分裂為止。” 但這還是一個理論，中子太輕，極容易被周圍的隨便什麼物質吸收，空氣和水，都可以輕易在它們撞擊原子核之前捕獲它們。同事和朋友加入進來，其中有利奧•西拉德，他建議用碳使中子的運行速度變慢，他們一起想到了一種設計，把純石墨(天然碳)和鈾分層堆放起來，高純度的石墨可以預防中子逃逸。 1940年，美國軍方贈與他們6000元購買石墨，費米和安德森在實驗室裏把這些石墨砌成堆。 當石墨被堆到天花板之後，費米開始想把房間裏的空氣抽掉，因為還是有不少中子從空氣中逃跑了，費米於是定制了一個巨大的鐵罐。他的朋友赫伯特•安德森更加富有想像力，他向一家橡膠公司定制了一個正方形的氣球，為此他不得不向橡膠公司解釋正方形的氣球同樣能夠飛行。 1942年的冬天，一個更大的被氣球籠罩的反應堆矗立在芝加哥大學的網球場上。12月2日，在費米的指揮下，一根根吸收中子的鎘棒被抽了出來，反應堆的輻射強度越來越高，它在按照人的意志釋放出潛在的能量。 這個反應堆第一次運轉成功大大鼓勵了官方的士氣。此時，曼哈頓計畫已經正式啟動了，萊斯利•格羅夫斯被任命為專案主管，他是一個喜歡冒險的人，在費米的實驗尚未取得成功時，格羅夫斯就把建造反應堆的計畫交給了杜邦公司。 在世界第一顆原子彈的製造過程中，許多專案都是這樣超常地進行的。 與德國的競爭 1942年秋天，格羅夫斯和奧本海默在火車上第一次見面，格羅夫斯此時已經晉升為準將，而奧本海默經過康普頓的推薦，成為一個美國歷史上最大實驗室的主任。在1945年後，他們一個被稱為“原子彈將軍”，一個被稱為“原子彈之父”。在奧本海默的提議下，位於新墨西哥州的洛斯-阿拉莫斯成為建造新實驗室的地點。 1943年，奧本海默整整40歲，雖然已經頗有名氣，但和玻爾或者康普頓這樣的前輩相比，還是差了一大截，但奧本海默用他的文學素養和口才彌補了這一不足。曼哈頓計畫羅織了當時在美國最好的一>批核子物理學家，洛斯-阿拉莫斯實驗室的雇員很快超過1萬人。 在同時期的德國，原子彈計畫由於希特勒的自信已經胎死腹中。1942年6月，海森堡向德國供應部長報告說，從理論上來說，從反應堆內部獲得爆炸物質是完全可能的。但德國在佔領了大半個歐洲後，希特勒相信他的閃電戰可以征服世界，因此對於一切在6個月內拿不出成果的研究不感興趣。 然而，美國人相信德國人已經開始了原子彈計畫，這使美國感到他們必須加快速度。曼哈頓工程迅速膨脹到一個投入達20億美元，雇員超過15萬的人大工程，許多專案僅僅在理論上證明可行就匆匆上>馬。格羅夫斯回憶說，當時他曾和人開玩笑說，應該在國會山旁邊買房子，以預備專案失敗後在那裏隨時準備迎接國會的質詢。 1944年8月，物理學家高德米斯和一個秘密小組來到巴黎，尋找德國研製原子彈進程的證據。到1944年11月，他們發現的證據已經足以說明，德國在原子能方面至少落後於盟國兩年，德國沒有能力生產出原子彈，甚至原子彈所需的原料。高德米斯對一位軍官說，既然德國沒有原子彈，盟國終於可以不生產原子彈了。軍官回答令他很吃驚：“既然我們有這東西，我們當然應當利用它。” 1945年春天，曾經是美國原子彈計畫的建議者西拉德再次拜訪愛因斯坦，希望他在一份新的信上簽字，這封信企圖說服美國總統放棄使用原子彈。此前，1944年6月，玻爾曾經面見過羅斯福與邱吉爾，希望他們能在原子能問題上與蘇聯協商，達成世界和平的格局，而邱吉爾因此懷疑玻爾是共產主義的同情者。 這封信還躺在總統辦公室的時候，羅斯福意外地去世了，杜魯門成為總統，他讀到有愛因斯坦簽名的信了嗎？從他的回憶錄裏一點也沒有反映出來。 反對使用原子彈的風潮也刮進了洛斯-阿拉莫斯，許多參與項目的科學家開始發起討論和簽名，但是這個項目的總負責人，格羅夫斯將軍，卻是在使用原子彈問題上立場堅定：“我一直把建議使用原子>彈看成是我的職責。” 沒有什麼力量能使它停下來，德國投降後，洛斯-阿拉莫斯的工作節奏反而加快了。1945年春天，馬歇爾將軍指示格羅夫斯確定原子彈的投擲目標。目標不再是德國，而是日本。 驚天動地的降生 1945年7月16日淩晨5時30分，世界上第一顆原子彈在美國新墨西哥州的沙漠地區爆炸成功，爆炸把方圓800米內的沙粒燒成翠綠的玻璃。無數的作品以史詩般的語言記載了這一刻。 每個目睹者的心情都各自不同。具有詩人氣質的奧本海默霎那間湧上心頭的是一句印度古詩：我是死神，是世界的毀滅者。卡爾松•馬克想起了幾個月前的一場爭論，即原子彈爆炸是否會點燃大氣層，現在看上去，那些火球似乎要吞噬一切。費米根據他灑下的紙條，大概估計出爆炸所產生的衝擊相當於兩萬噸TNT炸藥。此前沒有一個科學家估計到它的威力。 最初，科學家們訂購了一個很大的鋼罐，準備在鋼罐內進行爆炸，以回收大部分貴重金屬，同時防止爆炸物擴散引起污染。但臨到試驗時，這個厚度在6 到14英寸之間的罐子被放棄了，因為核爆的威>力即便低於某些人所估計的250噸炸藥的威力，也是鋼罐所不能承受的。試爆後，人們發現爆炸中心的溫度達到了 1億華氏度，相當於太陽表面的一萬倍，如果那個鋼罐還擺在那裏，它會被瞬間氣化。 早在一年前，格羅夫斯和奧本海默等人就商議決定，第一顆試爆的原子彈應當是內爆式原子彈(他們稱它為“胖子”)，以檢測它複雜的內爆系統。在內爆式原子彈的內部是兩個半圓球體，當球面合在一>起，兩個半球的鈾重合在一起，就達到了發生鏈式反應的臨界質量。在球體的外面是烈性炸藥，在引爆原子彈時，先引爆外面的炸藥，然後由炸藥產生高溫高壓，刺激內部的球狀鈈。採用這種方法的原因>是原料不夠，但後來卻成為一種普遍使用的方法：在試驗氫彈的時候，就先用炸藥點燃了一顆原子彈，然後再用原子彈點燃氫彈。 那個想出了原子彈自分裂方式的弗利士計算出了這個臨界點，實現這一過程的不是自動機械，而是靠手工完成，試驗因此充滿危險，弗利士差一點因此死在洛斯-阿拉莫斯。 爆炸的結果很快送給總統，在波茨坦會議上，邱吉爾意識到杜魯門突然變得更強硬了，在會上以更堅決地語氣告訴俄國人，某些要求是不可能得到的。到了7月22日他才知道謎底，然後他和杜魯門協商，決定告訴史達林。 然而，史達林的反應比較平淡，這讓邱吉爾認為，史達林根本沒有理解他們的談話內容。然而，一位叫斯米爾諾夫的俄國歷史學家卻這樣記下了當時的情況：“史達林從會上回來後，就當著我的面把杜魯門告訴他的話，告訴了莫洛托夫。莫洛托夫立即說道：他這是在為自己抬高價碼。史達林笑笑說：讓他抬吧，必須與庫爾恰托夫談談加快我們工作的事情了。” 庫爾恰托夫是蘇聯核計畫的負責人。在間諜機關的幫助下，史達林在7月20日或21日就獲悉這個消息。回到莫斯科後，史達林召開核緊急會議，曾經為諸多科學家所預測的核競爭開始了。 結束一場戰爭，開啟一種恐怖 在1939年那封有愛因斯坦簽名的給羅斯福的信中，有一個技術性細節，專家們估計原子彈太重不適於使用飛機投放。但到了1940年，這個問題就解決了，因為波音B-29重型轟炸機誕生了。 B-29超級轟炸機是二戰中最大，也是最成功的轟炸機，它創下了多個轟炸機之最：載彈量 9 噸、航程 6,000 公里、能在萬米高空巡航、極速600公里/小時。在B-29轟炸機出現之前，日美兩國隔著太>平洋，只能進行海上消耗戰。而B-29出現之後，戰局大變，美國掌握了制空權。 1943年9月，B-29 被選為原子彈載機。此時科學家們還無法確定原子彈的外形，所以B-29彈艙內安裝了可以調節的 H 形桁架和原子彈裝載釋放系統。1944年2月28日，B-29 在加州慕洛克機場(後來的>愛德華茲空軍基地)進行了原子彈模擬投放測試。到了8月，已經有46架B-29具備了原子彈投放能力。 與此同時，機組人員的訓練也在緊張進行。這項特別計畫由保羅•蒂貝茨上校指揮，他曾在歐洲和北非開過B-17，經驗豐富，直接參與了B-29的試飛。 小男孩發威 一切都準備好了。1945年7月25日，杜魯門做出了一項重要的決定，如果日本拒絕接受波茨坦公告，就對日本使用原子彈。 美軍最初的投擲目標達17個城市之多，格羅夫斯親自負責挑選投彈目標，廣島最終被定為首選。廣島是重要的軍事要塞，而且是日本除京都外，當時未受美國空襲的最大的城市。 1945年8月5日早晨，有徵兆表明，第二天將是個好天氣。下午，提尼安島，原子彈“小男孩”被水壓梯舉起安裝到位。這顆炸彈的外殼由黑鋼片製成，重達4400公斤，像“一個延伸長的鰭狀垃圾桶”。“小男孩”被配備好雷達、計時器和氣壓計，然後被安裝到轟炸機上，用鏈條固定。 6日零點，最終指示下達。 執行任務的“恩諾拉•蓋伊”號共有20名包括地勤在內的機組人員。駕駛員是蒂伯茨上校，投彈手是費雷比少校，軍械師是帕桑斯海軍上校，電子技術軍官是傑普遜海軍上尉。龐大的轟炸機為銀色，機翼長43米，機身上的名字閃閃奪目——Enola Gay，是以蒂伯茨上校的母親命名的。 蒂伯茨提醒機組人員要使用護目鏡。據天氣預報稱，廣島黎明有風，天氣晴朗。由於要在淩晨2點45分出發，他們沒睡好。2點27分，引擎發動，飛機負重6800千克，有點超重，但它順利通過了兩英里>長的跑道。在塞班島上空，帕桑斯和傑普遜爬進艙內完成炸彈的組裝。上午8點50分，他們進入日本領空，高度為9500米，離廣島已經很近了。 廣島居民看到了兩架飛機，但不以為意，街上有人在照常行走。廣島時間上午8點15分，由計時器和氣壓計扣動扳機，原子彈爆炸了。 在起飛之前，飛行員曾詢問一位科學家，如何才能最快地離開投彈點，得到的答案是最大可能地急轉彎，沿切線飛離目標。所以當原子彈在廣島上空1000米爆炸時，轟炸機已飛到11英里以外，但它如>同被高射炮擊中一般搖晃並吱吱嘎嘎作響。 蒂伯茨回憶說，“廣島原子彈沒有形成蘑菇雲。它形成的東西，我們稱之為一條細繩。它往上沖，漆黑漆黑的，有光亮和顏色，裏面有白光和灰色，頂部就像折起來的聖誕樹。”另一名飛行員將場景比>作“燃燒黑色石油的鍋”。 爆炸過後是死一般的寂靜。接下來，地獄般的景象慘不忍睹：氣溫高達2980℃，爆炸附近的受害者瞬間蒸發，昏迷中的倖存者像夢游一樣行走，他們被撕破的皮像破布一樣在肉上垂著。木屋、公園、樹在猛烈的爆炸中熊熊燃燒。河裏漂浮著燒焦了的屍體。一刹那間，廣島這座城市不復存在了。 日本投降 1945年8月7日，日軍總參謀部副部長河邊接到一份讓他不理解的情報：“廣島市在一霎那間被一顆炸彈全部毀滅了。”他請來了日本著名的原子科學家西名吉尾，他曾經是玻爾的學生。西名剛進門，河>邊就問他：“你能不能在6個月內造出一顆原子彈來，如果情況允許，我們可以堅持這段時間。”西名告訴他，這是做不到的，因為日本沒有鈾，也缺乏其他的必要條件。 戰時，美國沒有花費太多的精力去獲取日本在原子能發展方面的情報，因為他們認為日本的可用人才不足以完成這樣的項目，此外，日本也缺少原料。他們的判斷是對的，儘管日本也在進行原子能研>究，但遠遠落後於美國。 8月7日下午，西名由軍方派往廣島去查看那裏的毀壞情況，在東京街頭，發生了一件讓他記憶深刻的事情。天上出現了一架B-29轟炸機，由於軍方保密，市民們對這架看似掉隊的飛機毫不在意，而西>名和他的學生趕緊跑去找防空洞，羞愧和懊惱折磨著他的心靈。 遠在英國的被囚禁在“金籠子”裏的8名德國原子彈研究的核心人物，在8月6日晚也知道了這個驚人的消息，他們先是認為不可能，然後就原子彈的物理問題進行了激烈的辯論，試圖搞懂那些他們還尚未得知的技術問題。