§11.9 重核裂变的发现
人工放射性引起的重要事件是重核裂变的发现，但是人们对重核裂变的认识却有一个曲折过程。
11.9.1 费米的中子实验
费米（Enrico Fermi，1901—1954）是意大利物理学家，1926年时只有25岁，就当上了罗马大学理论物理学教授。1927年曾提出一种统计理论（即费米-狄拉克统计），在微观世界有广泛运用，是核物理学的理论基础之一。1933年，费米提出β衰变理论。在国际上享有很高声望，国内成了意大利振兴物理学的中坚人物。由于他的努力，罗马在30年代成了世界上又一个物理学研究中心。
1934年约里奥-居里发现人工放射性的消息传到罗马，使费米想到用中子作为入射粒子要比α粒子有效得多。这个想法实际上早在1920年卢瑟福就提出过。费米预计到，困难在于中子不会自发地由物质发射出来，还要靠α粒子轰击某些元素。例如铍，这个过程只有十万分之一的几率，即十万个α粒子才能激发一个中子。这样低的效率，当然很难保证一定成功。正好这时费米的理论工作有一段空闲，他决心亲自试试。因为只有实践才能取得第一手资料。
费米周围有一批合作者，例如：西格雷（E.Segrè）、阿玛尔迪（E.Amaldi）、拉塞第（F.Rasetti），后来还有达哥斯廷诺（O.D＇Agostino）。他们大多是实验家。费米在他们的协助下，用镭射气和铍作为中子源，按着周期表的顺序依次轰击各种元素。他的目的显然是要检测中子作入射粒子的有效性，以及在中子轰击下产生放射性的可能性。1934年3月25日寄出了第一篇通信，报导在轻元素中获得了人工放射性，其中包括氟和铝。
费米小组继续进行实验，他们用中子辐照了68种元素，其中有47种产生了新的放射性产物。
费米原来想尽快结束实验，以便继续他的理论工作。那里知道竟出现了意想不到的事情，使费米小组作出了更大的发现。
11.9.2是“超铀元素”吗？
1934年夏天来到之前，费米小组依顺序用中子轰击当时所知的最重
测出这种产物的化学性质，发现它不属于从铅到铀之间的那些重元素。这个结果和用中子轰击其它重元素不一样，使费米等人大为惊异。其实，这就是最早出现的重核裂变现象。不过，从费米当时掌握的实验证据，难以作出这一判断，他们也不可能想到这种可能性。1934年5月，费米以《原子序数高于92的元素可能生成》为题，在《自然》杂志上发表这一信息，文中写道①：
“13分钟的放射性与很多重元素等同的否定证据，提示了这样的可能性：元素的原子序数也许大于92。如果它是93号元素，它应在化学上与锰及铼类似。这一假设在某种程度上还得到下列事实的支持：不溶于盐酸溶液的硫化铼可以携带着13分钟放射物沉淀下来。”
如果真是93号元素，那确是一件大事。大于92号的元素就叫做超铀元素。不过，费米并未作定论。可是这件事被意大利当时的法西斯政权利用，大肆宣传是法西斯主义在文化领域里的胜利。费米对此极为不满，郑重声明，尚须作若干精密实验，才能肯定93号元素的生成。
这个问题历经4—5年还没有查清楚，却有更多的事实对“超铀元素”的假说有利。欧洲好几个研究机构，特别是巴黎的居里实验室和柏林大学的化学研究所都肯定了费米的实验，甚至后来还陆续“发现”了94号、95号、96号以至97号元素。“超铀元素”的说法已经得到科学界的公认。某些教科书把它当作“新成就”列入教材，甚至1938年费米获诺贝尔物理奖时还把超铀元素的生成作为他的主要功绩之一。只有一位德国的女化学家，叫诺达克（F.Nod-dack）在1934年9月对费米的超铀元素假说表示怀疑，发表文章说：“可以想象，当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块，这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻。”但是她也只是一种猜测，既没有亲自动手做实验，也没有认真分析他人的结果。
后来判断，费米1934年的铀实验结果是很复杂的，确也含有超铀元素的成分，不过费米测量的不是这一部分。
11.9.3 发现慢中子的作用
