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二十世纪发现“铀核裂变”的重要意义

发布时间:2019-07-25 01:43 来源:未知 编辑:admin

  20世纪是人类历史上科学技术发展最为辉煌的时代。科学技术的进步无论从深度还是广度上,都远远超过了过去几千年的总和,科学技术上的一系列重大发现发明接踵而至,使生产力获得了历史上从未有过的突飞猛进发展,创造了一个又一个经济奇迹。

  第一次世界大战结束,世界各国精疲力竭,急需休养生息,恢复发展,也为科技发展提供了一个相对和平稳定的条件。这时期的欧洲科技界,创造发明思想空前活跃,科研教学气氛空前浓郁,学术自由,科学民主,人才流动,信息分享,呈现出一派百柯争游,欣欣向荣的景象。

  当时的欧洲几乎聚集了世界上最优秀的现代科学家,可以说是群星灿烂,百花争艳。理论研究和科学试验十分活跃,一系列新的发现和发明竞相问世,令人眼花缭乱,目不暇接。

  1932年3月27日《Nature》(自然杂志)刊登了物理学家查德威克的一篇论文,他提出:α粒子轰击铍所产生的“铍辐射”并不是α射线,而是一种新粒子,此新粒子不带电荷,因此取名为“中子”。由此,物理学家则提出了原子核的质子-中子模型。

  1934年,约里奥-居里夫妇在用α粒子轰击铝靶时,得到一种天然不存在的新放射性元素磷,这是历史上发现的第一种人造的放射性同位素,当然这也是对原子核结构理论的有力证明。

  1934年,费米等人用中子照射铀,在生产人工放射性核素研究时已然到了发现“铀核裂变”的大门口,再往前迈进一步,也许就能及早揭开“铀核裂变”的秘密……

  中子和人工放射性的发现极大地激发了物理化学家们的热情,科学研究气氛空前高涨,这时候,欧洲科学研究新成果不断出现,似乎随时都会产生新的“诺贝尔奖牌”得主。世纪性重大发现原子核的奥秘眼看就要揭开……

  与此同时,德国物理化学家奥托-哈恩和他的合作者奥地利物理学家莉泽-迈特纳正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。历史向哈恩提供了难逢的机遇,而哈恩则奋力抓向了它。

  正当哈恩和迈特纳一起致力于这一研究时,第二次世界大战爆发了。德军占领奥地利后,迈特纳父亲是犹太人,为躲避纳粹的疯狂迫害,她只得逃离柏林到瑞典斯德哥尔摩避难。哈恩如失膀臂,但未放弃这方面的努力,他与另一位德国物理学家弗里茨-斯特拉斯曼合作,按照原先设计的实验方案又开始了新的尝试和探索。

  1938年9月,居里夫人的女儿伊伦娜-居里和萨维奇合作,应用放射化学方法分析中子轰击铀的产物时,又发现了一个半衰期为3.5小时的放射性新元素。

  伊伦-居里的实验结果立即引起了德国的奥托-哈恩的注意。他和斯特拉斯曼看到杂志上刊登的论文之后,立即重新做了一系列实验。谁也没有料到,正是伊伦娜-居里的这一实验结果极大地激发了哈恩和他的同事们的灵感,增添了对科学研究的热忱和精力。“铀核裂变”的大门正在为哈恩而开启。

  1938年12月17日,当他们用一种慢中子来轰击铀核时,竟出人意料地发生了一种异乎寻常的情况:反应不仅迅速强烈,释放出很高的能量,而且铀核分裂成为一些原子序数小得多的、更轻的物质成分。难道这就是核裂变?起初哈恩虽然意识到这不是一般的放射性嬗变,但一时也无法解释这种新发现就是裂变,他甚至怀疑这又是一次失败。此时“要是迈特纳在就好了”!

