中子致鈾蛻變:一種新型核反應
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。
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」。
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。
… 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.
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.