第九节 点燃原子能的火种

在用中子轰击各种元素的原子核时，人们不但发现用中子能实现许多核反应，创造出多种放射性元素（称同位素），同时还发现：中子竟是一把打开原子能宝库的钥匙。

1938 年，当第二次世界大战的阴影已经笼罩欧洲上空的时候，人类科学技术史上完成了一项重大发现——铀核裂变现象的发现。从此，原子科学又翻开了新的一页，原子科学的历史从原子核物理研究进入到原子能技术革命的崭新阶段。

这项重大发现的序幕早在几年以前就已揭开。1934 年，当约里奥·居里夫妇发现人工放射性元素的消息传出后，意大利罗马大学的一些青年物理学家，在年轻的费米的领导下，决定做类似的实验。他们已经不用α粒子做炮弹，而是用刚刚发现不久的中子做炮弹来轰击原子核。

在用中子轰击周期表中许多元素的原子核试验中，最初都象他们所预想的那样，许多元素的原子核都吸收了一个中子。原子核吸收一个中子后，就失去了稳定状态，而放出β射线（电子流），原子核放出电子后，变成了周

期表中下一位置的元素的原子核。既然一种元素的原子核吸收一个中子会衰变为周期表中的下一个元素的原子核，那么当使周期表中的最后一个元素（原子序数为 92 的铀）的原子核吸收一个中子时，会产生什么现象呢？他们设想，可能产生新的、人们还不知道的超铀元素（即铀后面的新元素，也叫铀后元素）。

费米等人对这个令人感兴趣的问题进行了试验。他们用中子轰击铀，企图得到原子序数为 93、94 的人造元素，可是所获得的都是一些令人迷惑、无法精确分析的放射性物质。其实，这些物质，后来查明，已经蕴藏着新的重大发现。而费米等人则认为自己已经创造出了原子序数为 93 的超铀元素。由于未能测出这个核反应的生成物，所以失之交臂地错过了发现铀核裂变重大秘密的机会。

这里失误的主要原因是：在当时这些物理学家们中间，没有熟悉必要的化学分析的人，以至使这一重大发现推迟了五年。如果当时能组织多专业攻关，突破难点，可能会很快就搞清楚这一问题。

与此同时，德国柏林凯撒·威廉研究所的放射化学家哈恩和斯特拉斯曼， 以及法国的伊伦·居里和约里奥·居里都对这一问题做了很多试验。但是， 由于他们都按着过去已知的核反应规律推断：“元素受到中子的轰击后，生成原子序数增加一的新元素”，得出了些错误的结论，也都认为自己发现了93、94、95 号等超铀元素，并分别命名为所谓“类铼”、“类饿”、“类铱” 等等，即表示是那一类的元素。后来，哈恩和斯特拉斯曼发现，当把钡加到被轰击过的铀中时，它能带出一些放射性。他们认为，这些放射性应该是镭的，因为镭在元素周期表中正好列在钡的下面。于是，他们认为，铀被中子轰击后，似乎有一部分变成了“镭”。但他们尽了最大努力，这种“镭”还是不能从钡里分离出来。

在世界上许多实验室中，都进行了类似的实验。这些实验都得到了大致相同的看法，并受到了普遍的赞扬。但德国年轻的诺达克夫妇却不以为然。他们当时在布列斯高的弗莱堡大学物理化学学院工作。他们对此提出了完全不同的看法，对费米的“超铀元素”做出了否定的结论，认为这位意大利物理学家的实验在化学分析方面没有提出令人信服的论据。也是在 1934 年，诺达尔夫妇提出了一个大胆的假定，“铀原子核在中子的作用下发生了裂变反应，这个反应与到目前为止发现的原子核反应有很大的区别。似乎在用中子轰击重原子核时，原子核分裂成几个碎片是可能的，而且毫无疑问，这些碎片应该是已知元素的同位素，但不是被轰击元素的相邻元素。”

上述后来得到了证实的极其有价值的假定，当时并没有引起那些权威人士的重视，更没有得到承认。费米得知这种批评性意见之后，并没有认真地考虑，重新研究自己的结论。他按着过去的知识，简单地认为，能量这么低的中子会击破那些坚固的原子核简直是不可能的，也是不可思议的。当他听到世界公认的放射化学权威哈恩也同意自己的看法时，就更加相信自己的正