  莉泽-迈特纳(1878年11月7日-1968年10月27日)是一位奥地利-瑞典原子物理学家,其父亲是一个犹太律师。28岁时,她在维也纳大学攻读完了物理学博士学位,她的众多成绩中最重要的是她第一个理论解释了奥托-哈恩1938年末发现的“核裂变”。1907年秋天她来到柏林,从此与德国科学家哈恩开始了长达30年卓有成效的合作,共同发表了多篇有关放射化学方面的论文,在科学史上开创了由两个不同国籍、不同学科特长和不同性别的科学家长期合作、共同发展的范例。从1924年到1930年代中期,她和哈恩几乎每年都被提名为诺贝尔化学奖得主,但都未能幸临。

  1938年3月12日,德国占领奥地利,为躲避迫害,同年8月,这个被爱因斯坦称为“德国的居里夫人”的60岁老人被迫离开柏林经荷兰、丹麦逃往瑞典,一直到1946年在诺贝尔研究所继续她的研究工作。

  12月22日,哈恩把实验结果寄给德国的《自然科学》杂志。1939年1月6日《自然科学》发表了哈恩的论文。哈恩在论文发表之前,把实验结果和存在的疑问写信告诉了迈特纳,征求她的意见。他在信中说,是否有可能铀239破裂成了钡和锝?我很想知道你的意见。

  迈特纳和外甥、物理学家奥托-弗里希(当时他流亡丹麦,在哥本哈根玻尔所主持的研究所工作)对实验发现的现象进行了正确解释,第一个提出这种现象为“核裂变”的物理学概念,并计算出了裂变所释放出来的巨大能量。后来,迈特纳又用实验验证了这个“核裂变”。她在给哈恩的复信中明确指出:“这种现象可能就是我们当初曾设想过的铀核的一种分裂。”正是这一正确解释和计算,真正帮助哈恩打开了的大门。

  1939年1月,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,迈特纳与弗里施并以来信的形式在英国《自然杂志》发表了题为《中子导致的铀裂体:一种新的核反应》的论文,首次将哈恩-斯特拉斯曼实验发现的物理学理论解释公诸于世,并将这一过程命名为“裂变”。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。

  于此同时,弗里施把论文传送给了丹麦著名物理学家玻尔教授。因为在他们的论文中,也引用了玻尔的核理论对“铀核裂变”现象进行了说明。1939年1月初,玻尔正要前往美国讲学,就在他刚踏上美国国土,迈特纳和弗里施的电报也同时到达,电报说:实验已经完成,和玻尔设想的完全一致,铀在分裂时能放出大量的能量。

  据说尼尔斯-玻尔知道迈特纳的实验结果之后,敲着自己的脑袋感叹道,“哦,我们真愚蠢啊?这线日,在美国春季物理学讨论会上,玻尔当着爆棚全场的同行宣布了哈恩-斯特拉斯曼的化学实验发现,描述了迈特纳-弗里施的物理学解释。玻尔所奉献的信息制造了从一阵骚动演变为一片轰动的场面。一些物理学家当即匆忙离席,赶在第一时间验证德国人的实验发现和奥地利人的理论解释,没过几小时便在美国人的实验室得确认。接着便有人推测:如果铀核裂变后放出一个以上中子,这些中子又能引起临近铀核的裂变,如此持续下去,就形成了所谓的“链式反应”,并会在瞬间释放出巨大的能力。

  后来,奥托-哈恩又经过多次试验验证,终于肯定了这种反应就是铀235的裂变。原子核裂变的意义,关键是在中子打破重核的过程中,同时释放出巨大的能量。“铀核裂变”这一重大发现,使原子能应用变为现实,为人类开辟了新能源。从此,世界进入了原子能时代。

  不得不指出,在此之前的人们对释放原子能的争议中,怀疑论者还占上风,不少人以为要打破原子核并使其发生“裂变”,需要额外吸收强大的能量而根本不可能会释放出更多的能量。而哈恩发现的“铀核裂变”,却恰恰打破了这一固有看法。这项发现在当时就被认为是令人震惊的。同年,玻尔、费米、西拉德、约里奥-居里夫妇等人在原子核液滴模型和统计理论的基础上,系统地研究了原子核的裂变过程,从此,奠定了核裂变理论的基础。