在這群人裏面，最難受的當屬奧托•哈恩，當一位看守他的軍官把這個消息告訴他時，他震驚於驚人的死亡人數，然後抑鬱地一言不發。 8月9日，美軍又在長崎投下一顆原子彈，長崎是日本最大船舶製造和修配中心之一。長崎遭原子彈轟炸給了日本一個印象，即美國還有更多的原子彈將要使用。第二天，日本就開始了投降談判。 1945年8月11日，美國電臺廣播說：“日本政府提出無條件投降。”這個消息引起了洛斯-阿拉莫斯驚喜，現在可以證明，他們的工作制止了繼續的流血戰爭。11日晚，他們舉行了一場大聯歡，許多人喝>得醉醺醺的。 “恩諾拉•蓋伊”號的命運 廣島原子彈爆炸頭髮造成了超過7萬人死亡，在世界引起了軒然大波，參與投彈的飛行員受到譴責，參加了兩次對日本原子彈轟炸的飛行員美國空軍少將查理斯•斯文尼後來發表了公開聲明：“感謝上帝使我們擁有原子武器，而不是日本和德國。科學有其自身的邏輯，遲早會有人設計出原子彈。科學不能被否定，它總會找到途徑來證明自己的力量。關於製造原子彈是否明智的問題，終將被原子彈已被製>造出來這一事實所壓倒。” 1949年“恩諾拉•蓋伊”號退役，被贈送給史密森尼學會。1953年後，它一直被露天保存在華盛頓附近的安德魯斯空軍基地。1960年，工作人員開始拆解這個巨型飛行器，一年後它被移至學會位於馬里蘭州蘇特蘭市的保羅•蓋博修復儲存基地。復原工作始於1984年，前後共耗用30萬個工時，相當於100個人每天24小時不間斷工作連續幹了125天。最後的裝配工作於2003夏天完成，並于當年12月15日向公眾展出。 航空航太博物館館長戴利說，由於大家的辛勤工作，未來的幾代人都可以親身感受這架飛機在二戰中及人類歷史上無可變更的重要性。這架翼展43米、長30米、高9米的龐然大物全身被擦得鋥亮，一點也看不出它已近60歲高齡。 (本報記者陳黎對本文亦有貢獻) 原子彈：人類心腹之患 有史以來第一次，人類成功地類比了恒星的燃燒方式。當第一顆原子彈被引爆的時候，300公里以外的人都看到了它眩目的光彩。這種光彩完全不似來自我們這個星球，它可以毀滅地球表面的一切生物。 原子彈以它驚人的力量贏得了人類的畏懼，1945年8月6日美國在廣島投下的那顆“小男孩”只是一個粗糙的產品，現在世界上的任何一顆原子彈都比它的威力要大若干倍。但是，在“小男孩”爆炸後的幾>天內，廣島7萬人的性命被奪去了。 科學家們早已預料到這一切。1938年底，當奧托•哈恩發現鈾在中子的轟炸下發生的變化時，他驚慌失措，一個鈾原子分裂成兩個，變成了鋇，傳說中的點石成金術也許就是這樣。他曾經想要把所有的鈾丟到大海裏去，以避免未來有可能發生的災禍。而在1945年的洛斯-阿拉莫斯，科學家們為他們創造出來的這個產物而爭吵，他們極不情願地看到這個擁有無限威力的“嬰兒”被投入使用。在爭吵中，一種能夠安撫人心的聲音說，當一項偉大的科學發現出現時，誰也無法預料它的用途。當汽車被製造出來時，人們因為無法適應它的速度而造成車禍，也有人曾要求銷毀這個鋼鐵怪物，但汽車最終成為人類最>常用的代步工具。 原子的秘密也是如此，通過對微觀世界結構與運動變化規律的研究，人類文明發生了重大飛躍。玻爾的助手，物理史家亞伯拉罕•派斯曾經這樣慷慨地頌贊說：“如果沒有量子物理，我們現在還生活在19世紀。”我們所擁有的現代文明，從電腦、電視、手機到核能、航太、生物技術，幾乎沒有哪個領域不受益於量子理論。 原子彈的製造，僅僅利用了隱藏在原子中極小部分的秘密，但它以其毀滅性給人們留下不可磨滅的印象。它給人們劃出了一道紅線，有史以來第一次，人類創造的文明可以完全毀滅人類，科學家們稱>之為“發現了上帝的秘密”。在後冷戰的今天，在這個人類看似越來越可能擁有長久和平的21世紀，原子彈仍然是人類的心腹之患。 1945年以後，國家之間的衝突變成了另外一個模式：坐擁原子彈的國家在相互虎視眈眈。在冷戰期間，為了保持自己的優勢地位，美國又進行了上千次核子試驗，前蘇聯的核子試驗次數則在700次左右，這兩個超級大國的核爆次數和核武器保有量佔據了全球的絕大比例，這種以炫耀自己的毀滅能力來證明國家實力的方式，終於隨著前蘇聯的解體而告一段落。中國也在上個世紀60年代，成功試爆第一顆>原子彈，成為核俱樂部的成員。中國一共進行了45次核子試驗，與英國的次數持平。 在今天，世界陷入了新一輪的核競爭之中，印度、巴基斯坦、以色列等國紛紛宣佈他們擁有製造核武器的能力，而另一些國家正在嘗試製造核武器。實際上，只要願意，任何一個工業發達的國家都可>以擁有核武器，今天核能發電已經遍佈世界各地，造一顆原子彈在21世紀已經不算尖端科技。 原子彈曾以一聲巨響乾脆地結束了第二次世界大戰，它同時促使人們進行全新的思索，自有人類文明史以來一直沿用的解決爭端的辦法已不能再繼續下去。這是一個嚴峻的考驗，在一顆擁擠的脆弱的>星球上，如果試圖毀滅別人，也將毀滅自己。 原子彈是人類製造出來的達摩克利斯之劍，將永遠高懸在人類自己的頭頂。 故事從1934年，人類首度以中子撞擊鈾開始。隨著在1934年初，由在巴黎的伊痕居禮（Irène Curie）和她的丈夫焦立（F. Joliot）發現人造輻射物質後，在羅馬的費米（E. Fermi）立刻進行由氡-鈹所產生之中子（取代了原先所使用之α粒子）來撞擊活化一般元素。在那年的四月間，藉著阿馬迪（E. Amaddi）、達高斯丁諾（O.D'Agostino）、拉塞提（F. Rosetti）和我本人的協助，費米完成了許多反應>如：（n,p）、（n﹐α）、（n﹐γ）或（n﹐2n）。我們所使用的中子源，每秒鐘約可釋放出 107個中子。 用中子來撞擊鈾原子，會造成一很有趣的情況：因為我們預測鈾元素，經由（n﹐γ）反應及緊接的β衰變，會產生原子序93的 元素，這是第一個超鈾元素。事實上，這些反應的確發生，但有更多的反應隱>藏著而我們並不知道。我記得當時拉塞提非常渴望能用中子撞擊鈾和釷原子。我們實驗 結果的第一篇報導是在1934年五月十日發表，離我們第一次用中子做為撞擊源約二個月。為了簡略起見，我將不提有關釷的研究，因它和鈾研究大同小異。 我 們所用中子源撞擊鈾所產生的輻射強度，並不比自然界鈾的輻射強度強多少。這一點造成嚴重的實驗問題。我們可以在撞擊實驗前，先用化學方法把鈾所含會釋放β 粒子的鈾衰變產物去除。但是過了幾個小時，這些物質又產生了。這造成了很大又麻煩的輻射背景值。這個困擾影響了整個歐洲學術界在這方面的研究，而且導致了 一個大家都犯的錯誤。 在羅馬，我們很快就發現被輻射過的鈾，會顯示出複雜放射活性且具備多種半衰期。因我們預期會有先前所提的背景值，所以就開始尋找是否有鈾原子經（n,γ）反應後，所產生原子序93的同素異形體（isomer），會進行β衰變。 在化學上所犯的錯誤 當 時我們犯了一個在今日看來會覺得很奇怪的錯誤：我們認為原子序93元素和錸（Re，原子序75）的化學性質很相似，實際上的產物的確和錸類似〔其實是鎝 （Tc）的同素異形體，但當時並不知道〕。>這個元素（命名為technetium，乃因它是第一個經由人工合成的元素）在三年後，也就是1937年，由派 瑞（C. Perrier）和我用氘原子擊撞鉬（Mo，原子序42）所發現的。鎝和錸元素在化性上確實有許多相似之處，所以也使得我們在1934年，誤以為先前的假 設是正確的，而以為所得到的是錼（Np，原子序93），實際上卻是鎝。 哈恩與麥特納（L. Meitner），還有居禮也犯了相同的錯誤，認為原子序93是一種類似錸的元素（事實上原子序93元素和今天大家所知道的超鈾元素家族一般，和稀土金屬 有極相近的化性）。更令人訝異的是波爾（N. Bohr）竟沒有提出異議。雖然在十年前，他就已經想過填滿5f電子軌域，會形成一新的稀土金屬家族。不過，在另一方面，芝加哥大學的葛羅斯（A. von Gross），在1934年則指出原子 序93的元素，應分類為稀土金屬。 鋁箔擋住了大發現 在羅馬，我們 也考慮了一種可能性：就是當中子撞擊鈾原子時，會形成短半衰期的α放射物質。為了測試這個假設，我們把鈾箔片放在游離偵測室前，用慢中子來照射，希望看到 核反應所產生的輻射粒子。我們認為，由中子撞擊形成短半衰期產物所放射出來的α粒子，能量應較高，射程較原來鈾所輻射的α粒子更遠。因此，我們用鋁箔覆蓋 在鈾箔上，以防止鈾的背景α粒子穿透，但結果卻是否定。我們並>沒有看到長射程的α粒子。因鋁箔擋住了核分裂產生之碎片，使得我們沒有看見它們造成的游離脈 衝。我們並未發表這結果，但卻記錄在阿馬迪的筆記本上。無論如何，我也不能說即使我們看到這現象發>生，就能了解它的原由。類似的實驗，薛赫（P. Scherrer）和他的同伴在蘇黎世、卓斯特（G. von Droste）在柏林，都曾做過。我也聽說瑞士的科學家看到這個大脈衝，卻把它當做是偵測器的錯誤。 另一個誤失，就是我沒有去注意到諾達 克（I.Noddack），1934年在柏林發表的論文。她批評我們的化學，且指出核分裂的可能性。雖然她發表的論文，在羅馬的我們、在柏林的哈恩與麥特 納以及在巴黎的焦立與居禮，都知道。但如果我們其中有一人抓住了她文中的重點，在1935年就可以很快發現核分裂了。令人相當吃驚的是：諾達克也沒有試著 做任何實驗來驗證她的理論。這實驗對她而言，應 該也是相當容易。即使如此，往後三年多，所有此領域研究者仍然只考慮：核反應所產生的元素原子序會在92附近。 我 們在羅馬開始說服自己：在撞擊鈾原子時，觀測到的放射性並不是由鈾和鉛之間元素的同素異形體所造成。我們試著去了解一些從活化的照射後，由混合物中萃取出 來物質的性質，其中有一元素的化>學特性類似錸元素，它主要反應是和二氧化錳形成共沈澱。在幾年前，義大利的巴隆切理（F.Baroncelli）重複我們 的步驟發現：可以分離出一 些鎝的同素異形體（在1934年，還不知道鎝元素的存在），當然鎝的行為非常類似錸，而且這是一個核分裂的產物。其實，我們應該質疑的事很多。尤其是我們假設存在的元素93所造成的放射性很小，僅占由中子撞擊所產生活性的一小部分而已。 想像的超鈾元素 在1934年六月，學年結束前，我們對所實驗的超鈾元素之造成，充滿信心，準備發表。但也有一種感覺：我們的研究工作並不完整。因此，並沒有對我們想像中發現之超鈾元素予以命名。費米且為了新聞>界公開報導此研究之事，大為生氣。 1934 年暑假結束後，龐提科佛（B. Pontecorvo）加入我們的研究小組，十月，我們偶然發現如何製造慢中子，這是一個很重要的發現。但我們研究小組也因化學家達高斯丁諾的離去，而暫 停探討超鈾元素，只能集中全力在慢中子的研究。不過，我們的確也留意了慢中子對鈾元素放射性的影響，希望知道是否有中子捕捉的反應，並想要了解中子撞擊所 產生的物質。在1935年夏天，羅馬小組對超鈾元素之研究完全停頓了。當這一年結束時，拉塞提去了美國，龐提哥佛到巴黎，而我則成了巴勒摩 （Palermo）物理研究所的所長。阿馬迪和費米則繼續在羅馬集中全力研究慢中子的物理學。 這時，哈恩與麥特納和居禮也加入了鈾元素的紛爭中。這二個研究小組過去在核物理和化學上都有極大的成就。 在 柏林，哈恩與麥特納是達倫（Dahlem）的威廉大帝（Kaiser Wilhem）研究所研究小組的領導者，哈恩是一位頗負盛名的放射化學家。他在三十年以前，曾與拉塞福一同作研究，在他研究生涯剛開始時>，發現了幾種新的 放射性物質；晚期，和麥特納一同作研究，則發現了核同素異形的現象。 