核武器神秘化的历史背景：制造原子弹的前前后后

 共1页  1 

　　(1) 科学家联袂上书罗斯福

　　1939年1月26日，在华盛顿大学召开了第五届国际理论物理研讨会。次日，著名的丹麦理论物理学家玻尔在发言时宣布，哈恩发现了原子核裂变，并且核裂变时可以释放大量能量。

　　这对科学是一个好消息，但对时局来说是一个再坏不过的消息。这项新发现是在德国完成的，战争魔鬼希特勒正在统治着那个国家。刚从那个魔鬼手中跑出来的科学家忧心忡忡，他们既知道希特勒的能量，又知道铀裂变的能量，这两者加起来简直可以毁灭地球。

　　在哥伦比亚大学工作的匈牙利物理学家西拉德，是刚刚流亡来美的，他的祖国已被德国吞并。他曾与约里奥?居里等科学家研究过链式反应的可能性。他的敏锐的想象力，使他被恶魔的幻影吓坏了。他希望同行们保守物理工作的秘密，不要使铀核裂变被希特勒用来制造杀人武器。为此，他写信给约里奥?居里。然而约里奥—居里并不重视西拉德的建议，甚至当作开玩笑而置之度外，照样发表他的实验报告。

　　科学家之间信任感的破灭，更引起西拉德的疑惧。西拉德找到了他的朋友，在普林斯顿任教的另一位匈牙利物理学家维格纳。他们商量建议向美国政府报告关于“铀的情况”，提醒当局采取措施预先应付希特勒的原子威胁。并提出此事请费米出面。

　　费米一想起那天在收音机前听到的排犹法，就浑身发凉，如果让希特勒这个战争狂人先掌握这种武器，那么，就会对全世界人民造成不可想象的灾难。他坐不住了，托人介绍去拜会美国海军军械部部长胡珀上将，同他讨论制造原子弹的事。胡珀问费米原子弹会成为现实吗？费米说：“这只是一种直觉，铀能不能变成战场使用的爆炸物，我却还没有把握。”胡珀没有眼光，对费米的话不加思考，反而认为所谓铀弹，不过是科学家们想得到某种资助而臆造的神话。于是便说：“谢谢。所以现在我们实在不好采取什么具体对策。”胡珀的迟钝，无异于一堵厚墙，使白宫统治者听不到警世的声音。

　　费米怀着惆怅之情回到了哥伦比亚大学。西拉德知道费米的进见碰了钉子，便对费米说：“不要灰心，让我再试试。看来要找一个有影响的大人物出来说话。”

　　西拉德再次找到维格纳，两人商量后，只能求助于当代物理学界的泰斗爱因斯坦。1939年7月一天，西拉德和维格纳经过几番周折，终于找到了爱因斯坦在长岛休假的寓所。他们在爱因斯坦二层小楼的书房里，关上门整整谈了一个上午。爱因斯坦说：“你们的意思是不是要美国各大学也加紧这项研究？”西拉德说：“不，这恐怕已经不解决问题了。我们的意思是请您出面给罗斯福总统写一封信，希望这件事能引起美国政府足够的重视，并积极组织力量实施。”爱因斯坦表示支持他们，决定写一封信送给美国国务院。

　　然而没有“关系户”是很难扣开白宫的“后门”的。西拉德通过极其复杂的关系，结识了亚力山大?萨克斯（国际金融家，能经常出入白宫，是对罗斯福影响力超凡的顾问），他们很快在华尔街萨克斯的办公室里修改了那封信，比原来多了一点内容，就是关于政府的财政支持和加速原子研究的问题。

　　1939年8月2日，西拉德与泰勒一同再去找爱因斯坦，一封仔细推敲过的信送到爱因斯坦手里，请他签了名。这封信在亚力山大?萨克斯的公文包里足足等了十个星期，终于在1939年10月11日找到与罗斯福总统见面的机会。

　　萨克斯饶有兴趣地给罗斯福讲了一段历史，他说：“在拿破仑战争时代，有个年轻的美国发明家福尔顿向他建议，建设一支由蒸汽机舰艇组成的舰队。这种舰艇无论在何种天气情况下，都能在英国登陆。拿破仑想，军舰没有风帆能走么，铁做的舰艇不会沉么。这简直是疯人狂语。于是毫不客气地赶走了聪明的福尔顿。英国历史学家阿克顿爵士认为，这是由于敌人缺乏见识而英国得到幸免的一个例子。如果当时拿破仑稍稍动一动脑筋，再慎重考虑一下，那么19世纪的历史进程也许完全是另一个样子。”

