Saturday, December 31, 2011

宇宙的精灵 #16.3



当时的科学家对小居里夫妇发现的人工放射性趋之若鹜,倒不是想到它可以拿来赚钱发财(当今还真有这种功能),而是它昭示了研究核物理的一个新手段。原子研究靠的什么?光谱,因为它的电子跃迁发布的信息。原子核研究靠的什么?放射线,因为它是核衰变的报告。电子涉世未深,给点光子它就灿烂,所以很容易得到它的口供——光谱。原子核就不同了,能够自然放射射线就也就少数几种元素,其他的都老奸巨滑,完全不为政策攻心所动,必须对它们施以酷刑,现在有办法了。

但是小居里夫妇的方法还是不够酷,用α粒子轰击铝原子核,大概一百万个才有一个被吸收。费米就想,应该用中子炮弹。嗨,这种道理我都想得到,不就是势垒嘛。α粒子带着两个正电,不就跟带正电的原子核有仇嘛,同时还会被核外电子勾引而偏离正确方向。中子就不同了,中性,不偏不倚,而且它虽没有电磁力,强力还是有的,一旦进入核势阱,就可以和原住核子紧密团结,引起靶原子核的衰变。

话虽那么说,问题是中子不容易获得,没有能天然产生中子射线的物质。还好,拉塞蒂已经掌握了获得中子的方法。经过费米的改进,用氡加铍的方法(由氡自然发射的α粒子激发铍发射中子),罗马小组就有了更强的中子源。这还真不容易。意大利的实验物理是很落后的,原来都是原子物理时代的实验设备,研究光谱线的。靠着柯比诺争取到的经费,最近才建了第一个云室,而这种设备英国人、德国人和美国人早都用滥了。回旋加速器已经发明出来了,但意大利没有,估计没钱,拉塞蒂的实验室的经费每年也就两三千美元。凭借着理论优势,罗马人是把简陋的实验条件利用到了极致。

遥想凯撒当年,铁马金戈,气吞万里如虎,目力所至,皆纳入共和国版图。有次攻下非洲一个国家,给罗马元老院发回一个“三V”捷报:“VeniVidiVici!”(我到,我见,我胜),豪迈之气,跃然纸上。现在科学罗马军团有了中子炮弹,也开始了对核子世界的气壮山河的伟大进军。一张化学元素周期表摊开,犹如一张世界地图,从1号元素氢开始,接下来是锂、铍、硼、碳、氮和氧,一个一个地往下轰,直到第9号元素氟,盖革计数器的咔嗒声才传来了第一个“三V捷报”——人工放射性产生了!1934325日,费米给意大利的《科学研究》杂志写了封题为《由中子产生的放射性Ⅰ》的信,报导了中子炮战的最初战果。之所以加上罗马数字“Ⅰ”,就是要告诉大家,这只是万里长征的第一步!

初战告捷,费米就调集来罗马小组的全部人马,还聘用了其他的特种人才,分工合作,紧张有序,开始了轰轰烈烈的核子大会战。在以后的几个月里,凡能找到的元素材料他们都打了个遍,轰击了大约68种元素,发现了大约47种放射性核素,《由中子产生的放射性》战报,费米总共写了10号,这就是10封“三V捷报”!几年前还死气沉沉亚平宁半岛,一时间是风生水起波澜壮阔,意大利物理,成了世界物理共同体中最抢眼的新星!

最后轰击92号元素铀,元素周期表就打到了尽头。中子被铀核吸收后获得了β射线,这个实验结果意义非凡!当时的元素周期表这是最后一位的元素,直至今天,依然是能自然存在的最后一位元素。还记得β衰变的机制吧?一个中子嬗变为质子,发射一个负电子(即β射线)和一个中微子。如果是前面的元素,也就稀疏平常,罗马小组在先前轰击铼、锇、铱、铂时也得到过这样的结果,无非是嬗变后元素序数增加一位。而铀元素增加一位,就意味着93号元素——元素帝国的新成员!当年罗马军团的征尘已经席卷到喜马拉雅西麓,翻过这个山脉,就是一个闻所未闻的东方大帝国,可是他们驻足了,直到600年后才从汹涌澎湃的洋面开辟出新航道。难道现在的科学罗马军团竟能在短短的时间内翻过92号元素这座山脉,毕其功于一役吗?

就物理共同体现有的理论成果,这似乎是唯一的解释,想破脑袋也得不出第二个结论。有待宣布的第11号“三V捷报”令人心率过速,但验证却是困难的。可是总舵柯比诺按捺不住了。1934年夏,意大利林赛科学院召开19331934学年年会,国王参加会议。柯比诺代表科学院作学年总结,他激情澎湃向国王和与会代表介绍费米军团近几个月来中子炮战的辉煌战果,骄傲之色犹如当年凯旋的凯撒。最后他谈到了“铀后元素”:

铀的原子序数是92,这个元素特别令人注目。它吸收了中子以后,似乎迅速发射了一个电子,然后变为在周期表中更高一位的元素,即变为原子序数为93的新元素。……但是,这个研究是如此的精密,这使得费米的谨慎是合理的,在正式宣布这个发现以前还需要作进一步的实验。不论我对这个事情的看法是真是假,我将每天关注这一研究,我相信新元素的产生是确定无疑的!