麥特納是奧地利公民，出生在維也納。在柏林時，曾經是蒲朗克的助手， 後來成為哈恩長久的同事，且在同一實驗室作研究。她是一位很傑出的物理學家，有時也是居禮夫人和她女兒的競爭者。麥特納是猶太後裔，而哈恩則是強烈的反納粹主義者。當時的政策狀況，使得在達倫研究小組的工作變得非常困難，造成持續的不安。史特拉斯曼是最後加入此研究小組，他是一位優秀的分析化學家，也是絕對的>反納粹主義者，這一點也妨礙了他的研究生涯。 伊痕居禮是居禮夫人（鐳的發現者）的女兒，從她母親那兒學到了放射化學和化學，她也浸淫在居禮夫人的傳統作風及研究、方法和實驗技術之中。她嫁給了焦立後， 二人一同做了有關正子和中子的重要實驗。雖然他們錯失了發現這些新粒子，無論如何，這些遺憾很快就彌補了，因為他們發現了人工放射性是令人難忘的重大發 現。 柏林 哈恩與麥特納首先從確定我們在羅馬的實驗結果，開始研究。他們所使用的中子源強度和羅馬、巴黎研究小組差不多。 令人有些驚訝的是，他們所用的化學步驟和我們的研究相當不同。他們早期所發表的論文，就像從中子撞擊而收集到的核分裂產物混合一般複雜。正確和錯誤的結果 交集在一起。像這種混亂的情況，持續了一段相當長的時間，竟成為鈾元素研究的共同特徵。 由哈恩、麥特納與史特拉斯曼所得到一個重要且強有 力的結果，證明了鈾-239進行β- 衰變，其半衰期為23分鐘，其他細節，在此不作詳述。他們許多的論文（主要發表在《Naturwissenschaften》，詳細記載了在他們了解核分 裂發生之前，所做的一切研究。剛開始，史特拉斯曼只是與哈恩和麥特納合作，直到1938年七月後，才正式成為一名共同作者。在1937年，他們發表了一長 篇的總結論文在《Zeitschrift für physik》和另一篇類似的論文在《Chemische Berichte》。他們提出12個新的放射性同位素，原子序可能在92～95之間，並提出一系列的核雙異構態（double isomeric state）。（事實上，>在1940年之前，並沒有人真正了解超鈾元素。）此雙異構態的現象，著實令人驚訝。因為當時不僅無人了解，即使今日，我們所知的 此類異構態也很少。 當時我只有一個感覺：在鈾之中一定存在某些祕密。在巴勒摩，因為沒有中子源，我無法繼續進行此項研究。1936年夏 天，我第一次訪問柏克萊（很幸運地，從勞倫斯處取得放射性物質），和當時還是學生的艾伯生（P. Abelson）長談，並道及鈾的大迷團。我強調藉著迴旋加速器製造強而有力的中子源，可以使這問題更容易解決；且可以從快或慢速中子來照射鈾原子開始。 艾伯生作了一些實驗，並給了我一些衰變曲線的結果。 巴黎 居禮和哈本（H. von Halban）及普萊斯維克（Preiswerk）一同合作，開始研究中子撞擊釷。早在1935年五月，他們就證實了一22分鐘的衰變期，和我們在羅馬發 現的一樣。這個釷的同素異形體非常重要，因為它是鈾-233的先驅核種。更重要的是：他們發現一化性類似鑭，具有3.5小時半衰期的放射性成分。當然，他 們並不了解那其實就是鑭-141 ，是核分裂產物之一。由於無法識別，居禮和她的同事們認為：這是一種錒（Ac）的同素異形體。 在1937 和1938年，居禮和沙維奇（P. Savitch）集中所有精力來研究此活性3.5小時的物質。1938年七月，他們得到一結論：此物質並非錒，它所有性質正像是鑭（La）；到現在為止， 它只可用分量結晶法（fractional crystalization）分離出來。假如他們能早些證明那就是鑭，就很可能發現核分裂。正如哈恩與史特拉斯曼幾個月後，藉著確定鋇的存在而發現核分 裂一樣。可能居禮她們最初所得到的>沈澱物不僅只有鑭，也包含著另一化性類似的核分裂產物的釔（Y），可能部分結晶法分離的是這二種物質。 在1938年五月中旬，哈恩和焦立在羅馬舉行的第十屆國際化學大會上相遇，且討論巴黎研究小組所發現的結果。哈恩相信居禮實驗的化學有些不對勁，便決定再重複她的一些實驗。 黑暗與黎明 兩 個月前，希特勒併吞了奧地利，麥特納因此失去了奧地利公民身分所能給予的保障，面臨了被逮捕的險境。七月中旬，藉著哈恩和荷蘭的物理學家柯斯特（D. Coster）的幫助，她祕密地逃離了德國。>當哈恩聽到她已安全抵達荷蘭時，真正是鬆了一口氣。從荷蘭她經過哥本哈根抵達了瑞典，哈恩與史特拉斯曼則繼續 在達倫進行他們的研究。哈恩和麥特納也藉著書信往返互通訊息。哈恩經常把他們所得到的研究成果，在發表或告訴別人（包括在柏林同事）之前，先讓麥特納知 道。 當哈恩和史特拉斯曼集中全力研究他們認為是鐳的同素異形體，和由居禮與沙維奇所提及的活性3.5小時的產物時，他們做了一項結論：用 中子撞擊鈾-238 時，會得到16個原子序由88～96的核元素，其中包括了一部分同素異形核種。這使得混亂達到了極點，無論如何，正像黎明前的黑暗，因為答案到此已呼之欲出。 在1938年十二月初，哈恩他們認為已建立了許多連續衰變系列，可以明確地表示鈾原子與其衰變產物之間的關係。他們假設有四個鐳的同素異形體先衰變到錒再衰變至釷。這些假設的衰變系列，乃是對前>一篇論文（見圖五）所提的衰變系列，作一修正。 為 了確定這假設，哈恩和史特拉斯曼決定證明這些物質的確是鐳的同素異形體。他們把這些物質用鋇當做擔體（carrier），用鐳當示蹤劑，來進行許多嚴格的 化學測定分析。這些實驗結果逼使哈恩和史特拉斯曼不得不承認原先假設為鐳的同素異形體，事實上是鋇！十二月二十二日，他們發表在 《Naturwissenschaften》一篇歷史性的報導記載著：「身為化學家，經由以上所描述實驗結果的推斷，我們>應推翻先前的假設，引入鋇、鑭、 鈰來代替鐳、錒、銩〔見圖五（C）〕。做為一核化學家，他的研究領域非常接近物理；我們還不能接受這麼激烈的一步：完全推翻核物理學先前的經驗。」在寫下 這些字行之前，哈恩他們曾寫道：「鋇＋鎝的質量數合起來138＋101＝239」，這已是考慮到核分裂的明顯徵兆，而此時正是發現核分裂的時刻了。 我們真是白痴！ 哈 恩在發表這篇報告前，先把他們的結果告訴在瑞典的麥特納。當麥特納把哈恩他們的實驗結果告訴從哥本哈根來度聖誕節的外甥，物理學家佛來西 （O.Frisch）時，他們迅速得到核分裂的觀念。幾天>後，佛來西回到他在哥本哈根的實驗室，記下：「我迫不及待把我們的推測告訴正準備動身前往美國的 波爾，他只給了我幾分鐘的時間，但我剛剛才開始，他就用手撐著前額且讚歎的說：『哦！我們從前是多麼地白痴啊！但這實在是太美妙了，而這也正是它應該是的 答案！你和麥特納已寫好論文發表了嗎？』」兩星期後，《Nature》接受了他們的論文。 核分裂的發現，立刻引起大批的研究。首先，最明顯需要研究的就是分裂碎片的求證。我們可以從質量數的減少、或是分裂碎片彼此之間的庫侖斥力，可算出這些原子核的動能。所以，它們是相當強烈的>離子化。這些碎片迅速讓佛來西和其他人同時觀測到。 對這些由中子撞擊產生的新物質，在化學認定上有了嶄新的面貌。1938年居禮說：「用中子來撞擊鈾原子，所得到的放射性，似乎可以包含所有的元素。」她是正確的，而正有許多人急忙的要解開核分裂>產物之謎。 當 發現核分裂之際，費米正在斯德哥爾摩接受諾貝爾獎，獎勵他證明了用中子照射可製造出新的放射性元素，以及用慢中子撞擊時所引發的核反應。有句評語中提到 「新的放射性元素」具有各種不同的>解釋，如果把「同位素」（isotope），用來取代元素，應當是更為清楚。費米領獎後直接從瑞典移民到美國，在那兒他 首次聽到有關核分裂的訊息。 核分裂的發現是一件很轟動的大事，從美國學術界的反應可以看出。立刻有大量關於核分裂的論文發表在《Physical Review》上。 證實超鈾元素 超 鈾元素仍有許多傳奇故事。焦立試著把一層鈾箔暴露在中子照射中，緊接是一片膠木來收集分裂產物。麥克米倫在柏克萊也獨自進行相同的實驗。他們在鈾箔上，發 現有一些「沒有反跳的」（nonrecoiling）放射性物質〔編註：核分裂產物的動能很高，所以會從鈾箔中跳出來（recoil）〕。哈恩與麥特納已 發現當鈾-238進行（n﹐γ）反應時，會形成一半衰期23分鐘的放射性物質。但除此之外，還有>一半衰期兩天的物質。 在1938年，我一 抵達柏克萊的勞倫斯輻射實驗室，立刻用迴旋加速器當中子源，來研究這半衰期兩天的物質。經研究它的化學性質得到結論：「這些物質是稀土金屬。」我曾預測這 半衰期為兩天的產物>是：由鈾-239β-衰變後所產生的元素93（事實上，它正是）。但我那時預期，原子序93元素是一個類似鐳的元素。我試著去找出這半 衰期23分鐘和二天的放射性物質之間，是否存在有衰變的親子關 係，但是失敗了。因為原子序93元素的β射線，特別的微弱，這一點使我走錯了路，因而發表了一些關於照射鈾之產物的錯誤報導。無論如何，就像其他的犯錯者一般，我的文章中也有一些正確的地方，那就是元素93類似於稀土金屬。 最後，在幾個月後，麥克米倫和艾伯生把原子序93（錼）分離出來，且證明它是直接由鈾-239衰變而來的。 在這時候，焦立、費米和其他人都注意到在二個分裂碎片之外，有很多中子存在。大部分過多的中子，都經由β衰變轉化成質子，但也釋放出來一些中子。這開啟了連鎖反應的可能性。 約在1939年初，戰爭開始威脅歐洲，核分裂不再只是一門為了滿足求知慾望的科學而已（編註：此指原子彈的發明），我不再敘述在此之後的故事，因為它已說過太多遍了。 核 分裂的發現，具有一段不平凡的複雜歷史，因為有太多的錯誤發生，而妨礙了它的發展。大自然本身就使得這問題複雜化了。科學家必須要面對鈾的自然放射性和二 種長半衰期的同位素鈾-235、鈾-238。現在大家都知道較重的鈾-238同素異形體，用慢中子撞擊時，不進行分裂；而只占自然存在鈾原子0.7％的較 輕鈾-235原子，用慢中子撞擊時，卻會有核分裂發生。這是很詭異的狀況。除此之外，就我的感覺而言：人們的心中，只能看見他們期望看到的事情。 （本文譯自E.G. Segrè, "The discovery of nuclear fission", Physics Today, July 1989.） 葉銘芳任職於台灣大學海洋研究所 西格瑞是柏克萊加州大學物理系教授，曾與O.Chamberlain因證實反質子的存在，於1959年獲得諾貝爾物理獎，此文是他為紀念核分裂五十周年，於1989年一月在美國物理學會大會所發表的講演，其後不久在1989年四月二十二日逝世。 核反應（A,B）表示一個原子核，被外來粒子A撞擊，而轉化成另一個原子核，釋放出粒子B，如：9Be(α,n)12C就是鈹-9原核受到α粒子撞擊，與之結合後放出一個中子形成碳-12的原子核。這就是當時產生>中子的反應，是由氡-222放出α粒子撞擊鈹所產生。 核同素異形體（nuclear isomer）：原子序、原子量都相同的原子核可能存在不同的能態；大部分的激發態原子核會極快地放出γ射線而蛻變為基態，但某些核種的核自旋與基態不同時，會有較長的半衰期，如用γ射線計數器偵測，會視為一種不同的核種，因此稱為「同素異形體」。 