原子核裂变的发现:历史与教训——纪念原子核裂变现象发现60周年 | 《物理》50年精选文章
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2022逢《物理》刊庆50周年,我们精选了50篇文章,代表历年所有的作品,献给广大物理学工作者,以及正在学习物理学和对物理学感兴趣的朋友们。让我们重温品读,一起感悟物理科学的真谛,领略学科大家的风采。
|作者:何泽慧 顾以藩(中国科学院高能物理研究所)
本文发表于《物理》1999年第1期
■推荐理由
文章回顾了原子核裂变发现走过的一段弯路以及它所提供的生动教训,可以从中得到启发和借鉴。文章由与钱三强先生共同发现原子核三分裂和四分裂的何泽慧先生执笔写出,别有风味。
摘 要 回顾了原子核裂变发现走过的一段弯路,讨论了这段历史提供的启发和教训。
关键词 原子核裂变,历史,教训
1
原子核裂变现象,作为本世纪的一项伟大发现,其科学意义以及对于人类社会的深刻影响早已得到充分评说。至于对这一发现过程本身,固然不乏当事人与知情者的回忆与反思,但多数侧重于对史料的查证梳理以及对有关人物具体贡献的估价方面,而缺乏深一层的剖析与检讨;对于如何从中汲取从事科学研究的有益教训,偶有涉及,总嫌未能尽意。
2
弗里施(O. R. Frisch,“核裂变”名称的首创者)的意见可能是最为全面、典型地概括了这种态度的。他在回忆时这样写道[9]∶“我认为任何读过它的化学家都可能认为它是毫无意义的,是吹毛求疵的批评,而读过它的物理学家可能更是如此,因为他们会说∶‘如果不能说出道理表明批评是正确的,那么批评又有什么作用呢?’ ”
原费米小组的成员阿马尔迪(E. Amaldi)作了比较具体的分析[1]。他说∶“两个原因,或者说,两个作为事后辩解的理由……是这样的。她的现已成为正确解释的建议表现为其目的更多地在于指出生成第93号元素的论点是缺乏严密性的一种猜测,而不是作为对观察结果的认真解释。这种意见看来为以下事实所支持,即她从来没有亲自或者和她丈夫一起去做他们肯定能够做的辐照铀的实验……此外,在那些年里,诺达克夫妇因为他们声称发现了第43号元素而有损信誉。”他又补充道∶“较之这些半有意识半下意识考虑更为重要的是,来自柏林及巴黎的对我们结果的证实,产生了费米和我们大家都相信的用超铀元素来诠释铀的疑案很可能是正确的效果。”阿马尔迪还说∶“因为诺达克提出了一个全新的反应形式,而费米及其合作组成员不愿意轻易地采纳一个未经证明的新现象,一个新的假设。”
原费米小组的另一位成员塞格雷(E. Segre)在总结这个小组当年的教训时则对诺达克的论文作出了恰当的评价[10]∶“如果我们中间的任何一个人真正把握了它的重要性,就会容易地在1935年发现裂变了。”阿马尔迪也承认∶“费米和我们所有人在这种情况下都过于保守了。”[1]
3
哈恩在这篇论文发表以前将结果寄给了那时已经流亡到瑞典的原合作者迈特纳。后者和她的外甥弗里施进行了深入的讨论,从物理上确认了铀核在中子作用下分解为两部分的反应形式,并在不久发表在《自然》(Nature)杂志上的文章[21]中首次使用了“裂变“(fission)这个名词。于是,哈恩和斯特拉斯曼在他们的下一篇论文[22](发表日期1939 年2月10日)中,一改上一篇论文的不肯定的保留语气,开始信心十足地根据核裂变的图像来报道他们的实验结果了。