  “铀核裂变”实验的发现,令哈恩获得了1944年的诺贝尔化学奖。因为担心承认和犹太人合作会危及自己的工作甚至是生命,哈恩在获奖前后一段时间,否认曾与迈特纳合作。然而,纳粹下台后,哈恩继续否认迈特纳的贡献,一再声称迈特纳只是自己的实验助手。

  哈恩的新助手斯特拉斯曼也认为“莉泽-迈特纳一直是研究小组的灵魂”。世界著名物理学家玻尔也正式写信给《自然杂志》,认为“这个成就应归功于迈特纳和弗里希。”

  这一切,都没有改变哈恩的坚持。他对迈特纳工作的否定,也让迈特纳难以接受。两个人在共事头15年里一直用“您”来称呼对方,最终断绝了任何联系。

  看到这里,谁又能否认,科学家没有名利思想?魔鬼可以钻进灵魂,邪恶可以扭曲人性,“诺贝尔奖”可以吞噬一切!

  此后,莉泽-迈特纳一直无缘诺贝尔奖,她成为最遗憾的奥地利女物理学家,这如今已成了科学史上最令人叫屈的事件之一。奥托-哈恩为此也受到一些人的责难。

  后来,奥托-哈恩等人又有了更为惊人的发现。但他一生中最大的贡献仍然是1938年和斯特拉斯曼一起发现“重核裂变反应”,它揭示了利用核能的秘密。

  1938年发现的“铀核裂变”现象,由于正处于战争时期,这个“铀核裂变”首先对人类社会进程最直接的影响就是建造了原子武器和原子能电站。费米在1942年建成了第一座原子反应堆,奥本海默领导了美国核武器制造。这两个人都是20世纪非常伟大的物理学家。1945年7月16日美国成功爆炸了第一颗,8月6日投向日本广岛的造成了大量的人员伤亡,核武器竞赛成为战后超级大国斗争的重心。这是哈恩在发现“重核裂变反应”时所没有料到的。

  事情至此,人们才深切的感觉到,科学发现是好事,但科学如果利用不当,也会带来严重的危害,如果核武器被所利用,毫无疑问会对人类的文明造成极大的危害。在霸权横行和恐怖活动泛滥的今天,控制和销毁核武器仍然是全世界爱好和平的人民面临的重大的任务。

  哈恩曾讲过这样的话:“我对你们物理学家们,唯一的希望就是,任何时候也不要制造铀弹。如果有那么一天,希特勒得到了这类武器,我一定自杀。”哈恩热爱和平,拒绝战争,不愿让纳粹政权掌握原子能技术,拒绝参与任何研究。

  1945年春他和海森堡等几位原子科学家因被怀疑帮助希特勒研制而被送往英国拘禁,哈恩因此没能去领诺贝尔奖。1946年初获释回德国后,担任威廉皇帝协会(1948年改名为马克斯-普朗克协会)会长,1960年后任荣誉会长。

  现在,有必要回顾一下奥托-哈恩的简历。奥托-哈恩(Otto Hahn, 1879~1968)是德国的杰出科学家,以研究元素同位素和放射化学著称。1879年3月8日生于法兰克福,1897年进入德国马堡大学,1901年在该校获得有机化学博士学位,1902~1903年在该校任助教。1904年去伦敦随拉姆齐学习。1905年去加拿大蒙特利尔协助卢瑟福工作。1906年在柏林大学工作,1910年成为该校教授。1912年担任威廉皇家化学研究所放射化学部负责人,1928年任所长。1946年任威廉皇家学会(现名马克斯-普朗克学会)会长。1968年7月28日病逝于哥廷根。

