[其它杂谈]核能史话  铀原子核的裂变 [第20页]

第三章：核世界奥秘的探索

5、铀原子核的裂变

    铀原子核裂变现象的发现还得从美籍意大利物理学家费米利用中子轰击铀核的实验研究工作谈起。当人工放射性核素发现以后，科学家们就纷汾利用α粒子、质子以及中子去轰击周期表上各种元素，以求获得更多的人工放射性核素。而费米就是利用α粒子轰击铍能发射中子的核反应过程，把镭和铍均匀混合在一起，就可以制成能发射大量中子的镭－铍中子源。然后，利用这些中子去轰击各种元素，并用自制的高灵敏度盖革—弥勒计数管进行测量。结果发现将近六十多种被中子照射过的元素中，约有四十多种能产生放射性核素。

    后来，费米在长期的实验工作中发现，如果把所用的镭－铍中子源加以适当改进，在中子源和银圆筒之间加上一层石蜡或其它含氢物质，就能使银的放射性强度大大增加，这可从盖革—弥勒计数管上得到反映。

    这是因为镭－铍中子源所发射的快中子能量很大，不易和银发生反应。现在通过石蜡后快中子被减速成热中子，其能量和分子热运动能量相当，即能量为0.0253电子伏或速度为每秒2200米。由于热中子运动速度很慢，它在核周围的停留时问就会加长，因此和核作用的机会也就越多，所产生的放射性也就越强，计数就大大增加。

    费米在获得热中子后，重新对铀核进行轰击试验。看它能否被铀核俘获生成更多的原子序数大于92的93、94……一系列超铀元素。然而，大量实验结果证明，在铀核俘获中子后的生成物中，呈现出非常复杂的辐射成分。在测量中发现它们是由多种β射线所组成，先后共测得四种不同能量的β射线，根据它们辐射强度随时间衰减的曲线分析，得到四种不同的半衰期，分别为10秒、40秒、12分和90分。而费米及其助手当时也无法从这些复杂的放射性物质中识别出事先想找到的93号新元素。这是因为他们中间缺少精通化学分析的科学家。即使在这些新产生的放射性物质中确已存在93号元素，他们也不能用化学方法由辨别它们。

    由于费米及其同事在生产人工放射性核素中一直认为元素俘获一个中子后，经过β衰变能生成原子序数增加1的新元素，所以费米等人总是专心致志地去寻找原子序数比铀更大的超铀元素。因而对在实验过程中所遇到的那些复杂的β衰变现象未能做出符合客观实际的解释，对铀核反应过程中所形成的放射性核素，也未能作直接的化学测定，就误认为93号元素已经找到。这样也就错过了发现“铀核裂变”的良机。

    正像约里奥·居里夫妇在1932年研究α粒子轰击铍时，未能及时发现中子一样，费米他们虽然已到了发现铀核裂变的门口，却未能再往前路一步，没有能及早揭开铀核裂变的秘密。直至1939年，93号元素才被美国物理学家麦克米伦和艾贝尔森在伯克利的加利福尼亚大学辐射实验室，用热中子轰击铀靶而生成。并用化学方法鉴别出第一个难以捉摸的超铀元素—镎。

    与此同时，奥地利物理学家梅特涅和她的合作者—德国物理化学家哈恩一起在柏林威廉皇家研究院，从事中子轰击铀核的研究工作，并利用他们在化学分析工作方面的有利条件，对所生成的多种放射性同位素进行了详细研究。

    他们在测量中发现，实际情况要比费米最初预料的还要复杂得多。这是指各种放射性强度的衰减曲线在不同的观测时间内变化很大，也就是税，即使中子照射停止，有些放射性物质仍能不断产生，其衰变过程还是相当复杂的。

    另外，他们还测得了费米没有测到的半衰期，其中包括某些长半衰期，一共有九种，—它们分别为10秒、40秒、2.2分、16分(费米测得为13分)、23分、59分(费米测得为90分)、5.7小时、45小时和66小时。然而，在分析与这些半衰期相对应的放射性同位素时，他们却仍认为是生成了超铀元素，即想象在铀元素中形成了类铂、类金、类铼、类锇和类铱的93、94、95、96和97号新元素。但是，当用化学方法对它们进行鉴别时，很快发现这种想象是错误的。

