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他发现了核裂变——哈恩 精选

已有 4743 次阅读 2022-12-2 17:41 |个人分类:外国人物|系统分类:海外观察

作者 高关中(德国汉堡)2022/11/13

1945年11月下旬,瑞典科学院正式宣布,将1944年度的诺贝尔化学奖授予德国科学家哈恩(1879-1968)。这一消息立即通过电台和报纸传向全世界。但他们怎么也联系不上得奖者本人。

这一年,原子弹第一次用于战争,投在日本广岛长崎。发明原子弹的是美国人,但诺奖评委会明白“核时代的奠基人”是哈恩。他在1938年发现的核裂变,为使用核能奠定了可能。

评委会不知道,这时,哈恩正被关押在英国伦敦附近的秘密拘留所里。与他关在一起的还有海森伯等科学家,他们被怀疑曾帮助过希特勒研制原子弹。经过调查,哈恩才洗清了嫌疑,被释放回国,到瑞典接受了诺贝尔奖。

1879年3月8日,奥托·哈恩(Otto Hahn)出生在法兰克福的一个玻璃工厂主家庭。他在一个相对封闭的环境里长大,生活中只有父母和两个兄弟。也许是孤独的生活激发了他的创造欲,他在15岁时对化学产生了浓厚兴趣,经常在自己家的洗衣房里进行简单的实验。1897年哈恩进入马尔堡大学攻读化学 1901年获博士学位。

1904年,他来到伦敦大学学院(University College London),在诺奖得主拉姆齐(Sir William Ramsay,又译拉姆赛,1852-1916,发现氦氖氩氪氙等气态惰性元素)指导下进修,在镭盐中分离出放射性钍。从此他便决心从事放射性的研究。1905年秋天,哈恩经拉姆齐推荐来到加拿大蒙特利尔麦吉尔大学(McGill University)物理研究所,师从著名科学家卢瑟福。在卢瑟福这位一生培养出12位诺奖获得者的化学大师身边,哈恩学到了许多东西。不久后他就发现了放射性锕,并与卢瑟福一起对放射性钍和放射性锕的射线进行了研究。哈恩早期的贡献主要在发现天然放射性同位素,为阐明天然放射系各核素间的关系起了重要作用。

1906年哈恩返回柏林后,在化学研究所任化学教授。1907年秋天,他遇到了来柏林访学的奥地利女物理学家莉泽·迈特纳(Lise Meitner,又译梅特勒,1878-1968),从此两人开始了长达30年卓有成效的合作,他俩共同发表了多篇有关放射化学方面的论文,在科学史上开创了由两个不同国籍、不同学科特长和不同性别的科学家长期合作、共同发展的范例。1917年他们发现放射性元素镤,后来又相继发现了好几种放射性蜕变元素。这个时期,哈恩的研究重点是把放射化学方法应用于各种化学问题。

20世纪30年代正是放射化学急速发展的时期,许多科学家都在这一领域辛苦钻研,渴望找到人工引发核嬗变的方法。从1934年开始,哈恩与莉泽·迈特纳(Lise Meitner)及其学生兼助理斯特拉斯曼(Fritz Strassmann,1902—1980)合作,发现了大量的放射性转化产物。

那时纳粹开始迫害犹太人,莉泽·迈特纳为躲避纳粹的疯狂迫害,逃离柏林到瑞典斯德哥尔摩避难。哈恩如失膀臂,但未放弃这方面的努力,他与助手斯特拉斯曼合作,又开始了新的尝试和探索。

当时的研究方法是,利用刚刚发现不久的中子做炮弹来轰击原子核。在用中子轰击周期表中许多种元素的原子核试验中,最初都像科学家所预想的那样,许多元素的原子核都吸收了一个中子,而衰变成周期表中下一个元素的原子核。那么当周期表中最后一个元素(原子序数为92的铀)的原子核吸收一个中子时,会产生什么现象呢?科学家们设想,可能产生新的、人们还不知道的超铀元素(即铀后面的新元素)。

1938年哈恩和助手斯特拉斯曼也做这个实验,发现用慢中子轰击铀核后产生了一些β-放射性核素。这样的试验意大利核物理学家费米也做过,但他不是化学家,无法精确分析这些放射性物质,想当然地认为产生的是超铀元素。但哈恩是经验丰富的放射性化学家,他和斯特拉斯曼在仔细鉴定核反应产物后,肯定其中之一是放射性钡(原子序数为56),它的原子核比铀轻得多,根本不是什么超铀元素。这与核物理家的预想是相矛盾的。