  星转斗移,沧海桑田。奥托-哈恩发现了“铀核裂变”,但他没能阻止制造,这不是他的过错。而他对迈特纳工作的否定,却引起了人们的非议。如何评价奥托-哈恩的“铀核裂变”发现?如何看待奥托-哈恩获得的诺贝尔奖?这可不是随意的事情。但我们可以确认一下事实:

  一、奥托-哈恩1938年末发现了“铀核裂变”,而不是莉泽-迈特纳。1934年,费米等人用中子照射铀,在生产人工放射性核素研究时已然到了发现“铀核裂变”的大门口,但却功亏一篑,终与“铀核裂变”擦肩而过,百年一遇的历史机会倏然而逝。虽然哈恩的灵感来自伊伦-居里的实验结果,但幸运之神却惠顾了他,谁的创造发明没有受到过前人的启迪呢?也许他们的实验方案仍然是莉泽-迈特纳在时共同制定的,但这时她已经离开哈恩实验室,连哈恩的实验助手也不是。哈恩继续否认迈特纳的贡献是有道理的。历史从来都是只承认结果,不承认过程。

  二、奥托-哈恩完成了“铀核裂变”的发现,却没有及时完成“铀核裂变”的正确理论解释和计算,也没有及时完成实验验证。虽然后来奥托-哈恩又经过多次试验验证,终于肯定了这种反应就是铀235的裂变,显然,这些都在迈特纳与弗里施发表论文并完成实验之后。其时,哈恩对新发现疑惑无解,他写信说“我很想知道你的意见”。一个完整的发现需要完成这样一个往返循环的过程:理论指导-实验发现-理论解释-实验验证-理论解释-实践应用。而莉泽-迈特纳及时的帮助哈恩完成了这些工作。正是迈特纳与弗里施的这一正确解释和计算,真正帮助奥托-哈恩打开了的大门。莉泽-迈特纳是哈恩的求助人,是一个合作者。她完成了理论解释和实验验证两部分。显然,哈恩继续否认迈特纳的贡献是没有道理的。

  三、无论奥托-哈恩和莉泽-迈特纳谁的贡献大小,都毫发无损 “铀核裂变”发现的重大意义。它是近代科学史上的一项伟大突破,它开创了人类利用原子能的新纪元,具有划时代的深远历史意义。从实际情况来看,哈恩和迈特纳30年的合作应该是珠联璧合,优势互补。迈特纳是物理学家,哈恩是化学家,一种新物质的发现,既需要物理方法,也需要化学手段,制定物理实验方案是迈特纳的优势,鉴别物种的化学性质是哈恩的优势。据说,是迈特纳力建哈恩选择“铀裂变项目”,他们共同研究了6年。哈恩实验中发现铀裂变却因缺少足够的核物理知识而无法做出正确解释,迈特纳把93号元素鎿239误认作稀土元素因缺少足够的化学知识而错过了一个新的发现机会,恰恰有力的证明了这一点。由此看来,后人呼吁“诺贝尔奖金”应当由哈恩和迈特纳共享也是有道理的!

  四、莉泽-迈特纳与哈恩、玻尔的论文通信完全是学术交流活动。一度有传闻说,是她把德国的铀秘密带到国外交给了同盟国,她甚至被美化成间谍英雄。这纯粹是无端揣度,别有用心。学术交流与间谍行为,黑白分明,毫不相干。如果说是迈特纳打开了通往的大门,但她也同时打开了通往和平应用原子能的大门。是制造还是和平利用,完全在于各国自己的选择。

  ——不承认莉泽-迈特纳的贡献是奥托-哈恩的过错,不授予莉泽-迈特纳诺贝尔奖却怪不得奥托-哈恩。即使哈恩承认迈特纳的贡献,后果也仍未可知。手捧“诺贝尔奖”的哈恩沮丧透了,事情怎么会弄成这样!就诺贝尔奖来说,哈恩是伟大的,迈特纳是遗憾的。这就是历史的魅力!

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