    梅特涅和哈恩他们所用的化学鉴别法是一种在放射化学中常用的分析微量放射性物质的方法。即为了能取得微量的放射性物质，往往预先加入几毫克相同的稳定元素或化学性质相似的元素(通常称为载体)，这种裁体能把微量放射性物质载带入沉淀物中。如果不是同种元素，则可设法把微量放射性物质与裁体分离。哈恩他们曾经选择了各种元素作为载体，并把它加入被中子轰击过的铀元素里。其中有一种钡元素，当他们把钡从中子轰击过的铀元素中分离出来进行测量时，果然发现有相当一部分的放射性物质被钡载带出来。

    那末这些放射性物质到底是什么核素呢？由于他们和费米一样，也是一心想寻找超铀元素，而不愿往“铀前”元索(原子序数远小于铀)方面考虑。为此他们认为那些化学性质和钡相似的放射性核素很可能是“镭”。它在周期表中是第83号元素，位于钡元素的下面，和钡是同族元素，所以在化学性质上，镭和钡确有很多相似之处。然而，两者毕竟不是同一种元素，所以可用化学方法把载体钡和放射性物质“镭”分离开来。但事与愿违，虽然作了很大努力，但始终未能把“镭”从钡载体中分离开来。事实上，这一实验结果已经表明此种“镭”放射性物质就是钡，但他们就是不敢下此结论。

    与此同时，法国的约里奥·居里夫妇也在自己的实验室里进行过中子轰击铀的试验。同样他们也测得了一些被命名为“类铼”、“类锇”和“类铱”的93、94和95号元素。他们的实验结果也未能超越费米等人的结论。

    然而，有些在思想上框框比较少的年轻科学家，他们根据在实验中一方面未能直接分离得到超铀元素；另一方面从钡载体中确实测得了放射性物质的存在，且又不能把它同钡分离出来的实验结果，提出了富有创见的大胆设想。其中最值得一提的是德国年轻科学家诺达克夫妇，他们当时都在布列斯高的弗莱堡大学物理化学学院中工作。他们认为费米所做的中子轰击铀的实验，在化学分析方面未能对超铀元素的发现提出过令人信服的论据。

    为此，他们在1934年曾经提出过自己的看法，他们认为铀核在中子作用下发生了核裂变反应。而且这种反应和其它核反应有很大区别，似乎在中子轰击铀核时，铀核被分裂成几块碎片是完全可能的。同时，这些碎片应是已知元素的同位素，但不是被轰击元素铀的相邻元素。

    这是一个后来在1939年被证实的极其有价值的假定。然而当时却未能引起像费米那样的物理学权威人士的重视，当然也就根本谈不被被承认了。费米在获悉这些不同意见后，仍坚持认为能量很低的热中子决不能击破如此坚固的原子核堡垒，使核发生裂变，这简直是难以想象的。特别是当费米得知当时世界—致公认的放射化学权威哈恩也同意他已经获得超铀元素的看法时，他对自己的实验结果就更加确信无疑了，这样费米他们也就又一次失去了完成—项重大发现的机会，这也是费米在自己的科研生涯中所犯的一次最大的失误。

    二十年后，在安葬这位伟大的科学家时，曾经参加过这项实验的费米的一位学生物理学家西格列说：“上帝按照他自己的不可思议的动机，使我们当时在核分裂现象上成为盲人”。当然实际上使他们迷失方向的决非是上帝的旨意，而是当时他们在化学知识方面的不足，以及主观上犯了先验论的错误所致。世上任何一位科学家在自己短暂的科学生活中，总是难免有不足之处的，但他们对推动科学事业发展的不朽功勋却永远值得大家称颂。

    不管怎样，许多科学家在用中子轰击铀核的实验中，不断找到各种各样铀前元素的事实有力地冲击着费米等人认为获得了超铀元素的错误结论。例如，在1938年，伊伦·居里和萨维基从被中子轰击过的铀中，测得了一种在哈恩等人实验中所没有测得的半衰期为3.5小时的新的放射性核素。它的化学性质和稀土元素镧十分相似，起初假定它是锕的放射性同位素。但在进一步测量中发现，这种放射性同位素可用化学方法把它和锕分离，却不能与镧分开。

    由此可见，这些半衰期为3.5小时的放射性物质与其说是锕的同位素，倒不如说是镧的同位素更符合实际。这就是说他们实际上已经测得了铀核的裂变产物镧，发现了铀核的裂变现象。但当他们发表找到镧元素的论文时，却仍认为镧是由铀俘获中子后所形成的超铀元素衰变而成，决没有想到镧是铀核在中子直接作用下的裂变产物。仍旧未能冲破权威们关于生成超铀元素的束缚。

