一些科学纪念日庆祝的事件如此重大,以至于吸引了许多非科学家甚至整个世界的注意。
我们即将迎来这样一个周年纪念日。12月2日是第一个受控和持续核裂变链式反应的半十五周年(75周年)。就在德国科学家发现核裂变四年后,美国科学家迈出了利用核裂变的第一步。然而,其中许多科学家不是美国人,而是对希特勒感到震惊的移民,对他可能获得核裂变武器的前景感到恐惧。
在发起美国裂变努力的移民中,有阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)。在匈牙利移民利奥·西拉德(Leo Szilard)的帮助下,他在给美国总统富兰克林·罗斯福(Franklin Roosevelt)的信中对核裂变的爆炸潜力发出了警告。1939年10月,罗斯福在爱因斯坦的信中宣布启动“曼哈顿计划”,最终制造出原子弹。是另一位来自意大利的移民恩里科·费米(Enrico Fermi)率先证明了制造原子弹是可能的。
费米于1939年1月抵达美国,就在他获得诺贝尔物理学奖后不久,因为他在创造比铀更重的人造元素方面的工作。除了他实际上没有这样做——他的“新元素”实际上是由铀原子核分裂产生的熟悉元素。但是没有人知道裂变是可能的,所以费米误解了他的结果。1938年,在德国工作的化学家奥托·哈恩(Otto Hahn)和弗里茨·施特拉斯曼(Fritz Strassmann)进行了实验,用中子轰击铀,产生了钡元素。因此,哈恩和斯特拉斯曼因发现了裂变而获得了荣誉,尽管他们也不知道自己究竟做了什么。正是哈恩的前合作者莉丝·梅特纳(Lise Meitner)发现,他们已经分裂了铀原子核。为 了躲避纳粹的反犹主义,梅特纳最近离开了德国。
在新墨西哥州阿拉莫戈多进行的第一次核试验
持续裂变链式反应在芝加哥的成功,导致了新墨西哥州阿拉莫戈多的第一次核弹试验1945年7月16日(如图),以及结束第二次世界大战的炸弹。
美国能源部
迈特纳的侄子奥托·弗里施(Otto Frisch)向世界顶尖的原子物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)透露了她的见解,当时玻尔正要登上一艘船去美国访问。一到美国,玻尔就把哈恩的实验和迈特纳的解释告诉了费米和普林斯顿大学的物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒。费米立即在哥伦比亚大学开始了进一步的实验工作,研究裂变,西拉德也在哥伦比亚大学(以及欧洲其他大学)进行了同样的研究;玻尔和惠勒从理论上解决了这个问题。
费米和西拉德很快成功地证明了裂变“链式反应”在原则上是可能的:铀原子核裂变释放出的中子可以引发更多的裂变。到9月,波尔和惠勒已经完成了一项彻底的理论分析,解释了裂变过程背后的物理原理,并确定了铀的哪一种同位素最容易裂变。很明显,关于裂变潜在能量的最初推测并没有被夸大。
“世界各地的许多人几乎立刻想到,它可以用来发电,也可以用来制造核爆炸,”另一位参与曼哈顿计划的移民、德国物理学家汉斯贝特(Hans Bethe)在1997年接受采访时告诉我。“很多人证实,当铀受到中子,尤其是慢中子的轰击时,会发生一个释放大量能量的过程。”
在康奈尔大学工作的Bethe并没有立即加入核裂变项目——他认为制造一枚核弹需要太长时间,对二战没有太大影响。“我认为这与战争无关,”他说。“所以我选择了雷达。”
费米虽然是移民,却被派去负责建造一个“原子堆”(现在的核反应堆)来验证链式反应理论。毕竟,他被广泛认为是世界上领先的核实验家(作为一个理论家,他也不是个懒汉);同事们称他为“教皇”,因为他被认为是绝对正确的。该桩的建造始于芝加哥大学足球场看台下的壁球场。其目标是证明产生连锁反应的能力,在这种反应中,任何一个正在裂变的原子核都会释放出足够的中子,触发更多的原子核裂变。
“费米几乎立刻就明白,要用天然铀来做这件事,你必须减慢中子的速度,”贝斯说。
费米认为减缓中子速度最好的材料是石墨,石墨是一种通常用作铅笔铅笔芯的碳。但在初步试验中,石墨的含量为n