　　罗斯福听完萨克斯寓意深刻的故事，沉思一会儿，然后叫仆人拿来一瓶拿破仑时代的法国白兰地。罗斯福与萨克斯碰杯后问道：“你有把握不让纳粹分子把我们炸掉，是吗？”萨克斯回答：“当然，我是受当今世界上最卓越的一群科学家的委托来见您的。爱因斯坦的署名，足以表明他们的勇气和才智。”

　　于是，罗斯福叫来他的随员绰号叫做“帕阿”的沃特逊将军，指着萨克斯带来的那封信，沉缓地说：“帕阿，对此事要立即采取行动！”

　　罗斯福总统认真阅读了爱因斯坦等科学家联袂上书那封信的内容，并邀请专家进行了大量论证，认为爱因斯坦等人的建议是正确的、可行的。1939年10月21日，总统下令成立了“铀顾问委员会”。

　　(2) “哥伦布再次登上新大陆”

　　1939年玻尔和爱因斯坦合作，完成了解释原子核裂变现象的理论后不久，又进一步指出铀的复杂现象：只有铀的稀有同位素铀-235才能由慢中子引起裂变，而铀的丰度同位素铀-238则不能由慢中子引起裂变。

　　在铀核裂变的理论指导下，法国物理学家约里奥?居里、冯?哈尔班，以及科瓦尔斯基等人，1939年通过硝酸铀酰溶液实验，发现铀核裂变的同时要放出中子（即释放新的中子），碎片中还存在约10%的缓发中子，裂变放出的中子又可引起裂变。于是冯?哈尔班等人发现了铀核裂变的链式反应。为此，他们取得了建造“获取原子能装置”的专利。

　　从发现中子–––发现中子引起裂变–––发现裂变链式反应的释能途径，大约经过了７年的时间。这一系列科学发现，为建立核反应堆和制造原子弹提供了科学依据。这些重大发现，直接推动了核能技术和工程的发展，为核能工业起了鸣锣开道的作用。而真正要建成反应堆和造出原子弹，还有大量的技术问题和工程问题需要解决。从1940年开始，建成世界上第一座反应堆花了3年，造出第一颗原子弹又花了3年。可见，从科学发现，到形成技术，解决工程问题，再转化为现实生产力，仍然是一个极其艰难的奋斗过程。下面我们看一看人类是怎样第一次获得原子能的。

　　1942年12月2日下午，科学史上留下了一个著名的电话–––“那位意大利航海家已经登上新大陆了。”

　　事情是这样的，1942年12月2日下午，费米的反应堆实验成功了。大家在一片兴奋、激动中忙着收拾现场，康普顿教授突然想起应该给美国政府方面打个电话，报告这一喜讯。当他拿起话筒时才想到这个绝密的大事怎么能在电话里说呢？对方已经在问话了：“喂，你是康普顿教授吗？”

　　康普顿灵机一动回答道：“是的，我是康普顿。科南特教授，我想您一定很乐意知道，那位意大利航海家已经登上新大陆了。”

　　“是这样吗？”对方听懂了，高兴地大喊起来。“当地的居民对他友好吗？”

　　“很友好，每个人都安全登陆，并且感到很愉快。”

　　这是一个聪明的电话，被历史传为佳喻。1492年，意大利人哥伦布，在世界的海洋里发现了美洲这块新大陆；过了450年后，正好是中间两位数颠倒一下，1942年，另一位意大利人费米在美国，从原子世界里又发现了一块新大陆–––建成原子能反应堆。

　　费米建造反应堆并不是一帆风顺，而是从科学实验中逐步摸索成功的，其中有过失败。1939年，费米试用天然铀和轻水建造一座装置，以实现链式反应，但未成功。他发现氢吸收中子很厉害。他进一步实验表明，碳吸收中子只有氢的1/100。由此，费米想到用天然铀和石墨来建造实现链式反应的装置，可能会成功。

　　1939年10月21日，在美国“铀顾问委员会”第一次会议上，泰勒转达了费米关于建造反应堆的意见。会议同意泰勒开口要的经费数字，2000美元采购石墨，4000美元作为其他费用。原子能时代就从这6000美元开始了。

　　1941年7月，在费米领导下，美国哥伦比亚大学实验室开始了核反应堆的设计、研究工作。同年底，康普顿被任命为该实验室负责人。他把实验地点选择在芝加哥大学进行。一是因为芝加哥位于美国腹地，敌机不易轰炸；二是学校已经放假，而且人们也不会想到在这里进行这种实验。实验的代号是“冶金实验室”，但是这里面没有一个冶金专家。实验需要一间很大的房间，他们最后选中了足球场看台下面的一个室内网球场。它有30英尺宽，60英尺长，26英尺高，估计能摆开战场。校长宣布从今以后再不允许任何人来足球场踢球，网球场自然更不能靠近了。

