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物理学 1939

中子致铀蜕变:一种新型核反应

莉泽·迈特纳 与 奥托·弗里施

铀核被中子一击,便像颤动的液滴般裂开——约 200 MeV 的能量随之倾泻而出。

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In depth · the introduction

把一个原子的核一分为二,会发生什么?1938 年的圣诞节,一位姑妈与她的侄子,在雪地里散步时把它想通了——并看见了原子时代的能量将从何而来。

核心想法

每个原子的正中,都有一个微小而致密的核——原子核——里面塞满了质子与中子。一种短程的核「胶」把它们兜在一起,但质子都带正电,彼此又相互推开。在轻原子里,「胶」轻松取胜。可在铀——天然元素中最重的那一个——里面,质子多到原子核只是勉强维系。

迈特纳与弗里施意识到,单单一个中子,就能把它推过临界。那拥挤的原子核晃动、拉长、从中间缢起,裂成两个更小的核。而由于这两块碎片,比那臃肿的铀结合得更有效率,多出来的能量——惊人的两亿电子伏特——便被甩了出来。这场分裂,正是他们所命名的「裂变」。

它是如何诞生的

在柏林,化学家奥托·哈恩与弗里茨·斯特拉斯曼,用中子轰击铀,结果在碎屑中惊讶地发现了轻得多的元素——钡。这说不通:原子核不该大致对半裂开。哈恩写信向他三十年来最亲密的合作者、物理学家莉泽·迈特纳求助——而她已不在柏林。身为犹太裔科学家,她在数月前被迫逃离纳粹德国,正流亡于瑞典。

1938 年圣诞节,迈特纳的侄子、物理学家奥托·弗里施前来探望。在库尔加夫附近的雪地里散步时,他们把这件事推想明白,并在一张纸片上勾出能量的算式:那原子核,就像一滴超载的液体,干脆一分为二,而数字表明,它会释放出庞大的能量。回到哥本哈根的弗里施,为这一过程取名「裂变」,并在数日之内于实验室里证实了它。他们的解释,1939 年 2 月刊于《自然》。六年之后,这项发现的诺贝尔奖独授哈恩一人;迈特纳的名字,被略去了。

它为何重要

这封短短的通讯,揭示了核能的来源——它比烧煤、比任何化学燃料都浓缩了千百万倍。三年之内,它导向了第一次受控的链式反应;七年之内,导向了原子弹。核电站、核潜艇,以及整个核时代的地缘政治,都可追溯到那个在雪地散步中勾勒出的领悟:一个重核,是可以裂开的。

一个可以想象的画面

想象一个几乎要被撑爆的水气球。它的皮(核「胶」)勉强兜住晃动的水,而水本身则拼命要往外涨。只要给气球最轻的一下,它就拉长、从中间缢起,啪地裂成两个更小的气球、朝两边飞开。铀核就是那个被灌得太满的气球;中子,就是那一下轻触;而两半带走的能量,就是裂变的那一「爆」。

一条表示原子核结合紧密程度的曲线,在铁处达到峰顶,在重铀处下凹。滑动铀核分裂的方式;两个碎片跳到曲线上更高、结合更紧的位置,旁边显示释放的能量——约一亿八千万到一亿九千万电子伏特。

它的位置

所有的拼块,都刚刚就位:卢瑟福找到了原子核(1911),查德威克找到了中子(1932),而爱因斯坦早已给出了质量与能量之间的兑换率,E = mc²(1905)。迈特纳与弗里施,把它们拼到了一起。故事从这里径直走向恩里科·费米 1942 年第一次自持的链式反应,走向曼哈顿计划——而朝另一个方向,则走向一个领悟:同样的这条结合能曲线,正以聚变点亮着群星。

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