原子彈發明的故事(上)

 張道穎

1

            二十世紀上半葉，1930年代後期，人類歷史進入一個紛擾不安的時代。

            希特勒控制下的德國併呑了奧國，控制捷克蘇台德區，歐洲大陸呈現山雨欲來之勢。納粹統治下的猶太人面臨了被驅趕到都巿裏的特別區域，進一歩被關進集中營的命運。

            這時期，原子物理學的研究也進入一個新的階段。當時在歐洲，主要有三個實驗室在做用各種粒子撞擊原子核的實驗。

            在義大利的羅馬，費米(Enrico Fermi) 發現用中子轟擊元素可以產生放射性同位素，他並發現經過減速的中子產生放射性元素的效率大為增加。費米因這些實驗得到1938年的諾貝爾獎。

            在法國的巴黎，朱利歐特 (Frederic Joliot) 和他的妻子艾琳居禮 (Irene Curie)（居禮夫人的女兒）亦在做類似的實驗。這對夫婦在1934年發現放射性元素可以用人工方法誘導出來，也因此而得到諾貝爾獎。他們隨後用鈾原子做實驗，經過中子的撞擊，他們認為得到了比鈾小一點的放射性原素。

            在德國的柏林，歐圖漢恩 (Otto Hahn) 和他的助手史特勞斯曼 (Fritz Strassmann)，也是用中子在打擊鈾的同位素。漢恩的實驗室本來還有一位女物理學家邁特納 (Lise Meitner)，因是奧國的猶太人，在希特勒合併奧國後，自覺處境危險，便於1938年夏天乘坐火車逃到荷蘭，再轉到瑞典。

 物理學家漢恩(Dr. Otto Hahn)

            漢恩和史特勞斯曼用中子打擊鈾原子，得到一種他們認為是「鐳」的放射性元素。既然認為這新產物為「鐳」，他們就必需把這產物分離出來，加以鑑定，以確認是 「鐳」。問題是那產量很低，不容易分離出來。他們於是決定用居禮夫婦分離鐳的方法，就是加入和鐳性質類似的元素鋇，讓鐳和鋇在混合在一起的狀況下一起沈澱 下來，然後再設法把鐳和所加入的鋇分開來。

            他們做到這一步時，發現這產物和鋇無法分開，進一步分析的結果發現：「這產物根本就是鋇，不是鐳」，難怪無法和加入的鋇分開。這是完全沒有預料到的結果！

             他們做了幾個重要的對照實驗（control experiments)， 確定他們得到的產物的確是鋇。這真是不可思議，因為鋇的原子量只有鈾的一半，而且實驗中所用的中子能量也不高，竟然使鈾變成只有一半大小的鋇。

            雖然漢恩無法解釋他的結果，但是他瞭解到他的實驗可能是一項重大的科學突破。他和史特勞斯曼根據實驗結果寫了一篇論文，然後打電話給德國科學期刊 (Naturwissenschaften) 的總編輯，說他有重要的論文要發表，是否能在下一期的期刊登出來？

            這位總編輯回答說：「可以，但必須趕快送來，否則來不及。」

            漢恩把論文寄出去後，開始擔心起來。他想：「萬一實驗結果是錯的，怎麼辦？」他把一份論文原稿寄給當時正在瑞典的邁特納。

            他和邁特納在同一實驗室合作了二十幾年，認為應該把這實驗結果讓她知道。此外，他認為自己是位化學家，而邁特納是位物理學家，說不定可以提出一個更有力的理論，來解釋他們得到的結果。

 物理學家邁特納(Lise Meitner)

            然後，漢恩又擔心邁特納會覺得這實驗的結果太荒謬，而把論文丟進垃圾桶。當時他不知道的、也無法預料到的是，後來的發展竟是這篇論文改變了歷史和人類的命運！

            邁特納在聖誕節前兩天，在瑞典的一個滑雪的渡假旅館接到這篇論文。她的初步反應是：這怎麼可能？是不是漢恩把實驗做錯了？但憑她多年來和漢恩共事的經驗，她知道漢恩做實驗精確的程度，所以他是不可能犯這種錯誤的。但是如果漢恩是對的，這實驗結果又將如何解釋？

