原子核裂变的发现:历史与教训——纪念原子核裂变现象发现60周年 | 《物理》50年精选文章
《物理》创刊于1972年,在特殊的年代里破土而出,蹒跚起步中经历了“科学的春天”,见证和记录了时代的前进步伐和中国物理学研究的繁荣历程。峥嵘岁月50载,《物理》在物理学界的广泛支持下,在作者们笔耕不息的勤勉奉献里,在读者们始终如一的热情关注中,经风历雨茁壮成长,众人用心血浇灌和滋养着《物理》以自己的姿态立于中国物理学发展之林。
2022逢《物理》刊庆50周年,我们精选了50篇文章,代表历年所有的作品,献给广大物理学工作者,以及正在学习物理学和对物理学感兴趣的朋友们。让我们重温品读,一起感悟物理科学的真谛,领略学科大家的风采。
|作者:何泽慧 顾以藩(中国科学院高能物理研究所)
本文发表于《物理》1999年第1期
■推荐理由
文章回顾了原子核裂变发现走过的一段弯路以及它所提供的生动教训,可以从中得到启发和借鉴。文章由与钱三强先生共同发现原子核三分裂和四分裂的何泽慧先生执笔写出,别有风味。
原子核裂变现象,作为本世纪的一项伟大发现,其科学意义以及对于人类社会的深刻影响早已得到充分评说。至于对这一发现过程本身,固然不乏当事人与知情者的回忆与反思,但多数侧重于对史料的查证梳理以及对有关人物具体贡献的估价方面,而缺乏深一层的剖析与检讨;对于如何从中汲取从事科学研究的有益教训,偶有涉及,总嫌未能尽意。
弗里施(O. R. Frisch,“核裂变”名称的首创者)的意见可能是最为全面、典型地概括了这种态度的。他在回忆时这样写道[9]∶“我认为任何读过它的化学家都可能认为它是毫无意义的,是吹毛求疵的批评,而读过它的物理学家可能更是如此,因为他们会说∶‘如果不能说出道理表明批评是正确的,那么批评又有什么作用呢?’ ”
原费米小组的成员阿马尔迪(E. Amaldi)作了比较具体的分析[1]。他说∶“两个原因,或者说,两个作为事后辩解的理由……是这样的。她的现已成为正确解释的建议表现为其目的更多地在于指出生成第93号元素的论点是缺乏严密性的一种猜测,而不是作为对观察结果的认真解释。这种意见看来为以下事实所支持,即她从来没有亲自或者和她丈夫一起去做他们肯定能够做的辐照铀的实验……此外,在那些年里,诺达克夫妇因为他们声称发现了第43号元素而有损信誉。”他又补充道∶“较之这些半有意识半下意识考虑更为重要的是,来自柏林及巴黎的对我们结果的证实,产生了费米和我们大家都相信的用超铀元素来诠释铀的疑案很可能是正确的效果。”阿马尔迪还说∶“因为诺达克提出了一个全新的反应形式,而费米及其合作组成员不愿意轻易地采纳一个未经证明的新现象,一个新的假设。”
原费米小组的另一位成员塞格雷(E. Segre)在总结这个小组当年的教训时则对诺达克的论文作出了恰当的评价[10]∶“如果我们中间的任何一个人真正把握了它的重要性,就会容易地在1935年发现裂变了。”阿马尔迪也承认∶“费米和我们所有人在这种情况下都过于保守了。”[1]
哈恩在这篇论文发表以前将结果寄给了那时已经流亡到瑞典的原合作者迈特纳。后者和她的外甥弗里施进行了深入的讨论,从物理上确认了铀核在中子作用下分解为两部分的反应形式,并在不久发表在《自然》(Nature)杂志上的文章[21]中首次使用了“裂变“(fission)这个名词。于是,哈恩和斯特拉斯曼在他们的下一篇论文[22](发表日期1939 年2月10日)中,一改上一篇论文的不肯定的保留语气,开始信心十足地根据核裂变的图像来报道他们的实验结果了。
现在回过头来重看上面这段持续了4年多的历史,在此期间实验上出现的各种疑难自然地消除了。原来观测到的许多放射性其实是核裂变的产物。当时正是因为将这些放射性物质和铀的附近元素(首先是超铀元素)硬凑到了一起,就不可避免地出现了重重矛盾。为了解决矛盾,不得不借助于三重同质异能素以及接连α粒子发射那样的奇特假设。后人指出[6,10],哈恩小组这几年里发表的一系列论文经常是正确与错误夹杂在一起,回过头去解读已不值得。在这些结果中,对于寻找超铀元素来说,惟有确认U239是半衰期为23 min的β发射体是一个肯定的重要结果[6]。
