这个改变人类命运的发现，凝聚了多位诺奖得主的心血

学术 2024-10-10 10:01 北京

核能对于人类是一柄双刃剑：核能的和平利用为人类解决能源问题提供了一条出路；曾经杀死至少十几万人的核武器却又让人类始终感受着末日的威胁。核能的出现，源自重核的裂变与相关的链式反应。1938年12月，铀核裂变被确认，为人类进入核能与核武器时代开启了大门，并最终导致原子弹的面世。实际上，重核裂变的发现经历了曲折的过程。这里面有哪些惊心动魄的故事？

撰文 | 王善钦

1945年8月6日，代号为“小男孩”的原子弹在日本广岛上空爆炸。虽然它的弹芯只有64千克浓缩铀，却摧毁了大半个城市，瞬间杀死数万人。而在这个过程中，整个炸弹的质量损失不到1克。

研制威力巨大的原子弹，消耗了“曼哈顿计划”的十余万人的努力，但其基本原理——重核裂变——却是以歪打正着的方式被发现的。

核能、原子弹与科幻小说

1903年，剑桥大学卡文迪许实验室的卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）与他的学生索迪（Frederick Soddy，1877-1956）通过计算，断言放射性物质衰变放出的能量是同样质量的物质的化学能的至少2万倍，甚至可能达到百万倍。1904年，索迪预言，放射性过程释放出的能量将来有可能被应用，甚至被制造为武器。他认为这样的武器可能改变人类的命运，乃至摧毁世界。

卢瑟福（左，1892年，21岁）与索迪（右，1921年，44岁）。丨图片来源：公共版权

卢瑟福与索迪的预见早于爱因斯坦提出相对论以及与之关联的质能关系式。因此，人类对原子能的认识早于相对论与质能关系式的诞生（1905年）。当然，后来物理学家在解释核能时还要用到爱因斯坦的公式。

受索迪观点的启发，英国科幻作家威尔斯（Herbert Wells，1866-1946）于1913年写了科幻小说《使世界获得自由》（The World Set Free）。在这本书中，“原子弹”（atomic bombs）这个词组首次出现。作者想象在1956年英、法、美与德国发生世界大战，手提包内的一颗原子弹就足以毁灭半个城市，这些原子弹被投到世界所有的重要城市，持续的放射性导致持续的大火，造成巨大破坏。

威尔斯（1920年）丨图片来源：George Charles Beresford

威尔斯“预测”的原子弹，原理是内部放射性物质通过持续的放射性衰变释放能量。然而，人们在此后证明，无法仅通过物质的放射性衰变大规模获取核能并将其制造为武器。这样的“原子弹”只能算是放射性污染物，而不是炸弹。

导致原子能利用与原子弹爆炸的基础是重核裂变以及与此相关的链式反应。在重核裂变被发现之前，人类先发现了轻核裂变，并实现了人工放射性。

轻核裂变

1932年，卡文迪许实验室的考克饶夫（John Cockcroft，1897-1967）和沃尔顿（Ernest Walton，1903-1995）用粒子加速器加速质子，并用其轰击锂7，二者碰撞后，分裂成两个α粒子。这个过程被称为“分裂原子”（splitting the atom），它首次实现了原子核的裂变。

考克饶夫（左）、卢瑟福（中）和沃尔顿（右）。丨图片来源：公共版权

考克饶夫和沃尔顿还发现，这个过程产生的质量亏损与释放的能量符合爱因斯坦的质能关系式。二人因此于1951年被授予诺贝尔物理学奖。

1933年，卢瑟福做了一次演讲。他提到了考克饶夫和沃尔顿用质子分裂锂的工作，但他认为核能无法被大规模利用：“在这些过程中，我们可能获得比质子提供的能量多得多的能量，但总的来说，我们不能指望以这种方式获得能量。”

