歷史 物理

諤諤雙士:原子彈的故事

Print Friendly and PDF
撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-08-15
點閱次數:1221
  • 史記商君列傳中說:『千人之諾諾,不如一士之諤諤。』的確,要獨排眾議絕非易事。如果你是身在異鄉,還是難民,那就更加地困難了。然而在二戰末期,
    我們看到兩位勇士敢冒大不韙,面對庇護自己的強權,他們依然直言無諱,努力阻止人類史上第一次大規模毀滅性武器施加在平民身上。雖然他們失敗了,但是他們大無畏的身影,深深烙印在後人心中。他們就是James Franck 與Leo Szilard。

     
     Franck       
    James Franck (1882-1964)
                   
         Leo Szilard
               Leo Szilard (1898-1964)

    James Franck1882年生於德國漢堡,她的母親出生於一個猶太拉比世家,但身為銀行家的父親則是虔誠的新教信徒。由於當時漢堡還沒有大學,十九歲的Franck只好去海德堡。一開始他打算唸法律。但是認識了Max Born之過,Franck 對物理愈發著迷,說服父母之後他轉去唸物理。後來Franck索性轉到柏林的Frederick William 大學。1906年在柏林大學獲得博士學位之後他入伍服役。但是兩個月後因騎馬發生意外受傷而提早退伍。Franck在法蘭克福工作一陣子後回到母校並留校任教。在德國的系統要在大學擔任教授,除了博士學位以外還需要通過所謂的habilitation. (中文翻作特許任教資格)。Franck在1911年通habilitation。 到1914年為止他已經出了三十四篇論文,這在當時慢條斯禮的學術界可是相當驚人的數目。

    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424Frank-Hertz 實驗

    1914年他與Gustav Hertz一起合作,設計出裝著低壓、溫度在攝氏一百四十到兩百度的汞蒸氣的水銀管,裡面還有三個電極,陰極、網狀控制柵極、陽極。陰極與柵極之間的加速電壓是可以調整的。通過電流將鎢絲加熱後,鎢絲會發射電子。陰極會將鎢絲發射的電子往柵極方向送去。因為加速電壓作用,往柵極移動的速度和動能會增加。到了柵極,有些電子會被吸收;有些則會繼續往陽極移動。通過柵極的電子,必須擁有足夠的動能,才能夠抵達陽極;否則,會被柵極吸收回去。裝置於陽極支線的安培計可以測量抵達陽極的電流。他們發現到當電壓在4.9 伏特時,電流猛烈地降低,幾乎降至0 安培。當電壓在9.8 伏特時,又觀察到類似的電流猛烈降低。事實上電壓每增加4.9 伏特,電流就會猛烈降低。這樣系列的行為最少繼續維持至100 伏特電壓。

     
    Franck Hertz exp 
    Franck-Hertz 實驗所使用的玻璃真空管。館內有一小滴的汞,透過改變玻璃管的溫度來控制汞蒸氣的氣壓。圖中C的位置是發射電子的熱陰極;G是讓大多數電子通過的網狀金屬閘極;A則為收集電子的陽極。(Wikimedia Commons)
     
    Franck Hertz exp2

     氖氣體在Franck-Hertz 實驗中會出現三層發光層。(CC BY-SA 4.0)

    他們在五月發表這個結果。八月第一次世界大戰爆發後Franck被派去西線,1915年他因作戰勇猛獲得一枚二級鐵十字勳章。後來他因胸膜炎住院,他在住院期間還跟老搭檔Hertz完成一篇論文。出院後他被派去東線,在那裏他染上痢疾,被送回柏林。痊癒後他留在大化學家Haber主持的研究所內研發防毒面具,由此他在1918春獲得一級鐵十字勳章。