现在回过头来重看上面这段持续了4年多的历史,在此期间实验上出现的各种疑难自然地消除了。原来观测到的许多放射性其实是核裂变的产物。当时正是因为将这些放射性物质和铀的附近元素(首先是超铀元素)硬凑到了一起,就不可避免地出现了重重矛盾。为了解决矛盾,不得不借助于三重同质异能素以及接连α粒子发射那样的奇特假设。后人指出[6,10],哈恩小组这几年里发表的一系列论文经常是正确与错误夹杂在一起,回过头去解读已不值得。在这些结果中,对于寻找超铀元素来说,惟有确认U239是半衰期为23 min的β发射体是一个肯定的重要结果[6]。
居里小组关于R3.5h的观测结果使研究出现了转机,而从转机出现到核裂变的最终发现仍然走了一段并不平直的路。正如当年发现中子那样,居里小组完成了关键性的实验,却错过了发现裂变的机会,其直接的原因固然是上面提到的钇镧相混的问题,而根本的原因还是囿于铀核的反应产物不能远离铀核的旧框框。哈恩小组进一步的努力,使其摆脱了超铀元素的束缚,却还是迟迟不能迈出“违反核物理的所有以往经验”的“这么大的一步”。只是面对不容改变的实验事实,才得以从旧框框中彻底解脱出来。
4
在总结核裂变发现的历史的时候,需要考虑到人们当时在核物理及化学方面的认识水平。这是阻碍人们走出误区的客观原因。
30年代对于核物理来说是一个最富创造性的历史时期。一系列重要发现接踵而至,人们对于原子核的知识有了长足的进步。特别是由于中子的发现,原子核的组成问题基本上得到了解决,对于核力性质也有了新的认识。对于原子核的总体性质进行的研究则表明∶原子核中每个核子的平均结合能自中重核起以至铀核是递降的;但是鉴于铀核的衰变在自然界中仅止于稳定铅核,人们不期望束缚在核中的全部核能能够释放出来。按照当时的认识,中子被核吸收之后最可能的一个退激方式是放出γ射线的辐射俘获过程;慢中子从核上敲出重粒子的过程仅见于轻原子核,而α粒子是可以设想逸出核势阱的最重粒子。30年代核理论是一些正在发展中的思想,还没有成为严密的体系。第一个成功的核理论当推伽莫夫(G. Gamow)建立的α粒子衰变理论[23]∶它解释了核的α衰变,却趋于否定核一分为二的设想。伽莫夫证明,一个比α粒子多出4个单位电荷的重粒子就不能穿越核的势垒。这种图像深刻地印在核物理工作者的头脑中,成为当时人们相信核只能转变为其邻近核的一个原因。伽莫夫还首先提出了核的液滴模型,但是,这个模型开始只是用在质量亏损的计算上面,后来才考虑到核的集体运动而用来讨论核的反应机制。在核裂变发现之前,没有人想到用它来预言核裂变现象。布赖特(G. Breit)、威格纳(E. Wigner)和玻尔(N. Bohr)在1936年提出了复合核模型[24],但是在这个模型形成初期,在预测核裂变的可能性方面,却并不比伽莫夫的α粒子衰变模型更强些。
那时的一些实验结果又似乎加强了上述的理论信念。在若干实验室中,曾经寻找过铀或钍用中子轰击后发射出来的大能量α粒子。实验时,为了摒除样品本身放出的低能α粒子,通常在探测器前面挡一张薄膜。这样做看起来没有问题,实际上却把核裂变产生的大质量碎片挡掉了。据称,苏黎世的一个实验组确实在探测器中观察到过大的电离脉冲,但他们认为这样的α粒子信号大得出奇,可能有误,因而没有发表结果[1]。
至于在化学方面的认识,30年代的周期表看起来是这样的∶
其中垂直组中的元素具有相似性质(例如碱土元素Ⅱ,稀土元素Ⅲ)。 当时元素钍(Th)、镤(Pa)和铀(U)分别排在了铪(Hf)、钽(Ta)和钨(W)之下,而超铀元素则位于过渡元素铼(Re)到铂(Pt)之下。当时费米、哈恩和居里小组都因此预期第93号元素的性质与第75号元素铼相似,这种认识是错误的。实际上,玻尔早在20年代就曾考虑过5f电子轨道的填充以及一个新的稀土族的形成[25](但是他没有从周期表的正确位置开始[10]);格罗斯(A. von Grosse)则曾于1934年指出第93 号元素可能与稀土元素相似[26];人们一直到40年代才确定89—103 号元素(96号后面的元素当时尚未合成)构成一个新的“稀土”系列,即锕系元素,与57—71号元素镧系对应,占据周期表中一个位置[27]。