然而，在轻核裂变被实现的同一年（1932年），将来能够导致重核裂变的“利剑”已被找到了，此后它像幽灵一样在实验室飘荡了几年，人类最终发现了重核裂变。

中子

1920年，卢瑟福提出：原子核是由带正电的质子和带中性电荷的粒子组成。后者后来被命名为“中子”（neutron）。

1931年，德国物理学家博特（Walther Bothe，1891-1957）和他的学生贝克尔（Herbert Becker，生卒年暂不可考）发现，钋衰变释放出的α粒子轰击铍、硼或锂时，会产生一种穿透力很强的辐射，这种辐射不受电场力作用。他们认为这是伽玛射线。

1932年初，皮埃尔·居里（Pierre Curie，1859-1906）和玛丽·居里（Marie Curie，1867-1934）的女儿伊莲娜·约里奥-居里（Irène Joliot-Curie，1897-1956，以下简称“伊莲娜”）与女婿简·约里奥-居里（Jean Joliot-Curie，1900-1958，以下简称“约里奥”）也在实验中发现了这种辐射。伊莲娜与约里奥还发现这种中性辐射的能量很高：它们轰击石蜡或任何其他含氢化合物时，会敲出质子。他们依然认为这是伽玛射线。

伊莲娜与约里奥（1935年）丨图片来源：Ph. Coll. Archives Larbor

卡文迪许实验室的查德威克（James Chadwick，1891-1974）看到伊莲娜与约里奥发表的论文后，感觉难以置信。伽玛射线或能力更低的X射线在轰击电子时可以让电子偏转（“康普顿效应”），但质子的质量是电子质量的上千倍，如何能够被伽玛射线从原子核中敲出去？查德威克是卢瑟福学生，早就知道卢瑟福关于中子存在的假设，因此很自然地猜测这些中性辐射很可能是中子。为了尽快确定这个猜测，他立即投入了紧张的实验中。

1932年2月，查德威克证明那些能量很高的中性辐射不是伽玛射线，而是一群质量与质子质量几乎相同的不带电粒子，这些性质与假设中的中子的性质相符，它们就是中子。

查德威克丨图片来源：诺贝尔奖官网（www.nobelprize.org）

查德威克很快意识到，比起带正电的α粒子与质子，用不带电的中子轰击原子核的效率将更高，因为它不受到带负电的核外电子与带正电的原子核的电场力影响。此外，获取中子也相对容易：让镭、钋之类的放射性元素衰变后释放出的α粒子轰击铍9，使其成为碳12，并释放出1个中子。

中子的发现与确认，为此后核物理学的发展起到关键作用。核物理学领域的泰斗贝特（Hans Bethe，1906-2005）认为：1932年之前的时代是核物理的史前时代；1932年，才进入核物理时代，因为中子在那一年被发现了。

由于发现并确认中子，查德威克获得1935年的诺贝尔物理学奖。博特、贝克尔、伊莲娜与约里奥都错失了这次诺贝尔物理学奖。

人工放射性

1934年1月，伊莲娜与约里奥发现，某些α粒子轰击（辐照）铝箔后，即使α粒子源被移除，铝箔依然存在放射性。在确定盖革计数器没有任何问题后，他们猜测：在这个过程中，α粒子与铝原子核结合为放射性的磷30，并释放一个中子，然后磷30衰变为硅30。

通过化学实验，伊莲娜与约里奥证明产物中确实有磷。这意味着稳定的铝原子核被人工转变为磷的放射性同位素。至此，他们发现了人工放射性。

人工放射性的发现是核物理学领域的一大飞跃。它使放射性元素不再仅限于那些重元素，而是可能扩展到整个元素周期表，人类可以通过人工手段制造出各种元素的放射性同位素。

当伊莲娜将自己通过人工方式获得的放射性物质展示给居里夫人时，这位伟大的物理学家与化学家为女儿与女婿的这个重要成就而深感欣慰，她激动地将手指伸入装有人工制造出的放射性磷的试管中（放射性很微弱，因此不会造成什么后果），感受这个珍贵的实验成果。伊莲娜回忆，这是她母亲最后一次如此兴奋。1934年7月，居里夫人因病去世。