    正当原子核科学事业不断向前发展的时候，希特勒法西斯统治下的纳粹德国所发动的侵略战争也正在逐步升级。1938年3月，中立的奥地利被德国所吞并。而这时正在德国从事铀核裂变研究工作的梅特涅教授，由于她是犹太人，她的奥地利国籍使她成了敌对国的公民，这样她就被迫离开拍林前往瑞典的斯德哥尔摩避难。

    她的合作者、德国籍的哈恩和施特拉斯曼仍旧留在柏林继续对铀核的裂变现象进行研究，且也向伊伦·居里等人一样找到了镧的同位素。同时他们得到启发，把过去同钡载体—齐沉淀下来的“镭”同位素，重新进行化学分离。

    当时他们采用了比较先进的“分步结晶法”的化学分离技术，结果仍然未能从钡载体中分离出所想象的“镭”，看来这种和钡载体结合得如此紧密的放射性核素只能是钡本身。正如哈恩和施特拉斯曼后来在自己著作中所描述的那样：“作为化学家的我们，不得不肯定地声明，铀俘获中子后所产生的新物质的性质并不和镭相同，而恰恰是和钡相同”。

    至此应该说他们已经发现了铀核在中子作用下发生了裂变的奇迹，可是奇迹的创造者却还是不敢承认。这是因为虽从化学角度上看，这些精通各种化学分析方法的著名化学家，他们对自己的实验结果是深信不疑的，但从核物理观点上看，这似乎又是不可能发生的事情。即当用能量很低的热中子去轰击周期表上最重的铀核时，结果怎么会得到原子序数为56的中等质量数的钡元素呢？它只比铀元素的—半大一点。

    如果铀核不是分裂成大小差不多的两半片。那末钡是得不到的。像铀核这种密度很高的坚硬堡垒，很难想像它能被能量很低的热中子炸成两半。难怪哈恩他们即使早已发现了铀核的裂变现象，但却迟迟不敢发表自己的实验结果。

    然而哈恩他们也深深懂得科学研究本身是不能有任何虚假的。在被中子轰击过的铀元素中，钡核镧等中等质量元素的出现是谁也抹煞不了的实验事实，为了尊重事实，他们觉得完全有必要赶快把这个新发现的实验结果公布与世。

    在1938年8月22日，他们终于正式发表了这—重要的实验事实，同时还写信给在瑞典避难的梅特纳教授。她曾和他们共事过三十年，由于希特勒的战争政策和迫害犹太人的罪恶行径，使她未能参加最后阶段的实验工作。但现在她终于知道了在被中子轰击过的铀元素中，确实存在着钡同位素。喜悦的心情使她久久不能平静，她反复思考铀核俘获中子后怎么会生成钡的奇怪现象。

    她想铀核中有92个质子146个中子；而钡只有56个质子和82个中子。两者的质量数和原子序数相差这样大，这在以往的任何核反应过程中都是从未有过的。不论是α粒子或质子和中子，当它们轰击靶核时，只能生成某种和原来靶核质量数相近的新元素，同时伴随着放射出某些质量数较小的粒子，如α粒子、质子、中子、电子或正电子等。而在中子与铀核的反应过程中，却出现了意想不到的钡元素，这到底是什么缘故？她想很可能在铀核俘获中子的过程中发生了某种特殊的核反应。

    为此她大胆地假定是否存在着这样一种可能性，即当稳定性较差的铀核吞噬中子后，使铀核得到了多余的能量，并处于激发态，显得更加不稳定，最后分裂成两个较轻的核碎片，而铀核的电荷数和质量数也将分成大约相等的两部分。这样就能满意地解释哈恩他们所发现的钡和镧的实验结果，因为它们的质量数几乎是铀的一半。

    接着，梅特涅又立刻把上述想法告诉了她的侄子弗里施，当时他流亡丹麦，在哥本哈根玻尔所主持的研究所工作。他们两人经过仔细而又深入的讨论后，完成了关于解释铀核裂变现象的论文，并想在1939年1月发表。于此同时，弗里施把论文送给了与梅特涅教授有着很密切联系的玻尔教授。因为在他们的论文中，引用了玻尔的核理论对铀核的裂变现象进行了说明。当时有位美国生物学家阿诺德刚好也在哥本哈根工作，他建议把铀核分裂成两片的现象仿照活细胞的一分为二现象称作为“裂变”，从此这个名称就一直被沿用至今。