居里小组关于R3.5h的观测结果使研究出现了转机,而从转机出现到核裂变的最终发现仍然走了一段并不平直的路。正如当年发现中子那样,居里小组完成了关键性的实验,却错过了发现裂变的机会,其直接的原因固然是上面提到的钇镧相混的问题,而根本的原因还是囿于铀核的反应产物不能远离铀核的旧框框。哈恩小组进一步的努力,使其摆脱了超铀元素的束缚,却还是迟迟不能迈出“违反核物理的所有以往经验”的“这么大的一步”。只是面对不容改变的实验事实,才得以从旧框框中彻底解脱出来。
在总结核裂变发现的历史的时候,需要考虑到人们当时在核物理及化学方面的认识水平。这是阻碍人们走出误区的客观原因。
30年代对于核物理来说是一个最富创造性的历史时期。一系列重要发现接踵而至,人们对于原子核的知识有了长足的进步。特别是由于中子的发现,原子核的组成问题基本上得到了解决,对于核力性质也有了新的认识。对于原子核的总体性质进行的研究则表明∶原子核中每个核子的平均结合能自中重核起以至铀核是递降的;但是鉴于铀核的衰变在自然界中仅止于稳定铅核,人们不期望束缚在核中的全部核能能够释放出来。按照当时的认识,中子被核吸收之后最可能的一个退激方式是放出γ射线的辐射俘获过程;慢中子从核上敲出重粒子的过程仅见于轻原子核,而α粒子是可以设想逸出核势阱的最重粒子。30年代核理论是一些正在发展中的思想,还没有成为严密的体系。第一个成功的核理论当推伽莫夫(G. Gamow)建立的α粒子衰变理论[23]∶它解释了核的α衰变,却趋于否定核一分为二的设想。伽莫夫证明,一个比α粒子多出4个单位电荷的重粒子就不能穿越核的势垒。这种图像深刻地印在核物理工作者的头脑中,成为当时人们相信核只能转变为其邻近核的一个原因。伽莫夫还首先提出了核的液滴模型,但是,这个模型开始只是用在质量亏损的计算上面,后来才考虑到核的集体运动而用来讨论核的反应机制。在核裂变发现之前,没有人想到用它来预言核裂变现象。布赖特(G. Breit)、威格纳(E. Wigner)和玻尔(N. Bohr)在1936年提出了复合核模型[24],但是在这个模型形成初期,在预测核裂变的可能性方面,却并不比伽莫夫的α粒子衰变模型更强些。
那时的一些实验结果又似乎加强了上述的理论信念。在若干实验室中,曾经寻找过铀或钍用中子轰击后发射出来的大能量α粒子。实验时,为了摒除样品本身放出的低能α粒子,通常在探测器前面挡一张薄膜。这样做看起来没有问题,实际上却把核裂变产生的大质量碎片挡掉了。据称,苏黎世的一个实验组确实在探测器中观察到过大的电离脉冲,但他们认为这样的α粒子信号大得出奇,可能有误,因而没有发表结果[1]。
至于在化学方面的认识,30年代的周期表看起来是这样的∶
其中垂直组中的元素具有相似性质(例如碱土元素Ⅱ,稀土元素Ⅲ)。 当时元素钍(Th)、镤(Pa)和铀(U)分别排在了铪(Hf)、钽(Ta)和钨(W)之下,而超铀元素则位于过渡元素铼(Re)到铂(Pt)之下。当时费米、哈恩和居里小组都因此预期第93号元素的性质与第75号元素铼相似,这种认识是错误的。实际上,玻尔早在20年代就曾考虑过5f电子轨道的填充以及一个新的稀土族的形成[25](但是他没有从周期表的正确位置开始[10]);格罗斯(A. von Grosse)则曾于1934年指出第93 号元素可能与稀土元素相似[26];人们一直到40年代才确定89—103 号元素(96号后面的元素当时尚未合成)构成一个新的“稀土”系列,即锕系元素,与57—71号元素镧系对应,占据周期表中一个位置[27]。
在科学史上,新的正确的东西在开始的时候得不到人们承认而被看作是错误的东西的现象是常常发生的。即使像核裂变这样一个对于核理论发展仅有局部意义并不带来革命性变革的观念,从提出到为人们所接受,竟也经历了几年艰难的路程。从这里可以看到∶已经建立起来的理论和公认的权威既可能在科学探索的过程中起到指导和促进的作用,又可能成为束缚与压制科学发展的消极力量,而对于权威与理论的迷信则又对这种消极力量起到了推波助澜的作用。出现这种情况的原因,归根到底,在于传统观念、旧道德因素以及认识论方面的局限。科学工作者有必要自觉地树立起科学的世界观和方法论,敢于向传统和权威挑战,把自己从各种狭隘的限制和盲目性中解放出来。
从核裂变发现的历史,我们还可以在科学研究的基本态度与方法方面得到其他的启发和借鉴。
