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一九三八年十二月,漢恩發現核分裂

一九○三年,諾貝爾物理獎頒給研究「放射性」的先驅:居禮夫婦與貝克勒爾(見六月號)。這時,原子核中蘊藏著巨大的能量,已是明確的科學事實。
 
 
 
一九○三年,諾貝爾物理獎頒給研究「放射性」的先驅:居禮夫婦與貝克勒爾(見六月號)。這時,原子核中蘊藏著巨大的能量,已是明確的科學事實。一九一四年初,英國人威爾斯(H. G. Wells, 1866-1946)以科幻小說預言了即將爆發的世界大戰,其中就有列強動用原子彈毀滅大城市的情節。

核分裂

一九三二年,英國科學家查德維(J. Chadwick, 1891-1974)發現了中子。立刻就有人想到利用中子轟擊原子核,以改變元素並釋放原子能。一九三三年九月,拉塞福(Ernest Rutherford, 1871-1937;1908年諾貝爾化學獎得主)公開預言:儘管三萬瓦或七萬瓦電力就可能驅動中子轟擊原子核,造成改變元素、釋放核能的結果,但是這個點子不啻夢想,不值得追求。這個消息反而使物理學家吉拉德(Leo Szilard, 1898-1964)想出了「連鎖反應」的點子:要是一顆中子撞入一個原子核,能釋出新的中子,撞擊其他的原子核,那麼,只要有足夠的原子核,這個核反應就可能一直持續下去……並釋出能量。

不過,一開始科學家並沒有想到原子核可以給中子撞裂。例如,義大利物理學家費米(E. Fermi, 1901-54;楊振寧在芝加哥大學的老師)一九三四年就在實驗室創造了核分裂反應,但是,當時他根本不知道。這是因為當時大家都認為用中子轟擊原子核,結果可以類比成元素衰變。舉例來說吧,以中子轟擊鈾(原子序92,原子量238)的話,科學家預期鈾原子核會釋出質子,因而形成周期表上排名稍前的元素,例如鐳(原子序88)。更糟的是,化學家設計檢驗實驗產物的方法,根本沒考慮到鈾原子核遭到中子撞擊,可能會分裂成大小相近的兩個原子核,例如鋇(原子序56,原子量137.3)。而化學家檢驗中子撞擊實驗產物,使用的標準方法就是以硫化鋇沈澱標的元素。因此,化學家一直沒發現鈾原子核以中子撞擊後,會分裂出鋇原子。

直到一九三八年十二月,漢恩(Otto Hahn, 1879-1968)與同事在柏林威廉大帝化學研究所改用氯化鋇做實驗,才發現鈾原子核受中子撞擊後,產物中有鋇。他們的結論是:

我們是化學家,因此我們應該說:中子撞擊鈾的產物不是鐳,而是鋇。

但是,他們十分困惑,因為這與已知的物理學知識不合。漢恩立即將結果寫成論文,於一九三九年一月六日正式出版。同時,他也把結論告訴正在斯德哥爾摩的梅特娜(Lise Meitner, 1878-1968),希望她能想出物理學的解釋。

梅特娜是漢恩在柏林大學的同事,是猶太人,所以出國避難。她在聖誕節前收到漢恩的信與論文稿,她的外甥傅里胥(Otto Frisch, 1904-1979)剛好在丹麥研究中子,一起受邀到梅特娜友人家裡過節。梅特娜將漢恩的信與論文給傅里胥看,他一開始覺得漢恩的發現「是不可能的」,可是最後,這一對姨甥想出了漢恩期待的答案。梅特娜借用了生物學家描述「細胞分裂」的字fission,描述了一種「新的核反應」,就是核分裂。

科學界很快就了解核分裂會釋出大量能量,使愛因斯坦的質能互變公式產生了新的現實意義。由於一九三九年初,歐洲已經戰雲密布,許多科學家都想到以核分裂原理製造炸彈的可能性。

海森堡登場

一九三○年代初,納粹黨在德國逐漸得勢,許多著名科學家或因納粹的種族歧視政策,或因理念與納粹不合,逐漸流亡其他國家。一九三九年六月,德國著名物理學家海森堡(W. K. Heisenberg, 1901-1976)到美國出席學術會議,許多人都勸他留下,可是他卻認為「國家需要我」,堅持回到德國。

當時,海森堡是世界級的核物理大師,他在美國的許多舊識,都擔心戰爭爆發後他會為德國研發核武。不過,直到大戰結束,德國都沒能研發出原子彈。大戰之後,海森堡不但鼓吹反核武,還反覆宣稱,在大戰期間,德國科學家不是不能製造核武,而是基於良知,故意將研發工作引導到反應器的方向上。

