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物理學 1939

中子致鈾蛻變:一種新型核反應

莉澤·邁特納 與 奧托·弗里施

鈾核被中子一擊,便像顫動的液滴般裂開——約 200 MeV 的能量隨之傾瀉而出。

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In depth · the introduction

把一個原子的核一分為二,會發生什麼?1938 年的聖誕節,一位姑媽與她的姪子,在雪地裡散步時把它想通了——並看見了原子時代的能量將從何而來。

核心想法

每個原子的正中,都有一個微小而緻密的核——原子核——裡面塞滿了質子與中子。一種短程的核「膠」把它們兜在一起,但質子都帶正電,彼此又相互推開。在輕原子裡,「膠」輕鬆取勝。可在鈾——天然元素中最重的那一個——裡面,質子多到原子核只是勉強維繫。

邁特納與弗里施意識到,單單一個中子,就能把它推過臨界。那擁擠的原子核晃動、拉長、從中間縊起,裂成兩個更小的核。而由於這兩塊碎片,比那臃腫的鈾結合得更有效率,多出來的能量——驚人的兩億電子伏特——便被甩了出來。這場分裂,正是他們所命名的「裂變」。

它是如何誕生的

在柏林,化學家奧托·哈恩與弗里茨·斯特拉斯曼,用中子轟擊鈾,結果在碎屑中驚訝地發現了輕得多的元素——鋇。這說不通:原子核不該大致對半裂開。哈恩寫信向他三十年來最親密的合作者、物理學家莉澤·邁特納求助——而她已不在柏林。身為猶太裔科學家,她在數月前被迫逃離納粹德國,正流亡於瑞典。

1938 年聖誕節,邁特納的姪子、物理學家奧托·弗里施前來探望。在庫爾加夫附近的雪地裡散步時,他們把這件事推想明白,並在一張紙片上勾出能量的算式:那原子核,就像一滴超載的液體,乾脆一分為二,而數字表明,它會釋放出龐大的能量。回到哥本哈根的弗里施,為這一過程取名「裂變」,並在數日之內於實驗室裡證實了它。他們的解釋,1939 年 2 月刊於《自然》。六年之後,這項發現的諾貝爾獎獨授哈恩一人;邁特納的名字,被略去了。

它為何重要

這封短短的通訊,揭示了核能的來源——它比燒煤、比任何化學燃料都濃縮了千百萬倍。三年之內,它導向了第一次受控的鏈式反應;七年之內,導向了原子彈。核電站、核潛艇,以及整個核時代的地緣政治,都可追溯到那個在雪地散步中勾勒出的領悟:一個重核,是可以裂開的。

一個可以想像的畫面

想像一個幾乎要被撐爆的水氣球。它的皮(核「膠」)勉強兜住晃動的水,而水本身則拼命要往外漲。只要給氣球最輕的一下,它就拉長、從中間縊起,啪地裂成兩個更小的氣球、朝兩邊飛開。鈾核就是那個被灌得太滿的氣球;中子,就是那一下輕觸;而兩半帶走的能量,就是裂變的那一「爆」。

一條表示原子核結合緊密程度的曲線,在鐵處達到峰頂,在重鈾處下凹。滑動鈾核分裂的方式;兩個碎片跳到曲線上更高、結合更緊的位置,旁邊顯示釋放的能量——約一億八千萬到一億九千萬電子伏特。

它的位置

所有的拼塊,都剛剛就位:拉塞福找到了原子核(1911),查德威克找到了中子(1932),而愛因斯坦早已給出了質量與能量之間的兌換率,E = mc²(1905)。邁特納與弗里施,把它們拼到了一起。故事從這裡徑直走向恩里科·費米 1942 年第一次自持的鏈式反應,走向曼哈頓計劃——而朝另一個方向,則走向一個領悟:同樣的這條結合能曲線,正以聚變點亮著群星。

The original document
Original source text
L. Meitner & O. R. Frisch · Nature 143 (1939): 239–240 (11 February 1939)
The puzzle
Otto Hahn and Fritz Strassmann had just shown, by careful chemistry, that bombarding uranium with neutrons produces barium — an element little more than half uranium's size. No known nuclear process could chip a nucleus down so far. This letter supplies the physical interpretation Hahn, a chemist, could not.
A liquid drop
Meitner and Frisch picture the heavy nucleus, on Bohr's model, as a charged drop held together by a surface tension that the mutual electric repulsion of its many protons has very nearly overcome:
… would be expected to move in a collective way which has some resemblance to the movement of a liquid drop. If the movement is made sufficiently violent by adding energy, such a drop may divide itself into two smaller drops.
For the new process they propose the name “fission”, borrowing the word biologists use for a cell dividing in two.
The energy
The two nuclei will repel each other and should gain a total kinetic energy of c. 200 Mev., as calculated from nuclear radius and charge.
This energy, they note, is supplied by the loss in mass between the uranium nucleus and its two fragments — by Einstein's E = mc², about one-fifth of a proton's mass converted in a single event, vastly more than any chemical reaction or ordinary radioactive decay.
[ … ]
Stockholm & Copenhagen · January 1939