伊莲娜在母亲玛丽的指导下进行研究。伊莲娜很早就开始跟随母亲研究放射性同位素，并发现天然放射性。她于1925年获得博士学位。丨图片来源：公共版权

1935年，伊莲娜与约里奥因为发现人工放射性而获得诺贝尔化学奖。

“超铀元素”之争

人工放射性被发现的消息传到意大利后，费米（Enrico Fermi，1901-1954）在团队成员维克（Gian Wick，1909-1992）的建议下，将研究重点从理论转向实验，并立即与团队准备实验设备，用中子轰击（辐照）各种元素靶子，以制造更多放射性同位素。

一开始，费米团队的实验总是不成功。后来他在靶子前放了石蜡。石蜡中的质子使快中子变为慢中子，使其有更多时间与原子核相互作用，极大地提高了实验效率。费米团队将当时已知的元素几乎全部轰击，获得了22种放射性同位素。

在费米团队轰击90号元素钍与92号元素铀时，他们发现产生的元素的性质与钍、铀非常不同。费米等人认为它们是第93号及第94号元素，即超铀元素。费米的结果很受同行追捧，许多团队纷纷跟进。

然而，德国化学家与物理学家诺达克（Ida Noddack，1896-1978）强烈质疑费米的结论。诺达克与她的丈夫（Walter Noddack，1893-1960）是稀土领域的杰出专家，他们与合作者在1925年发现了75号元素铼。

诺达克的照片，大约拍摄于1940年。丨图片来源：公共版权

诺达克发表了论文《论93号元素》（On Element 93），指出费米在分析反应产物时，只排除了铅以及比铅重的元素，而没有排除比铅轻的元素，因此无法证明产物就是比铀重的元素。只有把所有轻元素都排除了，才能证明产物是超铀元素。

诺达克认为，费米可能没有制造出新的、更重的元素，而是制造出已有的、更轻的元素，这些元素是铀分裂后产生的，她说：“可以想象，原子核会分裂成几个大的碎片，这些碎片是已知元素的同位素，不会是被辐照的元素[92号元素铀]的相邻元素[93号元素]。”

诺达克实际上预言了重核裂变的可能性。如果这个解释属实，那么费米实际上发现的是重核裂变。然而，诺达克没有铀，因此无法做这个实验，她也没有给出理论上的证明。此外，她当时只是一个“无薪合作者”，在学术界地位低下。更重要的是，当时科学界普遍不相信一个小小的中子可以击碎重核，使其分裂。诺达克这篇论文因此被当时的同行普遍嘲笑。

1935年或1936年，诺达克与她的丈夫请求德国著名化学家哈恩（Otto Hahn，1879-1968）在讲义或著作中提一下诺达克对费米的工作的批评。尽管此前他们就很受哈恩的关注，但哈恩还是明确拒绝了他们。因为哈恩认为诺达克的观点很荒谬，引用她的观点，只会让自己成为学术界的笑话。

风暴来临之前

哈恩不理会诺达克的要求是可以理解的，因为他当时也正在探索这个课题。

1934年，迈特纳（Lise Meitner，1878-1968）邀请哈恩跟进费米的研究。二人曾经长期合作，但这时两人已经有十几年没合作了。

哈恩一开始并不愿意重复费米的实验。不过，冯·格罗斯（Aristid von Grosse）对哈恩说，费米发现的可能是91号元素镤的同位素，而不是超铀元素。哈恩顿时对这个课题产生了兴趣，因此答应与迈特纳合作，以验证产物是质量更低的镤还是质量更高的超铀元素。

1912年，哈恩与迈特纳在实验室的合影。丨图片来源：公共版权

1935年，哈恩招聘了一个出色的助手——施特拉斯曼（Fritz Strassmann，1902-1980）。这样三人组如火如荼地开始了实验。

施特拉斯曼。丨图片来源：https://www.uni-hannover.de/en/universitaet/freunde-foerderer/alumni/geschichten/fritz-strassmann