海森堡接受外國訪問時,也有這樣的說詞:

一九四二年二月,我們奉召到柏林開會。我提出了我的結論。我非常誠懇地告訴他們,對,我們能製造原子彈,但是,那需要花很長時間,比這場戰爭還長。而且,就算要做,我們必須動員德國最好的研究人員,以及全國主要的工業資源,才做得成。

不過,戰後有些德國科學家卻回憶,海森堡雖然受德國軍方倚重,期望他能研發原子彈,但是海森堡錯估了製造原子彈需要的「臨界質量」,因此認為原子彈不可能造得出來。

《農莊報告》

關於這個問題,一九九二年解密的一批資料,提供了珍貴的線索。

原來大戰結束時,美國組織了專門小組,負責調查德國的「原子彈計畫」,以了解德國的核武實力。他們拘禁了十位最重要的德國科學家,包括海森堡與漢恩。美國在一九四五年七月三日將他們送到英國曼徹斯特一戶叫做「農莊」(Farm Hall)的宅院裡,他們在那裡待了六個月。他們不知道的是,那裡四處都布置了竊聽器。

一九四五年八月六日晚上六點,英國廣播公司發布新聞,說是美國在日本廣島投下了一枚原子彈。那十位科學家聽了這則新聞後,反應是十分震驚、難以置信。漢恩甚至譏嘲海森堡沒有為德國造出原子彈,是「二流角色」。海森堡一開始拒絕相信這個消息。等到十個人心情平復了一些之後,就開始熱烈討論美國原子彈的可能細節。最值得注意的是,他們居然難以達成一致的結論。海森堡甚至感嘆:

我們都是搞這個的教授,可是我們連他們怎麼做出(原子彈)的都搞不清楚,真是丟臉。

原來,製造原子彈需要純的鈾二三五,而天然鈾中,這種鈾同位素很少,只占一百四十分之一,因此必須發展提煉鈾二三五的技術。此外,海森堡計算過,製造原子彈需要成噸的純鈾二三五,而他估計,盟國一年只能生產三十公斤鈾二三五。

臨界質量

以中子撞擊鈾二三五原子,想引發連鎖反應,首先必須考慮射入的中子在物質中最少必須前進多少距離,才會撞上一個鈾原子核。然後,受撞鈾原子核釋出的中子,又有多少機會撞擊另一個鈾原子核。一個鈾二三五的球,必須有多大,才能使連鎖反應發生?這就是「臨界質量」問題,一九三九年五月就有人發表論文討論了。根據第一個公開的估計,大概需要一個重四十公噸的氧化鈾球。

等到科學家有了更多資料與更精密的理論之後,這個數字就開始變小了。一九四○年三月十九日,傅里胥與另一位流亡的德籍猶裔物理學家佩爾斯(Rudolf Peierls, 1907-1995),聯名向英國政府的科學顧問遞交了一份四頁的備忘錄,指出只要一公斤鈾二三五就能製造原子彈。後來,這個數字以最新的實驗數據校正後,更正為六十公斤。但是,美國發展原子彈的曼哈頓計畫,已經在一九四一年十二月六號展開了。

尺有所短

從《農莊報告》中,我們可以看出,海森堡聽說了廣島遭原子彈攻擊的消息之後,不斷地思考、計算盟國成功製造原子彈的祕密,他在這一方面的造詣,因此也教人一覽無遺。

佩爾斯是海森堡的學生,他的一段話值得我們注意:

海森堡雖然是個傑出的理論物理學家,但總是對數字不太小心。一九二○年代末,我是他的學生,他給我的第一個功課,就是檢查最近的光譜分析實驗數據,看看是否與他的測不準原理相符。其實,只要簡單的計算就能發現,實驗值大於理論值一百倍,甚至一千倍。

當年的核子物理學家中,大概只有費米「文武雙全」–既是理論家,又是實驗家,更對數字敏感。他在原子彈試爆現場附近,光是觀察他拋出的碎紙片在空中受爆震推移的程度,就準確地估計出爆炸的威力。

其實,漢恩對海森堡的批評並不公平。德國納粹把第一流的科學家驅散到海外,他們親身經歷危疑震撼的時局,都對歷史發展的方向抱著最壞的打算,因為他們的努力,才促成了美國的曼哈頓計畫。等到曼哈頓計畫上馬了,美國所聚集的人才、物力,世上已沒有一個國家對抗得了。即使海森堡也不可能。

歷史的諷刺

一九四五年十一月十六日,十位德國科學家仍在農莊「作客」,瑞典宣布漢恩因為發現核分裂而得到諾貝爾化學獎。

科學史上的這個月
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