    梅特涅和弗里施在关于铀原子核俘获中子产生裂变的论文中，主要引用了玻尔关于原子核结构的液滴模型理论，对铀核所以能产生裂变得到钡和澜等元素的结果，进行了十分生动而又令人信服的描述。弗里施在描述当时的情况中说：“我们逐渐清楚了，铀原子核被破裂成两个几乎相等的部分……可以说是完全按照—定形式发生的。情形是这样的……原始的铀核逐渐变形，中部变窄，最终分裂成两半。这种情况与生物学上细胞繁殖的分裂过程非常相似，这使我们有理由把这种现象在自己的第一篇报告中称作为‘核分裂’”。

    他们在分析铀核为什么能产生裂变的出发点是把铀核看为带电的液滴，这就是玻尔的核液滴模型的根据。由于铀核中有92个质子和146个中子，这同质子数和中子数相等的稳定核相比较，可看出铀核中存在着过量的中子，所以铀核本身就是一种很不稳定的原子核。

    它像普通的水滴是由水分子间的表面张力维持形状一样，组成原子核的质子和中子(统称为核子)之间的相互作用力(也称核力)促使原子核也能保持一定的形状。而带正电子的质子又同普通电子一样，也有趋向于表面的特性，它们各自在核表面上占据着一定的位置。另外质子间的静电斥力使得质子有逃逸出核的可能，而核力又要把质子拉回到核里。

    铀原子核内各核子间虽然受到十分复杂的作用，而处于很不稳定的状态。但是如果没有外来的干扰，大多数情况下，铀核还能维持比较完整的形状。

    然而，一旦铀核俘获了一个中子以后，形成铀的复合核，并受到中子带来的额外能量的扰动，结果使得铀核内的核子更加剧烈地颤动起来，铀核变成了椭圆形。随后就愈变愈烈成为不能复原的哑铃状形。直到核内的电磁斥力把几乎相等的两部分从哑铃的颈部完全断裂开来，形成两个新的中等质量数的原子核，同时放射出2～3个中子。

    此外，由于铀核的分裂并不是每次都在同一个哑铃颈上断开，所以许多铀核分裂的结果就能得到—系列不同质量数的裂变碎片，这就是铀核裂变产物十分复杂的主要原因。不过通常仍然有一种比较常见的分裂形式，即分裂成钡和镧。它们的原子序数分别为56和36，加起来刚好等于铀的原子序数92。这和很多科学家在研究铀核俘获中子的实验中，多次测得钡元素的结果相—致。

    当玻尔看到自己的液滴模型核理论能如此精确无误地解释铀核俘获中子的裂变现象时，其兴奋激动的心情是难以表达的。正像他在自己短短的1500字的自传中曾经描述过的那样：“有助于揭开那遮蔽真理帐幕的—角，并且从而可以走到较为接近真理的路上，也许是一个科学家所能获得的最大快乐”。

    当时玻尔为此差一点没有赶上去美国的火车。就在他赴美开会之际，梅特纳和弗里施为了验证他们对铀核裂变现象的解释，再一次对铀核俘获中子后的裂变产物进行了测量。他们从中不仅找到了钡和镧等其它元素，而且当他们将裂变后的两部分裂变碎片的质量相加时，发现它们比裂变前的铀核和中子的质量之和要小。这就是说，在铀核的裂变反应过程中发生了质量亏损。

    根据爱因斯坦的质能公式，即能量E等于质量和光速平方的乘积。这些失去的质量必定在铀核发生裂变反应的过程中，以能量的形式释放出来。弗里施在实验中观测到了这个异常巨大的能量，它能把测量仪表的指针逼到刻度以外，其数值约为200兆电子伏。

    接着他们又把这个伟大发现通过海底电报告诉了已抵达美国的玻尔。当玻尔得知这一足以震惊世界的消息已被证实后，立即在一次物理学家会议上宣布了关于发现铀核裂变的消息。与会者无不为之激动万分，并立刻投入到铀核裂变研究中去。数周之后，各国科学家也都先后证实了铀核被中子裂变，和能释放出巨大能最的事实。从此以后，核科学研究工作也就进入了利用原子核能，为人类造福的新时代。