重核裂变的发现

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1、重核裂变的发现1919年卢瑟福继发现原子核后，用a射线轰击轻元素实现了轻原子核的人工转变。到了 三十年代初，查德威克在卢瑟福的理论指导下发现了中子，美国的安德 森发现了正电子，而约里奥-居里夫妇又在1934年发现了人工放射性。这些都是人们用 某种高速粒子作为“炮弹”打击原子所取得的重大成果。中子的发现揭示了原子核的内部图141费米结构，为发展核物理学提供了基本的实验事实。利用原子能的远景逐渐展现在人们眼前， 这个巨大的能源究竟怎样才能得到开发？人们亟待找到打开这个宝库的钥匙。费米 En rico Fermi1901-1954意大利罗马大学、美国哥伦比亚大学理论和实验物理学家1938年诺贝尔物理

2、学奖-因用中子辐照产生新放射性元素以及用慢中子引起核反应的有关发现1901年9月29日出生于意大利的罗马。父亲是交通部的一位稽查长。他从小就对数学物理有极大兴趣、酷爱读书，聪慧敏捷。十岁时，他就能从大人们的言谈中理解X2+y2=r2代表一个圆。14岁自学了代数、数学分析和几何学。他在学校功课超前，教师们觉得没有什么可教，就让他在实验室里自由做实验。17岁时，以优异成绩获取了比萨（Pisa）的皇家高等师范学院的奖学金，入学后， 费米得到了优良的学习条件，但也多为自学，一年内就掌握了量子理论和相对论。1922年他获得了比萨大学的博士学位。次年得奖学金到德国格丁根等大学学习。回国后当了罗马大学的理论

3、物理学教授，时年25岁。由于费米和其他一些物理学家的努力，罗马在三十年代成了世界上又一个崛起的物理学研究中心。1927年提出一种统计理论，几个月后狄拉克也独立地提出，被称为费米-狄拉克统 计理论，在微观世界有广泛的运用，是核物理学的理论基础之一。1933年底，费米又提出B衰变理论。1938年费米借口领取诺贝尔奖，逃离法西斯统治的意大利，经瑞典去到美国，在哥伦比亚大学任教。1944年他担任芝加哥大学核子研究所的教授职务，一直任职到 1954年。他 在研究所期间，注意力转到高能物理学方面，从事介子-核子相互作用问题的研究。以后 的几年中，费米从事宇宙射线起源问题的研究。1954年11月29日费米于

4、芝加哥逝世，终年仅54岁。） 建现的过程1932-1934年中子和人工放射性的发现，弓I起了费米的思索。他想到用中子作“炮 弹轰击原子核。前几星期，他们用卦-铍中子源辐照各种元素，都不见效果，显然 中子源太弱了。有一天，费米突然灵感上心，他决定用镭射气和铍作中子源来试试， 这样得到的中子源有可能强得多。他们从最轻的元素-氢开始，然后按元素周期表的 川顺序进行。一直到氟，终于得到了好结果。后面是铝，也出现了人工放射性。这就验证了约里奥-居里的发现。匚于是，费米在1934年3月25日写了第一篇通信交给科学研究杂志，题目叫：中子轰击下出现的放射性-I，从他的标题可以看出，他准备 对这一现象继续进行系

5、统的研究。工在以后的几个月中，费米小组发表了一系列实验结果。他们用中子辐照了大约68种元素，其中有大约47种产生了新的放射性产物。这些同位素 的生成，大大丰富了核物理学的信息资料，也为化学等学科的应用提供了更多的放射 源。匚1934年夏天来到之前，费米小组依顺序用中子轰击当时所知的最重的元素-铀（整），得到了放射性产物。他们测出这种产物的半衰期和化学性质；发现它不属于从铅到铀的那些重元素，和用中子轰击其他重元素的结 果不一样。这是一种异常情况，很使费米等人吃惊。应该说这就是重核裂变的最早证 据。可惜，费米在这个问题上作出了错误的判断。他们哪里会想到这是重核在中子的 轰击下分裂成了几大块，每块相