确。所以，费米再一次失去了完成一项重大发现的机会。这是很有才能的费米在科学研究生涯中的一个很大的失误。

费米本来是一个非常细致、一丝不苟的人。他的同事们给他起了一个外号，经常称呼他“教皇”，意思是说，他总是正确的。但毕竟一贯正确的人是没有的。费米确实比别人细心、冷静。他在自己家里安装“风斗”时，也要计算一下“通风量”，然后决定尺寸大小，结果发现还是算错了，通风量差了一倍。不犯错误的人是没有的。

在进一步的实验研究中，实验事实更有力地冲击了费米等人的错误论断。

1938 年，伊伦·居里和沙维奇，从铀的被轰击的产物中发现了一种新的

放射性元素，他的化学性质和镧完全相同（后来证明是周期表中的 57 号元素镧-141）。伊伦·居里发表了他们的成果论文。但是他们并没有弄清楚镧是从何而来。

可是，偏见使哈恩甚至连人家发表的论文也不屑一读。斯特拉斯曼读完这篇论文，马上意识到居里实验室揭示了核反应的一个新问题，这与过去已知的核反应完全不同。他连忙跑到哈恩面前叫道：“你一定要读这篇报道！” 哈恩仍然漫不经心，不愿阅读。于是，斯特拉斯曼便向哈恩叙述了文章的精华。这个如同惊雷的消息使得哈恩连那根雪茄烟也没有吸完，把还燃着的烟丢在办公桌上就同斯特拉斯曼跑到实验室里去了。

于是，一连几天甚至几个星期哈恩和斯特拉斯曼在实验室里，重复着用中子射击铀原子核的核反应试验。他们经过精密的分析终于也发现，获得的核反应生成物并不是和铀靠近的元素，而是和铀相隔很远，而且原子核比铀要轻得多的钡。这是他们过去万万没有想到的。他们对此感到莫名其妙，无法解释。这本来是一个奇迹，可是这些创造了奇迹的人，当时谁也不知道自己已经创造了奇迹。

哈恩和斯特拉斯曼对于自己的发现，思想上一直处于矛盾之中。他们是化学家，有熟练的化学分析技巧，因此对于这种核反应所产生的生成物深信不疑。但另一方面，从过去的物理学观点来看，又感到似乎不大可能。用中子射击元素周期表上最后一个元素，怎么会产生元素周期表上中间位置的一种元素呢？距离太远了。能把这个结果在众多的原子核物理学家面前公诸于世吗？会不会因此得到取笑而有损于自己的荣誉呢？于是，他们以很谨慎的措施，作了下列结论：“我们的‘放射性’同位素具有钡的特性，作为研究化学的人，我们应当肯定，这个物质不是镭，而是钡。毫无疑问，在这里不能假定它除了镭或钡以外，还会是别的什么元素⋯⋯然而，作为研究核物理的人，我们不能做出这样的论断，因为这样的论断与核物理过去的实验是相矛盾的。”

他们感到这是一个事实，而且是一个很重要的事实，有必要把这个新发现尽快宣布出去。这样客观地报道一下，又不下任何结论，也许会好些。于

是在圣诞节的前夕，哈恩采取了紧急措施，打电话给他的朋友——“斯普林格”出版社的经理保罗·罗兹保德博士；请求他在最近一期《自然科学》杂志上留一栏，以便发表一个非常紧急的消息。罗兹保德同意了。于是，这篇注明 1938 年 12 月 22 日的报道文章就被送到了邮局。文章送走以后，哈恩又感到有些犹豫不决，甚至想把文章从邮箱里取回来。经再三考虑之后，于是哈恩又给奥地利女物理学家梅特纳（犹太人）寄了一份论文。因为梅特纳与哈恩曾共事 30 年，他对自己过去的这位助手非常信任，而梅特纳对他的著作一向铁面无私，批评严厉。大约在五个月以前，她因“第三帝国”的种族法令，不得不逃避希特勒法西斯政权对犹太人的迫害，而迁居到瑞典。

梅特纳在哥德堡附近的海淀公寓接到了哈恩的来信。她当时来到这里， 要度过她流亡中的第一个圣诞节。她有一个年轻的侄子弗瑞士，是从 1934 年流亡国外在丹麦哥本哈根尼尔斯·玻尔的研究所里工作。这时，弗瑞士正来看望孤独的姑母。梅特纳接到信后很激动。她深知哈恩工作的准确性，很难怀疑他们的化学分析结果。她感到，如果这的确是事实，那么，这个重大的事实就可以推翻到目前为止在核物理方面那些被认为是反驳不了的概念。

