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核裂变是如何被发现的?

书籍名:《核能》    作者:查理·D.弗格森
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1932年,英国物理学家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)发现了中子。这是一个重大发现,使物理界有了一种根本性的观察方法。但是,它并不能揭示裂变过程,虽然科学家迅速弄清了用中子轰击物质可以产生不同的物质。但是,这个猜想导致需要寻找比铀这种当时已知最重的元素还要重的物质。20世纪30年代中期,一些核物理学家猜想可用它来分裂重元素,即产生裂变。这种想法刺激了四个主要的研究团队之间的竞争。这些团队的领导人分别是英国的欧内斯特·卢瑟福,法国的弗雷德利克·约里奥-居里(Frédéric JoliotCurie)和伊雷娜·约里奥-居里(Irène Joliot-Curie),意大利的恩里科·费米(Enrico Fermi),以及德国的奥托·哈恩(Otto Hahn)和莉泽·迈特纳(Lisa Meitner)。

德国的团队胜出,成为首个证实了铀的裂变的团队。但是由于迈特纳遭遇的苦难,这个成就难以得到承认。迈特纳出生在奥地利维也纳的一个犹太家庭。虽然成年时她已改信了基督教,但还是无法逃避纳粹对具有犹太血统的人的迫害。20世纪30年代,在大众克服了对女科学家的巨大偏见后,她终于在柏林著名的德国凯撒·威廉化学研究所谋得了一个职位。在那里,她作为一个物理学家与化学家奥托·哈恩进行合作研究。1933年阿道夫·希特勒(Adolf Hitler)夺取政权后,虽然一些具有犹太家庭背景的科学家逃离了纳粹德国,但她在奥地利公民身份的保护下,仍然留在德国。1938年希特勒并吞奥地利后,迈特纳于同年7月逃到荷兰,然后去了瑞典。

值得注意的是,她仍能与哈恩保持科学合作,此时哈恩正在与德国化学家弗里茨·斯特拉斯曼(Fritz Strassmann)进行中子轰击铀的实验。1938年12月,这两位化学家发现钡,一种中等质量的元素,是这个反应的最终产物。

消息传给了迈特纳和她的外甥——物理学家奥托·弗里希(Otto Frisch)。迈特纳和弗里希首先解释了裂变的理论机制。1939年1月,他们发表了这一见解。这次公布打开了研究裂变的闸门。迈特纳本人看到了研发核武器的可能性,但是当她被要求参与曼哈顿计划时,她说:“我不会和炸弹有任何关系!”因此,迈特纳最先解释裂变反应的最高荣誉没有得到承认。1944年,奥托·哈恩因发现裂变而获得了诺贝尔化学奖,迈特纳没有分享这一荣誉。1997年,一项由《今日物理》(Physics Today)赞助的研究做出结论,认为“这是一个罕见事例,由于个别人的负面意见,一位应该得到奖励的科学家未能获得诺贝尔奖”。



爱因斯坦在核能的发现过程中起了什么作用?


虽然许多人可能会相信是爱因斯坦发现了核能,不过,他真的没有直接从事过这个研究领域的工作。然而,由他创建的狭义相对论中的一个结论,为原子核的微小质量中释放出惊人能量提供了基础支持。爱因斯坦的关键观点是能量与质量是等价的。在这种观点之下,质量就是冻结的能量。在前面已经提过,这个结论就是著名的公式E=mc2。照字面的意思来讲,就是能量等于质量乘以光速的平方。因为光速是如此之大,它的平方——就是自己乘以自己得到的数字——是一个巨大的数:900亿(量纲:千米2/秒2)。因此,即使一个微小的质量,乘以这个数也会得到一个相当大数量的能量。虽然爱因斯坦并不知道如何释放这种潜在的能量,但是他的理论为其他科学家发现如何这样去做的方法指明了方向。裂变反应和聚变反应是释放物质中大量潜在能量的两种不同的机制。

由于爱因斯坦的声望,他确实发挥了作用,富兰克林·罗斯福(Franklin Roosevelt)总统注意到了核弹的可能性。爱因斯坦于1932年离开德国前往美国定居,在位于新泽西州的普林斯顿高等研究院工作。发现裂变后,流亡科学家利奥·西拉德、爱德华·泰勒和尤金·维格纳劝说爱因斯坦在两封信(一封写于1939年8月,另一封写于1940年3月)上签上他的大名,告诉罗斯福有关裂变方面的最新发现和纳粹德国制造核武器的可能性。然而,爱因斯坦确实没有参与过研发第一颗核弹的曼哈顿计划。



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