http://www.tnfsh.tn.edu.tw/teach/phi/physicsteaching/uop_frame/uop_ch14.htm 1945 年在美國新墨西哥州人類引爆了史上第一枚原子彈，核爆產生的強光閃過後，俯臥的費米教授在距核爆點15公里的地方站了起來，將事先準備好的小紙片依預定的高度鬆手放開，這些散落在空中的小紙片隨即被伴隨核爆而來的空氣震波吹離了原先的落點。費米教授即藉由這些小紙片被吹偏離的距離，很快的估算出了這枚原子彈的爆炸威力。這則廣為流傳的故事很貼切的描繪出費米教授處理問題的方>式：把一個複雜的問題化繁為簡、再以最簡單的方法找出答案。費米教授的學生楊振寧教授對這種處理問題的方式有很深刻的描述：理論架構(abstraction)是經過紮實的基礎工作之後，而非之前，而得到的。 費米教授自中學起即是眾所矚目的天才學生，25歲獲得了當時一般意大利物理學家年過半百方可取得的正教授位置。費米教授自然並未因此自滿，他在羅馬大學的研究群聚集了一些年紀與他相仿的優秀年>輕物理學家，共同努力為意大利在世界物理的舞台上開創出一席之地。費米教授的重要研究成果包括對固態物理學有深遠影響的費米 ．狄拉克統計分佈、慢速中子(slow neutron)引發的原子核反應(1938>年他獲得諾貝爾物理獎的主要貢獻)、核分裂的連鎖反應(chain reaction)(核能發電及原子武器的基礎)、以及基本粒子的理論工作。費米教授的貢獻涵蓋理論及實驗，以及物理學的所有領域，此成就是近代物理史上的唯一特例。 費米教授治學態度嚴謹，實事求是的精神可由他的慢速中子研究一窺究裏。在研究中子撞擊鈾的過程中，一種新的輻射性物質被發現了。當時他的同僚都認為費米教授發現了原子序為93的新元素，然而費>米教授並不認為有足夠的證據支持此論點，但羅馬大學的同事仍主動對外界發佈此一訊息。他知道後整夜失眠，第二天即與同事商議並發表聲明，澄清此一尚未證實的說法。 費米教授對當時研究水準並不突出的意大利物理界的建言是：為提高在世界物理界的地位，意大利物理學家應該只將重要的研究成果發表在世界性的學術期刊上；至於那些不會引注意的研究結果及為增加>數量而發表的論文則應以意大利文發表，如此可免除負面的影響。費米教授當年對意大利物理界的期待，或許也值得我們學術界深思。 本書作者費米夫人深刻的敘述費米教授在日常生活上的點滴，包括在意大利的研究工作，得知獲得諾貝爾物理獎當日的情形，法西斯黨的惡行如何影響費米一家(費米夫人是猶太裔)及永遠離開意大利到美>國定居的決定，到美國後費米教授在核分裂研究工作及原子彈發展過程中的一些故事；真稱得上是第一手的資料，對後人了解費米教授的傳奇一生本書有重要的參考價值。本書中譯本忠實反應原作本意，>唯部份譯名應可於再版時修定，以符合一般習慣。(中性電子修正為中子、陽電子為質子、量子機械論為量子力學) 。 另外一本費米教授的傳記《Enrico Fermi: Physicist》，為他的第一位博士生、1959年諾貝爾物理獎得主Emilio Segre所著，則是以費米教授的研究歷程為敘述重點，與本書相互輝映，有極高的可讀性，特別在此提出 做為一核化學家，他的研究領域非常接近物理；我們還不能接受這麼激烈的一步：完全推翻核物理學先前的經驗。」在寫下 這些字行之前，哈恩他們曾寫道：「鋇＋鎝的質量數合起來138＋101＝239」，>這已是考慮到核分裂的明顯徵兆，而此時正是發現核分裂的時刻了。 我們真是白痴！ 哈 恩在發表這篇報告前，先把他們的結果告訴在瑞典的麥特納。當麥特納把哈恩他們的實驗結果告訴從哥本哈根來度聖誕節的外甥，物理學家佛來西 （O.Frisch）時，他們迅速得到核分裂的觀念。幾天>後，佛來西回到他在哥本哈根的實驗室，記下：「我迫不及待把我們的推測告訴正準備動身前往美國的 波爾，他只給了我幾分鐘的時間，但我剛剛才開始，他就用手撐著前額且讚歎的說：『哦！我們從前是多麼地白痴啊！但這實在是太美妙了，而這也正是它應該是的 答案！你和麥特納已寫好論文發表了嗎？』」兩星期後，《Nature》接受了他們的論文。 核分裂的發現，立刻引起大批的研究。首先，最明顯需要研究的就是分裂碎片的求證。我們可以從質量數的減少、或是分裂碎片彼此之間的庫侖斥力，可算出這些原子核的動能。所以，它們是相當強烈的>離子化。這些碎片迅速讓佛來西和其他人同時觀測到。 對這些由中子撞擊產生的新物質，在化學認定上有了嶄新的面貌。1938年居禮說：「用中子來撞擊鈾原子，所得到的放射性，似乎可以包含所有的元素。」她是正確的，而正有許多人急忙的要解開核分裂>產物之謎。 當 發現核分裂之際，費米正在斯德哥爾摩接受諾貝爾獎，獎勵他證明了用中子照射可製造出新的放射性元素，以及用慢中子撞擊時所引發的核反應。有句評語中提到 「新的放射性元素」具有各種不同的>解釋，如果把「同位素」（isotope），用來取代元素，應當是更為清楚。費米領獎後直接從瑞典移民到美國，在那兒他 首次聽到有關核分裂的訊息。 核分裂的發現是一件很轟動的大事，從美國學術界的反應可以看出。立刻有大量關於核分裂的論文發表在《Physical Review》上。 證實超鈾元素 超 鈾元素仍有許多傳奇故事。焦立試著把一層鈾箔暴露在中子照射中，緊接是一片膠木來收集分裂產物。麥克米倫在柏克萊也獨自進行相同的實驗。他們在鈾箔上，發 現有一些「沒有反跳的」（nonrecoiling）放射性物質〔編註：核分裂產物的動能很高，所以會從鈾箔中跳出來（recoil）〕。哈恩與麥特納已 發現當鈾-238進行（n﹐γ）反應時，會形成一半衰期23分鐘的放射性物質。但除此之外，還有>一半衰期兩天的物質。 在1938年，我一 抵達柏克萊的勞倫斯輻射實驗室，立刻用迴旋加速器當中子源，來研究這半衰期兩天的物質。經研究它的化學性質得到結論：「這些物質是稀土金屬。」我曾預測這 半衰期為兩天的產物>是：由鈾-239β-衰變後所產生的元素93（事實上，它正是）。但我那時預期，原子序93元素是一個類似鐳的元素。我試著去找出這半 衰期23分鐘和二天的放射性物質之間，是否存在有衰變的親子關 係，但是失敗了。因為原子序93元素的β射線，特別的微弱，這一點使我走錯了路，因而發表了一些關於照射鈾之產物的錯誤報導。無論如何，就像其他的犯錯者一般，我的文章中也有一些正確的地方，那就是元素93類似於稀土金屬。
最後，在幾個月後，麥克米倫和艾伯生把原子序93（錼）分離出來，且證明它是直接由鈾-239衰變而來的。
中子造成的質變
世界第一顆原子彈的誕生過程 作者：李梓 文章來源：中新社網站 更新時間：2005-5-28 獵訊軍情網訊： 2005年被稱為世界物理年。 100年前，26歲的阿爾伯特•愛因斯坦發表了他一生中最重要的幾篇論文，在狹義相對論、光電效應和布朗運動三個領域將現代物理學向前推進了一大步。 50年前的4月18日，則是愛因斯坦的逝世紀念日。 此外，今年還是量子物理的奠基人玻爾誕辰120周年以及量子物理誕生80周年。 量子理論誕生於19世紀和20世紀之交，它揭示了本非我們這個星球所擁有的能量的秘密。人類文明在短短的幾十年間發生了飛躍，在歷史演進的這個時間段內，自然科學比其他任何時候都顯得重要。>奧本海默這樣寫道：“這是英雄的時代，一個常有重要消息和緊急會議的時代，是爭論、批評和取得輝煌數學成果的時代，這是一個創造的時代。” 在這些科學巨人和偉大的理論進步面前，原子彈像是個小小的嬰孩--它只是現代物理學的產物之一。 但是這個嬰孩誕生時卻是世界上啼聲最大的一個，全世界都聽到了來自“泰坦”的震動。那些親眼目睹了它的光芒的科學家們，忘記了他們的科學語言，腦海裏爭相浮現出宗教和神話的描繪：“漫天奇光異彩，有如聖靈逞威，只有1000個太陽，才能與其爭輝。” 原子彈的誕生還深刻地改變了世界格局。投向日本的兩顆原子彈迫使日本投降，提前了二戰結束的時間。戰後60年來，關於核俱樂部位置的爭奪一直是引發世界爭端的敏感問題，是和平年代潛伏的人>類最大的危機。 原子彈是人類所生產的最特殊的一件產品，它並非要為人類服務，而是要摧毀文明。正因為它的威力，有些原子彈生產出來的目的不是使用，而僅僅是作為一件令人望而生畏的陳列品。 關於核競爭，自從核裂變現象被揭示，那些富有遠見的科學家就已經成功地預見到並試圖讓它不要發生。但在政治的主導下，競爭還是開始了，從此，科學家不再是科學的主人。 父親們 1938年聖誕前夜，勤奮的科學家麗絲•梅特納遠離了她的工作崗位，來到哥德堡附近的一個海濱療養地，準備度過她流亡生涯中的第一個耶誕節。麗絲•梅特納是奧托•哈恩的助手，他們幾乎合作了一輩子。奧托•哈恩是一位優秀的化學家，而麗絲•梅特納在物理學領域造詣非凡，二人合作默契。梅特納有猶太血統，儘管她有奧地利國籍作為擋箭牌，但到了1938年，奧托•哈恩無論如何也不能再把她留在凱撒•威廉研究所，於是為她秘密安排了出走。 沒有梅特納小姐在身邊，奧托•哈恩感覺自己遇到了無法解釋的問題，1938年秋天他重複了約裏奧•居里夫人的實驗，用中子轟炸了鈾，檢測結果證明是產生了新元素鋇——它的重量大約為鈾的一半。 梅特納收到相關資料後，她的侄子，在哥本哈根的尼爾斯•玻爾研究所工作的弗利士來看望她，他們一起討論了這個問題。弗利士利用玻爾的理論“液滴模型”得出了一個富有想像力的結論：“在衝擊之>下，原始的鈾核逐漸變形，中部變窄，最後變為兩半，其過程與細菌繁殖的分裂過程非常相似……” 弗利士從瑞典返回哥本哈根，把他與姑母的談話講給玻爾聽，玻爾激動地說：“當然是這樣，我們做了多大的傻瓜！” 從這個時候起，聰明人開始意識到了，通過轟炸原子核釋放中子，從而引起鏈式反應是可能實現的事情。此前好幾年，已經有許多物理學家重複過這樣的工作，用越來越複雜的工具，轟炸這小小的原>子裏最堅固的部分原子核，以創造新的元素。1932年，查德威克發現中子，在這以前，盧瑟福于1920年曾設想原子核中還有一種中性粒子，質量大體與質子相等，但他沒能驗證這一設想。1934年，恩裏科•費米在羅馬用中子作為炮彈轟炸了鈾併發現有強烈的放射現象，他捕捉到放大了100倍的放射性，卻未能解開這個現象的真正奧秘。這位向來自信的天才，將之貼上了93號新元素的標籤了事。這是他一生中的遺憾之一。 誕生前夜的爭論 1939年春天，核子物理學家們在爭相討論原子彈的可能性。尼爾斯•玻爾，這位元量子物理的奠基人，列舉了15條理由來說明原子核的裂變無法具備實用價值，他當時無法預見，美國人用了3年時間和20億美元擊敗了他提出的每一個不可能。而奧托•哈恩，這位將因發現核裂變而獲得諾貝爾獎的人，在1939年春天與朋友的辯論中脫口而出：“這是違背上帝的旨意的！” 二戰前，科學走過了一段“理想年代”，盧瑟福所在的劍橋，尼爾斯•玻爾所在的哥本哈根，以及德國哥廷根，同為物理學的三大中心。他們彼此之間聯繫緊密，存在著難以分清的師承關係。在這樣的氣氛下，許多物理系的學生同時也研究拉丁語的詩歌，一些富有想像力的念頭隨時會打破物理學嚴謹的基石。恩裏科 •費米在對學生講課時說：“你們按照我的方法，可以得到結果，但是請不要問我這個方法的根據。” 1933年，哥廷根陷入納粹種族清洗的危機中，玻爾向受難的同行拋出了橄欖枝，哥本哈根比以前更加熱鬧了。而這一年，愛因斯坦把自己的家從柏林搬到了美國的普林斯頓。 等到1939年春天，他們中的許多人，尤其是猶太裔，都到了美國。費米也無法再守住他的羅馬學派，他的妻子是猶太人，他們於1938年12月趁著領取諾貝爾獎的機會出國，並到了美國定居。