原子核能

我说过原子核的质量是氢核质量的倍数吗？这并不完全对：大部分要轻百分之一，就在这里隐藏着核能（通常叫“原子能”）的秘密。当质子聚在一起形成较轻的原子核后，它们的联合质量减轻了 M，而很大的能量 E 被释放出来了，它们之间的关系可以写成爱因斯坦方程 E＝Mc2。其中因子 c2（光速的平方）是一个很大的数，所以很微小的质量对应非常巨大的能量：例如一个指甲的质量相当于一个小镇一天消耗的能量。

能量有各种单位：电表上的度（千瓦小时），煤气表上的立方米，诸如此类的。这些都是和日常生活相适应的单位，对单个的原子核来讲，实在是太大了。它们使用的单位一般是百万电子伏特。这是一个电子（或质子）被一百万伏特的电压所加速后得到的运动能量。一个典型的α粒子的能量约为5～10 百万电子伏特（Mev）；每秒大约需要几百万倍于这样的能量才能使一只手表不停地走动。

20 世纪 30 年代，曾通过测量原子核裂变中释放出来的粒子（如质子） 的能量来检验爱因斯坦方程。两个原子核相互撞击后核子重新组合产生两个新的原子核；当它们都是自然界中已知的元素时就可以比较它们碰撞前后的质量，并检验质量差与释放的能量的关系。质谱仪被用来做这个实验，它很快就精确地证明了爱因斯坦方程是正确的，误差在几分之一个百万电子伏特内；只要产生的原子核是稳定的，就能用质谱仪测量，结果都是肯定的。当产生了不稳定的原子核时，它会不断地放射粒子以使它又重新变成稳定原子核，这样就必须将它放射出的粒子考虑进去。不久，出现了几百个实实在在的测量队伍组成的网络，他们互相检验结果。这样，上百个同位素的质量被精确地测定了。

这种质量所对应的能量告诉我们什么呢？好的，至少告诉了我们一件事，即为什么太阳能不停地燃烧。如果你冲进被你叫做太阳的、并非由特别纯的氢所构成的白热的大球，你会发现随着你靠近中心，温度和压强会急剧地升高，太阳中心的温度约有 1000 万度。在如此高温下，氢核运动得非常快

（约每秒 500 公里）。这样，它们能不顾它们之间的排斥力而时常撞在一起。还有一些微量的其他元素，使发生的事情复杂起来；后来我在洛斯·阿拉莫斯遇到的贝特首先详细地研究出这个过程可能的机制。长话短说，其结论主要是，氢核相撞后，氦核形成了。一个氦核由四个氢核（其中两个变成了中子）形成，每一个氢核在这一过程中放出 7Mev 的能量。这种“原子火”产生的能量是普通“化学火”（例如氢气与氧气混合燃烧）所产生的能量的几百万倍。尽管维持太阳燃烧所耗费的氢是惊人的：大约每秒 10 亿吨！但太阳是

巨大的：在地球成为固体后的 40 亿年中，太阳才用了它所有氢的几分之一。当继续产生一些更重的核，能量仍被释放出来，但却少得多。耗尽了氢

的恒星变得不稳定。这样就生出了许多关于新星、超新星、脉冲星诸如此类的引人入胜的问题。我已是如履薄冰了，让我们回到实地上来吧。

我们有一些简单的线索。轻核含有同样多的中子和质子。原{ewc MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0100-1.bmp}因是泡利不相容原理的另一种形

式：两个质子自旋相反，与也是这样的两个中子能占据同一个量子态。第一个这样的大家庭就是氦核，尽管在地球上很少，但在太阳和其他的恒星上却非常的普遍。但是为什么重核含的中子比质子多一些呢？为什么中子对质子的比例在铜里是 1.2：1，在碘里是 1.4：1，在铀里是 1.6：1 呢？这是因为质子是一个不好的俱乐部会员：它带有电荷，相互排斥；如果把它们中的一些变为中子，重核会更加稳定，尽管这样会使它们占据一个高一些的量子态。正如我前面提到过的，当原子核含有过多或过少的质子，它在一段时间后会放出一个电子或正电子来进行自我调节。

但是在最重的核里面，虽然中子对质子的比例已经达到极限，质子仍然受到猛烈的相互排斥力。那么，为什么它们没有被挤出来呢？质子相互排斥， 而中子（不带电荷）不会受电磁力影响。是引力吗？可它比电磁力小几百万倍。

今天我们知道，当两个核子靠得很近时，它们之间的吸引力非常强烈。我们没有什么特殊的名字赋予这种吸引力，而简单地称之为“核力”。它非常有些像胶，而我们认为我们知道一些胶的性质。这种力只在同一原子核的核子之间起作用，当两个核子相撞时是个例外。

但是最重的核在卸下它们的一些讨厌的包袱时耍了花招。两个质子和两个中子会聚在一起成为一个小家庭；在获得 28Mev 的能量以后（就像太阳燃烧的那个过程一样！）才被批准外出。在经典力学中，这个过程是不可能的； 就像一个爬山运动员想爬出一座火山，却没有带足够的干粮一样。它们会发现在它们到达边缘并克服其他核子的吸引力之前，能量就耗尽了。

