四、探索原子能

人工放射性发现后，弗雷德里克·约里奥·居里就想到元素转变时可能获得能。1935 年，约里奥和伊雷娜接受诺贝尔奖金时，约里奥发表演讲说： “在回顾过去的时候，我们看到科学发展越来越快。我们有理由认为科

学研究工作者，如能随意合成或分裂元素时就会知道将怎样引起具有爆炸性质的转变，正像化学链式反应一样，由一种转变将引起更多的转变。如果物质里发生这种转变，我们可以预期将有大量有用的能量释放出来。”

以上发言是经过字斟句酌的。字字重要。“链式反应”这个词用于这方面还是第一次。整个发言是幻想，是预言，突出地表现了约里奥的高度的想象力。9 个月后，1936 年 9 月 29 日，他在莫斯科宣布第一届门捷列夫会议开幕时——他因人工放射性对元素的周期分类赋予了新意义而应邀主持开幕式

——重复了他在斯德哥尔摩所作的预言性讲话，他还补充说：“我们有理由担心而提出这个问题：如果有一天我们创造了利用这种反应的必要条件，将会产生什么样的后果？”在斯德哥尔摩他曾希望科学工作者将采取“必要措施”，而在莫斯科他问道：“如果有一天科学工作者找到了正确的方法，他会做这个实验吗？”他自己回答说：“我认为他会做的，因为科学工作者有好奇心，爱冒险。”当时还不具备实施这个方法的物质基础，但不到 3 年这个幻想——原子核裂变——就实现了。此外，他还预期在星体内部发生原子核变化。不出 10 年，广岛、长崎遭受原子弹破坏，他所说的“担心的事”终于成为事实。

1937 年约里奥进入法兰西学院任物理学教授，还担任了该学院物理和核化学实验室主任。这时，他和伊雷娜也埋头进行了核裂变现象的研究，以验证意大利物理学家费米的有关结论。

1934 年意大利物理学家费米从《报告》（C·R）上读到了约里奥·居里夫妇宣布他们发现人工放射性的通讯。他抓住了最后一段中的这句话：“用其它粒子轰击，无疑可以造成和我们已经发现的放射性相类似的、持续的放射性。”费米和他的同事们决定用中子做实验。在实验中费米发现用中子轰击某些元素几乎全都可以变为放射性元素，而且用某些元素还可产生两种或两种以上不同的放射性物质。于是他决定用慢中子轰击铀，铀是当时已知的最重、最复杂的原子，他想看看能否产生在周期表上排列在铀以后的人造元素。经过一系列的实验，他相信确实造出了铀以后的新元素，即超铀元素。但他只是部分地对了，而找到这个问题的正确答案差不多花了 5 年的时间。关于这个新元素的争论，需要由第一流的化学家和物理学家组成的小组来解决。

这期间，德国的放射化学家奥托·哈恩和他的同事莉莎·迈特纳重复了费米的实验，并进一步证实了他确实发现了一种新元素，原子序数为 93。另一个德国化学家伊达·诺达克提出，她和她的丈夫曾在 1925 年发现了铼这个元素，铀可能是分裂了，而不一定是衰变了。可是那时的物理学家们没能接受这一观点。德国的一个小组重复了费米的实验，到 1937 年末，发现了用中

子轰击铀而形成大约 9 种不同的放射性物质。但对这一点，他们提不出可以被接受的解释。在巴黎，伊雷娜和南斯拉夫物理学家保罗·萨维奇合作，经过轰击后，发现了一种比铀轻的，类似于锕的物质，其化学性质与稀土元素相似。谁也没有想到在探索对铀所产生的大量放射性元素的理解时会有这么

多的困难。哈恩又重复了法国人的实验，不仅发现他们是正确的，还发现由铀所形成的 3 种放射性物质都少了 4 个质子。1938 年 12 月，哈恩在一篇论文中提出了一个非常不成熟的看法，认为铀核很可能在中子轰击下分裂成了两半。

约里奥·居里夫妇 1939 年 1 月 16 日读到了哈恩的这篇论文，立即开始考虑可能造成这一现象的机理。与此同时，哈恩和他的学生也在进一步研究，提出三种放射性物质是钡，而不是镭的同位素的见解，并写信和迈特纳讨论。物理学家奥托·弗里施请教了一位美国生物学家，决定把这一现象称之为“核裂变”。他还进行了一些证明铀裂变的实验。两个星期之后，约里奥在法兰西学院通过检查裂变碎片验证了这一现象。

约里奥在 1931 年造的低压威尔逊云室中观察到：衰变辐射在穿过物质时，其强度要减低。现在他又用这个原理设计了一个简单的试验方法，以提供铀和钍裂变的物理证明，提供一个实用的能把铀造成的裂变碎片从铀分离出来的方法。他还从理论上做了推理。

1939 年 1 月 26 日，约里奥进行了一次简单而又出色的实验来证明这一

点。他用一个 700 毫克的中子源（氡+铍），放在一个直径为 2 厘米、高 5

厘米的铜圆柱内，在离其外表 3 毫米的地方放了一个同心的电木圆柱体。圆柱体的外表涂了一层薄薄的氧化铀。实验证明，在只有中子而没有铀，或只有铀而没有中子源时，都不能使电木产生放射性。当铀和中子源都存在时，电木圆柱体的内壁接受了一种复杂的放射性原子的混合体。由计数器记下的这种混合体随着时间而起的变化，类似铀形成的人工放射性元素的变化。他发现原子射线在空气中走过了 3 厘米。他的实验是成功的，证实了释放出来