在戰後許>多人討論為什麼是美國而不是德國首先造出原子彈，這肯定是至關重要的因素。 1939年訪問美國時，玻爾洩漏了原子彈的秘密，他不僅向新大陸的聽眾介紹了哈恩的工作，還闡述了梅特納和弗利士的解釋。一位聽眾，後來被稱作“美國原子彈之父”的奧本海默後來回憶說：“我當時頭腦裏就有了關於原子彈的概念。”回家之後，奧本海默做了關於爆炸所需要的臨界質量的計算。 而另外一位科學家利奧•西拉德則試圖讓美國政府重視這個問題，他通過過去在歐洲的關係，瞭解到有跡象表示德國可能已經開始動手研究原子彈了。西拉德找到了羅斯福總統的非正式顧問亞歷山大•>薩克斯，薩克斯對此表示支持。為了能夠引起總統的重視，西拉德又找到了愛因斯坦，愛因斯坦在給羅斯福的信上簽了名。 1939年10月11日，薩克斯得到機會把信件呈遞給羅斯福，疲憊的總統未加注意。第二天他們還有見面的機會，薩克斯徹夜未眠，終於想到了一個具有說服力的典故：在拿破崙時代，美國發明家富爾頓>曾經建議這位皇帝建立一支蒸汽機動力的艦隊，以便在任何天氣下都能在英國登陸，拿破崙因為對這種艦隊聞所未聞而將富爾頓趕了出去。如果當權者能夠對科學多一些瞭解的話，歷史將會沿著完全不同>的曲線發展。羅斯福被他說服了，美國的原子彈計畫開始啟動。初期對這個計畫熱衷的科學家，大部分來自歐洲，他們對一點深信不疑，即納粹德國已經開始著手研製原子彈。 玻爾：原子彈的“雙重生父” 2005年春天，為了紀念“世界物理年”而在北京一所大學裏上演的一出科學戲劇惹惱了一位80多歲的老先生。物理史家、翻譯家戈革發表了兩篇文章指斥中國版的《哥本哈根》扭曲了玻爾的形象，體現>出對物理史的無知。戈革對玻爾有著特別的感情，他認為玻爾對於現代物理的重要性，不在愛因斯坦之下。遺憾的是，玻爾的名字在中國不僅沒有傳揚開去，而且隨著時間的流逝，這個名字所具有的榮光>不僅被公眾，也被諸多的物理學家所淡忘。 如果一定要給原子彈找出一位教父的話，玻爾毫無疑問是最合適的人選。1913年，玻爾提出了著名的原子理論，對原子結構模型的研究為他贏得了1922年的諾貝爾物理獎。玻爾不僅從科學的角度為原>子彈的誕生提供了最基礎的理論，也從精神上照管這個核子物理的嬰兒：在原子彈尚未試驗之前，玻爾就指出，如果原子能掌握在世界上愛好和平的人民手中，這種能量就會保障世界的持久和平；如果它>被濫用，就會導致文明的毀滅。戰後他獲得了美國首屆和平利用原子能獎。 玻爾有猶太血統，丹麥被德國佔領後，他被困在了哥本哈根。玻爾的學生，德國原子能研究的核心人物海森堡在1941年秋天拜訪了玻爾，他們謹慎地談到了鈾的分裂、核武器等等敏感問題。海森堡在>戰後被認定為德國核研究的領導者，1939年費米曾經想說服海森堡也到美國去，但海森堡拒絕了。 戰後，海森堡和支持者辯護說，他在戰爭中表面與當權者和解，實際上則進行了積極的抵抗，即讓德國的原子彈計畫無限期拖延。但在戈革看來，這樣的說法可以被上百個事實駁倒。“1941年，海森堡作為一個特殊的使者訪問了所有被德國佔領的國家，他當時已經是凱撒• 威廉物理研究院的院長。在這樣的氣候下，很難想像玻爾和他之間有什麼開誠佈公的談話。”作為《玻爾全集》的譯者，戈革認為，這次談話加深了玻爾對“德國的原子彈研究已經開始了”的印象。 1943年，知道研究所再也保不住了的玻爾終於出走了，英國皇家空軍把他安置在投彈倉裏，像一件貴重物品那樣運到英國，然後他去了美國。這時候研製原子彈的曼哈頓工程已經開始了一年多，儘管>羅斯福總統在1939年10月就說過：“對此事要加緊辦理。”但真正的大額撥款決議直到1941年12月6日才通過。 美國的理論物理學家費曼這時候也在曼哈頓工程區，他俏皮地說：“這裏本來有許多大腕，玻爾來到洛斯-阿拉莫斯後，所有的人都成小人物了。” 但玻爾並沒有給美國的原子彈計畫帶來什麼新的推動力。在戰後，惠勒回憶說：“玻爾來美國，不是幫我們製造原子彈，而是對使用原子彈的後果提建議來了。” 除了奧本海默，還有一位重要人物在1939年專心聆聽了玻爾關於原子彈的演講，他就是恩裏克•費米。 費米是一個計算天才，在1945年7月，當人類第一顆原子彈試爆的衝擊波抵達他的位置時，他抛灑出手中的紙片，並通過紙片被吹飛的距離計算出原子彈產生的威力，結果和儀器檢測結果非常接近。不過他偶爾也有失手的時候。1939年他舉家搬遷到美國時，費米夫人由於寒冷提出要裝擋風窗，費米計算後發現擋風窗對提升室內溫度的作用幾乎可以忽略，於是沒有裝擋風窗。好幾個月後，窗子還是裝了>，因為費米發現他上次的計算把小數點挪錯了一位。 費米的反應堆 從玻爾的演講現場回到家，費米對妻子解釋其中包含的意義：“打碎一個鈾原子，要用掉一個中子，然後假設這個鈾原子在裂變時，釋放出兩個中子，這兩個中子將擊中另外兩個鈾原子，分裂它們，這兩個分裂的原子將發射出4個中子，如此繼續下去，開始時我們僅需很少的幾個人造中子來進行轟擊，但最後這種反應會自發地持續下去，直到所有的鈾原子都被分裂為止。” 但這還是一個理論，中子太輕，極容易被周圍的隨便什麼物質吸收，空氣和水，都可以輕易在它們撞擊原子核之前捕獲它們。同事和朋友加入進來，其中有利奧•西拉德，他建議用碳使中子的運行速度變慢，他們一起想到了一種設計，把純石墨(天然碳)和鈾分層堆放起來，高純度的石墨可以預防中子逃逸。 1940年，美國軍方贈與他們6000元購買石墨，費米和安德森在實驗室裏把這些石墨砌成堆。 當石墨被堆到天花板之後，費米開始想把房間裏的空氣抽掉，因為還是有不少中子從空氣中逃跑了，費米於是定制了一個巨大的鐵罐。他的朋友赫伯特•安德森更加富有想像力，他向一家橡膠公司定制了一個正方形的氣球，為此他不得不向橡膠公司解釋正方形的氣球同樣能夠飛行。 1942年的冬天，一個更大的被氣球籠罩的反應堆矗立在芝加哥大學的網球場上。12月2日，在費米的指揮下，一根根吸收中子的鎘棒被抽了出來，反應堆的輻射強度越來越高，它在按照人的意志釋放出潛在的能量。 這個反應堆第一次運轉成功大大鼓勵了官方的士氣。此時，曼哈頓計畫已經正式啟動了，萊斯利•格羅夫斯被任命為專案主管，他是一個喜歡冒險的人，在費米的實驗尚未取得成功時，格羅夫斯就把建造反應堆的計畫交給了杜邦公司。 在世界第一顆原子彈的製造過程中，許多專案都是這樣超常地進行的。 與德國的競爭 1942年秋天，格羅夫斯和奧本海默在火車上第一次見面，格羅夫斯此時已經晉升為準將，而奧本海默經過康普頓的推薦，成為一個美國歷史上最大實驗室的主任。在1945年後，他們一個被稱為“原子彈將軍”，一個被稱為“原子彈之父”。在奧本海默的提議下，位於新墨西哥州的洛斯-阿拉莫斯成為建造新實驗室的地點。 1943年，奧本海默整整40歲，雖然已經頗有名氣，但和玻爾或者康普頓這樣的前輩相比，還是差了一大截，但奧本海默用他的文學素養和口才彌補了這一不足。曼哈頓計畫羅織了當時在美國最好的一>批核子物理學家，洛斯-阿拉莫斯實驗室的雇員很快超過1萬人。 在同時期的德國，原子彈計畫由於希特勒的自信已經胎死腹中。1942年6月，海森堡向德國供應部長報告說，從理論上來說，從反應堆內部獲得爆炸物質是完全可能的。但德國在佔領了大半個歐洲後，希特勒相信他的閃電戰可以征服世界，因此對於一切在6個月內拿不出成果的研究不感興趣。 然而，美國人相信德國人已經開始了原子彈計畫，這使美國感到他們必須加快速度。曼哈頓工程迅速膨脹到一個投入達20億美元，雇員超過15萬的人大工程，許多專案僅僅在理論上證明可行就匆匆上>馬。格羅夫斯回憶說，當時他曾和人開玩笑說，應該在國會山旁邊買房子，以預備專案失敗後在那裏隨時準備迎接國會的質詢。 1944年8月，物理學家高德米斯和一個秘密小組來到巴黎，尋找德國研製原子彈進程的證據。到1944年11月，他們發現的證據已經足以說明，德國在原子能方面至少落後於盟國兩年，德國沒有能力生產出原子彈，甚至原子彈所需的原料。高德米斯對一位軍官說，既然德國沒有原子彈，盟國終於可以不生產原子彈了。軍官回答令他很吃驚：“既然我們有這東西，我們當然應當利用它。” 1945年春天，曾經是美國原子彈計畫的建議者西拉德再次拜訪愛因斯坦，希望他在一份新的信上簽字，這封信企圖說服美國總統放棄使用原子彈。此前，1944年6月，玻爾曾經面見過羅斯福與邱吉爾，希望他們能在原子能問題上與蘇聯協商，達成世界和平的格局，而邱吉爾因此懷疑玻爾是共產主義的同情者。 這封信還躺在總統辦公室的時候，羅斯福意外地去世了，杜魯門成為總統，他讀到有愛因斯坦簽名的信了嗎？從他的回憶錄裏一點也沒有反映出來。 反對使用原子彈的風潮也刮進了洛斯-阿拉莫斯，許多參與項目的科學家開始發起討論和簽名，但是這個項目的總負責人，格羅夫斯將軍，卻是在使用原子彈問題上立場堅定：“我一直把建議使用原子>彈看成是我的職責。” 沒有什麼力量能使它停下來，德國投降後，洛斯-阿拉莫斯的工作節奏反而加快了。1945年春天，馬歇爾將軍指示格羅夫斯確定原子彈的投擲目標。目標不再是德國，而是日本。 驚天動地的降生 1945年7月16日淩晨5時30分，世界上第一顆原子彈在美國新墨西哥州的沙漠地區爆炸成功，爆炸把方圓800米內的沙粒燒成翠綠的玻璃。無數的作品以史詩般的語言記載了這一刻。 每個目睹者的心情都各自不同。具有詩人氣質的奧本海默霎那間湧上心頭的是一句印度古詩：我是死神，是世界的毀滅者。卡爾松•馬克想起了幾個月前的一場爭論，即原子彈爆炸是否會點燃大氣層，現在看上去，那些火球似乎要吞噬一切。費米根據他灑下的紙條，大概估計出爆炸所產生的衝擊相當於兩萬噸TNT炸藥。此前沒有一個科學家估計到它的威力。 最初，科學家們訂購了一個很大的鋼罐，準備在鋼罐內進行爆炸，以回收大部分貴重金屬，同時防止爆炸物擴散引起污染。但臨到試驗時，這個厚度在6 到14英寸之間的罐子被放棄了，因為核爆的威>力即便低於某些人所估計的250噸炸藥的威力，也是鋼罐所不能承受的。試爆後，人們發現爆炸中心的溫度達到了 1億華氏度，相當於太陽表面的一萬倍，如果那個鋼罐還擺在那裏，它會被瞬間氣化。 早在一年前，格羅夫斯和奧本海默等人就商議決定，第一顆試爆的原子彈應當是內爆式原子彈(他們稱它為“胖子”)，以檢測它複雜的內爆系統。在內爆式原子彈的內部是兩個半圓球體，當球面合在一>起，兩個半球的鈾重合在一起，就達到了發生鏈式反應的臨界質量。在球體的外面是烈性炸藥，在引爆原子彈時，先引爆外面的炸藥，然後由炸藥產生高溫高壓，刺激內部的球狀鈈。採用這種方法的原因>是原料不夠，但後來卻成為一種普遍使用的方法：在試驗氫彈的時候，就先用炸藥點燃了一顆原子彈，然後再用原子彈點燃氫彈。 那個想出了原子彈自分裂方式的弗利士計算出了這個臨界點，實現這一過程的不是自動機械，而是靠手工完成，試驗因此充滿危險，弗利士差一點因此死在洛斯-阿拉莫斯。 爆炸的結果很快送給總統，在波茨坦會議上，邱吉爾意識到杜魯門突然變得更強硬了，在會上以更堅決地語氣告訴俄國人，某些要求是不可能得到的。到了7月22日他才知道謎底，然後他和杜魯門協商，決定告訴史達林。 然而，史達林的反應比較平淡，這讓邱吉爾認為，史達林根本沒有理解他們的談話內容。然而，一位叫斯米爾諾夫的俄國歷史學家卻這樣記下了當時的情況：“史達林從會上回來後，就當著我的面把杜魯門告訴他的話，告訴了莫洛托夫。莫洛托夫立即說道：他這是在為自己抬高價碼。史達林笑笑說：讓他抬吧，必須與庫爾恰托夫談談加快我們工作的事情了。” 