怎么解释呢?哈恩认为这是原子核的爆破,钡的原子量比铀少40%,而当时还没有任何已知的衰变会让质量有这么大的变化。但他不知道有关此结果对应的物理基础为何。于是哈恩写信告诉核物理功底深厚的莉泽·迈特纳,自己发现了用中子作用于铀得到放射性钡的事实。远在瑞典的莉泽立刻与她的外甥、物理学家弗里施(Otto Frisch,1904-1979)一起对这一惊人的实验结果进行研究。弗里施怀疑此结果,但迈特纳相信哈恩在化学上的专业水平。最后莉泽·迈特纳作出了理论解释,她在复信中明确指出:“这种现象可能就是我们当初曾设想过的铀核的一种分裂。”她和外甥联名在1939年1月出版的《自然》杂志上,发表了题为“中子导致的铀裂变:一种新的核反应”的论文。在这篇文章中,她提出了一个物理学上的新概念——核裂变,这个词是弗里施提出的,就像一个细胞分为两个细胞的裂变。在莉泽提出的理论中,裂变后的原子核总质量比裂变前的铀原子核质量小,这其中的质量差转换成了能量。她利用爱因斯坦的质能方程,计算出裂变过程中每个原子核释放2亿电子伏特的能量,这一研究成果奠定了原子弹和原子能研究的基础。

就这样,试验和理论结合,化学和物理结合,哈恩发现了核裂变现象,揭示了利用核能的可能性。迈特纳曾对此评论说,哈恩和斯特拉斯曼之所以能发现这一现象,是因为他们能做出非常棒的化学实验,在当时只有他们有这样的能力——成功地利用化学证明了一个物理过程。后来,哈恩经过多次试验验证,终于肯定了这种反应就是铀235的裂变(Uranspaltung)。核裂变的意义不仅在于中子可以把一个重核打破,关键的是在中子打破重核的过程中,同时释放出能量。他们还发现铀裂变时,不仅释放出巨大的能量,还会放出额外的中子,指出在裂变过程中会产生连锁反应。核裂变的发现无疑是释放原子能的一声春雷。哈恩成为撬开原子核的第一人. 他被誉为“核化学之父”。为此他获得1944年度的诺贝尔化学奖。他在领奖时提到了莉泽·迈特纳的理论贡献。1966 年,迈特纳与哈恩和斯特拉斯曼三人分享了美国原子能委员会颁发的费米奖(核物理领域的大奖)。也因为这一研究成果,迈特纳被称为“原子弹之母”。但当美国研制原子弹邀请她时,她坚决不去。而弗里施在 1940年设计了第一个原子弹引爆的理论机制并参加了美国的原子弹工程。这是后话。

在此之前的人们对释放原子能的争议中,怀疑论者还占上风,不少人以为能量这么低的中子不能击破原子核;要打破原子核,需要额外供给强大的能量,根本不可能在打破的过程中还能释放出更多的能量。而哈恩人工核裂变的试验成功,打破了这一旧观点,成为近代科学史上的一项伟大突破。核裂变的发现使世界开始进入原子能时代。因为哈恩的发现,核分裂的研究得以走向正确的方向而突飞猛进,成果之一,就是制造出原子弹。

当年纳粹政权也想制造原子弹,项目最终发展为三个部分:核反应堆、铀和重水(用作核裂变反应中的减速剂)生产,以及铀同位素分离。但哈恩早就坚决反对纳粹。曾勇敢掩护许多犹太科学家,并协助他们逃离德国,他深知纳粹德国一旦拥有原子弹的可怕,因此并未提供实质协助。而且德国在挪威的重水工厂也被盟军破坏,德国在二战中没能研制出原子弹。战争的最后,盟军各国竞相掠夺德国幸存下来的核子产业(包括人员、设施和材料),就好像他们抢夺V2火箭计划一样。就这样,哈恩被带到了英国,拘留起来。

1946年初哈恩获释回德国后,他积极参与重建威廉皇家学会(现名马普学会)并担任会长。1960年后改任荣誉会长。

1968年7月28日,哈恩在哥廷根去世,享年89岁。马普学会在讣告中说:“作为原子时代的奠基人,奥托·哈恩的名字将被载入人类史册……他将活在所有有机会见到过他的人的记忆中,他的工作将继续下去,我们怀着深深的感激和钦佩之情纪念他。”

的确,即使在哈恩死后,人们也并未将他遗忘,而是用各种方式纪念他:用他的名字命名核动力民用船,建立核研究所,设立奥托·哈恩奖(Otto-Hahn-Preis),授予化学、物理学和应用工程学领域的杰出贡献者。法兰克福在他的出生地竖起纪念碑,柏林辟有奥托·哈恩广场和纪念像,哥廷根命名了奥托·哈恩中学。

如今,核能已经在各项和平产业中发挥了重要作用,而哈恩那勇于探索的精神,坚强的性格,人道主义的责任感,科学发现需要被正确使用的信念,对和平的追求,也将永远被人们铭记于心。




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1 郁志勇

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