　　我们知道哈恩和迈特内已经证实中子能使铀核裂变，并能放出能量，但只用少量的中子实行一次轰击，产生的能量当然有限。冯?哈尔班等人申请过“获取原子能装置”的专利，但也只是实验室里化学器皿中的反应，能做成“反应堆”吗？费米现在需要大量的中子，大量的裂变，他需要走自己的路。他想，当铀核受到一个中子轰击而分裂开来时，它自己同时也会放出一个或几个中子，只要这些中子不被杂质吸收掉，它就会再去轰击其他的铀核，又放出中子，于是裂变就可以不断进行下去，不断放出能量。这样，链式反应才能持续下去。用比喻来说，哈恩好比发明了一根火柴，能擦着火苗，但是会立即熄灭；费米则要想去点燃一堆干柴，让它能持久地燃烧。

　　怎样点燃呢？这就用得着费米他自己发明的慢中子的办法了。当年鱼池中的发现，柯比诺教授曾要求申请专利，可是在那战乱骤起的年代，哪有心思去管这个。想不到这时派上了用场，但慢化剂要改用石墨，这是他1939年用天然铀和轻水建造反应堆未获成功而取得的科学认识。将铀块和石墨块上、下、左、右相间地堆放起来，这就名副其实地成了一个“堆”：原子能反应堆。只要用一个中子源（它相当于一根点火的火柴）一点燃，堆中就可以不断地裂变，不断地放出中子，链式反应就可以实现了。

　　点燃之后又怎样控制呢？一旦中子释放过多，铀核迅速裂变，释放出很多裂变的能量，反应堆将有爆炸的危险。这时的办法就是赶快吸收中子，所谓控制就是控制中子的多少。用什么物质来吸收中子呢？世界上总是一物降一物，有一种金属镉，它是专门吃中子的。镉是一种能强烈吸收中子的材料，它能像海绵吸水一样大量吸收热中子。在石墨和铀堆的中间插进一些镉棒，只要调整镉棒插进的深度，就能控制参加链式反应的中子的多少，也就可以控制链式反应的强弱了。

　　费米的实验装置如图1.3所示，石墨-铀栅格是由高为20厘米的氧化铀立方体P所组成，栅元的中心距为40厘米。

　　图中S是2克镭当量的镭-铍中子源，每秒钟可放出2～3×107个中子，用于点燃裂变反应。从图上还可看到，在装置的垂直和水平方向上开了很多长方形槽孔，这是为了测量中子活性用的箔片。结果测得铀-石墨栅的中子增殖系数为0.87，故是一个次临界装置，裂变链式反应是不可能持续地进行下去。费米预计只要把石墨慢化剂的密度提高到1.7～1.9克/厘米3，各种有害杂质的含量低于1%，裂变燃料用纯度高的天然金属铀，并把栅格布置得更合理，就能把中子增殖系数提高到1以上，铀核裂变链式反应就能持续进行下去。费米作了29次实验，并测定了不同尺寸的铀-石墨栅格的增殖系数。为建造一座能产生自持链式反应装置，积累了许多有用的宝贵经验。

　　1942年10月，费米调来了天然铀核燃料52吨，高纯度、高密度的石墨1000多吨。其中有6吨金属铀被加工浇铸成许多圆柱体（直径5.72厘米，重为2.72公斤），因其铀核密度高，堆砌在反应堆的中心；由于金属铀不够，外围就用46吨氧化铀粉末被压制成许多准球形体，直径为8.26厘米（铀核密度只有金属铀的一半）。所组成的铀-石墨立方栅格的边长为21厘米。高纯石墨置于中心部分，次纯石墨置于外层用作慢化剂；最外层厚为30厘米的石墨层作为反射层，以防止中子泄漏。

　                             　图1.3 美国第一座铀-石墨反应堆

　　P-氧化铀立方体；S-中子源；带有1,2,…标号的槽孔供布置探测箔片用。

　　1942年12月1日建成，命名CP-1（Chicago-Pile芝加哥1号堆）。堆的总重量为1400吨，其中，铀和氧化铀共52吨；堆宽9米，长近10米，高6.5米。在堆砌石墨时，按照预定的高度，留有一些贯穿各层间的孔道，其中插入包有镉皮的木棒（即控制棒），用以控制中子增殖系数的变化。