的能量大约为 2 万兆电子伏。这一出色的实验只花了不到半个小时。

1 月 30 日，约里奥向科学院提出了《铀和钍核在中子轰击下发生爆炸性碎裂的实验证明》的论文。2 月份，他用自己心爱的云室重复了他的实验。他破天荒地获得了裂变碎片径迹的照片；它是这一现象的又一客观证明。在早先的一篇论文中，他曾说明发生这种分裂时，有中子同时放射出来。

1939 年 3 月，约里奥、哈尔班以及考瓦尔斯基在法兰西学院演示了由一个中子引起的铀原子分裂结果会放出不止一个中子。紧接着，他们又计算出用热中子照射铀而释放出来的中子的能量至少有 11 兆电子伏。这样大的能量一定能引起链式反应吗？约里奥的小组能够造成一个次临界的链式反应，而不是自持链式反应。他们推测每次裂变释放出的中子数为 3.5。（现在公认的数字为 2.5。）在纳粹侵略和威胁的情况下，人们表示担心，害怕这一强大的能源会落入残忍的希特勒之手。

1939 年 6 月，威廉皇家化学研究院的西格弗里德·弗吕格博士在《自然科学》上发表了一篇论文，直截了当地提出了“能在技术上利用原子核里的能量吗？”他假定每个分裂的铀原子会产生两个或三个自由中子。他推论说，这样在一大块铀中就可能有链式反应。同时，他对如何把这个极短的瞬间释放出来的如此巨大的能量完全有控制地放出来提了个建议——用镉作为一个“中子调节器”。（1942 年 12 月 2 日在芝加哥第一次人工核链式反应时已备有镉溶液。）弗吕格并不知道，不是任何“大块的铀”，只有铀—235 才能发生裂变的过程；同时还必须有一种减速剂来慢化自由中子的速度。

正是由于害怕德国人会造出原子弹，一些流亡的科学家提出建议，要求停止自由发表有关这一领域的文章。而约里奥还收到匈牙利物理学家利奥·西

拉德从纽约写给他的信，请他不要发表关于铀裂变的研究成果。西拉德向他认为反对或不倾向希特勒的所有科学家提出了这个建议。约里奥回信给西拉德说，“我当然同意达成谅解的原则，可是，必须将其扩大到所有能对这一问题进行研究的实验室才能有效。如果能将这些想法告诉那些受你影响的美国同行们，我将感激不已。”

约里奥认为这一建议是与科学活动中必不可少的国际间自由交流的原则背道而驰的。当然，无论用什么尺度衡量，他只能被认为是反对希特勒的，但是在这一点上，约里奥认为原则上公开发表文章必须继续下去，不然就等于希特勒又成功地扼杀了另一珍贵的自由。他继续发表文章，直到战争开始为止。

但是，有一个因素限制了文章的充分发表，就是来自新知识在工业上应用的前景问题。约里奥曾和玛丽·居里讨论过专利权的问题。她的态度是明确的，早在很多年前发现镭以后就明确了。她告诉约里奥说：“皮埃尔·居里在这件事上采取了最无私最慷慨的态度。他和我的意见一致，放弃了我们的发现所带来的任何物质上的好处；所以我们没有要任何专利权，并无保留地发表了我们研究的全部成果以及用以生产镭的方法。我们还进一步向对此感兴趣的人提供了他们所要知道的所有消息。制镭工业因此受益很大，首先在法国，后来在国外得以自由发展，并为科学家和医务人员提供了所需的产品。”约里奥·居里夫妇对他们发现的人工放射性采取了同样的态度，不要专利权，不约束任何人。

铀原子分裂的链式反应，使核子反应在动力上实际利用成为可能。

约里奥·居里探索实现这种可能性的具体方法。他利用重水（重水是由2 个重氢原子和 1 个氧原子组成；它是美国化学家哈罗德·尤里 1931 年发现的；世界上最早的纯的重水是尤里的老师，美国另一个化学家吉尔贝特·路易斯在 1933 年制造的。）来迟缓中子的运动：要知道只有迟缓的中子才能引起原子核分裂。为控制反应，约里奥·居里使用了吸收中子的镉。假如在进行钠分裂的器皿中放进一根镉棒，那么反应进程就变慢，镉棒一抽出来，反应就加快。这里清楚地看得出一种联系，即约里奥所发现的具体的实验方法和他使新的能源供和平劳动之用的自觉努力之间的联系。为了把原子核链式反应用于生产方面，就必须能控制这种反应。

我们说，约里奥·居里和他的助手们所寻求的，并不是瞬息的或爆炸性的突变。相反地，他们希望在发动突变之后加以控制和指挥，从而将一种崭新和不可思议的能源贡献给人类，同时也贡献给科学界一项美好绝伦能促进新发现的工具。

为确保法国在这一极为重要的领域里遥遥领先的地位，约里奥·居里和他的同事们申请了制造原子反应堆的第一个专利权。他们一共取得了五个建设和使用原子反应堆的专利权，其中三个是以约里奥小组四个人的名义，两个是以约里奥、哈尔班和考瓦尔斯基的名义取得的。（约里奥小组包括哈尔班、考瓦尔斯基和弗立西斯·珀利恩。）他们放弃了可能从这些发明中取得的庞大的个人利益，毫不迟延地把这些专利权的所有权转给了国家科学研究中心，换句话说，就是贡献给了全体法国人。

1939 年 9 月 3 日，英法对德宣战，战争阻止了他们的研究工作。10 月

日，约里奥把一份封存好的文件存放在科学院。这一文件论述了“用含有铀的媒介物造成一个无限的链式反应的可能性”。文件是由约里奥、哈尔班

和考瓦尔斯基签署的。这个文件直到多年后的 1948 年 8 月 18 日才启封公诸于世。