从1934年到1938年初，三人组发现了10种以上此前未知的同位素。他们认为它们都是超铀元素的同位素，并“确认”出93到96号元素，确认了产物中的铀239并测出其半衰期为23分钟。不过，他们依然无法获得真正的93号元素以及更重的元素。哈恩和斯特拉斯曼改进了实验的化学过程，而迈特纳设计了新的实验。

这个时期，伊莲娜和来自南斯拉夫的物理学家萨维奇（Pavle Savić，1909-1994）也在跟进费米的实验。他们发现，铀被中子轰击后，产物中有一种半衰期为3.5小时的元素，它可能是90号元素钍的一种同位素。

萨维奇（1969年之前）丨图片来源：公共版权

哈恩等人认为这个结论很荒谬，它意味着慢中子轰击铀核，却可以敲出一个α粒子。此外，这篇论文没有充分肯定哈恩等人的贡献，哈恩对此很不满。哈恩三人组在此后的实验中没有发现这种半衰期为3.5小时的钍同位素。

1938年1月，哈恩写信给伊莲娜与萨维奇，指出他们的研究有误，希望他们撤稿。二人没有回信，而是继续进行实验。他们发现可以用57号元素镧作为载体，提取出这种元素。因此，伊莲娜与萨维奇在第二篇论文中宣布，新发现的同位素不是钍的同位素，而可能是89号元素锕的同位素。施特拉斯曼劝哈恩读一读这篇论文，哈恩拒绝，以示抗议。

1938年5月，哈恩在罗马召开的一次国际会议上遇到约里奥，私下对他说：“我是看在你妻子是女性的份上，才没有公开批评她。但她错了。”约里奥回到法国后，将哈恩的这个意见转达给妻子伊莲娜。

伊莲娜与萨维奇决定将继续做实验。5月，他们发表了第三篇与铀相关的论文。这次，他们确定中子轰击铀之后的产物，即新同位素，很像57号元素镧。二人不相信92号元素铀受到轰击后会失去那么多质子与中子，成为镧。因此，他们认为这是一种新的，极难解释的超铀元素。

1938年7月，迈特纳逃离了德国，辗转来到瑞典。从1933年开始，她长期处于被威胁的状态，由于她出身于犹太家庭，受到了希特勒种族政策的迫害。不过那时候她还是奥地利人，处境还没那么危险。1938年3月12日，德国吞并奥地利，迈特纳失去奥地利国籍，成为德国人，德国的种族法令开始对她生效，她的科研资助很快被停止，并处于极度的危险之中。为了避免更可怕的迫害，迈特纳从那时候就开始筹备逃亡，最后在7月侥幸逃离。

此后，哈恩与她通过信件交流合作。

1938年9月，伊莲娜与萨维奇在《法国科学院院刊》（Comptes Rendus）上再次发表他们最近的结果。根据施特拉斯曼的回忆，他在读了这篇论文后，确定伊莲娜等人不仅没有犯下任何错误，而且给出了一个正确的研究路径。他激动地跑到楼上，对哈恩说：“您一定要读这篇论文。”

哈恩抽着雪茄，傲慢地答复：“我对我们这位有交情的太太最近写的东西不感兴趣。”施特拉斯曼并未灰心，他坚持在哈恩面前叙述了伊莲娜等人论文的精华部分。哈恩听完被惊呆了。他把没来得及抽完的雪茄直接放在桌上，立即和施特拉斯曼一起去重复伊莲娜等人的实验。

这个故事有另一个版本（可能是哈恩提供的）：哈恩看到了伊莲娜与萨维奇的新文章后，强烈质疑里面的结论，并将其交给施特拉斯曼阅读，然后二者开始重复这个实验。

不论是哪一种情况，哈恩与施特拉斯曼在1938年秋天开始了分离元素的实验。

重核裂变

哈恩与施特拉斯曼以镧作为载体，来分离可能产生的锕之类的元素；他们同时以钡作为载体，来分离可能产生的镭之类的元素。他们很快确认出16种同位素，其中有3种是此前未知的。他们猜想这是镭的同位素。

