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1、美国“曼哈顿工程”与世界首枚原子弹的诞生糜克定的科学园 鉴于希特勒可能首先拥有原子弹，我签署了一封有西拉德起草给总统的信。要是我知道这种担忧是没有根据的，当初我就会同西拉德一样，不会插手去打开这只潘多拉盒子。因为我对各国政府的不信任，不仅限于对德国政府。很遗憾，我没有参与反对对日本使用原子弹的警告。这一荣誉应当归功于詹姆斯弗朗克。要是他们听了他的话，那就好了。爱因斯坦爱因斯坦文集三卷曼哈顿工程是是一项伟大的创举，它开创了科学、军事和工业的三位一体的“大科学”典范，具有领导统一、组织严密、分工明确、高效协调等优势，为成功提供了可靠的组织保证。同时，这也是一个生命、死亡和战争的疯狂竞赛。曼哈顿工程
2、揭开了原子能的神奇之谜，也第一次把最具破坏力的武器原子弹赋予了人类。第一部分：前期情况：理论与筹备 核裂变的发现与链式反应研究 原子弹的发展可以追溯到1905年，著名物理学家爱因斯坦发表了划时代的论文论运动物体的电动力学，提出了狭义相对论和著名的核动力公式E=mc2，为原子能的发现和利用奠定了理论基础。1938年意大利物理学家费米和德国物理学家哈恩、施特劳斯通过实验发现用中子轰击原子核就会产生核反应，这就是“裂变”。 匈牙利物理学家L西拉德最早考虑到了实现链式反应(核裂变反应)的可能性。他首先从理论上进行探讨，设想一个中子引起一个原子核的裂变，在核反应的产物中又会产生一个以上的中子，使核的裂变
3、反应继续维持下去，这样一来，原于核的裂变反应就象一根链条一样一环一环地持续下去。西拉德的设想，就是当时关于"链式反应"的雏型。理论计算表明，1克铀裂变释放的能量相当于燃烧3吨煤释放的能量，况且这么多的能量要在非常非常短的时问里集中释放出来，所以它具有十分强大的爆炸能力，其威力相当于20吨TNT炸药。这是十分惊人的！铀原子结构示意图，上为铀-235，下为铀-238德国物理学家哈恩和他的助手正在做实验核裂变反应过程的示意图曼哈顿工程的开端 最早注意到核裂变价值的是德国科学家，他们在核裂变研究中也处于世界领先地位。后来，率先研制出原子弹的却不是德国，主要原因就在于
4、法西斯的残暴把大批科学家“让”给了美国。1933年希特勒上台后，疯狂迫害犹太人，在国外访问的爱因斯坦的书也被称为“犹太人邪说”而遭禁，他因此定居美国。费米、波尔、格拉德等科学家也逃出纳粹魔爪，到达了大西洋彼岸。居里夕，把制造核弹必须的200升重水运到美国，而此时全世界其他试验室中的重水加在一起不过几升。就此，美国在核研究方面已有了最优越的人力物力资源。1939年初，丹麦著名的物理学家波尔从两位刚从德国逃亡出来的物理学家那里知道德国已经开始研制原子弹的确切消息，他立即前往美国，将这一消息告诉正流亡在美国的费米、西拉德等科学家，这些深知核能巨大威力的科学家对此忧心忡忡，他们知道如果纳粹德国抢先制造
5、出原子弹，那么人类就将面临史无前例的核灾难！ 西拉德担心德国造出核武器，便向美国政府提出应抢先研制，几乎没有这类知识的官员却将此建议视为天方夜谭。沮丧的西拉德等人只好找到爱因斯坦，说服他直接致信总统罗斯福，说明核裂变可制造出威力巨大的新型炸弹。他们的观点得到了爱因斯坦的支持。1939年8月2日，他们用爱因斯坦的名义写了一封致美国总统罗斯福的信件(由西拉德等起草)。罗斯福收到信件后，于1939年10月11日下令组织“铀矿顾问委员会”。经过周密的考虑，罗斯福后于1941年12月6日(即珍珠港事件发生的前一天)批准了研制原子弹的计划。这可以说是他一生中作出的最重要的一个决定，美国也是人类第一个核武器
