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一路物理传奇:从原子结构到核能利用丨贤说八道

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发表于 2021-4-12 10:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
一路物理传奇:从原子结构到核能利用丨贤说八道

撰文 | 曹则贤(中国科学院物理研究所)

1  原子 (核) 的结构



2  质能关系



3  核裂变与核能应用

相较于电子和质子,中子是合适的用于轰击原子核的抛射体,质量比电子大又不会如质子那样被原子核静电排斥,速度不大的中子就能进入原子核。中子甫一发现,费米 (Enrico Fermi, 1901-1954) 就认识到了这一点。用α粒子轰击原子核,比如铝原子核,会让一些原来没有放射性的原子核有了放射性,这就是小居里夫妇1934年发现的人工放射性。费米用中子进行诱导人工放射性的研究,把眼光瞄向了重原子核,当时已知最重的原子核是铀原子核 U-238 (Z=92)。入射中子被原子核俘获,据信就产生了一个质量更大的原子核。费米对此(含糊的)结果很高兴。然而,1938年费米携全家去领诺奖,借机离开欧洲去了美国,这项工作被打断了。

同时期有很多人研究中子轰击原子核,包括小居里夫妇, 一位德国化学家哈恩 (Otto Hahn,1879-1968)和他的奥地利女助手迈特纳 (Lise Meitner,1878-1968)。后来迈特纳于1938年逃离德国去了斯德哥尔摩。哈恩和助手Fritz Strassmann继续这项工作,但是他们发现结果总会产生元素钡 (Ba, Z=56),这太奇怪了。迈特纳是维也纳大学的物理博士,应该更懂核物理,故哈恩把发现写信告诉了迈特纳。迈特纳在和表侄Otto Frisch,其人当时在玻尔研究所,讨论这个问题时,后者提及玻尔曾说原子核可能不一定是卢瑟福设想的是硬核,而是跟水滴一样是柔软的。迈特纳假设原子核是水滴状的,振荡、拉长、分裂 (图1),她算了算一个原子核分裂事件能释放200MeV (计算在某本书里还被当作例题了。原谅笔者很难相信那个计算是正确的)。迈特纳马上想到这个释放的能量来自质量 (损失)。Frisch的一个朋友告诉他这个分裂类似细胞分裂,于是他用了fission 一词儿来描述核裂变。Frisch 和迈特纳的文章五周后发表在Nature上。迈特纳发表这篇文章没告诉哈恩,哈恩的文章略在前,但没有裂变模型的内容。哈恩因核裂变现象的发现获得1944年的诺贝尔化学奖。


图1. 原子核的液滴分裂模型

中子轰击U-235 变成了U-236,然后跟水滴似的分裂成两块,一块是Ba-141 一块是惰性元素Kr-92 (怪不得不是通过它发现的核裂变),见图2。请大家注意一个小细节,141+92=233,核子数,实际是中子数,少了3个。也就是说,这个过程实际是列成了五份儿,除了两个原子核以外,还有三个孤立的、具有一定动能的中子 (中子数目取决于分裂成什么样的轻原子核)。恰恰是这三个不起眼的、速度较慢的中子,引起了核能利用的时代,大幕就是这么在不经意间被拉开的。看着这个裂变过程,笔者就想起了个人日常生活里的一幅图景:把一个干馒头掰成两半,一定伴随着产生一些小碎屑 (图3)。Physics,physis,物理固自然哦。


图2. 中子轰击U-235诱导的核裂变过程


图3. 干馒头掰两半,会伴随产生很多小碎屑 (笔者摄)

Frisch 写论文时向玻尔提及了他和迈特纳关于原子核裂变的讨论,玻尔正准备去美国,没有多问。据说玻尔答应Frisch在他们的文章发表前不和别人提起的。不过,如同所有的“我告诉你一个秘密,你可得给我保密啊”的故事,玻尔显然为此发现感到兴奋,他和合作者Leon Rosen一起讨论,想倒腾出裂变的更多细节,他知道裂变一定放出来很多能量。笔者纳闷的是,能量是个数学概念而已,为什么人们谈论类似的问题总喜欢拿能量说事而忽略具体的物理存在。在核裂变这里,有一个中子实实在在地诱导出了多个中子,这才是最关键的。玻尔和Rosen在纽约受到了费米和惠勒的欢迎。据说是Rosen把核裂变 (模型) 的消息告诉别人的,反正吧,一下子全美国的物理学家都知道核裂变反应及其机理诠释了。既然大家都知道了,玻尔干脆就在华盛顿的理论物理大会上作了个报告 (好熟悉的情景) 。费米马上在哥伦比亚大学开始实验,验证了核裂变确实存在。

接下来的故事就是大家耳熟能详的了。既然反应产生了多于一个的中子,若中子继续引起裂变,这就是链式反应,核分裂事件数就会成幂函数式增长。玻尔邀请惠勒和他一起研究具体的可行性。当然,关于什么速度的中子遇到什么样的铀材料(组成与尺寸)才能引起链式反应,别说没理论,有理论也不好使,于是在普林斯顿建立了实验装置来研究裂变速率同中子能量的关系,结果发现是个两头翘的曲线,即在高速和低速两端都有较大的裂变速率。其实,是U-235容易由慢中子引起裂变,U-238容易由快中子引起裂变。由于裂变产生的中子速度较慢,实际上是说U-235适合用来产生链式反应,用于制造原子弹。既然是德国人先发现的核裂变,容易想到德国人可能也明白这个可用于造原子弹。

接下来非物理的故事就是Leo Szilard担心德国先造出原子弹,求Isidor Isaac Rabi连夜开车去长岛找爱因斯坦签署一份呼吁,然后求熟人Alexander Sachs 递交给时任美国总统罗斯福。罗斯福于1939年10月下令成立铀问题咨询委员会,并拨款$6000 (没错,是六千美元) 开展中子研究。接下来就是建立核反应堆,让裂变过程慢下来才能可控地进行,才能仔细研究。1941年12月6日,罗斯福总统批准了曼哈顿工程。1945年7月16日第一颗原子弹 (钚弹) 试爆成功,人类从此走入被核武器恐怖笼罩的时代。

如今,75年过去了,拥有核武器构成的相互吓阻似乎避免了第三次世界大战的爆发,核能的和平利用成了与核武开发相平行的主流,并成了未拥有核武器的国家研制核武器的幌子。福兮祸兮,只有历史能够回答。

参考文献

1.Ernst Rutherford, Nuclear Constitution of Atoms,Proceedings of the Royal Society A.97(686), 374–400 (1920).

2. Werner Heisenberg, über den Bau der Atomkerne I, Zeitschrift für Physik 77(1–2), 1–11(1932); über den Bau der Atomkerne II, Zeitschrift für Physik 78(3–4), 156–164(1932).

3.Lise Meitner, Otto R. Frisch, Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction, Nature 143(3615), 239(1939).

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