6、当于一种新的放射性产物，是原子序数比铀小得多的 某种元素的同位素。E-助打一他们猜想铀被轰击后产生的新物质可能是，再经B衰变转化为原子序数为93的新元素。不过，这种猜想还没有充分根据。1943年5月，费米发表了论文，报道实验有这样的迹象，并未作定论。可是，当时身为参 议员的罗马大学物理研究所所长柯比诺在意大利国王出席的林赛科学院会议上发言 时，却肯定为发现了第93号元素，结果引起新闻界大肆宣扬，吹捧这是法西斯主义 在文化领域的胜利。费米对此极为不安，郑重声明，尚须做许多精密实验，才能肯定 93号元素的生成。费米小组历经4-5年没有查清楚93号元素之谜，反而作出错误的决断。主 要原因是一直没有找

7、到充分的证据来说明超铀元素的假说不能成立。相反，更多的事 实对这一假说有利。欧洲好几个研究机构，特别是巴黎的居里实验室和柏林大学的化 学研究所都肯定了费米的实验。从比社、铀原子序数小的重元素类推，也支持超铀元 素的说法，所以几乎没有人对这个说法怀疑。后来还进一步“发现”好几种新的物 质，并“判定”它们是“超铀元素。及至1938年，原子序数比铀大的94号、95 号、96号和97号元素都相继被“发现”，超铀元素的说法已经得到科学界的公认， 甚至被当作新成就列进某些教科书的内容。后来判断，费米1934的铀实验结果是很复杂的，确也含有超铀元素的成分，不过费米测量的不是这一部分。 1934年10月，费米

8、小组又发现一新奇现象。阿玛尔迪等人正在辐照一块 银制圆筒，圆筒中间是中子源，整个装置又放在防护用的铅盒内。他们发现，银的放 射性随其在铅盒中的位置而变动。费米建议他们用轻质的材料试试，例如用石蜡。于 是他们把大块石蜡挖了个洞，把中子源放在里面，然后辐照银圆筒，没有料到银的放 射性竟增大了上百倍，这显然是石蜡的作用。他们再到水中实验，证实水也有类似的 作用。费米即时对这种现象作了解释，他认为是氢核（即质子）与中子的质量相 近，中子与氢核碰撞后速度大大减慢，因而被原子核俘获的机会增多，放射性的生成 就大大增加。特纳在一起工作认识到慢中子的作用，对重核裂变白发现提供了重要前提。J4三十年代在放射性化

9、学的研究方面居于 世界前列的有两家，法国的居里实验室和德国的柏 林化学研究所，他们都在研究人工放射性，对中子 弓I起的核反应进行着探索性的工作。他们通过大量 的放射性实验系统地整理出放射性物质的衰变规 律，其中也包括“超铀元素”问题。匚1937年，伊伦居里和她的助手沙维奇在用中子辐照铀盐时，发现了一个新现象，分离出来一种半衰期为3.5小时的成分，其化学性质很象镧。镧是稀土族元素中的第一名，原子序数为57。与它化学性质相近的重元素是锕（89Ac ）。他们初步判断，3.5 小时的放射性应属于锕。可是再进一步追踪，经过结晶分离，分离出了锕，出乎他们 意料，3.5小时的放射性不在锕中，镧的放射性倒是加

10、强了。他们本来可以从镧的出 现得出重核裂变的结论，因为已经接近解决问题的边缘，然而，他们没有迈出关键的 步，而是将实验结果作了客观报道，并且加了有倾向性猜测。他们写道：“用快中子或慢中子辐照的铀中，产生了一种放射性元素，半衰期为3.5小 时，其化学特性很象镧。它或许也是一种超铀物质。但是我们暂时未能确定它的原子序数。”J季现的突碾点20-30 年经过好些科学家多年的认真探索，1939年终于发现了重核裂变，这个过程错综复杂，既有偶然的机遇，也有观念的冲突。这些成果的取得起因于 代物理学家和化学家对核现象的长期研究。重核裂变是首先用化学方法作出发现的，重核裂变之所以首先在核化学领域中得到发 现，还

11、是应归功于化学分析的高度精确性，当时物理手段还很难达到这一水平。匚事科学史卸影曾原子核裂变的发现和原子能的利用是20世纪物理学发展的又一里程碑。重核裂变的实验验证认识到了重核裂变的可能性，在人们精心设计的条件下，用物理实验方法验证重核裂变的发生 就很简便了。当时用物理方法研究重核裂变现象的途径大致有四种：1. 用游离室记录裂变后产生的带电碎片所弓I起的巨大电脉冲。铀在正常辐射中发出的a和口粒子也会引起游离室游离，但比起裂变碎片来要小得多。所以，当中子源（例如：镭和铍在一起）靠近铀时，就有可能从示波器观测到裂变现象。哥伦比亚大学用的就是这种方 法。其实，（后来才知道）最先是哥本哈根的弗利胥用游离