1934年10月，费米小组又发现一新奇现象。阿玛尔迪等人正在辐照一块银制圆筒，圆筒中间是中子源，整个装置又放在防护用的铅盒内。他们发现，银的放射性随装置在铅盒中的位置而变动。鉴于铅是重元素，费米建议他们用质轻的材料，例如石腊试试。他们把大块石腊挖了个洞，把中子源放在里面，然后辐照银圆筒，没有想到，由于石腊的在场，银的放射性竟增大了百倍。再放到水下实验，证实水也有类似的作用。费米即时对这个现象作了解释，认为是氢核（即质子）与中子的质量相近，由于它的在场，中子碰撞后速度大大减慢。速度低，被原子核俘获的机会增多，因此放射性的生成也就大大增加。
认识到慢中子的作用，对重核裂变的发现提供了重要前提，因为这就大大增强了中子轰击的效果。
11.9.4 接近于成功
1937年，伊伦·居里和沙维奇（P.Savitch）在用中子辐射铀盐时，发现一新现象，分离出来一种半衰期为3.5小时的成分，其化学性质很像镧。镧是稀土族元素中的第一名，原子序数为57，与它化学性质相近的重元素是锕89Ac。他们先判断3.5小时放射物为锕，但进一步追踪，当用结晶分离法分离出锕时，出乎意料，3.5小时的放射性却不在锕中，镧的放射性倒反而加强了。本来他们已经接近于铀核分裂的结论，可是他们却没有迈出这关键的一步。在1938年5月的《科学院通讯》上，他们写道：
“用快中子或慢中子辐照的铀中，产生了一种放射性元素，半衰期为3.5小时，其化学特性很像镧。……它或许也是一种超铀物质，但我们暂时还未确定其原子序数。”
后来查明，在他们的铀裂变产生的碎片中，还有一种元素，叫钇（Y），其半衰期也正好是3.5小时，居里小组没有能够完全把3.5小时的放射性分离出来，所以无法作出准确的判断。
11.9.5 哈恩作出精确分析
哈恩（Otto Hahn，1879—1968）是德国化学家，早年曾随卢瑟福和拉姆塞（W.Ramsay）从事放射性研究，发现过射钍和射锕。1907年，在柏林大学化学研究所工作。女物理学家迈特纳（LiseMeitner，1878—1968）和他在那里开始了长期合作，1917年共同发现镤。
迈特纳是犹太血统的奥地利人，由于种族迫害，在他们的研究到了最关键的1938年，被迫离开德国。
不久，伊伦·居里和沙维奇报导镧出现的文章传到哈恩这里。他认为没有可能，一定是居里和沙维奇搞错了，就和助手斯特拉斯曼（F.Strassmann）立即重复居里的实验。
他们用慢中子轰击铀。经过一系列精细的实验在铀的生成物中找到一种放射性物质，其放射性的半衰期为4小时，接近3.5小时，不过，化学性质却与镧不同，而与钡类似。但是钡的原子序数是56，与镭同一族。他们想也许这是镭的一种尚未发现的同位素。可是，费尽心机也无法从钡中分离出那种放射性的“镭”，它总是伴随作为载体的钡沉淀。他们只好承认它就是钡。后来又经过多次实验，证实了伊论·居里和沙维奇的结果，确有镧的生成。也就是说，他们从化学分析得到的结果，无可辩驳地肯定了中间化学元素（镧和钡）的出现。
哈恩对这件事情实在无法理解，他如实地报导了实验结果。1939年1月德国的《自然科学》杂志发表了哈恩和斯特拉斯曼的论文。在结尾中，他们写道①：
“作为化学家，我们真正应将符号Ba、La、Ce引进衰变表中来代替Ra、Ac、Th，但作为工作与物理领域密切相关的‘核化学家’，我们又不能让自己采取如此剧烈的步骤来与核物理学迄今所有的经验相抗庭。也许一系列巧合给了我们假象。”
11.9.6 肯定了裂变
上述这篇论文还未发表，哈恩就写信告诉了正在斯德哥尔摩诺贝尔研究所工作的迈特纳。她有一个侄子，叫弗利胥（OttoFrisch）也是物理学家，1934年流亡到国外，在玻尔的理论物理研究所工作。他们利用圣诞节假到瑞典南部会面，自然就要对哈恩的结果讨论一番。弗利胥起初对哈恩的结果表示怀疑，但迈特纳坚信哈恩工作严谨，不可能有错。在争论中，弗利胥想起了玻尔不久前提出的“液滴核模型”。这个模型是说，在某些情况下，可以把核想象成液滴，核子（质子和中子）就像真正的水分子。强相互作用造成的“表面张力”使核平常保持球形，但在外来能量的作用下，“液滴”也可能由于振动而拉长。他们想，如果这时被中子击中，也许会以巨大的能量分裂。
几天后，弗利胥回到哥本哈根，正值玻尔准备离开去美国。弗利胥告诉他哈恩的化学结论和自己跟迈特纳的看法。玻尔听了十分高兴，惊呼：“正应该如此。”