11月10日，哈恩应玻尔（Niels Bohr，1885-1962）邀请，访问哥本哈根。他与玻尔、迈特纳和弗里施（Otto Frisch，1904-1979）讨论了这些结果。

玻尔（1922）丨图片来源：AB Lagrelius & Westphal

弗里施是迈特纳姐姐奥古斯特·迈特纳·弗里施（Auguste Meitner Frisch，1877-1951）的儿子。他是一名优秀的理论物理学家，曾经在德国工作，在1933年希特勒开始推行种族迫害政策时，嗅觉灵敏的他立即离开德国，前往英国，跟随布莱克特（Patrick Blackett，1897-1974）从事云室技术与人工放射性的研究。由于他的杰出才能，他又被玻尔招募到哥本哈根，跟随玻尔做研究（为期5年）。

弗里施参加曼哈顿计划期间的证件照丨图片来源：Los Alamos Laboratory

这次讨论没有得到突破。回到柏林后，哈恩继续做实验。经过多日的实验、测量与分析后，哈恩和施特拉斯曼于1938年12月16日与17日获得突破性进展，他们确认：那3种未知的同位素可以从其他所有元素中分离出来，但不能从钡的载体中分离出来，这意味着它们很可能就是钡，而不是镭。

钡是56号元素，比铀轻40%。当时认为铀通过失去100多个核子而转化为钡是不可能的，因为中子不可能有这么多的能量剥离走这么多核子。哈恩与施特拉斯曼遇到了当初伊莲娜与萨维奇一样的困境。

12月19日，哈恩写信给迈特纳，将自己最新的发现告诉她。信中说：“我们越来越接近一个可怕的结论，我们的镭同位素的行为不像镭，而是像钡……也许你能想出一些奇妙的解释。我们自己也意识到它（铀）不可能分裂成钡。现在我们想测试由‘镭’衍生出的锕同位素，它的行为不像锕，而是像镧。”实际上，此时哈恩已经倾向于认为铀被中子分裂。

通过贝塔衰变，镭会衰变为锕，钡会衰变为镧。只要判断出产物是锕还是镧，就可以判定出母元素是镭还是钡。哈恩和施特拉斯曼立即开始进行这个实验。

12月20日，哈恩打电话给《自然科学》（Die Naturwissenschaften）杂志编辑，将自己的发现告诉他，并希望对方能够加急安排他的论文发表。编辑答应将预定要出版的一篇论文推迟一期，为哈恩的论文腾出位置，条件是哈恩的论文必须在23日提交。哈恩安排一位打字员在22日敲出论文。

12月21日，哈恩和施特拉斯曼确定了实验结果：未知元素的衰变产物是镧，而不是锕。所以，那个神秘的同位素确实是钡的同位素，而不是镭的同位素。

这意味着，伊莲娜与萨维奇当时确认出很像镧的同位素，实际上就是镧的同位素，它是钡衰变后的产物；只不过他们当时不知道这一点，一直将其作为某种令人费解的超铀元素。

同一天（21日），迈特纳收到了哈恩19日写的信，她也被这个结果震惊了。她在回信中说：“目前，假设这样一个彻底的破裂，对我来说很困难，但在核物理学中，我们经历了如此多的惊奇，因此我们不能断然地说：‘这是不可能的。’”然后她告诉哈恩，自己23日开始就要到孔艾尔夫度假，为期一周。如果有新的信件，请寄到那里。

1906年（28岁时）的迈特纳丨图片来源：公共版权

虽然尚未收到迈特纳的回信，但两天前还摇摆不定的哈恩此时已经坚定了自己的信念：中子轰击铀之后，铀核的产物之一是钡，它在此后衰变为镧。为了避免伊莲娜与萨维奇也得到相同结论并抢先发表，哈恩已经迫不及待，他们要立即公布自己的结果。

21日，在尚未收到迈特纳回信时，他又写信给迈特纳，说他们确认产物是钡而不是镭，哈恩还提到，虽然他认为这个结果在物理学上是荒唐的，但不能继续保密了。论文将在明天或后天提交。并将寄一份副本给她。

