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【名家说】!
前面我们已经分享一个伟大而又全面多才的爱因斯坦,
今天我们将继续跟大家分享——原子能的利用
这一节我们介绍潘多拉魔盒——核裂变的发现!
1994年5月,国际纯粹化学与应用化学联合会建议把第109号元素名Meitnerium,并与1997年正式命名,以纪念奥地利裔瑞典女科学家莉泽.麦特纳(1878-1968),以表彰她发现核裂变上的贡献。在核物理方面,迈特纳的贡献与居里夫人相比,但是长期以来因为性别的歧视,她总是被忽视,而科研成果又常常被她的男性上司和同事独占。第一次世界大战期间,她发现了第91号元素Pa,但是成果却被她的老板奥托.哈恩以第一作者的名义发表。1944年关于核裂变的诺贝尔化学奖也只给了哈恩一人,虽然今天大家认为按照贡献大小,次序应该是迈特纳、哈恩、斯特斯曼和弗里斯。后来迈特纳获得过三次诺贝尔奖提名,但最终仍未获得诺贝尔奖提名,但最终仍未得到诺贝尔奖。
图40-1 迈特纳(德国)
在迈特纳诸多可能获得诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖的工作中,最重要的贡献在原子核裂变方面。这项发现无论是在过去、现在还是未来,对世界的影响都是巨大的。而和很多发现一样,核裂变的发现也多少有点偶然。
在我们这个宇宙中,虽然有几乎无数种分子存在,但是构成它们的基本元素只有一百多种,其中还有不少元素是基不稳定的。同一种元素有着相同的质子数,从1排到119为止。在20世纪30年代,人类已知的原子数最多的元素是92号元素铀。既然不同元素的差异仅仅是在质子数上,如果给原子数少的原子增加一些质子,就应能得到原子数多的原子。科学家们用质子束(或者其他粒子束,比如@-粒子束)轰击原子,一些质子会撞击到被轰击元素的原子核,并粘在上面,从而产生元素的做法确实行得通,因此科学家们就在想,如果给当时已知原子数最大的又增加一些质子,岂不就能创造出新的元素了?德国的迈特纳、哈恩和意大利的恩里克.费米等人都想到了这一点。1934年,费米宣布实验成功,他发现了第93、94号元素,并获得了1938年诺贝尔物理学奖。但是也有人质疑费米发现的是否为新元素。迈特纳和哈恩决定重复费米的工作。在前面关于科学道德方法一章中,我们讲到重复别人的实验是新的研究工作的起点。但是一年多来他们做了上百次的实验却一直未能成功,而他们回过头来对原子数较低的元素做类似的试验却能够成功。后来证明费米发现的并不是新的93号元素镎。不过,也没人能解释为什么到了铀这里,原子数就加不上去了。
到了1938年,哈恩和迈特纳想到了一种可能性,会不会是铀衰变成了原子数更小的一种放射性元素镭?如果是这样的话,就能解释为什么得不到比铀原子数更大的元素。于是,他们决定检测具有放射性的镭的存在。可是,还没等他们开始实验,希特勒就开始迫害和驱除犹太人,具有犹太血统的迈特纳只好逃亡瑞典。哈恩只得独自进行他们伟大的实验了。
迈特纳到了瑞典后,那里不仅实验条件和德国无法相比,而且她的新主管曼内.西格巴恩对她也不是很感冒,因此她基本上无事可做。哈恩在德国的实验也不顺利,他给莉泽. 迈特纳寄去一封长信,其中记述了他实验失败的过程。原来哈恩用一束中子流去轰击铀,连镭雕的影子也没见到,却探测到了很多钡—一种原子数相对较小的非放射性元素。他希望迈特纳能帮他 解释这其中的原因。
这时正值圣诞节期间,迈特纳的外甥奥托.罗伯特.弗里施来到斯德尔摩和她一起过圣诞节。弗里施发现迈特纳正在读哈恩寄来的信,信中描述了用中子轰击铀却发现了钡这件怪事,于是便和迈特纳一起思考这件事。弗里施的第一反应是哈恩搞错了,因为钡原子的质量只有铀的60%左右。虽然当时物理学家和化学家都知道具有放射性的“大”原子会丢掉几个质子和中子衰变成“小一点”的原子,但是从来没见过一个原子一下子“小了”40%左右。但是迈特纳深知哈恩的化学功底深厚,绝不会犯这样低级的错误。看着窗外从房顶冰柱上滴下来的水滴,忽然她想到了伽莫夫和波尔的一种不成熟猜想,“或许原子并不是一个坚硬的粒子,而更像一滴水“,一个念头从她心中一闪而过,或许原子这滴液珠一分为二变成更小的液珠了。
迈特纳和弗里施马上做实验,果然证实铀原子在中子的轰击下变成了两个小的多的原子“钡”和“氪”,同时还释放出了三个中子。这是个了不起的发现,基本证实了迈特纳的想法。但是当他们清点实验生成物时又发现了新的问题,钡和氪加上三个中子的质量比原来的一个中子加上铀(U235)的质量少了一点。对于一个凡事“差不多就行”的人来讲,很可能不去追究少掉的这点质量。但是迈特纳是一个非常严谨的科学家,不肯放过任何一个细节,因此她必须找出质量丢失的原因。这时她想到了爱因斯坦狭义相对论里面那个著名的方程。爱因斯坦预测质量和能量可以相互转换。那些丢失的质量会不会真的转换成了能量?她按照爱因斯坦的公式就是那出丢失的质量产生的能量应该为200兆电子伏特。接下来她再次做实验,这次不是为了证实原子核可以裂变,而是为了测定能量。真的是200兆电子伏特!这和爱因斯坦预测的完全吻合,迈特纳兴奋不已。就这样她证实了核裂变的存在。
迈特纳和弗里施对哈恩的实验结果做出了理论解释,并以通讯的形式发表在1939年1月的《自然》杂志上,在这篇著名的文章里,迈特纳和弗里施一起提出了一个物理学上的新概念:核裂变。他们之所以用裂变这个词,是借用生物学种细胞分裂这个形象的比喻。这篇小论文一共只有两页,却又划时代的意义。在后面的章节中,我们还会看到,很多重大的的发现,论文都特别短。
今天就先跟大家分享到这里,明天我们继续为大家分享!
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