请原谅那个时代的科学热情。柯比诺这个有保留的宣布马上成为意大利和国际新闻界的重大题材,“铀后元素发现”的重磅新闻一时间被炒得沸沸扬扬,为那个酷热的夏天又增加了不少的虚热。有家小报甚至编造出费米把一小瓶93号元素献给意大利王后的花边新闻。柯比诺的“宣布”让费米震惊。尽管他希望也相信这是真的,毕竟一个发现的确认还是没有走完它的程序。费米是一个内敛的人,不喜欢这种轰轰烈烈的炒作,报界的宣传让他寝食不安。柯比诺是他的恩师,动机是善良的,费米又能说什么呢?他只能与柯比诺商量,采取什么措施给狂热的报纸退烧,可是这又怎么可能呢?

好在费米马上又有了令他兴奋的真正意义的重大发现。1934年新学年重新开始的实验中偶然发现,在轰击银元素时,在木板桌上做的实验比在石板桌是做的实验放射性活性显然要强得多。这个现象很费解,难道实验效果还与环境有关?科学史上有很多鬼使神差的事情。为了揭开这个秘密,费米决定做一个用铅过滤中子源的实验,可是在最后一瞬间他却改用石蜡。费米后来回忆这个思路转变过程很诡异——

我尽力找一切借口推迟把铅放在预定位子上。最后我终于把铅放在预定位子上,同时自言自语地说:“不,我并不想把铅放在这儿,我想放的是一块石蜡。”就这样,没有事先的预兆,也没有事先有意识的推理过程,我立即取来一些剩余的石蜡,放在本来应该放铅的地方。

1934年10月22日上午,难道要见证一个伟大的历史时刻?不然人怎么会来得那么齐?罗马小组的全体成员:费米、拉塞蒂、塞格雷、阿马尔迪、庞特科沃(新来的拉塞蒂的学生,21岁)。费米的老朋友佩尔西柯恰好也在这里,还有他的同事布鲁诺·罗西,这二位是意大利物理的另一支最重要的方面军——佛罗伦萨学派的主帅。实验开始,中子源经石蜡板的过滤击中银靶,盖革计数器咔嗒咔嗒的频频乱叫给大家的第一感觉是——这仪器坏了!可是抽掉石蜡计数器又恢复了往日的绅士风度,再放上,大家的心跳又跟着计数器加速、加速、加速!实验毫无疑问地证实,石蜡板过滤的效应使放射性活性增加了100倍!

这天午饭的味道一定跟石蜡一样,午觉的梦里一定充满着计数器的叫声。下午又做了各种媒介的对比实验,发现只有含氢物质(比如石蜡和水)才会有这个效应。费米做出一个假设:中子与氢原子发生弹性碰撞,因而能量降低、速度变慢,慢到相当于分子热运动的能量——约0.03电子伏或每秒2200米,这种中子在靶元素核中有更大的机会被吸收。因此这种中子以后被称为“热中子”或“慢中子”。慢中子假设与当时常规的思路完全相反,实经验似乎都在告诉人们,源粒子的能量与产生效应的概率成正比。其实这是一个误解,粒子的能量只与突破势垒有关,与被吸收无关。中性的中子没有突破势垒的问题,在核中的慢运动显然是有利于吸收的。正如我们在NBA篮球赛场中见到的情形,高速的篮板球打在篮框里哐铛铛地乱转了几圈之后又飞出了框外,引来全场一片叹息;如果被对方后卫阻挡一下减慢了速度,反而恰好弹进了篮网。

费米后来说:慢中子假设“也许是我平生最重要的发现”。以后我们将知道,这个发现对于核能的利用是多么的关键!这天晚上罗马小组聚集到阿马尔迪的新房写实验报告。阿马尔迪结婚不久,新娘吉娜丝特拉是《科学研究》的编辑。报告的题目是《含氢物质对中子产生放射性的影响》,费米口授,塞格雷执笔,另外三个激动地在室内乱转,大声地议论、讨论和争论。等到他们散去,房间恢复了常态的夜深人静,阿马尔迪家的女佣才敢弱弱地问女主人:“他们是不是喝多啦?”她哪里知道,对这伙人来说,最能醉人的不是酒!吉娜丝特拉第二天把实验报告带到杂志社去发表。

柯比诺的头脑就是不同,他建议费米他们为这项发明申请专利,他的“孩子们”一时还反应不过来,不过最终还是照办了。几年后,该项专利就被用于曼哈顿计划,战争期间显然不能跟政府谈生意。直到二战后的1953年,经过一场艰苦的官司,罗马小组的成员,在扣除了一切费用后,每人为这项发明得到了美国政府支付的2.4万美元的“应得赔偿”。当然,相对于这项技术所起到的重要作用,这点钱就只能拿来当笑话讲了。

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