12月22日，论文呈到编辑部。这篇论文没有署上迈特纳的名。当天晚上，哈恩将论文的副本寄给迈特纳，此时他还不知道迈特纳即将去度假。这篇重要的论文于1939年1月6日发表。

铀核为何会分裂？

12月23日上午，迈特纳按照计划离开斯德哥尔摩，前往孔艾尔夫。稍后，她的外甥弗里施来这里探望她。此时，迈特纳还不知道哈恩昨天投出了论文且论文中没有署她的名。由于论文副本与哈恩21日寄出的信都被寄往斯德哥尔摩，她在回到斯德哥尔摩之前也不可能看到信的内容。

在孔艾尔夫，迈特纳将哈恩19日发的信交给弗里施。弗里施看完后，不相信铀核被轰击后会产生钡，他跑出去滑雪。但是，迈特纳对弗里施穷追不舍，边追边说。弗里施被说服了，决定考虑铀核被分裂的可能性。

他们想到伽莫夫（George Gamow，1904-1968）于1935年提出、卡尔卡（Fritz Kalckar，1910-1938）和玻尔于1937年完善的液滴模型。这个模型假设原子核像一颗液滴。但卡尔卡与玻尔认为重核液滴很难破裂。弗里施曾经与卡尔卡相处过（见下图；卡尔卡于1938年逝世，年仅27岁）。

从左到右：普利斯特（Milton Plesset，1908-1991）、玻尔、卡尔卡、特勒（Edward Teller，1908-2003）与弗里施。1934年1月到8月，特勒以访问学者身份在哥本哈根与玻尔合作，因此这张照片应该拍摄于这个时期。丨图片来源：AIP Emilio Segrè Visual Archives, Wheeler Collection

在液滴模型的框架内，弗里施与迈特纳合作进行了计算。他们发现铀原子核的电荷大到足以几乎完全克服表面张力束缚，因此处于濒临破裂的状态，仿佛一颗不稳定的水滴。中子的敲击会导致铀核变为椭球形，然后其“腰部”变细，接着从“腰部”断开，分裂为两个小“液滴”。

重核裂变的液滴模型。丨图片来源：Hullernuc

他们还计算出这样的分裂会释放出200 MeV（1 MeV=1.6×10^-13焦）的能量。这个能量从何而来？迈特纳想起自己曾经听过爱因斯坦关于相对论的报告，里面的质能关系式使当时的她大受震撼。

迈特纳用计算原子核质量的经验公式计算出这个质量差约为质子质量（1.67 × 10^-27千克）的1/5，将这个值乘以光速的平方（9×10¹⁶），得到的值（3.0×10^-11焦）几乎等于裂变后产生的能量（3.2×10^-11焦）。由于质量差自身是估算值，因此3.0与3.2之间的微小差异可以忽略。这个结果意味着，铀核确实可能发生了分裂。

弗里施借用生物学领域的术语，首次用“裂变”（fission）这个词命名铀核分裂过程。回到丹麦哥本哈根后，弗里施将自己的发现告诉了玻尔。玻尔立即明白了，他用手掌拍了一下自己的额头，说：“我们怎么这么白痴！”（“What idiots we have been !”）

紧接着，弗里施使用云室（他在英国期间的研究领域之一就是云室技术）追踪了反应产物的轨迹，用直观的、物理学的方式直接证明：中子碰撞铀核后，确实发生了裂变。

因此，诺达克4年前提出的假设是正确的：铀被中子轰击之后，发生了裂变。人们这才发现费米的团队获得的元素并不是超铀元素，他们实际上首次发现了重核裂变，却错过了这个荣誉。伊莲娜与萨维奇也错过了这个荣誉。

1939年2月11日，迈特纳与弗里施的理论解释论文发表在《自然》。2月18日，弗里施用云室证明铀发生裂变的论文也发表在《自然》。

然而，在这两篇论文发表前，相关的消息就被玻尔传到美国了。玻尔在1月抵达华盛顿后，将消息告诉了伽莫夫。伽莫夫打电话给特勒，说：“玻尔刚刚进来，他发疯了。他说一个中子可以使铀分裂。”特勒立即想到此前费米团队的那些难以解释的观测结果，立即就明白那就是裂变。