5
在科学史上,新的正确的东西在开始的时候得不到人们承认而被看作是错误的东西的现象是常常发生的。即使像核裂变这样一个对于核理论发展仅有局部意义并不带来革命性变革的观念,从提出到为人们所接受,竟也经历了几年艰难的路程。从这里可以看到∶已经建立起来的理论和公认的权威既可能在科学探索的过程中起到指导和促进的作用,又可能成为束缚与压制科学发展的消极力量,而对于权威与理论的迷信则又对这种消极力量起到了推波助澜的作用。出现这种情况的原因,归根到底,在于传统观念、旧道德因素以及认识论方面的局限。科学工作者有必要自觉地树立起科学的世界观和方法论,敢于向传统和权威挑战,把自己从各种狭隘的限制和盲目性中解放出来。
6
从核裂变发现的历史,我们还可以在科学研究的基本态度与方法方面得到其他的启发和借鉴。
自然科学研究必须以实验事实为本,而实验工作者第一位的事是以老老实实的态度来采集实验数据,使之经受得起任何严格的推敲,并且客观无偏见地揭示其中的事实真相,然后坚持用实验事实去检验理论,而不是反过来以实验事实去迎合理论。但是实际上,我们经常会遇到本末倒置的现象,并且对之习以为常。这里说一个阿尔伐雷茨(L. Alvarez)举过的例子[30]。许多人知道,弱相互作用中宇称守恒破坏的实验证明是吴健雄(C. S. Wu)等在1957年首先实现的。但是,很少人知道,早在1928年考克斯(R. T. Cox)等曾经报道过他们观察到来自放射源的电子纵向极化的实验结果。那时理论家基于宇称守恒的考虑断定考克斯的结果是不对的;在他们的压力之下,考克斯从此不提这个结果(虽然他并未撤回已经发表的论文)。在见诸科学史的众多成功事迹背后,这种因理论“专政”而被扼杀的大小实验成果可能不在少数,当初迈特纳要斯特拉斯曼把他取得的钡的结果扔到废纸篓去就是一例。哈恩小组的教训正是在长时间内他们按照超铀元素假设的要求片面地采集实验数据并竭力将它们纳入旧的核反应理论框框中去。然而,哈恩终究是杰出的化学家,他和斯特拉斯曼以精湛的技术得到的实验数据本身是准确可靠的。一旦反复确证了裂变产物钡的存在时,他们坚持住了尊重实验事实的科学态度。
诺达克关于核裂变设想的遭遇向我们提出了一个应该怎样对待科学想象的问题。科学研究显然是需要想象力的。爱因斯坦说过∶“想象力比知识更为重要”[31]。为了延拓已有的知识领域以及用新的知识取代旧的知识,除了实验还需要猜想。一种猜想,不管是谁以什么形式提出,最终要看它是否符合实验事实。一个完整的过程应当是∶提出猜想,继之以理论计算及科学推论,而后与实验比较。但是,这整个过程并不必须由一个人来完成。历史上,不少著名的猜测曾经推动了科学前进的过程,泡利关于中微子的假设就是一例。然而中微子假说在提出时仅仅基于β衰变中能量守恒的要求,泡利自己既没有作进一步的理论计算,更没有提出任何可以证实中微子存在的实验方案建议。是费米在泡利提出假设的基础上建立了β衰变理论,是雷恩斯(F. Reines)和考温(C. Cowan)最后完成了自由状态中微子的实验证明。因此,人们实在没有理由对诺达克提出过分的要求,要求她在提出核裂变设想的同时去做理论上的分析和实验上的验证。
