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世界短讯！【能源史话03】核裂变——世界欠她一个诺贝尔奖

来源：科普中国

质能方程

在“爱因斯坦奇迹年”（1905年）里，爱因斯坦一共发表了4篇论文，其中一篇当中，爱因斯坦提出了一个理论，物质减少的质量m=E/c²。

在最初的时候，爱因斯坦质能方程并不是大家所熟悉的E=mc²这个形式。可以说，爱因斯坦最初的形式，更符合质量和能量的本质，与其说物质和能量可以相互转化，不如说，物质本身就是能量。


(资料图片)

不过，爱因斯坦提出质能方程 30 年的时间里，没有人知道这个质能方程到底有什么用。

在 20 世纪 30 年代，终于有人发现了质能方程的巨大威力，打开了人类通向核武器的大门，而发现者，正是被爱因斯坦称为“德国居里夫人”的丽莎·迈特纳。

丽莎·迈特纳（图片来源Wikipedia）

有意思的是，在迈特纳之前，曾有一位天才物理学家有机会先打开这扇门，却因为一次诺奖，丧失良机。

费米——闹个乌龙，拿个诺奖

在20世纪30年代初，物理学家们一直致力于研究一个现象，为什么元素周期表上的元素停止在了92号元素（铀元素）这里？

当时卢瑟福已经发现了原子核的结构，理论上来说，只要往铀原子核里加一颗质子，就应该有新的元素。所以，人们一直在拿各种射线轰击铀原子核，希望能制造出原子序数比铀更大的元素。

费米（图片来源Wikipedia）

1934年，在意大利，物理学家费米突发奇想，决定用查德威克刚刚发现的中子轰击铀原子核。因为中子能量很大，而且不带电，更不容易受到铀原子核电磁力的干扰，容易轰进去。

轰击完之后，检查产物的时候，费米发现了放射性很强的东西，费米一开始以为，得到了比铀更重的93、94号元素。但当时也有科学家认为，这不是新的元素，而是铀元素被轰成了更小的元素[1]。

可以说，费米的实验结论还是非常有争议的，费米应该继续研究下去。但这个模糊的成果，被当时的意大利政府大吹特吹，以显示自己作为法西斯政权的优越性。结果，费米竟然获得了1938年诺贝尔物理学奖。

费米获奖，算得上是诺贝尔奖历史上一个巨大的乌龙。这个诺奖乌龙，让他错过了一样更重要的机会，他跟核裂变擦肩而过。

迈特纳——原子液滴

发现核裂变的机会，被“德国的居里夫人”丽莎·迈特纳抓住了。讽刺的是，发现核裂变的迈特纳从没有获得过诺奖。

迈特纳绝对是一个物理天才，在当时女性备受歧视的时代，她凭借自己的才能，成为了维也纳大学极其罕见的物理学女博士。

更厉害的是，她还受到了普朗克的认可，要知道当时的普朗克是公开反对大学招收女性的[2]。

普朗克对迈特纳非常热情，邀请她参加自己的讲座，还请她到自己家做客。

在1910年，普朗克邀请她担任弗里德里希威廉大学理论物理研究所的助理，迈特纳成为了普鲁士历史上第一位女性科研助理。

迈特纳也确实没有辜负普朗克的期待，在物理学上的才能日益凸显。她很快和科学家哈恩成为了合作伙伴，在甚至还调侃哈恩“你完全不懂物理，你就去研究化学吧。”[3]

迈特纳和哈恩（图片来源Wikipedia）

迈特纳他们跟费米一样，也试图用中子轰击铀元素。但当时，对犹太人身份的迈特纳来说，德国可不是一个搞科研的好地方。很快，法西斯秘密警察就开始找犹太科学家的麻烦了，迈特纳必须离开。

好在，迈特纳的伙伴哈恩并不是犹太人，还可以继续留在德国搞研究。而且利用自己的身份，哈恩也帮助迈特纳顺利逃出了德国，在迈特纳逃亡在外期间，哈恩他们发现了一个现象，用中子轰击铀原子的时候，铀核裂变成了几个碎片（其中一个产物是钡），哈恩觉得这太反常识了，而且哈恩他们也不知道该怎么解释这个现象，只能求助于“物理更好”的迈特纳。

迈特纳看到这个结果，第一反应也觉得，这不可能。但好在，迈特纳认为，哈恩是个优秀的化学家，他发现铀元素变成了钡，应该不是什么低级错误。而且，人们在核物理领域太多“不可能”的事情最终都被证实了[2]，这件事也可能意味着什么重大发现。

迈特纳的直觉是对的。

如果原子核跟豌豆一样，是结结实实的固体，那么它被轰碎，得到的就只值一堆豌豆碎片而已。然如果原子核不是这样的固体呢？

但是如果根据伽莫夫和玻尔的理论，原子核可能更像是液滴，水的张力能够维持水滴的形状，而一旦张力被打破，一滴水可以分裂成两个更小的水滴。在这种模型下，铀原子核能分裂成两个更小的原子核就说得通了。

