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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。
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图2. 中子轰击U-235诱导的核裂变过程
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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。