在实验研究人员中间,有时出现一种不恰当的认识。一些人认为∶产生重大应用价值成果的研究工作总是可以预先设想和规划的,而花钱愈多的大项目就愈是重要,得到的成果也会愈大。核裂变发现的过程和这种认识形成了鲜明的对照。我们看到,这个具有划时代意义的重大发现并不是一开始就有宏伟目标的,哈恩等人开展研究的起因只是为了弄清中子轰击铀出现的反应产物是否是超铀元素,而工作也只是两三个人利用简单的实验条件以标准的化学与物理方法进行着常常是重复性的实验操作。
诚然,现代科学领域的一些前沿研究需要借助于大型实验设备和复杂的实验条件,以期取得突破性的进展。然而,科学发展的历史经验告诉我们∶在很多情况下,常常是一些在当时看起来不起眼的研究工作导致了意义重大的发现,纯粹基础研究成果的长期积累最终打开通向应用的广阔道路,而刻意追求大的项目却未必总能带来等价的回报。在这个意义上,与实验条件相比,研究工作者的素养是更具根本重要性的。哈恩曾经谦虚地谈到自己幸运地成为核裂变的发现者。确实,在裂变发现过程中,不少人都有机会,但是哈恩之所以成为第一人,他的丰富经验、高超技术以及严格细致、一丝不苟的科学作风被公认是起了决定性的作用的[7,8]。
核裂变的发现已经过去60年了。回顾这段历史以及它所提供的生动教训,可以从中得到启发和借鉴,在科研工作中用来端正我们的态度,指导和改进我们的实践。
致 谢 感谢王大珩、杨承宗、黄胜年、钱惠进对本文提出宝贵意见。
附录
论第93号元素1)
我们先来讨论费米的工作。费米研究了利用中子感生放射性的可能性。所谓感生放射性是居里与约里奥以α粒子轰击原子核而发现的。
费米将铍粉与镭射气(即氡气,第86号元素)一起放进一个玻璃容器中。氡气发射α粒子,当其打在铍核上时,中子得以释放出来。中子穿过玻璃容器壁后作用于放在附近的物质材料上。费米将一大批物质材料(包括处在元素状态的和化合物状态的材料),放到中子源近旁进行照射。经过辐照后的物质材料随即放在一个盖革计数管前面。发现许多元素在照射以后一段时间里发射β粒子,由此证实了感生放射性。我们不在这里讨论费米对其相当复杂的观察结果所提出的解释方案,我们感兴趣的只是他设想生成第93号元素的一个例子。为了研究铀的感生放射性,费米采用硝酸铀溶液,除去其所有放射性子产物,放到中子源附近。他用盖革计数管证明了溶液在辐照后变成放射性并发射β粒子。衰变曲线的分析显示∶生成了不止一个而是至少5个不同的放射性半衰期。费米强调,还不能确定各种放射性衰变究竟是顺序发生的还是平行发生的。
费米采用化学方法分离了某一新放射性元素,其半衰期为13 min。他的做法是将锰盐及浓硝酸加入到硝酸铀溶液中,然后加热至沸点并添加氯酸钠。结果发现所得的二氧化锰淀积物包含了差不多全部半衰期为13 min的β放射性元素.接下来费米试图证明相应于此β放射性的放射性元素不是任何与铀相邻的已知元素的同位素。为此,他将下列元素发射β粒子的已知同位素加入到硝酸铀的酸溶液中,它们是∶镤(91),钍(90),锕(89),镭(88),铋(83)以及铅(82)。如费米所说,当加入氯酸钠以淀积二氧化锰时,在淀积物中未见任何发射β粒子的此类同位素.鉴于未得认证的新放射性元素是同锰一起淀积出来的,并鉴于从其性质来看不可能是氡(86)或钫(87)的同位素,费米就断定它可能是未知的第93号(或者可能是第94或95 号)元素。