             她很快興起一些奇異前進的想法，急需與人討論，正好她的侄子符瑞希 (Otto Robert Frisch)即將到這渡假旅館，與她會合。符瑞希是一位年輕的物理學家，在丹麥哥本哈根的物理學家波爾 (Niels Bohr) 的實驗室做短期的研究，利用聖誕節假期到瑞典，與姨媽一起滑雪渡假。

            邁特納一見到符瑞希，便一直談漢恩的實驗結果。但符瑞希到瑞典，並不是要談物理，所以他一直設法擺脫他的姨媽，甚至在戶外滑雪時，也盡量不讓姨媽趕上。可是邁特納緊追不放，繼續談個不停。

            忽然間，符瑞希了解到他的姨媽在講些什麼了，兩人在雪地裡就開始談論漢恩的實驗結果，回旅館後又繼續討論。

            重點是鈾吸收了中子後，為什麼會分成兩半？

             他們認為鈾的原子核本來就不穩定，像一滴液體一樣，吸收中子後，表面張力的改變使原子核中間部份收縮，最後使原子核分裂為兩半。他們又發現在這過程中，原子核的質量會減少，可能就是這些質量轉變為能量，支持原子核分裂所需的能量。

            他們用愛因斯坦的質能互變公式去計算這些質量轉成能量的大小，發現他們算出的數值符合所需要的能量，於是決定把他們得到的結論寫成一篇論文，送出去發表。在這文章中，他們建議一些可行的實驗，可以用來檢驗他們的理論。

            符瑞希在假期結束後，回到哥本哈根，向波爾報吿漢恩的實驗結果以及他和邁特納所做的結論。波爾聽了，立刻大叫：「我怎麼沒有想到？」

            波爾實驗室有一位美國來的生物學家，聽了符瑞希描述的鈾核子分裂過程後，說：「這很像細菌細胞的分裂(fission)。」

            因此，「核子分裂（nuclear fission) ）這個名詞一直被人使用至今。

2

            波爾正好在三天後就啓程到美國，於是把這個消息帶到美國。他到了美國後，從首站紐約開始，無論在他所做的演講或在與物理學家的會談中，每次都提到漢恩的實驗結果和其隱含的物理意義。

            在法國巴黎，朱立歐特實驗室的人讀到漢恩和史特勞斯曼的論文後，反應是無比的震驚與懊惱。他們的實驗結果幾乎和漢恩的一樣，但他們認為其產物是比鈾稍為小的 同位素。這個誤導使他們得到錯誤的結論。朱立歐特甚至把自己關在辦公室內，幾天都不和人說話，因為他知道他錯失了一個科學上的大發現。

             這時期，有不少歐洲的科學家為了逃避希特勒的虐政，而移民到美國。其中最有名的一位就是愛因斯坦，另一位是義大利的費米。有人說，美國將成為全世界物理學的研究中心，因為物理界的教皇都已經搬家了。

             費米於1938年十二月到斯德哥爾摩領取諾貝爾獎後，便攜全家到美國，再也不回義大利。1939年一月十六日，波爾搭船抵達美國紐約港，費米和他的妻子蘿拉(Laura Fermi )到碼頭迎接，隨後立刻從波爾口中獲悉漢恩做出鈾原子分裂的消息。

             同時在紐約，也有一封電報在等著波爾。這電報是邁特納和符瑞希發的。他們向波爾報告已做了他們所提的實驗，結果和他們的理論吻合。

             費米和朱立歐特一樣，錯過了發現鈾原子分裂的機會，但他顯然不太在意。蘿拉後來寫了一本她丈夫費米的傳記，裏面記錄著她和費米的一段對話：「讓我看看是否了解你所說的，漢恩用減速的中子撞擊鈾原子…」

              「對。」

              「並且使部份鈾原子破裂成兩大部分。」

              「還是對的。」

              「鈾原子的行為在此狀況下都一樣？」

              「你的意思是什麼？」

              「我的意思是每一次用慢速中子打擊鈾，至少有一些鈾原子會分成兩半。」

              「沒錯。」

              「你在羅馬時，和你的朋友也是用慢速中子打擊鈾，如果鈾的行為是一樣的，那麼你已經使鈾產生分裂了，可是你們都沒有發現到。」       

              「確實是這樣。但是我們沒有足夠的想像力去想到受撞擊的鈾會有不同的分解過程，也沒有足夠的化學技術去分離鈾分解後的產物。」(待續)