重核裂变的现象终于真相大白。弗利胥和迈特纳随即联名写文论证重核裂变的产生。“裂变”（fission）一词就是他们提出来的。
玻尔将重核裂变的新进展向华盛顿的第五届理论物理讨论会作了汇报。正好费米也参加了这个会议。与会者对这个问题极感兴趣。就在会议期间，华盛顿卡尔内奇（Carnegie）学院、约翰·霍普金斯大学、哥伦比亚大学都分别证实了这一现象。
11.9.7 重核裂变的实验验证
重核裂变是首先用化学方法作出发现的，人们也许要问，为什么在这以前没有人用物理方法对这一现象进行探索？难道实验者没有机会碰到发现裂变的机遇吗？
其实，在1938年就有一位德国物理学家，名叫德罗斯特（G.v.Droste），他在用游离室观测铀和钍在中子轰击下所产生的α粒子时，就有机会观测到裂变。当时他为了防止铀和钍的天然放射性所发射的α射线干扰实验，特意在铀和钍上仔细覆盖了一层很薄的金属箔。这层箔正好有效地隔绝了可能出现的裂变碎片。因为裂变碎片比他要找的α粒子大得多，带有更多的电荷，所以在金属箔中的行程也短得多。德罗斯特由于过分的细心，反而失去了发现核裂变的机会。归根到底，还是因为他没有往裂变的方向去想。可见，没有正确的物理思想作为指导，实验者常常会迷失方向。
当然，重核裂变之所以首先在核化学领域中得到发现，还是应归功于化学分析的高度精确性，当时物理手段还很难达到这一水平。
不过，认识到了重核裂变的可能性，在人们精心设计的条件下，用物理实验方法验证重核裂变的发生还是很简便的。当时用物理方法研究重核裂变现象的途径大致有四种：
1.用游离室记录裂变后产生的带电碎片所引起的巨大电脉冲。铀在正常辐射中发出的α和β粒子也会引起游离室游离，但比起裂变碎片来要小得多。所以，当中子源（例如：镭和铍在一起）靠近铀时，就有可能从示波器观测到裂变现象。哥伦比亚大学用的就是这种方法。
其实，（后来才知道）最先是哥本哈根的弗利胥用游离室观测到了重核裂变。不过，他不是用电子示波器，而是用机械示波仪。他在发表“裂变”之后不久，就作出了这个实验。
2.迈特纳曾建议：取一块金属板置于铀层附近用中子轰击铀使之裂变，有可能在金属板上残留下轻元素的原子。美国加州贝克利分校的麦克米伦（E.McMillan）采用了她的方案。具体做法如图11-4。在纸板上涂一层极薄的铀，靠着纸板平行地放着一叠铝箔，暴露在回旋加速器的中子源前，然后分别测量各片铝箔的放射性。经两小时的轰击后，测量所得曲线如图11-5。
法国的约里奥也用这一方法观测到了裂变现象。
3.用威尔逊云室直接观测，可以把裂变碎片的径迹拍成照片。加州大学的考尔松（D.R.Corson）和邵恩通（R.L.Thornton）1939年2月用这一方法观察到了铀核裂变。他们把UO3涂在胶棉薄膜上，和中子源一起放在云室中。885张照片中有25例显示两根重粒子径迹，从薄膜的同一点沿相反方向反冲。
4.用X射线标识谱分析技术。这个方法是从莫塞莱在1914年创立起就用于鉴别元素的内层结构，对于检验元素的周期性，起过重要作用。从1938年起，加州大学的阿贝尔森（P.Abelson）用这个方法鉴别铀受中子辐照后的生成物。他的目的是要经X射线标识谱来确定半衰期为72小时的一种未知的“超铀元素”。如果真是超铀元素，其K谱系谱线波长相应的能量应比铀的高。可是实验结果却低得多。这本来足以证明生成物不是超铀元素，而是某种中间元素。可是阿贝尔森并不死心，而是准备试着把这一谱线归属于L谱系。他正在为难之际，裂变被发现了，他得知这一消息，马上明白了自已遇到困难的原因。他发现，原来他的生成物是53号元素碘的同位素。于是他的工作成了重核裂变又一个有力的实验验证。从这一事例可以说明，只要认真做下去，即使没有核化学的发现在前，物理学家迟早总会用物理方法直接观测到重核裂变的。当然，观念的改变越早，这项工作的进程就会越顺利。
① E.Fermi，Nature，133（1934）p.898.
①
转引自：H.G.Graetzer，D.L.Anderson，The Discovery of Nuclear Fission，Reinhold（1971）p.