梅特纳的思绪纷纭，难以安静。幸好弗瑞士正在她的身边。但弗瑞士总想避免与姑母讨论科学问题，为的是能轻松地度过这个节日的假期。当他们在这有着一种寂静风光的小镇周围滑雪的时候，弗瑞士扣紧了滑雪板，想很快地跑到姑母跑不到的地方去。可是梅特纳却总是紧跟在他的身边，对这个学术问题唠唠叨叨地讲个没完。姑母的话终于引起了他的注意，激起了他的思考。

一连几天，他们进行了热烈的讨论。最后，他们经过了仔细的考虑以后， 接受了玻尔最近设想的原子核“液滴”模型（这是当时物理学家在探讨原子核模型时的许多设想之一）。这就是说，设想原子核象一滴水，当外来的中子闯进这个“夜滴”时，“液滴”会发生剧烈的震荡。它开始变成椭圆形， 然后变成哑铃形，最后分裂为两半。不过，这个过程的速度快得惊人。

梅特纳和弗瑞士决定将他们两人讨论的结果，合作为一篇论文。当时， 在哥本哈根，有一位弗瑞士的朋友，他叫阿诺德，是美国生物学家。他了解到梅特纳和弗瑞士正在研讨的新问题以后，很感兴趣。他说，根据你们所形容的，原子核就像一滴液滴，它被中子击中以后，就分裂成为两个原子核， 这种情形，多么象我在显微镜下面看到的细胞繁殖时的分裂现象啊！想不到原子核也会分裂，大自然的结构是多么的相似，又是多么微妙啊！

梅特纳和弗瑞士听了阿诺德的一番议论，很受启发，他们正在寻找一个合适的名词，来表示原子核被打破而分裂的现象，现在他们认为，就用细胞分裂的“分裂”（在英文中，原子核的“裂变”和细胞“分裂”，两个名词都叫 siffion。）这个名词，来表示原子分裂，把它称做“核裂变”，或“原子分裂”。

梅特纳认为：“由此可以看出，这似乎是可能的，铀原子核在结构上仅

具有很小的稳定性，在俘获中子以后，它可以将自身分裂为两个体积大致相等的核。这两个核将相互排斥（因为它们都带有巨大的正电荷），并且能获得总共约为两亿电子伏特的能量”。

至于弗瑞士，他后来描写当时的情况说：“我们逐渐清楚了，铀原子核破裂成两个几乎相等的部分⋯⋯可以说是完全按照一定的形式发生的。情况是这样的⋯⋯原始的铀原子核逐渐变形，中部变窄，最后分裂成两半。”这种情况与生物学上细胞繁殖的分裂过程非常相似，这使我们有理由把这种现象在自己的第一篇报告中称为‘核分裂’。”

梅特纳对此很感兴趣。后来，她用数学方法分析了实验结果。她推想钡和其它元素就是铀原子核的分裂而产生的。但当她把这类元素的原子量相加起来时，发现其和并不等于铀的原子量，而是小于铀的原子量。

对于这种现象，唯一的解释是：在核反应过程中，发生了质量亏损。怎么去解释所发生的亏损现象呢？梅特纳认为，这个质量亏损的数值正相当于反应所放出的能。于是她又根据爱因斯坦的质能关系式算出了每个铀原子核裂变时会放出的能量。

当弗瑞士从瑞典返回哥本哈根以后，把哈恩的研究工作以及自己与姑母的讨论情况，向玻尔谈了。玻尔听完以后，猛敲自己的前额，大声说道：“啊！我们为什么这么久都没有发现呢？”

弗瑞士赶回实验室去证实他和姑母在瑞典所作的设想。他也用中子轰击铀，每当中子击中铀核时，他观察到了那异常巨大的能量几乎把测量仪表指针逼到刻度盘以外。这样他就完全证实了这个新的观点。