　　1942年12月1日下午测量表明，反应堆已达到临界。但是，费米还是按原计划堆砌了最后一层铀块和石墨块。1942年12月2日上午试运行，由于安全警戒点定得太低，首次尝试未获成功。下午，费米对安全警戒点作了调整，随着控制棒的缓缓抽出，在3时25分，终于实现了第一次自持铀核裂变链式反应！3时53分，费米下令停堆。人类堆砌的首座核反应堆从启动到停堆共运行了28分钟，试验成功了。

　　接着便是康普顿向华盛顿科南特的电话，报告意大利物理学家费米登上原子世界的新大陆。

　　这座反应堆的功率很小，它刚能点亮一只小灯泡，几天之后也才可以点亮4盏家用电灯。但是这无关紧要，因为技术的可行性得到了证实，实现了可控铀核裂变反应，已足以显示它的划时代意义了。自第一座人工反应堆启动后，由于战争的目的，美国建造了一批生产钚的生产堆，致使后来的核武器、核电站，陆续获得了成功和发展。如今，凡到美国芝加哥观光的游客，都可在芝加哥大学校园里一座古堡式的灰色外墙上，看到一块金属匾额：

　　“1942年12月2日

　　人类在这里实现了

　　第一次自持链式反应

　　从而开辟了

　　受控释放核能的道路”

　　这就是世界上第一座人工核反应堆的出生证。也称原子世纪的出生证书。

　　1939年10月21日罗斯福下令成立“铀顾问委员会”。1941年12月6日，罗斯福批准研制原子弹的“曼哈顿工程”计划。1942年12月2日费米建成了人类第一座铀原子反应堆。1945年7月美国研制成功原子弹。一共花了6年时间，所解决的技术难题和实现的工程规模，是史无前例的。原子弹爆炸的影响和对社会发展带来的深刻变化，也是不可估量的。

　　美国曼哈顿工程笼罩着一片神秘色彩。这个改变人类历史的科学计划，集合了当时同盟国许多一流的科学头脑。在这些投身计划的科学精英当中，也有一位杰出的中国物理学家，那就是吴健雄。吴健雄参与“曼哈顿计划”，值得一提的，不仅她当时是一位外籍女性科学家，而且她在“曼哈顿计划”中担任了相当关键的工作。这是因为一方面由于她在原子物理研究方面有着极其重要的成就，另一方面也由于她是“曼哈顿工程”主持人奥本海默的学生。由于奥本海默特别赏识吴健雄这位物理新秀，虽然她不具备美国国籍，却得到了特殊的保密许可，参加了这个极其机密的国防科学计划的核心工作。吴健雄在“曼哈顿工程”计划中主要研究核分裂和中子截面的工作。奥本海默对于吴健雄在核分裂方面的深刻知识，也十分清楚，每次开会讨论核分裂及原子弹相关问题时，他总是说，“去叫吴小姐来参加，她知道所有关于中子吸收截面的知识。”

　　1944年美国原子弹计划已进入相当成熟的阶段，科学家对这样一种威力惊人的炸弹，已有了肯定的认识。那时比较关键的问题是如何浓缩铀元素，吴健雄参与了铀元素气体扩散制备的研究工作。同时费米领着许多科学家建立反应堆生产钚。1944年9月27日，费米在华盛顿汉福特建立的反应堆开始运行，链式反应开头进行得很好，但是几个小时便停止了，过了几个小时又再开始运行。费米怀疑有某种核反应产物大量吸收中子。后来请教吴健雄才知道，铀原子核分裂的产物碘在衰变中生成惰性气体氙的放射性同位素，对中子有很大的吸收截面，因而造成反应堆运行停止。这种氙同位素（Xe135）半衰期是9.4小时，几小时后氙气少了，吸收中子也就少了，所以反应堆又开始运行起来。解决这个问题的办法是将铀燃料棒用锆合金包起来，防止氙气溢出，链式反应就可不断进行。吴健雄关于氙气对中子吸收截面的研究，是1940年在柏克莱实验室完成的，并在美国《物理评论》上发表过论文。但当时有关对原子核分裂链式反应的一些实验数据，特别是对制造原子弹密切相关的实验结果都是保密的，不能交流。直到1945年第二次世界大战结束后才在另一篇论文中发表。吴健雄对核分裂产物及其对中子吸收截面的研究，对于“曼哈顿工程”的顺利进展，有着相当大的贡献。吴健雄对于自己因某种机缘参加了“曼哈顿工程”计划，并没有多少谈论。她有一次说起过，那时天天听到的都是盟国在欧洲打败仗的消息，中国也被打得很惨，心中很难过，着急。她说，美国科学家这样快就做出原子弹，也是很不容易的。

---

   本文摘自《揭开核武器神秘面纱》

   经福谦 陈俊祥 华欣生著

   清华大学出版社 暨南大学出版社

   出版时间：2002年7月