迈特纳计算之后，发现铀原子核确实像是一个不稳定的液滴，在外界刺激下（比如被中子撞击），铀原子核的“张力”可能会被打破，分裂成更小的液滴。

铀原子裂变（图片来源Wikipedia）

但接下来，迈特纳还要解决一个问题。

根据哈恩的研究，两滴液滴在分开之后，以非常高的速度运动。这个能量是从哪来的？还有，在分裂之后，铀原子核里有一部分质量不见了，这部分质量去哪了？

消失的质量和能量有什么关系？迈特纳很快就想到了爱因斯坦的公式m=E/c²。经过计算，消失的质量和新原子核获得的能量刚好吻合。

按照迈特纳的推理，原子会发生裂变，而且，消失的质量真的变成了能量。迈特纳立即跟自己在哥本哈根的侄子设计了实验，证明了原子核的裂变。

迈特纳和侄子弗里施迅速写了论文，发表在了《Nature》上。在此之前，哈恩为了防止被其他科学家抢先，也提前发表了两篇论文，暗示有这么个现象。这三篇论文，对整个科学界产生了巨大的影响。这样轰动的发现，当然也值得一份诺贝尔奖。

不公平的诺奖

1944年，为了表彰核裂变现象的发现，诺贝尔化学奖就授予了哈恩，没错，获奖者只有哈恩一个人。

这成为了诺贝尔奖历史上非常有争议的一次颁奖。

有一种说法认为，哈恩受到了德国政府的压力，纳粹政府不能让犹太人领奖，所以特意抹去了迈特纳的贡献。其实看哈恩对迈特纳逃亡的帮助，以及冒着风险，把最重要的实验数据分享给迈特纳，还是能看出哈恩本人对迈特纳绝对是没有恶意的。

后来在诺奖评审记录公开之后，也能说明，迈特纳没有拿到诺奖，并不能完全怪在哈恩头上。根据迈特纳传记作家Ruth Lewin Sime的记录，迈特纳没能获得1944年的诺奖，跟诺奖评审委员会的结构，人们的偏见、政治因素等等都有关。

“迈特纳被排除在1944年诺贝尔化学奖之外，是偏见、政治迟钝、无知和匆匆忙忙的混合体”。[2]

其实，迈特纳一共获得过48次诺奖提名，提名她的科学家包括普朗克、玻尔之类的重量级科学家，也包括她的伙伴哈恩，但迈特纳始终没有获得过诺奖。

对这件事，迈特纳本人也是挺遗憾的，她在一封信里表示：“哈恩当然当之无愧地获得诺贝尔化学奖，这一点毫无疑问。但我相信弗里施和我对澄清铀裂变过程做出了不小的贡献——它是如何产生的，它怎么产生了如此多的能量，而这对哈恩当时的研究想要到这一步其实还差得很远。”[2]

爱好和平的炸弹之母

在1940年2月，弗里施和鲁道夫·佩尔斯撰写了“弗里施-佩尔斯备忘录”，该备忘录首次确定了，用少量的铀可以制作原子弹。在此之前，人们一致认为制作原子弹需要几吨的铀。当时正处于第二次世界大战的背景下，无数国家开始把眼光投向了这种厉害的武器。[4]

迈特纳这样的天才物理学家当然也受到了曼哈顿计划的青睐，美国希望迈特纳参与这个制作原子弹的计划。但迈特纳是一个和平主义者，始终没有加入曼哈顿计划。

在广岛、长崎原子弹爆炸之后，迈特纳一下子成为了“炸弹之母”“炸弹背后的女人”。但用迈特纳自己的话来说“炸弹与我无关”。

迈特纳之墓（图片来源Wikipedia）

迈特纳从来都没想过让原子能给人类带来灾难，她希望的是，让核能造福人类。就如迈特纳的墓志铭“丽莎·迈特纳：一个从未丧失人性的物理学家。”

* * * * * *

迈特纳的故事到这里就结束了。迈特纳发现的巨大能量，直到今天依然在为我们提供着源源不断的能源。

而在走到这一步之前，原子能会先展现它最凶恶的一面。人类即将迎来超级武器——原子弹。

参考文献：

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

[2] Sime, Ruth Lewin (1996). Lise Meitner: A Life in Physics. Berkeley: University of California Press.

[3] Hoffman,Otto Hahn：Achievement and Responsibility,p.17.

[4] Bernstein, Jeremy (1 May 2011). "A Memorandum that Changed the World" (PDF). American Journal of Physics. 79 (5): 441–446.

关键词： 爱因斯坦 质能方程

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