这种证明方法是不正确的。费米将新的β发射物不仅与铀的紧邻元素即镤进行比较,而且考虑了其他若干元素一直到铅为止。这表明他认为一系列接连的衰变(伴以电子、质子及氦核的发射)是可能的,这些衰变最终形成了半衰期为13 min的放射性元素。不清楚的是他为什么没有研究也处于铀(92)与铅(82)之间的元素钋(84),以及他为什么选择在铅上停下来。那种认为放射性元素组成一个终止于铅或铊(81)的连续系列的老看法正是前面提到的居里与约里奥的实验所否定了的。因此费米理应将他的新放射性元素与所有已知元素进行比较。从分析化学我们知道,许多元素,如果它们以化合物、原子或胶体存在于硝酸溶液中的话,会同二氧化锰一起淀积出来。
为了检验不同的元素在费米的淀积方法中是怎样表现的,我们配制了100 cm3 的55%硝酸溶液,其中含有几毫克处于不溶解状态或胶体状态的几乎所有稳定元素。在此溶液中加入200 mg硝酸锰,加热至沸腾,然后缓缓加入2g氯化钾(干燥)。接着将所得二氧化锰淀积物用化学方法及光谱方法进行检测,分析其中是否存在其他元素。检测结果发现淀积物含有下列元素∶Ti,Nb,Ta,W,Ir,Pt,Au和Si,它们在溶液中差不多以全部含量沉淀出来,而Sb,Pb,Bi,Ni和Co则淀积出部分含量。
如上面所指出的,费米也未曾研究钋(84)是否进入到了锰淀积物中。对镤所做的一个实验表明,这个元素确实几乎全部进入了MnO2淀积物中。所以,关于新的(13 min)放射性元素具有原子序数为93的证明是绝非成功的,因为费米采用的排除其他可能性的方法并没有进行到底。
人们可以同样假设∶在用中子来产生核蜕变的时候,会出现某些先前用质子或α粒子轰击原子核时所未曾观察到的全新的核反应。过去人们发现核的嬗变只是通过发射电子、质子或氦核时发生,因而重元素仅仅稍为改变其质量而形成邻近的元素。当重核受到中子轰击时,人们可以设想核破裂成为若干大的碎块,它们当然是已知元素的同位素而非受辐照元素的邻近元素。
发现新放射性元素与硫化铼一起从酸溶液中淀积出来的事实同样不能说明它就是第93号元素。首先,硫化铼很容易吸收其他物质。其次,有关93号元素性质的预言绝对不能肯定这个元素会形成一种在酸中稳定的硫化物。
此外,如果费米对其实验的诠释是正确的话,那么他没有给出的一个附加的必要结论是元素93的β衰变将会生成元素94。这个元素应当相对容易地与元素93在化学上分离开来。
在我们能够宣称元素93真正发现之前,还必须等待进一步的实验结果。如前面所提到的,费米本人对此是谨慎的,但是在一篇涉及他的实验的论文以及见诸报端的报道中,可以说结果已经确凿无疑了。
第二个有关发现第93号元素的报道来自考勃立克。按其报道,他在乔奇姆斯坦尔从焙烧的沥青铀矿的洗矿水中获得了相当数量的元素93...…
通过斯佩特博士的介入,考勃立克先生把他的两份样品材料寄给了我,要求就元素93的存在予以研究。化学分析与X射线谱两者均表明他的材料并不含有任何元素93,而是含有银、钒酸铊与钨酸盐的混合物而带有超量钨酸。在被告知这些情况后,考勃立克开始信服钨的存在并撤消了关于发现元素93的说法。这里就没有必要再去讨论考勃立克归因于设想中的新元素的那些反应了,因为它们都可以用钒钨混合物引起的反应得到解释。
不久前(1934年8月11日)来自美国的新闻报道了新泽西州的史密斯与斯坦贝奇成功地找到了原子序数高于铀的元素。但是所能获得的只是若干不太清楚的报纸报道,因此无法知道他们迄今为止做了些什么。
注:1)译自 Ida Noddack,Zeitshrift fur A ngewandte Chemie,47(1934), 653.
2) 指1934年本文发表前4个月。
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