庫爾恰托夫是蘇聯核計畫的負責人。在間諜機關的幫助下，史達林在7月20日或21日就獲悉這個消息。回到莫斯科後，史達林召開核緊急會議，曾經為諸多科學家所預測的核競爭開始了。 結束一場戰爭，開啟一種恐怖 在1939年那封有愛因斯坦簽名的給羅斯福的信中，有一個技術性細節，專家們估計原子彈太重不適於使用飛機投放。但到了1940年，這個問題就解決了，因為波音B-29重型轟炸機誕生了。 B-29超級轟炸機是二戰中最大，也是最成功的轟炸機，它創下了多個轟炸機之最：載彈量 9 噸、航程 6,000 公里、能在萬米高空巡航、極速600公里/小時。在B-29轟炸機出現之前，日美兩國隔著太>平洋，只能進行海上消耗戰。而B-29出現之後，戰局大變，美國掌握了制空權。 1943年9月，B-29 被選為原子彈載機。此時科學家們還無法確定原子彈的外形，所以B-29彈艙內安裝了可以調節的 H 形桁架和原子彈裝載釋放系統。1944年2月28日，B-29 在加州慕洛克機場(後來的>愛德華茲空軍基地)進行了原子彈模擬投放測試。到了8月，已經有46架B-29具備了原子彈投放能力。 與此同時，機組人員的訓練也在緊張進行。這項特別計畫由保羅•蒂貝茨上校指揮，他曾在歐洲和北非開過B-17，經驗豐富，直接參與了B-29的試飛。 小男孩發威 一切都準備好了。1945年7月25日，杜魯門做出了一項重要的決定，如果日本拒絕接受波茨坦公告，就對日本使用原子彈。 美軍最初的投擲目標達17個城市之多，格羅夫斯親自負責挑選投彈目標，廣島最終被定為首選。廣島是重要的軍事要塞，而且是日本除京都外，當時未受美國空襲的最大的城市。 1945年8月5日早晨，有徵兆表明，第二天將是個好天氣。下午，提尼安島，原子彈“小男孩”被水壓梯舉起安裝到位。這顆炸彈的外殼由黑鋼片製成，重達4400公斤，像“一個延伸長的鰭狀垃圾桶”。“小男孩”被配備好雷達、計時器和氣壓計，然後被安裝到轟炸機上，用鏈條固定。 6日零點，最終指示下達。 執行任務的“恩諾拉•蓋伊”號共有20名包括地勤在內的機組人員。駕駛員是蒂伯茨上校，投彈手是費雷比少校，軍械師是帕桑斯海軍上校，電子技術軍官是傑普遜海軍上尉。龐大的轟炸機為銀色，機翼長43米，機身上的名字閃閃奪目——Enola Gay，是以蒂伯茨上校的母親命名的。 蒂伯茨提醒機組人員要使用護目鏡。據天氣預報稱，廣島黎明有風，天氣晴朗。由於要在淩晨2點45分出發，他們沒睡好。2點27分，引擎發動，飛機負重6800千克，有點超重，但它順利通過了兩英里>長的跑道。在塞班島上空，帕桑斯和傑普遜爬進艙內完成炸彈的組裝。上午8點50分，他們進入日本領空，高度為9500米，離廣島已經很近了。 廣島居民看到了兩架飛機，但不以為意，街上有人在照常行走。廣島時間上午8點15分，由計時器和氣壓計扣動扳機，原子彈爆炸了。 在起飛之前，飛行員曾詢問一位科學家，如何才能最快地離開投彈點，得到的答案是最大可能地急轉彎，沿切線飛離目標。所以當原子彈在廣島上空1000米爆炸時，轟炸機已飛到11英里以外，但它如>同被高射炮擊中一般搖晃並吱吱嘎嘎作響。 蒂伯茨回憶說，“廣島原子彈沒有形成蘑菇雲。它形成的東西，我們稱之為一條細繩。它往上沖，漆黑漆黑的，有光亮和顏色，裏面有白光和灰色，頂部就像折起來的聖誕樹。”另一名飛行員將場景比>作“燃燒黑色石油的鍋”。 爆炸過後是死一般的寂靜。接下來，地獄般的景象慘不忍睹：氣溫高達2980℃，爆炸附近的受害者瞬間蒸發，昏迷中的倖存者像夢游一樣行走，他們被撕破的皮像破布一樣在肉上垂著。木屋、公園、樹在猛烈的爆炸中熊熊燃燒。河裏漂浮著燒焦了的屍體。一刹那間，廣島這座城市不復存在了。 日本投降 1945年8月7日，日軍總參謀部副部長河邊接到一份讓他不理解的情報：“廣島市在一霎那間被一顆炸彈全部毀滅了。”他請來了日本著名的原子科學家西名吉尾，他曾經是玻爾的學生。西名剛進門，河>邊就問他：“你能不能在6個月內造出一顆原子彈來，如果情況允許，我們可以堅持這段時間。”西名告訴他，這是做不到的，因為日本沒有鈾，也缺乏其他的必要條件。 戰時，美國沒有花費太多的精力去獲取日本在原子能發展方面的情報，因為他們認為日本的可用人才不足以完成這樣的項目，此外，日本也缺少原料。他們的判斷是對的，儘管日本也在進行原子能研>究，但遠遠落後於美國。 8月7日下午，西名由軍方派往廣島去查看那裏的毀壞情況，在東京街頭，發生了一件讓他記憶深刻的事情。天上出現了一架B-29轟炸機，由於軍方保密，市民們對這架看似掉隊的飛機毫不在意，而西>名和他的學生趕緊跑去找防空洞，羞愧和懊惱折磨著他的心靈。 遠在英國的被囚禁在“金籠子”裏的8名德國原子彈研究的核心人物，在8月6日晚也知道了這個驚人的消息，他們先是認為不可能，然後就原子彈的物理問題進行了激烈的辯論，試圖搞懂那些他們還尚未得知的技術問題。在這群人裏面，最難受的當屬奧托•哈恩，當一位看守他的軍官把這個消息告訴他時，他震驚於驚人的死亡人數，然後抑鬱地一言不發。 8月9日，美軍又在長崎投下一顆原子彈，長崎是日本最大船舶製造和修配中心之一。長崎遭原子彈轟炸給了日本一個印象，即美國還有更多的原子彈將要使用。第二天，日本就開始了投降談判。 1945年8月11日，美國電臺廣播說：“日本政府提出無條件投降。”這個消息引起了洛斯-阿拉莫斯驚喜，現在可以證明，他們的工作制止了繼續的流血戰爭。11日晚，他們舉行了一場大聯歡，許多人喝>得醉醺醺的。 “恩諾拉•蓋伊”號的命運 廣島原子彈爆炸頭髮造成了超過7萬人死亡，在世界引起了軒然大波，參與投彈的飛行員受到譴責，參加了兩次對日本原子彈轟炸的飛行員美國空軍少將查理斯•斯文尼後來發表了公開聲明：“感謝上帝使我們擁有原子武器，而不是日本和德國。科學有其自身的邏輯，遲早會有人設計出原子彈。科學不能被否定，它總會找到途徑來證明自己的力量。關於製造原子彈是否明智的問題，終將被原子彈已被製>造出來這一事實所壓倒。” 1949年“恩諾拉•蓋伊”號退役，被贈送給史密森尼學會。1953年後，它一直被露天保存在華盛頓附近的安德魯斯空軍基地。1960年，工作人員開始拆解這個巨型飛行器，一年後它被移至學會位於馬里蘭州蘇特蘭市的保羅•蓋博修復儲存基地。復原工作始於1984年，前後共耗用30萬個工時，相當於100個人每天24小時不間斷工作連續幹了125天。最後的裝配工作於2003夏天完成，並于當年12月15日向公眾展出。 航空航太博物館館長戴利說，由於大家的辛勤工作，未來的幾代人都可以親身感受這架飛機在二戰中及人類歷史上無可變更的重要性。這架翼展43米、長30米、高9米的龐然大物全身被擦得鋥亮，一點也看不出它已近60歲高齡。 (本報記者陳黎對本文亦有貢獻) 原子彈：人類心腹之患 有史以來第一次，人類成功地類比了恒星的燃燒方式。當第一顆原子彈被引爆的時候，300公里以外的人都看到了它眩目的光彩。這種光彩完全不似來自我們這個星球，它可以毀滅地球表面的一切生物。 原子彈以它驚人的力量贏得了人類的畏懼，1945年8月6日美國在廣島投下的那顆“小男孩”只是一個粗糙的產品，現在世界上的任何一顆原子彈都比它的威力要大若干倍。但是，在“小男孩”爆炸後的幾>天內，廣島7萬人的性命被奪去了。 科學家們早已預料到這一切。1938年底，當奧托•哈恩發現鈾在中子的轟炸下發生的變化時，他驚慌失措，一個鈾原子分裂成兩個，變成了鋇，傳說中的點石成金術也許就是這樣。他曾經想要把所有的鈾丟到大海裏去，以避免未來有可能發生的災禍。而在1945年的洛斯-阿拉莫斯，科學家們為他們創造出來的這個產物而爭吵，他們極不情願地看到這個擁有無限威力的“嬰兒”被投入使用。在爭吵中，一種能夠安撫人心的聲音說，當一項偉大的科學發現出現時，誰也無法預料它的用途。當汽車被製造出來時，人們因為無法適應它的速度而造成車禍，也有人曾要求銷毀這個鋼鐵怪物，但汽車最終成為人類最>常用的代步工具。 原子的秘密也是如此，通過對微觀世界結構與運動變化規律的研究，人類文明發生了重大飛躍。玻爾的助手，物理史家亞伯拉罕•派斯曾經這樣慷慨地頌贊說：“如果沒有量子物理，我們現在還生活在19世紀。”我們所擁有的現代文明，從電腦、電視、手機到核能、航太、生物技術，幾乎沒有哪個領域不受益於量子理論。 原子彈的製造，僅僅利用了隱藏在原子中極小部分的秘密，但它以其毀滅性給人們留下不可磨滅的印象。它給人們劃出了一道紅線，有史以來第一次，人類創造的文明可以完全毀滅人類，科學家們稱>之為“發現了上帝的秘密”。在後冷戰的今天，在這個人類看似越來越可能擁有長久和平的21世紀，原子彈仍然是人類的心腹之患。 1945年以後，國家之間的衝突變成了另外一個模式：坐擁原子彈的國家在相互虎視眈眈。在冷戰期間，為了保持自己的優勢地位，美國又進行了上千次核子試驗，前蘇聯的核子試驗次數則在700次左右，這兩個超級大國的核爆次數和核武器保有量佔據了全球的絕大比例，這種以炫耀自己的毀滅能力來證明國家實力的方式，終於隨著前蘇聯的解體而告一段落。中國也在上個世紀60年代，成功試爆第一顆>原子彈，成為核俱樂部的成員。中國一共進行了45次核子試驗，與英國的次數持平。 在今天，世界陷入了新一輪的核競爭之中，印度、巴基斯坦、以色列等國紛紛宣佈他們擁有製造核武器的能力，而另一些國家正在嘗試製造核武器。實際上，只要願意，任何一個工業發達的國家都可>以擁有核武器，今天核能發電已經遍佈世界各地，造一顆原子彈在21世紀已經不算尖端科技。 原子彈曾以一聲巨響乾脆地結束了第二次世界大戰，它同時促使人們進行全新的思索，自有人類文明史以來一直沿用的解決爭端的辦法已不能再繼續下去。這是一個嚴峻的考驗，在一顆擁擠的脆弱的>星球上，如果試圖毀滅別人，也將毀滅自己。 原子彈是人類製造出來的達摩克利斯之劍，將永遠高懸在人類自己的頭頂。 故事從1934年，人類首度以中子撞擊鈾開始。隨著在1934年初，由在巴黎的伊痕居禮（Irène Curie）和她的丈夫焦立（F. Joliot）發現人造輻射物質後，在羅馬的費米（E. Fermi）立刻進行由氡-鈹所產生之中子（取代了原先所使用之α粒子）來撞擊活化一般元素。在那年的四月間，藉著阿馬迪（E. Amaddi）、達高斯丁諾（O.D'Agostino）、拉塞提（F. Rosetti）和我本人的協助，費米完成了許多反應>如：（n,p）、（n﹐α）、（n﹐γ）或（n﹐2n）。我們所使用的中子源，每秒鐘約可釋放出 107個中子。 用中子來撞擊鈾原子，會造成一很有趣的情況：因為我們預測鈾元素，經由（n﹐γ）反應及緊接的β衰變，會產生原子序93的 元素，這是第一個超鈾元素。事實上，這些反應的確發生，但有更多的反應隱>藏著而我們並不知道。我記得當時拉塞提非常渴望能用中子撞擊鈾和釷原子。我們實驗 結果的第一篇報導是在1934年五月十日發表，離我們第一次用中子做為撞擊源約二個月。為了簡略起見，我將不提有關釷的研究，因它和鈾研究大同小異。 我 們所用中子源撞擊鈾所產生的輻射強度，並不比自然界鈾的輻射強度強多少。這一點造成嚴重的實驗問題。我們可以在撞擊實驗前，先用化學方法把鈾所含會釋放β 粒子的鈾衰變產物去除。但是過了幾個小時，這些物質又產生了。這造成了很大又麻煩的輻射背景值。這個困擾影響了整個歐洲學術界在這方面的研究，而且導致了 一個大家都犯的錯誤。 