1939年1月26日，玻尔与费米在华盛顿共同主持了第五届华盛顿理论物理会议，铀裂变的消息轰动了整个会场。哥伦比亚大学的物理学家很快就在实验室重复出这个结果，并确定被慢中子裂变的铀主要是铀235。

此前不久，玻尔还信誓旦旦地向弗里施保证自己会保密；然后，他又因为消息传得太快而感觉对不起弗里施。

消息传到西海岸的加州伯克利时，正在理发店的阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez，1911-1988）大惊失色，因为他与他的学生此前也一直在用中子轰击铀，以寻找超铀元素，但一直没有预料到会发生裂变。他让理发师停止理发，直奔辐射实验室。

阿尔瓦雷斯把消息转告给奥本海默（J. Robert Oppenheimer，1904-1967），奥本海默不相信，并从理论上论证铀核不可能裂变。但实验很快显示了中子轰击铀之后释放出的能量。15分钟内，奥本海默相信铀核发生了裂变。

链式反应与原子弹

1939年2月，哈恩和施特拉斯曼发表了第二篇相关论文，预测铀裂变的同时可以释放出中子。约里奥的团队迅速证明铀的裂变会释放出2个以上中子，并在1939年3月发表了相关论文。

很显然，被释放出的中子还会轰击其他铀原子核，这个过程会以滚雪球一样的方式迅速持续下去，形成链式反应，释放出巨大的能量。

铀235原子核的核裂变丨图片来源：MikeRun

此前，匈牙利核物理学家西拉德（Leo Szilard，1898-1964）在1933年也猜想了链式反应实现的类似途径，并设想这样的链式反应可以用于制造原子弹。他在1934年推导出链式反应的方程式，并提出“临界质量”这个概念（当裂变的物质的质量超过临界质量时，链式反应就可以自我持续并产生核爆炸）。

1915年时的西拉德丨图片来源：Szilard, Leo (February 1979). "His version of the facts". Bulletin of the Atomic Scientists.

但是，那时没有任何人（包括西拉德）预想到重核会发生裂变，西拉德也不知道什么样的元素被轰击后可以产生链式反应。他想用中子把当时已知的92种元素逐一轰击，以找到答案。不过，他无法申请到资金进行这样的实验。西拉德提交了链式核反应的专利申请。为了避免这个发现被德国等国用来制造核武器，他将专利交给了英国海军部，并要求海军部保密。

到了1939年，人们已经知道铀在慢中子轰击下会发生裂变并可能引发链式反应。此后，美国、苏联、德国、英国与日本分别开始探讨制造原子弹的可能性，并在第二次世界大战结束前不同程度地付诸实施。

奥本海默在确信铀核裂变后，只用了几分钟，就讨论到链式反应以及制造原子弹的可能性。一个星期后，他办公室的黑板上就出现了原子弹的草图。

弗里施从丹麦回到英国，与佩尔斯（Rudolf Peierls，1907-1995）一起计算出纯的铀235发生链式反应的临界质量约为1磅（约0.45千克）或2磅。1940年，弗里施与佩尔斯写了“弗里施-佩尔斯备忘录”（Frisch-Peierls memorandum），并将使用铀链式反应的炸弹称为“超级炸弹”（super-bomb），他们还设计出世界上第一个原子弹暴轰模型。

然而，当时大部分了解核物理的人都不相信有任何国家可以在当时制造出原子弹。天然铀有三种同位素：铀234、铀235与铀238。铀238占99.28%，它会在快中子的轰击下发生裂变，但裂变时释放的中子能量低于入射中子的能量，无法让其他铀238原子核发生裂变，因此无法启动链式反应。铀235可以发生链式反应，但仅占天然铀的0.714%。