后来，弗瑞士与姑母梅特纳通了长途电话，这时她已经从哥德堡到了斯德哥尔摩，电话中商量好了他们的公报。这份公报终于在 1939 年 2 月的《自然》杂志上发表了。

铀核裂变为两个碎片（两个新的原子核）的消息立即传遍了全世界。紧接着各国科学家们都证实：铀核确实是分裂了。

铀核分裂产生的这个能量，比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上！就这样，人们发现了“原子的火花”，一种新形式的能量。这个能量就是原子核裂变能，也称核能，或原子能。但当时，人们只注意到了释放出惊人的能量，却忽略了释放中子的问题。稍后，哈恩、约里奥·居里及其同事哈尔班等人又发现了更重要的一点，也是最引人注目的一点，就是：在铀核裂变释放出巨大能量的同时，还放出两、三个中子来。

这是又一项惊人的发现。为什么呢？

一个中子打碎一个铀核，产生能量，放出两个中子来；这两个中子又打中另外两个铀核，产生两倍的能量，再放出四个中子来，这四个中子又打中邻近的四个铀核，产生四倍的能量，再放出八个中子来⋯⋯。以此类推，这样的链式反应，也就是一环扣一环的反应，又称连锁反应，持续下去，宛如雪崩，山顶上一团雪滚下来，这团雪带动了其它雪，其它的雪再带动另一块

雪，这样连续下去，愈滚愈烈，瞬间就会形成大雪球，滚下山坡，势不可挡。这意味着：极其微小的中子，将有能力释放沉睡在大自然界中几十亿年的物质巨人。

正是由于这一发现，卢瑟福和同他持同样观点的人认为开发利用原子能量的设想是不可能的结论，终于被一种新的科学手段所动摇，并且最后被彻底摧毁了。

1944 年，哈恩因为发现了“重核裂变反应”，荣获该年度的诺贝尔化学奖。但是，在这一研究中曾经与其合作并作出过重大贡献的梅特纳和斯特拉斯曼却没有获此殊荣，对此，人们不免感到遗憾。特别是对梅特纳而言，是她首先创造性的采用了“原子分裂”这个科学史上从来没有过的名词，难道仅仅因为她是一位女科学家就可以“忽略不计”吗！对此，一直到 20 世纪的

90 年代，仍然有人为她和有同样命运的女科学家们感到不平。

不过，尚呵欣慰的是，1966 年，梅特纳博士和哈恩博士，还有斯特拉斯曼博士共同获得瑞典原子能委员会颁发的 5 万美元的“恩里科·费米奖”。

那时的梅特纳已有 80 高龄，身体很虚弱，不能到维也纳去领奖，是原子能委员会主席西博格博士亲自到英国剑桥向她授奖的。这对梅特纳博士来说，当是极大的荣誉，也是莫大的欣慰。

说到“费米奖”，让我们再回过头来说说费米在 1934 年时，用中子去轰

击铀核，得到新的放射性元素，于是就宣布自己创造了原子序数为 93 的超铀元素。其实那时他已经用实验完成了原子的裂变，可惜他没能认识到，以至这一发现原子裂变的荣誉被哈恩、梅特纳和斯特拉斯曼等博士所获得。

当发现原子的裂变越来越受到科学界的重视时，费米夫人曾经不无惋惜地对费米说：“其实，你在 1934 年所做的那个实验，就完成了原子的分裂。”

费米说：“是的。”

夫人又说：“但是你们没有认出来，而且作了错误的解释。”

费米说：“事情正是这样，我们当时没有足够的想象力来设想铀会发生一种与任何其他元素都不一样的转变过程；我们当时试图把放射性产物证明为元素周期表中那些最靠近铀的元素。况且，我们也没有足够的化学知识去一个一个地分离铀原子核受到轰击以后生产的转变产物。”

夫人又问：“你们曾经宣布已经创造出来的第 93 号超铀元素呢？”

费米说：“我们当时认为可能是第 93 号元素的东西，已被证实是各种转变产物的混合物。我们曾经对此怀疑了很长的时间，现在可以确定它其实并不是了。”

费米真不愧是一位有气度有远见的核科学家，他对自己的失误的剖析， 说得是多么坦然和深刻。而且，他很快就放弃了自己的失误，也不为失误感到沮丧，他立即全力以赴地去研究原子裂变，并且对裂变提出了一系列理论， 他发现，铀核被分裂为二时，可以放出两个中子，这两个中子再去击中两个铀原子核，它被分裂为四，同时放出四个中子⋯⋯，由此类推，原子的裂变

就会这样自发地持续下去，产生一连串的原子分裂，同时不断放出能量。 原子裂变自持链式反应的概念就是这样提出来的，它是利用原子裂变产

生能量的重要理论基础。