在羅馬，我們很快就發現被輻射過的鈾，會顯示出複雜放射活性且具備多種半衰期。因我們預期會有先前所提的背景值，所以就開始尋找是否有鈾原子經（n,γ）反應後，所產生原子序93的同素異形體（isomer），會進行β衰變。 在化學上所犯的錯誤 當 時我們犯了一個在今日看來會覺得很奇怪的錯誤：我們認為原子序93元素和錸（Re，原子序75）的化學性質很相似，實際上的產物的確和錸類似〔其實是鎝 （Tc）的同素異形體，但當時並不知道〕。>這個元素（命名為technetium，乃因它是第一個經由人工合成的元素）在三年後，也就是1937年，由派 瑞（C. Perrier）和我用氘原子擊撞鉬（Mo，原子序42）所發現的。鎝和錸元素在化性上確實有許多相似之處，所以也使得我們在1934年，誤以為先前的假 設是正確的，而以為所得到的是錼（Np，原子序93），實際上卻是鎝。 哈恩與麥特納（L. Meitner），還有居禮也犯了相同的錯誤，認為原子序93是一種類似錸的元素（事實上原子序93元素和今天大家所知道的超鈾元素家族一般，和稀土金屬 有極相近的化性）。更令人訝異的是波爾（N. Bohr）竟沒有提出異議。雖然在十年前，他就已經想過填滿5f電子軌域，會形成一新的稀土金屬家族。不過，在另一方面，芝加哥大學的葛羅斯（A. von Gross），在1934年則指出原子 序93的元素，應分類為稀土金屬。 鋁箔擋住了大發現 在羅馬，我們 也考慮了一種可能性：就是當中子撞擊鈾原子時，會形成短半衰期的α放射物質。為了測試這個假設，我們把鈾箔片放在游離偵測室前，用慢中子來照射，希望看到 核反應所產生的輻射粒子。我們認為，由中子撞擊形成短半衰期產物所放射出來的α粒子，能量應較高，射程較原來鈾所輻射的α粒子更遠。因此，我們用鋁箔覆蓋 在鈾箔上，以防止鈾的背景α粒子穿透，但結果卻是否定。我們並>沒有看到長射程的α粒子。因鋁箔擋住了核分裂產生之碎片，使得我們沒有看見它們造成的游離脈 衝。我們並未發表這結果，但卻記錄在阿馬迪的筆記本上。無論如何，我也不能說即使我們看到這現象發>生，就能了解它的原由。類似的實驗，薛赫（P. Scherrer）和他的同伴在蘇黎世、卓斯特（G. von Droste）在柏林，都曾做過。我也聽說瑞士的科學家看到這個大脈衝，卻把它當做是偵測器的錯誤。 另一個誤失，就是我沒有去注意到諾達 克（I.Noddack），1934年在柏林發表的論文。她批評我們的化學，且指出核分裂的可能性。雖然她發表的論文，在羅馬的我們、在柏林的哈恩與麥特 納以及在巴黎的焦立與居禮，都知道。但如果我們其中有一人抓住了她文中的重點，在1935年就可以很快發現核分裂了。令人相當吃驚的是：諾達克也沒有試著 做任何實驗來驗證她的理論。這實驗對她而言，應 該也是相當容易。即使如此，往後三年多，所有此領域研究者仍然只考慮：核反應所產生的元素原子序會在92附近。 我 們在羅馬開始說服自己：在撞擊鈾原子時，觀測到的放射性並不是由鈾和鉛之間元素的同素異形體所造成。我們試著去了解一些從活化的照射後，由混合物中萃取出 來物質的性質，其中有一元素的化>學特性類似錸元素，它主要反應是和二氧化錳形成共沈澱。在幾年前，義大利的巴隆切理（F.Baroncelli）重複我們 的步驟發現：可以分離出一 些鎝的同素異形體（在1934年，還不知道鎝元素的存在），當然鎝的行為非常類似錸，而且這是一個核分裂的產物。其實，我們應該質疑的事很多。尤其是我們假設存在的元素93所造成的放射性很小，僅占由中子撞擊所產生活性的一小部分而已。 想像的超鈾元素 在1934年六月，學年結束前，我們對所實驗的超鈾元素之造成，充滿信心，準備發表。但也有一種感覺：我們的研究工作並不完整。因此，並沒有對我們想像中發現之超鈾元素予以命名。費米且為了新聞>界公開報導此研究之事，大為生氣。 1934 年暑假結束後，龐提科佛（B. Pontecorvo）加入我們的研究小組，十月，我們偶然發現如何製造慢中子，這是一個很重要的發現。但我們研究小組也因化學家達高斯丁諾的離去，而暫 停探討超鈾元素，只能集中全力在慢中子的研究。不過，我們的確也留意了慢中子對鈾元素放射性的影響，希望知道是否有中子捕捉的反應，並想要了解中子撞擊所 產生的物質。在1935年夏天，羅馬小組對超鈾元素之研究完全停頓了。當這一年結束時，拉塞提去了美國，龐提哥佛到巴黎，而我則成了巴勒摩 （Palermo）物理研究所的所長。阿馬迪和費米則繼續在羅馬集中全力研究慢中子的物理學。 這時，哈恩與麥特納和居禮也加入了鈾元素的紛爭中。這二個研究小組過去在核物理和化學上都有極大的成就。 在 柏林，哈恩與麥特納是達倫（Dahlem）的威廉大帝（Kaiser Wilhem）研究所研究小組的領導者，哈恩是一位頗負盛名的放射化學家。他在三十年以前，曾與拉塞福一同作研究，在他研究生涯剛開始時>，發現了幾種新的 放射性物質；晚期，和麥特納一同作研究，則發現了核同素異形的現象。 麥特納是奧地利公民，出生在維也納。在柏林時，曾經是蒲朗克的助手， 後來成為哈恩長久的同事，且在同一實驗室作研究。她是一位很傑出的物理學家，有時也是居禮夫人和她女兒的競爭者。麥特納是猶太後裔，而哈恩則是強烈的反納粹主義者。當時的政策狀況，使得在達倫研究小組的工作變得非常困難，造成持續的不安。史特拉斯曼是最後加入此研究小組，他是一位優秀的分析化學家，也是絕對的>反納粹主義者，這一點也妨礙了他的研究生涯。 伊痕居禮是居禮夫人（鐳的發現者）的女兒，從她母親那兒學到了放射化學和化學，她也浸淫在居禮夫人的傳統作風及研究、方法和實驗技術之中。她嫁給了焦立後， 二人一同做了有關正子和中子的重要實驗。雖然他們錯失了發現這些新粒子，無論如何，這些遺憾很快就彌補了，因為他們發現了人工放射性是令人難忘的重大發 現。 柏林 哈恩與麥特納首先從確定我們在羅馬的實驗結果，開始研究。他們所使用的中子源強度和羅馬、巴黎研究小組差不多。 令人有些驚訝的是，他們所用的化學步驟和我們的研究相當不同。他們早期所發表的論文，就像從中子撞擊而收集到的核分裂產物混合一般複雜。正確和錯誤的結果 交集在一起。像這種混亂的情況，持續了一段相當長的時間，竟成為鈾元素研究的共同特徵。 由哈恩、麥特納與史特拉斯曼所得到一個重要且強有 力的結果，證明了鈾-239進行β- 衰變，其半衰期為23分鐘，其他細節，在此不作詳述。他們許多的論文（主要發表在《Naturwissenschaften》，詳細記載了在他們了解核分 裂發生之前，所做的一切研究。剛開始，史特拉斯曼只是與哈恩和麥特納合作，直到1938年七月後，才正式成為一名共同作者。在1937年，他們發表了一長 篇的總結論文在《Zeitschrift für physik》和另一篇類似的論文在《Chemische Berichte》。他們提出12個新的放射性同位素，原子序可能在92～95之間，並提出一系列的核雙異構態（double isomeric state）。（事實上，>在1940年之前，並沒有人真正了解超鈾元素。）此雙異構態的現象，著實令人驚訝。因為當時不僅無人了解，即使今日，我們所知的 此類異構態也很少。 當時我只有一個感覺：在鈾之中一定存在某些祕密。在巴勒摩，因為沒有中子源，我無法繼續進行此項研究。1936年夏 天，我第一次訪問柏克萊（很幸運地，從勞倫斯處取得放射性物質），和當時還是學生的艾伯生（P. Abelson）長談，並道及鈾的大迷團。我強調藉著迴旋加速器製造強而有力的中子源，可以使這問題更容易解決；且可以從快或慢速中子來照射鈾原子開始。 艾伯生作了一些實驗，並給了我一些衰變曲線的結果。 巴黎 居禮和哈本（H. von Halban）及普萊斯維克（Preiswerk）一同合作，開始研究中子撞擊釷。早在1935年五月，他們就證實了一22分鐘的衰變期，和我們在羅馬發 現的一樣。這個釷的同素異形體非常重要，因為它是鈾-233的先驅核種。更重要的是：他們發現一化性類似鑭，具有3.5小時半衰期的放射性成分。當然，他 們並不了解那其實就是鑭-141 ，是核分裂產物之一。由於無法識別，居禮和她的同事們認為：這是一種錒（Ac）的同素異形體。 在1937 和1938年，居禮和沙維奇（P. Savitch）集中所有精力來研究此活性3.5小時的物質。1938年七月，他們得到一結論：此物質並非錒，它所有性質正像是鑭（La）；到現在為止， 它只可用分量結晶法（fractional crystalization）分離出來。假如他們能早些證明那就是鑭，就很可能發現核分裂。正如哈恩與史特拉斯曼幾個月後，藉著確定鋇的存在而發現核分 裂一樣。可能居禮她們最初所得到的>沈澱物不僅只有鑭，也包含著另一化性類似的核分裂產物的釔（Y），可能部分結晶法分離的是這二種物質。 在1938年五月中旬，哈恩和焦立在羅馬舉行的第十屆國際化學大會上相遇，且討論巴黎研究小組所發現的結果。哈恩相信居禮實驗的化學有些不對勁，便決定再重複她的一些實驗。 黑暗與黎明 兩 個月前，希特勒併吞了奧地利，麥特納因此失去了奧地利公民身分所能給予的保障，面臨了被逮捕的險境。七月中旬，藉著哈恩和荷蘭的物理學家柯斯特（D. Coster）的幫助，她祕密地逃離了德國。>當哈恩聽到她已安全抵達荷蘭時，真正是鬆了一口氣。從荷蘭她經過哥本哈根抵達了瑞典，哈恩與史特拉斯曼則繼續 在達倫進行他們的研究。哈恩和麥特納也藉著書信往返互通訊息。哈恩經常把他們所得到的研究成果，在發表或告訴別人（包括在柏林同事）之前，先讓麥特納知 道。 當哈恩和史特拉斯曼集中全力研究他們認為是鐳的同素異形體，和由居禮與沙維奇所提及的活性3.5小時的產物時，他們做了一項結論：用 中子撞擊鈾-238 時，會得到16個原子序由88～96的核元素，其中包括了一部分同素異形核種。這使得混亂達到了極點，無論如何，正像黎明前的黑暗，因為答案到此已呼之欲出。 在1938年十二月初，哈恩他們認為已建立了許多連續衰變系列，可以明確地表示鈾原子與其衰變產物之間的關係。他們假設有四個鐳的同素異形體先衰變到錒再衰變至釷。這些假設的衰變系列，乃是對前>一篇論文（見圖五）所提的衰變系列，作一修正。 為 了確定這假設，哈恩和史特拉斯曼決定證明這些物質的確是鐳的同素異形體。他們把這些物質用鋇當做擔體（carrier），用鐳當示蹤劑，來進行許多嚴格的 化學測定分析。這些實驗結果逼使哈恩和史特拉斯曼不得不承認原先假設為鐳的同素異形體，事實上是鋇！十二月二十二日，他們發表在 《Naturwissenschaften》一篇歷史性的報導記載著：「身為化學家，經由以上所描述實驗結果的推斷，我們>應推翻先前的假設，引入鋇、鑭、 鈰來代替鐳、錒、銩〔見圖五（C）〕。做為一核化學家，他的研究領域非常接近物理；我們還不能接受這麼激烈的一步：完全推翻核物理學先前的經驗。」在寫下 這些字行之前，哈恩他們曾寫道：「鋇＋鎝的質量數合起來138＋101＝239」，這已是考慮到核分裂的明顯徵兆，而此時正是發現核分裂的時刻了。 我們真是白痴！ 哈 恩在發表這篇報告前，先把他們的結果告訴在瑞典的麥特納。當麥特納把哈恩他們的實驗結果告訴從哥本哈根來度聖誕節的外甥，物理學家佛來西 （O.Frisch）時，他們迅速得到核分裂的觀念。