自然科学研究必须以实验事实为本,而实验工作者第一位的事是以老老实实的态度来采集实验数据,使之经受得起任何严格的推敲,并且客观无偏见地揭示其中的事实真相,然后坚持用实验事实去检验理论,而不是反过来以实验事实去迎合理论。但是实际上,我们经常会遇到本末倒置的现象,并且对之习以为常。这里说一个阿尔伐雷茨(L. Alvarez)举过的例子[30]。许多人知道,弱相互作用中宇称守恒破坏的实验证明是吴健雄(C. S. Wu)等在1957年首先实现的。但是,很少人知道,早在1928年考克斯(R. T. Cox)等曾经报道过他们观察到来自放射源的电子纵向极化的实验结果。那时理论家基于宇称守恒的考虑断定考克斯的结果是不对的;在他们的压力之下,考克斯从此不提这个结果(虽然他并未撤回已经发表的论文)。在见诸科学史的众多成功事迹背后,这种因理论“专政”而被扼杀的大小实验成果可能不在少数,当初迈特纳要斯特拉斯曼把他取得的钡的结果扔到废纸篓去就是一例。哈恩小组的教训正是在长时间内他们按照超铀元素假设的要求片面地采集实验数据并竭力将它们纳入旧的核反应理论框框中去。然而,哈恩终究是杰出的化学家,他和斯特拉斯曼以精湛的技术得到的实验数据本身是准确可靠的。一旦反复确证了裂变产物钡的存在时,他们坚持住了尊重实验事实的科学态度。
诺达克关于核裂变设想的遭遇向我们提出了一个应该怎样对待科学想象的问题。科学研究显然是需要想象力的。爱因斯坦说过∶“想象力比知识更为重要”[31]。为了延拓已有的知识领域以及用新的知识取代旧的知识,除了实验还需要猜想。一种猜想,不管是谁以什么形式提出,最终要看它是否符合实验事实。一个完整的过程应当是∶提出猜想,继之以理论计算及科学推论,而后与实验比较。但是,这整个过程并不必须由一个人来完成。历史上,不少著名的猜测曾经推动了科学前进的过程,泡利关于中微子的假设就是一例。然而中微子假说在提出时仅仅基于β衰变中能量守恒的要求,泡利自己既没有作进一步的理论计算,更没有提出任何可以证实中微子存在的实验方案建议。是费米在泡利提出假设的基础上建立了β衰变理论,是雷恩斯(F. Reines)和考温(C. Cowan)最后完成了自由状态中微子的实验证明。因此,人们实在没有理由对诺达克提出过分的要求,要求她在提出核裂变设想的同时去做理论上的分析和实验上的验证。
在实验研究人员中间,有时出现一种不恰当的认识。一些人认为∶产生重大应用价值成果的研究工作总是可以预先设想和规划的,而花钱愈多的大项目就愈是重要,得到的成果也会愈大。核裂变发现的过程和这种认识形成了鲜明的对照。我们看到,这个具有划时代意义的重大发现并不是一开始就有宏伟目标的,哈恩等人开展研究的起因只是为了弄清中子轰击铀出现的反应产物是否是超铀元素,而工作也只是两三个人利用简单的实验条件以标准的化学与物理方法进行着常常是重复性的实验操作。
诚然,现代科学领域的一些前沿研究需要借助于大型实验设备和复杂的实验条件,以期取得突破性的进展。然而,科学发展的历史经验告诉我们∶在很多情况下,常常是一些在当时看起来不起眼的研究工作导致了意义重大的发现,纯粹基础研究成果的长期积累最终打开通向应用的广阔道路,而刻意追求大的项目却未必总能带来等价的回报。在这个意义上,与实验条件相比,研究工作者的素养是更具根本重要性的。哈恩曾经谦虚地谈到自己幸运地成为核裂变的发现者。确实,在裂变发现过程中,不少人都有机会,但是哈恩之所以成为第一人,他的丰富经验、高超技术以及严格细致、一丝不苟的科学作风被公认是起了决定性的作用的[7,8]。
核裂变的发现已经过去60年了。回顾这段历史以及它所提供的生动教训,可以从中得到启发和借鉴,在科研工作中用来端正我们的态度,指导和改进我们的实践。
致 谢感谢王大珩、杨承宗、黄胜年、钱惠进对本文提出宝贵意见。
附录
论第93号元素1)
2) 指1934年本文发表前4个月。
《物理》50年精选文章
为答谢广大读者长期以来的关爱和支持,《物理》编辑部特推出优惠订阅活动:向编辑部连续订阅2年《物理》杂志,将获赠《岁月留痕—<物理>四十年集萃》一本。该书收录了1972年到2012年《物理》发表的40篇文章,476页精美印刷,定价68元,值得收藏。
详情请联系编辑部:
(010)82649029,82649277
目录
2.5埃分辨率胰岛素晶体结构的研究
中子弹是怎么一回事 ?