12、室观测到了重核裂变。不过，他不是用电子示波器，而是用机械示波仪。他在发“裂变之后不久，就作出了这个实验。2. 迈特纳曾建议：取一块金属板置于铀层附近用中子轰击铀使之裂变，有可能在金属板上残留下轻元素的原子。美国加州贝克利分校的麦克米伦（E.McMillan ）采用了她的方案。具体做法如图14.3。在纸板上涂一层极薄的铀，靠着纸板平行地放着一叠铝箔，暴露在回 旋加速器的中子源前，然后分别测量各片铝箔的放射性。经两小时的轰击后，测量所得曲线如图 14.4。来mu昭 的中f 4:图14.3裂变片沉积在各层铝箔上IU UK L2 Ld 2.0 2,4 2.8 5J 如吸收於度(空气当待J米) 图14.

13、4铀裂变碎片引起的放射性曲线法国的约里奥也用这一方法观测到 了裂变现象。3. 用威尔逊云室直接观测，可以把裂变碎片的径迹拍成照片。加州大学的考尔松 ()和邵恩通()1939年2月用这一方法观察到了铀核裂变。他们把UO3涂在胶棉薄膜上，和中子源一起放在云室中。885张照片中有25例显示两根重粒子径迹，从薄膜的同一点沿相反方向反冲。4. 用X射线标识谱分析技术。这个方法是从莫塞莱在1914年创立起就用于鉴别元素的内层结构，对于检验元素的周期性，起过重要作用。从1938年起，加州大学的阿贝尔森(PAbelson)用这个方法鉴别铀受中子辐照后的生成物。他的目的是要经X射线标识谱来确定半衰期为72小时的

14、一种未知的“超铀元素。如果真是超铀元素，其K谱系谱线波长相应的能量应比铀的高。可是实验结果却低得多。这本来足以证明生成 物不是超铀元素，而是某种中间元素。可是阿贝尔森并不死心，而是准备试着把这一谱 线归属于L谱系。他正在为难之际，裂变被发现了，他得知这一消息，马上明白了自己遇到困难的原 因。他发现，原来他的生成物是53号元素碘的同位素。于是他的工作成了重核裂变又一个有力的实验验证。从这一事例可以说明，只要认真做下去，即使没有核化学的发现 在前，物理学家迟早总会用物理方法直接观测到重核裂变的。当然，观念的改变越早，这项工作的进 程就会越顺利。1938年，一位德国物理学家，名叫德罗斯特(G.v.

15、Droste)，他在用游离室观测铀和社在 中子轰击下所产生的a粒子时，就有机会观测到裂变。当时他为了防止铀和社的天然放射 性所发射的a射线干扰实验，特意在铀和社上仔细覆盖了一层很薄的金属箔。这层箔正好 有效地隔绝了可能出现的裂变碎片。因为裂变碎片比他要找的a粒子大得多，带有更多的电荷，所以在金属箔中的行 程也短得多。德罗斯特由于过分的细心，反而失去了发现核裂变的机会。归根到底，还是 因为他没有往裂变的方向去想。可见，没有正确的物理思想作为指导，实验者常常会迷失 方向。铀核的三分裂在核物理学中，铀核的三分裂是一个很特殊的问题，也是一个颇引人注意的课题因为它的 研究有助于阐明核裂变的机理。几十年来，人们一直在关注这项研究的进展。我们引以为 豪的是，在铀核三分裂的发现中，炎黄子孙作出了卓越的贡献。他们是早年在居里实验室 工作的钱三强与何泽慧。& 1936年，钱三强毕业于北平清华大学物理系，入北平研究院当助理研究员，研究 课题是用照相术研究分子光谱。1937年经考试得中法教育基金会资助到法国留学。当时 的北平研究院物理研究所所长严济慈亲自带领钱三强去见约里奥夫人伊伦居里教授，介 绍他到伊伦居里教授主持的居里实验室做博士论文。同时钱三强还到约里奥教授所在的 法兰西学院工作，在约里奥教授的指导下研制威尔逊云室