幾天>後，佛來西回到他在哥本哈根的實驗室，記下：「我迫不及待把我們的推測告訴正準備動身前往美國的 波爾，他只給了我幾分鐘的時間，但我剛剛才開始，他就用手撐著前額且讚歎的說：『哦！我們從前是多麼地白痴啊！但這實在是太美妙了，而這也正是它應該是的 答案！你和麥特納已寫好論文發表了嗎？』」兩星期後，《Nature》接受了他們的論文。 核分裂的發現，立刻引起大批的研究。首先，最明顯需要研究的就是分裂碎片的求證。我們可以從質量數的減少、或是分裂碎片彼此之間的庫侖斥力，可算出這些原子核的動能。所以，它們是相當強烈的>離子化。這些碎片迅速讓佛來西和其他人同時觀測到。 對這些由中子撞擊產生的新物質，在化學認定上有了嶄新的面貌。1938年居禮說：「用中子來撞擊鈾原子，所得到的放射性，似乎可以包含所有的元素。」她是正確的，而正有許多人急忙的要解開核分裂>產物之謎。 當 發現核分裂之際，費米正在斯德哥爾摩接受諾貝爾獎，獎勵他證明了用中子照射可製造出新的放射性元素，以及用慢中子撞擊時所引發的核反應。有句評語中提到 「新的放射性元素」具有各種不同的>解釋，如果把「同位素」（isotope），用來取代元素，應當是更為清楚。費米領獎後直接從瑞典移民到美國，在那兒他 首次聽到有關核分裂的訊息。 核分裂的發現是一件很轟動的大事，從美國學術界的反應可以看出。立刻有大量關於核分裂的論文發表在《Physical Review》上。 證實超鈾元素 超 鈾元素仍有許多傳奇故事。焦立試著把一層鈾箔暴露在中子照射中，緊接是一片膠木來收集分裂產物。麥克米倫在柏克萊也獨自進行相同的實驗。他們在鈾箔上，發 現有一些「沒有反跳的」（nonrecoiling）放射性物質〔編註：核分裂產物的動能很高，所以會從鈾箔中跳出來（recoil）〕。哈恩與麥特納已 發現當鈾-238進行（n﹐γ）反應時，會形成一半衰期23分鐘的放射性物質。但除此之外，還有>一半衰期兩天的物質。 在1938年，我一 抵達柏克萊的勞倫斯輻射實驗室，立刻用迴旋加速器當中子源，來研究這半衰期兩天的物質。經研究它的化學性質得到結論：「這些物質是稀土金屬。」我曾預測這 半衰期為兩天的產物>是：由鈾-239β-衰變後所產生的元素93（事實上，它正是）。但我那時預期，原子序93元素是一個類似鐳的元素。我試著去找出這半 衰期23分鐘和二天的放射性物質之間，是否存在有衰變的親子關 係，但是失敗了。因為原子序93元素的β射線，特別的微弱，這一點使我走錯了路，因而發表了一些關於照射鈾之產物的錯誤報導。無論如何，就像其他的犯錯者一般，我的文章中也有一些正確的地方，那就是元素93類似於稀土金屬。 最後，在幾個月後，麥克米倫和艾伯生把原子序93（錼）分離出來，且證明它是直接由鈾-239衰變而來的。 在這時候，焦立、費米和其他人都注意到在二個分裂碎片之外，有很多中子存在。大部分過多的中子，都經由β衰變轉化成質子，但也釋放出來一些中子。這開啟了連鎖反應的可能性。 約在1939年初，戰爭開始威脅歐洲，核分裂不再只是一門為了滿足求知慾望的科學而已（編註：此指原子彈的發明），我不再敘述在此之後的故事，因為它已說過太多遍了。 核 分裂的發現，具有一段不平凡的複雜歷史，因為有太多的錯誤發生，而妨礙了它的發展。大自然本身就使得這問題複雜化了。科學家必須要面對鈾的自然放射性和二 種長半衰期的同位素鈾-235、鈾-238。現在大家都知道較重的鈾-238同素異形體，用慢中子撞擊時，不進行分裂；而只占自然存在鈾原子0.7％的較 輕鈾-235原子，用慢中子撞擊時，卻會有核分裂發生。這是很詭異的狀況。除此之外，就我的感覺而言：人們的心中，只能看見他們期望看到的事情。 （本文譯自E.G. Segrè, "The discovery of nuclear fission", Physics Today, July 1989.） 葉銘芳任職於台灣大學海洋研究所 西格瑞是柏克萊加州大學物理系教授，曾與O.Chamberlain因證實反質子的存在，於1959年獲得諾貝爾物理獎，此文是他為紀念核分裂五十周年，於1989年一月在美國物理學會大會所發表的講演，其後不久在1989年四月二十二日逝世。 核反應（A,B）表示一個原子核，被外來粒子A撞擊，而轉化成另一個原子核，釋放出粒子B，如：9Be(α,n)12C就是鈹-9原核受到α粒子撞擊，與之結合後放出一個中子形成碳-12的原子核。這就是當時產生>中子的反應，是由氡-222放出α粒子撞擊鈹所產生。 核同素異形體（nuclear isomer）：原子序、原子量都相同的原子核可能存在不同的能態；大部分的激發態原子核會極快地放出γ射線而蛻變為基態，但某些核種的核自旋與基態不同時，會有較長的半衰期，如用γ射線計數器偵測，會視為一種不同的核種，因此稱為「同素異形體」。 http://www.tnfsh.tn.edu.tw/teach/phi/physicsteaching/uop_frame/uop_ch14.htm 1945 年在美國新墨西哥州人類引爆了史上第一枚原子彈，核爆產生的強光閃過後，俯臥的費米教授在距核爆點15公里的地方站了起來，將事先準備好的小紙片依預定的高度鬆手放開，這些散落在空中的小紙片隨即被伴隨核爆而來的空氣震波吹離了原先的落點。費米教授即藉由這些小紙片被吹偏離的距離，很快的估算出了這枚原子彈的爆炸威力。這則廣為流傳的故事很貼切的描繪出費米教授處理問題的方>式：把一個複雜的問題化繁為簡、再以最簡單的方法找出答案。費米教授的學生楊振寧教授對這種處理問題的方式有很深刻的描述：理論架構(abstraction)是經過紮實的基礎工作之後，而非之前，而得到的。 費米教授自中學起即是眾所矚目的天才學生，25歲獲得了當時一般意大利物理學家年過半百方可取得的正教授位置。費米教授自然並未因此自滿，他在羅馬大學的研究群聚集了一些年紀與他相仿的優秀年>輕物理學家，共同努力為意大利在世界物理的舞台上開創出一席之地。費米教授的重要研究成果包括對固態物理學有深遠影響的費米 ．狄拉克統計分佈、慢速中子(slow neutron)引發的原子核反應(1938>年他獲得諾貝爾物理獎的主要貢獻)、核分裂的連鎖反應(chain reaction)(核能發電及原子武器的基礎)、以及基本粒子的理論工作。費米教授的貢獻涵蓋理論及實驗，以及物理學的所有領域，此成就是近代物理史上的唯一特例。 費米教授治學態度嚴謹，實事求是的精神可由他的慢速中子研究一窺究裏。在研究中子撞擊鈾的過程中，一種新的輻射性物質被發現了。當時他的同僚都認為費米教授發現了原子序為93的新元素，然而費>米教授並不認為有足夠的證據支持此論點，但羅馬大學的同事仍主動對外界發佈此一訊息。他知道後整夜失眠，第二天即與同事商議並發表聲明，澄清此一尚未證實的說法。 費米教授對當時研究水準並不突出的意大利物理界的建言是：為提高在世界物理界的地位，意大利物理學家應該只將重要的研究成果發表在世界性的學術期刊上；至於那些不會引注意的研究結果及為增加>數量而發表的論文則應以意大利文發表，如此可免除負面的影響。費米教授當年對意大利物理界的期待，或許也值得我們學術界深思。 本書作者費米夫人深刻的敘述費米教授在日常生活上的點滴，包括在意大利的研究工作，得知獲得諾貝爾物理獎當日的情形，法西斯黨的惡行如何影響費米一家(費米夫人是猶太裔)及永遠離開意大利到美>國定居的決定，到美國後費米教授在核分裂研究工作及原子彈發展過程中的一些故事；真稱得上是第一手的資料，對後人了解費米教授的傳奇一生本書有重要的參考價值。本書中譯本忠實反應原作本意，>唯部份譯名應可於再版時修定，以符合一般習慣。(中性電子修正為中子、陽電子為質子、量子機械論為量子力學) 。 另外一本費米教授的傳記《Enrico Fermi: Physicist》，為他的第一位博士生、1959年諾貝爾物理獎得主Emilio Segre所著，則是以費米教授的研究歷程為敘述重點，與本書相互輝映，有極高的可讀性，特別在此提出 做為一核化學家，他的研究領域非常接近物理；我們還不能接受這麼激烈的一步：完全推翻核物理學先前的經驗。」在寫下 這些字行之前，哈恩他們曾寫道：「鋇＋鎝的質量數合起來138＋101＝239」，>這已是考慮到核分裂的明顯徵兆，而此時正是發現核分裂的時刻了。 我們真是白痴！ 哈 恩在發表這篇報告前，先把他們的結果告訴在瑞典的麥特納。當麥特納把哈恩他們的實驗結果告訴從哥本哈根來度聖誕節的外甥，物理學家佛來西 （O.Frisch）時，他們迅速得到核分裂的觀念。幾天>後，佛來西回到他在哥本哈根的實驗室，記下：「我迫不及待把我們的推測告訴正準備動身前往美國的 波爾，他只給了我幾分鐘的時間，但我剛剛才開始，他就用手撐著前額且讚歎的說：『哦！我們從前是多麼地白痴啊！但這實在是太美妙了，而這也正是它應該是的 答案！你和麥特納已寫好論文發表了嗎？』」兩星期後，《Nature》接受了他們的論文。 核分裂的發現，立刻引起大批的研究。首先，最明顯需要研究的就是分裂碎片的求證。我們可以從質量數的減少、或是分裂碎片彼此之間的庫侖斥力，可算出這些原子核的動能。所以，它們是相當強烈的>離子化。這些碎片迅速讓佛來西和其他人同時觀測到。 對這些由中子撞擊產生的新物質，在化學認定上有了嶄新的面貌。1938年居禮說：「用中子來撞擊鈾原子，所得到的放射性，似乎可以包含所有的元素。」她是正確的，而正有許多人急忙的要解開核分裂>產物之謎。 當 發現核分裂之際，費米正在斯德哥爾摩接受諾貝爾獎，獎勵他證明了用中子照射可製造出新的放射性元素，以及用慢中子撞擊時所引發的核反應。有句評語中提到 「新的放射性元素」具有各種不同的>解釋，如果把「同位素」（isotope），用來取代元素，應當是更為清楚。費米領獎後直接從瑞典移民到美國，在那兒他 首次聽到有關核分裂的訊息。 核分裂的發現是一件很轟動的大事，從美國學術界的反應可以看出。立刻有大量關於核分裂的論文發表在《Physical Review》上。 證實超鈾元素 超 鈾元素仍有許多傳奇故事。焦立試著把一層鈾箔暴露在中子照射中，緊接是一片膠木來收集分裂產物。麥克米倫在柏克萊也獨自進行相同的實驗。他們在鈾箔上，發 現有一些「沒有反跳的」（nonrecoiling）放射性物質〔編註：核分裂產物的動能很高，所以會從鈾箔中跳出來（recoil）〕。哈恩與麥特納已 發現當鈾-238進行（n﹐γ）反應時，會形成一半衰期23分鐘的放射性物質。但除此之外，還有>一半衰期兩天的物質。 在1938年，我一 抵達柏克萊的勞倫斯輻射實驗室，立刻用迴旋加速器當中子源，來研究這半衰期兩天的物質。經研究它的化學性質得到結論：「這些物質是稀土金屬。」我曾預測這 半衰期為兩天的產物>是：由鈾-239β-衰變後所產生的元素93（事實上，它正是）。但我那時預期，原子序93元素是一個類似鐳的元素。我試著去找出這半 衰期23分鐘和二天的放射性物質之間，是否存在有衰變的親子關 係，但是失敗了。因為原子序93元素的β射線，特別的微弱，這一點使我走錯了路，因而發表了一些關於照射鈾之產物的錯誤報導。無論如何，就像其他的犯錯者一般，我的文章中也有一些正確的地方，那就是元素93類似於稀土金屬。
最後，在幾個月後，麥克米倫和艾伯生把原子序93（錼）分離出來，且證明它是直接由鈾-239衰變而來的。# posted by samuel @ 8:11 PM 
