重核裂變的發(fā)現(xiàn)，為熱鬧的核物理研究又添加一把烈火，世界上所有的前沿物理實(shí)驗(yàn)室都沸騰起來(lái)。1939年便成為一個(gè)熾熱的年份，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，所發(fā)表的有關(guān)核裂變的科學(xué)論文，總共達(dá)一百多篇。

1.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)假說(shuō)

圖1 恩利克·費(fèi)米（Enrico Fermi）

在1939年1月26日召開(kāi)的第五屆華盛頓理論物理學(xué)會(huì)議上，新發(fā)現(xiàn)的鈾核裂變成為會(huì)議討論的熱烈話題。在與玻爾討論時(shí)，費(fèi)米特別提到重核裂變放出中子的可能性：當(dāng)鈾核裂變時(shí)，會(huì)放射出中子。這些中子又會(huì)擊中其它鈾核，于是就會(huì)發(fā)生一連串的反應(yīng)，直到全部原子被分裂，這就是著名的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論。

雖然費(fèi)米提及的只是一種理論假說(shuō)，但當(dāng)時(shí)費(fèi)米是最具聲望的中子研究權(quán)威，討論對(duì)象又是量子物理學(xué)的大明星、哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人——玻爾。于是費(fèi)米作為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)者之一，被明確的記錄在科學(xué)史上。

費(fèi)米憑借“證明了可由中子輻照而產(chǎn)生的新放射性元素的存在，以及有關(guān)慢中子引發(fā)的核反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”而獲得1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)兩個(gè)月后，費(fèi)米聽(tīng)說(shuō)了哈恩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這無(wú)異于當(dāng)頭一棒，因?yàn)樾碌难芯拷Y(jié)果表明鈾核受中子激發(fā)，不會(huì)產(chǎn)生新的超重元素。換言之，這項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)一半是對(duì)的，一半是錯(cuò)的。但反過(guò)來(lái)說(shuō)，費(fèi)米關(guān)于“慢中子”比“快中子”更容易引發(fā)核反應(yīng)的超越當(dāng)時(shí)認(rèn)知的發(fā)現(xiàn)確實(shí)是一個(gè)了不起的貢獻(xiàn)，并直接啟迪了哈恩的新發(fā)現(xiàn)。

1942年12月2日，在芝加哥大學(xué)，費(fèi)米指導(dǎo)下設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的人類第一臺(tái)可控核反應(yīng)堆首次運(yùn)轉(zhuǎn)成功，命名為“芝加哥一號(hào)堆”。這是原子時(shí)代的真正開(kāi)端，因?yàn)檫@是人類第一次成功地進(jìn)行了一次核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。費(fèi)米也是直接參與曼哈頓工程的著名科學(xué)家之一，并曾擔(dān)任洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副主任。

2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的驗(yàn)證

圖2 約里奧·居里三人研究組

（左一為約里奧，左二為哈爾班，左三為科瓦爾斯基）

重核裂變的實(shí)驗(yàn)一經(jīng)報(bào)導(dǎo)，關(guān)于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作旋即在許多先知先覺(jué)的實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展起來(lái)。效率最高且最為引入注目的當(dāng)屬法國(guó)約里奧·居里夫婦的實(shí)驗(yàn)室。主持該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的是男主人費(fèi)雷德克里·約里奧·居里，直接參與實(shí)驗(yàn)的有研究助理法國(guó)物理學(xué)家哈爾班（Hans Heinrich von Halban）和俄裔法國(guó)物理學(xué)家科瓦爾斯基（Lew Kowarski）。

他們于1939年3月18日在《Nature》上發(fā)表了中子轟擊鈾核可以產(chǎn)生二代中子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，4月22日在《Nature》上發(fā)表了每個(gè)鈾核裂變產(chǎn)生2-3個(gè)中子的結(jié)論，給出鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可能性的確證結(jié)果。

3.臨界質(zhì)量

科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)因絕大多數(shù)中子的逃逸，少量的裂變材料不能維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。最后一個(gè)棘手問(wèn)題是：維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)究竟需要多少鈾燃料？這個(gè)最小的鈾燃料質(zhì)量即稱為臨界質(zhì)量。約里奧-居里實(shí)驗(yàn)室的法國(guó)物理學(xué)家佩林（Francis Perrin）于1939年5月1日在《法國(guó)科學(xué)院通報(bào)》（Comptes Rendus）上發(fā)表了對(duì)鈾臨界質(zhì)量的分析，他的結(jié)論是鈾燃料維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界質(zhì)量在數(shù)噸以上。顯然，尋找如此巨量的鈾燃料太不切實(shí)際，制造原子彈幾無(wú)可能。不過(guò)，很快就有人推翻了這一錯(cuò)誤結(jié)論。

圖3 魯?shù)婪颉ざ魉固亍づ蔂査梗?/span>Rudolf Ernst Peierls）

1940年3月，已在英國(guó)伯明翰大學(xué)物理系工作的弗里施（鈾核裂變理論奠基工作中邁特納的合作者）和英國(guó)物理學(xué)家派爾斯聯(lián)合寫(xiě)就一份短文，通過(guò)仔細(xì)計(jì)算，得出一個(gè)令人恐怖的結(jié)論：鈾燃料的臨界質(zhì)量?jī)H約為1千克，理論上證明了原子彈的可行性。這篇短文因保密需要，并未公開(kāi)發(fā)表，而是轉(zhuǎn)交到了英國(guó)陸軍防空科學(xué)調(diào)查委員會(huì)主席蒂澤德（Henry Thomas Tizard）手中，這篇短文史稱“弗里施-派爾斯備忘錄”。弗里施和派爾斯憑借這一研究工作成為英國(guó)原子彈計(jì)劃的靈魂人物，直接推動(dòng)了英國(guó)鈾引爆軍事委員會(huì)（MAUD）的成立，并引發(fā)代號(hào)“管合金”（Tube Alloys）原子彈工程項(xiàng)目的上馬。

1943年8月，隨著英美聯(lián)合開(kāi)展原子彈建造計(jì)劃的“魁北克協(xié)議”簽署，弗里施和派爾斯均以英國(guó)科學(xué)家代表身份參與了美國(guó)的“曼哈頓工程”，其間便有一則廣為人知的人工停止核反應(yīng)逸聞。弗里施當(dāng)時(shí)主要負(fù)責(zé)“臨界質(zhì)量”的精確測(cè)定，一次實(shí)驗(yàn)中，由于身體反射中子的效應(yīng)，導(dǎo)致他搭建的燃料堆“高迪瓦夫人裝置”啟動(dòng)反應(yīng)，當(dāng)測(cè)試儀器的警報(bào)燈逐步加速閃爍時(shí)，他馬上意識(shí)到問(wèn)題所在，迅即用手分離了反應(yīng)堆，從而避免了一場(chǎng)大災(zāi)難。幸運(yùn)的是，他本人在此過(guò)程中所受的輻射尚不緊要。

閱讀索引：

【原子彈英雄譜3】關(guān)鍵突破

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