必须将铀中大部分铀238分离出去，让铀235的浓度提高到80%以上（最好达到90%），才能成为武器级铀。这对工业能力的要求很高，动用举国之力也未必能够实现。后来被制造出来的钚239也可以用来制造原子弹，但批量制造钚239也需要动用举国之力。

因此，玻尔到美国后就宣称，原子弹不可能被造出来，除非美国成为一个巨大的工厂。

1942年，费米在芝加哥大学制造出人类历史上第一个核反应堆，为人类和平使用核能奠定了基础，也为此后批量生产钚239奠定了基础。

此后，曼哈顿计划（Manhattan Project）迅速推进了原子弹的制造进程。目睹美国制造原子弹的进度后，玻尔没有收回自己的话，他感叹道：美国确实已经成为一个巨大的工厂。

1945年7月16日，美国成功引爆了世界上第一颗原子弹，其爆炸的威力相当于2万吨TNT炸药的威力。不到一个月后，两颗原子弹先后轰炸了广岛和长崎。

1945年，哈恩因为“发现重核裂变”（“for his discovery of the fission of heavy nuclei”）而被授予1944年度的诺贝尔化学奖。迈特纳与施特拉斯曼无缘分享这个奖项，这对他们并不公平。当时，哈恩还在盟军的拘留营，直到1946年才去领了奖。

尽管因为发现核裂变而获得诺奖，哈恩却有遗憾。中子轰击铀之后，一部分铀确实发生了裂变，但还有一部分铀真的转化为93号与94号元素，而哈恩当时没有检测出来。与超铀元素相关的诺贝尔奖后来落到了别人手里。在当时激烈竞争、几乎瞬息万变的情形下，哈恩等人在确认铀核裂变现象的同时，实在无法想到另一部分铀核真的变成了超铀元素。在科学研究领域，经常是一个惊奇连着一个惊奇。

参考文献

[1] Richard Rhodes, The Making of the Atomic Bomb, Simon & Schuster, 1986 （中译本：《原子弹出世记》，李汇川等译，李汇川校；世界知识出版社，1990年；《横空出世》，江向东，廖湘彧译；方在庆译校，2023；此书还有上海科技教育出版社译本，本文未参考此译本。）

[2] Robert Jungk, Heller als tausend Sonnen. Das Schicksal der Atomforscher (Stuttgart, 1956) （英译本Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists，中译本《比一千个太阳还亮——原子科学家的故事》，原子能出版社，1991年）

[3]Winifred Conkling Radioactive!: How Irène Curie and Lise Meitner Revolutionized Science and Changed the World （中译本《她们开启了核时代：不该被遗忘的伊蕾娜·居里与莉泽·迈特纳》，王尔山译上海科技教育出版社，2017年）

[4]Noddack, Ida (1934). Über das Element 93. Angewandte Chemie. 47(37): 653-655. (On Element 93).

[5]Joliot-Curie, Irène; Savić, Pavle (1938). "On the Nature of a Radioactive Element with 3.5-Hour Half-Life Produced in the Neutron Irradiation of Uranium". Comptes Rendus. 208 (906): 1643.

[6] Hahn, O.; Strassmann, F. (1939). "Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle". Naturwissenschaften (in German). 27 (1): 11–15. Received 22 December 1938.

[7]Hahn, O.; Strassmann, F. (February 1939). "Nachweis der Entstehung aktiver Bariumisotope aus Uran und Thorium durch Neutronenbestrahlung; Nachweis weiterer aktiver Bruchstücke bei der Uranspaltung". Naturwissenschaften. 27 (6): 89–95.

[8]Meitner, Lise, & Frisch, O. R. (1939). Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction. Nature. 143 (3615): 239–240.

[9]Frisch, O. R. (1939). Physical Evidence for the Division of Heavy Nuclei under Neutron Bombardment. Nature. 143 (3616): 276.

[10]Otto R. Frisch, "The Discovery of Fission – How It All Began", Physics Today, V20, N11, pp. 43-48 (1967).

[11] Bethe, H. A.; Winter, George (January 1980). "Obituary: Otto Robert Frisch". Physics Today. 33 (1): 99–100

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