经典物理学家对此十分执拗，但量子力学的定律则比较宽容一些。他们容许原子级的爬山运动员在火山壁上开个隧道，许多物理学家很喜欢这么比喻。或许你会猜测两个电子和两个质子通过海森伯测不准原理先借一些能量，使它离开原子核变成氦核，在新生成的 a 粒子受原先的核的排斥力而快速地逃离火山外壁之后再归还这部分能量。但是这种贷款在数不清的几十亿次申请中才会批准一次；也就是说 a 粒子在任何一次裂变时逃逸的可能性是非常小的并依赖于原子核的状态。考登（美国）、顾维（英国）和苏联的伽莫夫在 1926 年通过薛定鄂的波动方程计算出了这个可能性的大小。

直到 1938 年，还没有人能想象原子核在质子相互排斥下会以其他的方式裂变，也就是分裂为几乎相等的两半。仅仅是机缘巧合我才与“原子核裂变” 的发现联系起来，原子核的裂变展示出了{ewc

MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0102-1.bmp}一条使原子核释放出巨大隐藏能量的途径，也是产生原子弹和原子能的途径。

奥地利的被占领改变了我的姨妈梅特纳，使一个奥地利的物理学家变成了一个德国人。她曾因在德国多年的工作而很有名，但现在她很害怕因为是犹太人的后裔而被打发掉。并且，还有一种谣传，科学家不会被允许离开德国；于是在她的荷兰朋友们的帮助下，她被劝说（可能是被迫）匆忙地离开了德国。到了秋天，她接受了到斯德哥尔摩的席波安领导的诺贝尔研究所工作的邀请。我曾有与她在柏林共庆圣诞的习惯；这一次，他被瑞典朋友邀请到一个小镇去过圣诞节，她叫我也到那里去。这是我一生中最值得纪念的邀请。

让我先来说明一下。梅特纳曾在柏林与化学家哈恩共事了约 30 年，在最

近 3 年中，他们用中子轰击铀并研究生成的放射性产物。首先这样做的费米

认为他造出了“超铀”元素，也就是原子序数在铀（已知的最重元素）之后的元素，作为化学家的哈恩则很高兴他又有一种新的元素来研究了。但梅特纳发现要解释为什么会生成很多的产物是非常困难的，当有些产物（在巴黎） 被发现显然比铀要轻，事情就变得更复杂了。就在梅特纳离开德国之前，哈恩已证实的确如此，并且有三种产物的化学行为很像镭。很难理解在中子的轰击下是如何产生镭的（原子序数比铀少 4），梅特纳写信请求哈恩在把事情完全弄清楚之前不要发表结果。于是哈恩和他的同事，化学家斯特劳斯曼， 决心做实验进一步证实那些产物的确有与镭一样的化学性质。

当我在这个小镇度过一夜之后走出我的旅馆房间，我发现梅待纳正在读一封哈恩寄来的信，一副很担心的样子。我想告诉她我正计划做的新实验， 她根本不听；我只好看了看这封信。哈恩和斯特劳斯曼发现那三种产物不是镭；实际上他们无法把它们与钡区分开来，这些钡是他们加进去帮助分离产物的。他们犹豫地、不情愿地得到了结论，产物是钡的同位素。

这只是一个错误吗？不，梅特纳说，哈恩是一个非常优秀的化学家。但钡是如何从镭里面形成的呢？从来没有发现比质子或氦核（a 粒子）更大的碎片从原子核中放射出来，同时发出大量的没有用的能量。而铀核被切开也是不可能的。一个原子核不像一个脆的固体能被切开或打碎；伽莫夫早些时候就已提出来，玻尔也曾讨论过，原子核更像一个液滴。也许，一个液滴被拉长时会缓慢地分成两半，但接着就紧缩了，即使被破坏也不会再分成两半了。我们知道有一种很强的力阻止分裂的发生，就是液滴的表面张力倾向于阻止液滴被分为两小部分。但原子核与液滴有一个重要的区别：它们带电， 可以抵销表面张力。

认识到这一点后，我们就坐在一个树干上（大部分的讨论是在我们穿过雪中的树林时进行的。我穿着滑雪靴，而梅特纳说她不穿也能走得很快）， 在小纸片上计算起来。铀核所带的电量完全可以抵销表面张力；这样铀核就像一个左右摇摆、不稳定的小滴，一{ewc

MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0104-1.bmp}个小的扰动，比如单个中子的撞击，就会使它分裂。

但这又有另外一个困难。在分裂后，两部分会因为相互间的排斥力而高速反向运动，这需要很多能量，大约 200Mev；能量从哪来呢？幸运的是梅特纳记得那个计算原子核质量的经验公式并算出来新生成的两个原子核的质量之和比铀原子核的质量要轻大约五分之一个质子的质量。每当质量消失时， 能量就出现了，按照爱因斯坦的质能公式 E＝Mc2，五分之一个质子的质量刚好等于 200Mev。这就是能量的来源，一切都吻合了！

