關於鈾能造原子彈,真的有歷史。
意外發現核裂變的秘密
1938的聖誕節比以往更冷。
德國教授哈恩和他的助手斯特拉斯曼正在柏林皇家化學研究所用中子源轟擊92號鈾。在他們的工作計劃中,他們希望找到大量的88號元素——也就是居裏夫人發現的鐳元素。
然而,事情似乎正在失控。他們發現大量的鈾元素92正在分裂成質量幾乎相同的兩部分。例如,鋇元素56產生很多。然而這種情況是之前從來沒有預料到的,所以哈恩覺得很疑惑。
對於原子核的分裂,有點類似於整數分裂。如果沒有強相互作用,那麽整個原子核系統就可以隨意分裂:
比如4 = 1+1+1 = 2+1+1 = 3+1 = 2+2,壹* *就是五種可能。
鈾核的分裂和整數分裂壹樣,有很多可能性。這背後是有壹定規律的,但是這個規律是隱藏的,看起來是隨機的。
當時作為化學家的哈恩對這個定律有點不確定。他非常希望其他實驗組也能做類似的實驗,大家可以互相驗證實驗結果。
於是他寫信給當時已經被迫離開德國的女物理學家邁特娜茲。哈恩把實驗的過程和結果都告訴了邁特納茲,他希望邁特納茲也能做同樣的實驗,然後提供壹些相應的意見。
這是Maitenaz第壹次聽說這種事情,於是她把侄子freese叫來壹起商量。兩人最終認為可以用玻爾的液滴模型來解釋這壹現象。
液滴模型的大致意思是,原子核就像壹個小水滴,靠表面張力保持近似球形,但水滴會變形破碎。
邁特納斯和她的侄子
鈾核中存在壹對矛盾——即正電荷之間的庫侖排斥和強相互作用的吸引。正常情況下,這壹對矛盾的力處於平衡狀態,但當外來中子侵入時,平衡就可能被打破。
它就像壹個氣球。它不能再充滿空氣了。如果充入新的空氣,氣球就會爆炸。
這個液滴模型很好地解釋了為什麽原子核會在中子的沖擊下破裂。但是,邁特娜茲和她的侄子畢竟是學物理的,比哈恩這樣的化學家走得更遠。他們計算了分裂成兩個碎片的鈾核的質量,發現兩個碎片的質量之和小於原來的質量,這當然意味著質量損失。根據愛因斯坦的公式E=Mc2,所有損失的質量都會轉化為能量,這是相當可觀的。
核時代的到來
當時國際形勢已經很明顯了。德國當時正準備入侵波蘭,為二戰做準備。
在這種情況下,邁特娜茲和她的侄子將有關原子裂變的消息傳遞給即將登船前往美國的玻爾,並請這位物理學家將這壹消息傳遞給美國的愛因斯坦,以評估此事是否可以用於制造炸彈。
作為壹個物理人,我們都知道這種原子核裂變會釋放能量,還有壹個細節也很重要,那就是每次發生裂變時,都會有額外的自由中子放射出來,類似於湯普森之前研究放電時所謂的雪崩效應。如果中子多了,反應會越來越劇烈——當然前提是妳有足夠的鈾。
比如壹個中子轟擊鈾後,假設會發射兩個中子,那麽兩個中子轟擊鈾,會發射四個中子...
那麽n次碰撞後,中子數將是1。這樣,如果有大量的鈾,它就能發出非常巨大的能量。
這叫做連鎖反應,或者自持反應。
哈恩也沒閑著,於是寫了壹篇文章,在學術界全部公開。他大喊,現在消息已經泄露出去了,馬上會有新的物理小組跟進研究,包括居裏夫人的女兒,八神庵?居裏的小組(當時是錢三強先生的研究生導師)也驗證了這些現象,還寫了壹篇文章發表在《自然》雜誌上,題目是“壹個慢中子轟擊鈾核引起的快中子發射”。
於是,在1939,壹些聰明人可以看出,人類已經從電和光的時代進入了核能的新時代。這壹切都發生在1939。從1925年海森堡建立核外電子的運動和光譜學,到1939年,這14年可以認為是壹個過渡時期。
現在,這個過渡期終於結束了。
1939年4月24日,也就是居裏的文章發表兩天後,德國漢堡大學的壹位教授給德國軍部領導寫信,要求研究壹種核爆炸裝置的可行性,並表示,“第壹個擁有核爆炸裝置的國家,壹定會擁有其他國家無法超越的軍事實力。”
巧用資源“曲線救國”
但是鈾有兩種質量不同的同位素,就像雙胞胎壹樣,只是重量略有不同,壹個是235amu,壹個是238amu。
而且鈾-238在中子轟擊下不會裂變(即會分裂成質量幾乎相等的兩小塊),所以不能用來制造原子彈。然而地球上99%以上的鈾礦石都是鈾238,鈾235少得可憐。事情沒那麽簡單。科學家們立即發現鈾238不是無用的廢物。在中子的轟擊下,可以變成93號元素,然後變成94號元素。94號元素是鈈,和鈾235壹樣是可裂變的,所以鈾238也可以作為原子彈的原料。所以,這是壹個“曲線救國”的故事——相當於妳花了100元買了鈾238。當妳用中子轟擊它的時候,它們就成了原子彈的原料,它們的價值就會乘以n倍,變成1百萬。因此,鈾238可以成為生產原子彈的原料。