理论物理研究中应当正确对待的几个问题
晶体缺陷研究的历史回顾
相变和临界现象(Ⅰ)
相变和临界现象(Ⅱ)
相变和临界现象(Ⅲ)
我对吴有训、叶企孙、萨本栋先生的点滴回忆
凝聚态物理的回顾与展望
五次对称与准晶态
从高能物理学的发展看北正、负电子对撞机
声学与海洋开发
扭摆的故事一一简单的仪器与重要的成果
对21世纪物理学的发展的一点猜想
模型在物理学发展中的作用
国立西南联合大学物理系一一抗日战争时期中国物理学界的一支奇葩(Ⅰ)
国立西南联合大学物理系一一抗日战争时期中国物理学界的一支奇葩(Ⅱ)
原子核裂变的发脱历史与教训一一纪念原子核裂变现象发现60周年
我国半导体物理研究进展
回顾与展望一一纪念量子论诞生100周年
我的研究生涯
北永SARS疫情走势的模型分析与预测
中国理论物理学家与生物学家结合的典范一一回顾汤佩松和王竹溪先生对植物细胞水分关系研究的历史性贡献 ( 上 )
中国理论物理学家与生物学家结合的典范一一回顾汤佩松和王竹溪先生对植物细胞水分关系研究的历史性贡献( 下 )
为了忘却的怀念一一回忆晚年的叶企孙
从分子生物学的历程看学科交叉一一纪念金螺旋论文发表50周年
我与物理
美丽是可以表述的一一描述花卉形态的数理方程
外公丰子恺先生鼓励我学物理
爱因斯坦 :邮票上的画传
转瞬九十载
一本培养了几代物理学家的经典著作一一评《品格动力学理论》
介电体超晶格的研究
我国磁约水聚变研究的早期历史
趣谈球类运动的物理
朗道百年
以人之语 . 解物之道
软物质物理一一物理学的新学科
宇宙学这 80 年
熵非商一一the Myth Of Entropy
物理学中的演生现象
书山有路勤为径,悟后起修真功夫一一访赵凯华教授
普渡琐记一一从 2010 年诺贝尔化学奖谈起
我的学习与研究经历
后记
《物理》在淘宝店和微店上线,扫码即可购买过刊和现刊。
9.Heusler合金中的磁性相变材料
最新评论
推荐文章
作者最新文章
你可能感兴趣的文章
Copyright Disclaimer: The copyright of contents (including texts, images, videos and audios) posted above belong to the User who shared or the third-party website which the User shared from. If you found your copyright have been infringed, please send a DMCA takedown notice to [email protected]. For more detail of the source, please click on the button "Read Original Post" below. For other communications, please send to [email protected].
版权声明:以上内容为用户推荐收藏至CareerEngine平台,其内容(含文字、图片、视频、音频等)及知识版权均属用户或用户转发自的第三方网站,如涉嫌侵权,请通知[email protected]进行信息删除。如需查看信息来源,请点击“查看原文”。如需洽谈其它事宜,请联系[email protected]。
版权声明:以上内容为用户推荐收藏至CareerEngine平台,其内容(含文字、图片、视频、音频等)及知识版权均属用户或用户转发自的第三方网站,如涉嫌侵权,请通知[email protected]进行信息删除。如需查看信息来源,请点击“查看原文”。如需洽谈其它事宜,请联系[email protected]。