中子致铀蜕变:一种新型核反应
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。
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」。
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。
… 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.