几天之后我有些激动地回到哥本哈根。我把我的怀疑（当时它的确不大像真实的）告诉了正准备去美国的玻尔。他只给了我几分钟时间；我刚开始跟他讲，他就拍着自己的前额说：“我们曾多么愚蠢呀！但这相当精彩！他就应该是这样子！你和梅特纳写了论文吗？”“还没有，”我回答，“但马上就会写。”玻尔答应在论文发表之前他什么也不会说，然后就出发赶他的船去了。

梅特纳当时已回到了斯德哥尔摩，论文是在几次长途电话中作好的。我问一个和赫维希一起工作的美国生物学家，他们是怎么称呼一个细胞分成两个的过程的？“裂变。”他说。于是我在论文中用到了“原子核裂变”这个词。普雷则克怀疑我是否能做一些实验显示这些铀的高速运动的碎片。奇怪

的是我竟然未曾想到这一点，此时我立刻开始了实验。实验（真的很简单） 在两天内做出来了，我作了简短的记录，把它和我与梅特纳在电话中作好的论文一同寄给了《自然》杂志。这一次没有布莱克特的催促，五个星期之后， 论文才被登出来。

同时，哈恩和斯特劳斯曼的论文到达了美国，好几个小组在几个小时内做了我在普雷则克提醒下做的同样实验。几天后，玻尔知道了我的实验，他不是从我这里知道的（在我准备花钱拍一个越洋电报前，想多得到一些结果！），而是从他儿子汉斯那里得到的。我曾与汉斯偶尔提到了我的工作。玻尔发来了大量电报，询问我实验细节及进一步可能的实验，并努力说服记者们，这决定性的实验是在哥本哈根的弗里希先于美国人做出来的。这可能是为什么报上说我是他的女婿（尽管他根本没有女儿，我当时也没有结婚） 的原因吧（报上登了好几次）。我能了解这是怎么回事：一个记者问：“玻尔博士，你怎么知道的呢？”玻尔说：“我儿子（son）写信告诉我的。”记者心想：“他的儿子，为什么姓弗里希？一定是女婿（son-in-law）。”

在美国一片骚动时，我们继续地在哥本哈根安静地工作。梅特纳感到可能哈恩认为是“超铀”物质的大部分放射性物质也是裂变的产物！一两个月后，她来到了哥本哈根，我们用一种叫“放射性反冲”的技术证实了以上看法，放射性反冲技术是她在 30 年前首次使用的。一些超铀元素也被生成了， 这一点被加利福尼亚的麦克米仑证实了，他使用了一种比哈恩和梅特纳更加灵敏的技术。

在这个激动人心的时刻里，我们忽略了一件事：链式反应。这是我的一个丹麦同事缪勒首先对我提出的，他说，裂变的每个碎片（新生成的两个原子核）可能会有多余的能量放出一到两个中子；这些中子可能又引起另一次裂变而产生更多的中子。在这个链式反应中，中子会成倍地增加就像草地上的野兔子一样！我的第一反应是，如果这样的话，地球上就不会有铀矿残留到今天，它们会因为中子爆炸式地成倍增加而被用光。但我发现我的观点太狭隘了；铀矿里含有的其他元素会把中子吸收掉，而薄的地层会使大部分中子逃逸掉。缪勒的话展开了一幅激动人心的画面，只要弄到足够多的纯铀（要小心操作！）就可以启动一个可以控制的链式反应，使原子核驯服地放出大规模的能量。不久我发现，很多人也独立地产生了这种想法。当然，原子弹

（没有控制的链式反应）的幽灵也同样存在；不管怎样，在短时间内，它还不会对我们桅成威胁。这种自得的情绪建立在玻尔一个微妙的但似乎很有道理的观点之上。

在一篇与美国的惠勒合作的论文中，玻尔下结论说，大部分裂变放射出来的中子太慢不足以引起主要的同位素铀 238 发生裂变。但慢中子却能使铀

的稀有同位素铀 235 发生裂变。如果他是对的，那么我们使天然铀产生链式

反应的唯一机会是使中子慢下来，使它对铀 235 的作用增加。但如果这样的话，是不可能得到猛烈爆炸的；减慢中子要花去一些时间，尽管如果快中子仍然成倍增加，那最多（至少！）会使整个系统热起来并使自己消散，而只有非常少的一部分核能被释放出来。

这些都是对的，原子能反应堆完全按照玻尔预见的步骤被建立起来。他唯一没有预见到的是联盟国的科学家们由于害怕希特勒先造出这种毁灭性的武器而产生的狂热的创造力。到了那时，已经知道有两种方法产生核爆炸： 通过很容易分裂的铀的同位素铀 235 或在原子能反应堆中产生的新元素针的

分裂得到。我已走到我的故事的前面了。

我经常被问到，那时为什么我不悄悄地放弃我的研究，为什么要进行一项一旦成功就会制造出具有无与伦比威力的武器的研究？