6、研制计划正式开始了！ 美国核研究的负责人之一布什认为，只有给军队以最高的优先权，才能在战争结束前生产出核原料来。1942年3月9日，他在给罗斯福总统的报告中，强调了原子弹的光明前景，提出把全部的研制和生产管理移交给军队。6月17日，布什给罗斯福准备了一份将核计划全部交给军队领导执行的详细报告。罗斯福立即批复了布什的报告。在参谋长联席会议主席马歇尔的支持下，美国军方同意按原S-1委员会(科学研究与发展委员会OSRD，当时负责铀研究的主要机构)的建议，开始建设四种分别采用不同方法的铀同位素分离工厂和其他的研制、生产基地。尼尔斯玻尔，在当时几乎与爱因斯坦齐名，也是最早注意到纳粹核威胁的科学家爱因斯坦
7、署名、送交罗斯福总统的那封呼吁美国制造原子弹的著名信件弗兰克林罗斯福总统弗兰克林罗斯福总统在布什的报告上的批复军队把整个计划取名为“代用材料发展实验室”，指派美国军事工程部的马歇尔上校负责全部行动。由于马歇尔上校循规蹈矩，与科学顾问们又合不来，使研究计划优先权的升级和气体分离工厂地址的选择拖延了两个月。1942年9月，政府战时办公室和军队高层领导决定，由格罗夫斯上校接替马歇尔上校。格罗夫斯在赴任之前，被提升为准将。因为马歇尔上校的总办公室最初将设在纽约城，他们决定把新管区的名称命名为“曼哈顿”。于是，“曼哈顿工程区(或简称为曼工区)”就这样诞生了。美国整个核研究计划不久后取名为“曼哈顿计划”。
8、不久，加州伯克利大学的教授、著名的理论物理学家罗伯特奥本海默为技术总顾问。 曼哈顿工程中集中了大量的物理学家、化学家、工程师、军人和当地的居民。在此，我们不妨先介绍一下在发起、实施曼哈顿计划中起到了决定性的作用的几个人： 爱因斯坦与西拉德（Albert Einstein and Leo Szilard）：呼吁美国制造原子弹的西拉德后来反而成了抗议原子弹的主要力量。爱因斯坦没有真正参加曼哈顿工程，但他是启动曼哈顿工程的责任者之一和后来最强烈的抗议者之一。西伯格(Glenn T. Seaborg)：在曼哈顿工程中，西伯格领导钚生产技术的小组研究。他被称为钚之父。1951年他和麦克米伦(190719
9、91)因发现并研究钚等超铀元素而共获诺贝尔化学奖。1961年，他被任命为美国原子能委员会主席。费因曼(Richard P. Feynman)出生于纽约的费因曼是一个出色的物理学家和数学家，他有加速微积分的运算的天然才能。在24岁时参加曼哈顿工程，在他的指导老师贝特领导的小组工作，其任务是计算原子弹爆炸需要的裂变材料的数量。费米(Enrico Fermi)：费米1934年用中子轰击原子核产生人工放射现象，开始中子物理学研究。被誉为“中子物理学之父”。由于他在中子轰击方面尤其是用热中子轰击方面的成就，荣获1938年诺贝尔物理学奖。费米小组于1942年12月2日建成了世界上第一座铀石墨原子反应堆，从
10、实践上证明了链式反应理论的正确性，为原子弹的制造奠定了坚实的基础。奥本海默（Robert Oppenheimer）：由于其出色的组织才能，奥本海默被称为“原子弹之父”。罗伯特奥本海默 （J. Robert Oppenheimer）是美国犹太人物理学家，试制原子弹计划的负责人。莱斯里R格罗夫斯（Leslie R.Groves.）：为了不引人注目，美国总统秘密委托一位衔级不高的工程兵团建筑部副主任格罗夫上校(随后晋升为准将)负责试验区建设。格罗夫斯曾是1918年西点军校的第四批学员，参与建造过五角大楼。爱因斯坦与西拉德（右）在一起的情景坐在实验仪器旁的西伯格理查德费因曼恩里克费米“原子弹之父”罗伯
11、特奥本海默莱斯里R格罗夫斯陆军准将一张合影，左起：尼尔斯玻尔、奥本海默、费因曼、费米第二部分：曼哈顿工程的实施关键工程介绍 由于不知道铀235三种裂变方法哪种效果最好，只好采取三种方法同时进行，因此整个“曼哈顿工程”规模异常庞大，共分为十六个分支工程，其中关键工程有四个： 其一是费米领导的原子反应堆，1942年12月2日，在芝加哥大学建成了世界上第一座铀石墨原子反应堆。从实验上论证了链式反应理论，为原子弹的制造提供了可靠的基础。 其二是由佩汀领导的核反应材料工厂，先是在依阿华州立大学进行技术研究，后于1943年6月21日在田纳西州诺克斯维尔市东北克林顿镇建立了生产铀235工厂，所以称为“克林顿
12、工程局”，代号“橡树岭”（Oak Ridge）。该工厂招募的工人最高峰时达到8.2万人，原料是来自非洲比利时殖民地刚果的钒酸钾铀矿石，主要采取气体扩散和电磁分离两种方法从铀的天然存在形式中分离铀238和铀235。（电磁法是采用类似质谱仪的原理，利用铀235和铀238质量上的差异而使之在磁场中分离。气体扩散法则是根据轻的分子（像那些含铀235的分子）比含铀238的较重的分子容易、并较迅速地通过多孔障壁细孔的原理，于是把铀制成六氟化铀气体，使它通过4000次多孔障壁就能得到纯度为99的铀235。） 三是由西伯格博士领导的核反应材料工厂，主要通过反应堆生产核反应的另一种优良原材料钚，1943年2月2
13、8日在华盛顿州汉福德开始建设提炼钚的工厂，该厂招募的工人最高峰时也达到了6万人，至1945年7月已生产出60千克钚239。 其四是位于新墨西哥沙漠中的洛斯阿拉莫斯实验室，代号“Y计划”，这里既承担原子弹的总装任务，又负责原子弹的研制工作，是整个“曼哈顿工程”的核心，由奥本海默负责，实验室地址也是奥本海默亲自选定的。这里汇集了大批声名赫赫的科学家，因此洛斯阿拉莫斯实验室被戏称为“诺贝尔奖获得者集中营”。“曼哈顿工程”关键工程的地理分布示意图费米所领导建造的人类第一座原子反应堆铀同位素的电磁分离法（左）和气体扩散分离法（右）的示意图“橡树岭”地区的工厂建筑洛斯阿拉莫斯实验室可以看作是整个曼哈顿工程
14、的“总装车间”。曼哈顿工程的组织结构示意图，可以看到高层主管（包括美国总统）与各分部门之间的职权关系位于华盛顿州汉福德的钚工厂的主要设施之一：B反应堆工程实施经历 在当科学家和技术专家们与阻碍生产裂变物质的各种难题诸如铀矿石的来源、电磁分离器的导线等做斗争时，格罗夫斯将军和他的副官们也开始为建造大型工厂作准备。他们专门找荒凉偏僻的地方作为厂址。1942年9月，格罗夫斯他为“曼哈顿工程”购得了第一块土地，后来这里田纳西州橡树岭（Oak Ridge）建成了饱含电磁与气体扩散两种铀同位素分离装置的厂区。 接下来是芝加哥。1942年秋天，康普顿和费尔米正打算在芝加哥大学建造世界上第一个原子反应堆。经过
15、在安全问题上的据理力争，他们建议将反应堆实验室建造在大学的一个阴凉、通风的地下室里，位于废弃的斯塔格足球场西侧。 建造芝加哥反应堆是“曼哈顿工程”中最脏最累的工作。这个装置长10米、宽9米、高5.6米，形状如锥，内装52吨核反应材料，其中6吨是金属铀，另46吨是氧化铀。由一层铀一层石墨堆积而成，总共有57层，中间有洞，用来放置铀或铀氧化物的。堆中可以插入由镉制成的控制棒。为了建造它，技术员和技师们分成两组，每天24小时轮流摆放这些石墨砖块。一位科学家在轮班结束后，用力擦拭着粉尘大声说道：“如果人们知道我们花费了纳税人150万美元在干这种体力活，他们一定认为我们疯了！”田纳西州的厂区地图建设中的田纳西地区厂区1人类第一座核反应堆：CP-1的“尊容”建设中的田纳西地区厂区2建设中的田纳西地区厂区，上图中的工人正在为代号Y-12的电磁分离设备制造加速导轨人类第一座核反应堆：CP-1的“尊容”第十层正坐在反应堆顶端的一干专家建造CP-1情景的绘画再现，乍一看还以为是在建土坯房刚开工的CP-1反应堆。可以看到摆在地面上的带孔石墨砖此时的进度为第三层第十九层，人类第一座反应堆就是这样一层层堆出来的，怪不得叫反应“堆”1942年12