    戰後他回頭繼續他的研究。1915年波耳寫了一篇文章,認為Frank 與 Hertz 實驗可以用電極發出的電子將汞原子的電子從低能階打到高能階來解釋。事實上Frank 與 Hertz還發現汞原子在與電子碰撞時發出的紫外光其波長為254 nm。如果利用Planck的公式,正好對應到4.9 伏特。這表示汞原子的電子被激發到高能階時會再”掉”到低能階放出相當於是能階差的能量。這樣一來,波耳的原子模型與Planck的公式 雙雙都得到驗證!Frank與 Hertz在1918年十二月完成論文,當時才剛停戰一個月呢。


    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f94241925年諾貝爾物理獎

    Frank在Haber 主持的Kaiser Wilhelm Institute 繼續研究。雖然薪水增加但卻非永久性的職位。當1920年哥廷根大學邀請Max Born擔任理論物理的講座教授時,Max Born 要求讓Frank也來哥廷根大學擔任實驗物理的講座教授,哥廷根大學答應了,所以Frank 在十一月來到哥廷根。1926年Franck與Hertz獲頒1925年的諾貝爾物理獎。(前一年沒有頒發而。1926年諾貝爾物理獎頒給第一個測定分子大小的法國科學家Jean Baptiste Perrin)。哥廷根顯然賺到了。
    Franck和Max Born將原本在物理方面乏善可陳的哥廷根變成量子物理的重鎮,培育出許多未來一代的物理界的領袖。Born與Frank雖然名義上只合寫了三篇論文,但其實當時他們的每一篇論文都是相互討論下的產物。這段期間,Franck發展出Franck-Condon 原則來解釋分子光譜中的振動躍遷釋放的光的強度與躍遷前後的電子波函數重疊的情形的關係。重疊地愈厲害,躍遷發出的光強度也就愈強。

    好景不常,納粹黨掌權後在1933年四月通過法律將所有具猶太人身份的公務人員(包含大學教授)全都解職。雖然Franck因得過一級鐵十字勳章可以豁免不受影響,但是他決定與好友Max Born同進退。他是第一個公開辭職抗議那粹種族歧視法律的學者。十一月Frank前往美國繼續做研究。最初是在Johns Hopkins 大學,在那裏他研究重水的吸收光譜。一年後他去了丹麥,加入波耳的研究所。在那裏他開始對光合作用產生興趣,終其一生他對這個課題一直抱著高度的熱忱。在丹麥時他將他的諾貝爾獎金平分給他的兩個女兒,而純金的獎牌則拿去給波耳保管。當德國入侵丹麥時,匈牙利化學家George de Hevesy將Max von Laue和Frank的諾貝爾獎章用王水溶解掉,以防止納粹德國將獎章搶走。他將溶解後的溶液放在波耳研究所實驗室的架子上。戰後,de Hevesy回到實驗室將溶液中的金沉澱出來,諾貝爾學會將其重新鑄造成獎章。
    反對投擲原子彈

    1935年Frank 接受Johns Hopkins 大學 邀請搬到美國,但是為了把留在德國的家人接出來,Frank在經濟上倍感壓力,所以他跳槽到薪水較高的芝加哥大學。他不僅將女兒接到美國,連年邁的母親與阿姨都一起接過來。他在1941年歸化為美國籍,所以當美國對三國軸心宣戰時,他不像其它逃難來的科學家被歸類成”敵國公民”。1942年二月康卜頓在芝加哥大學設立Metallurgical Laboratory(冶金實驗室),為的是利用核反應生產鈽來製造原子彈。當實驗室的化學部門出缺時,康卜頓雖然想請Frank 擔任該職,卻有所猶豫,因為Frank到底是德國出生的美國公民,要他參與攻擊祖國的計畫,未免強人所難。但是Frank的反應令康卜頓相當意外。Frank欣然接受,因為他認為戰爭的對象是納粹而非德國人,德國人被納粹給綁架了。只有摧毀納粹的武力,德國才能重獲自由。

    Frank同時是關於原子彈的政治與社會問題委員會的主席,成員包括Donald J. Hughes,J. J. Nickson, Eugene Rabinowitch,Glenn T. Seaborg, J. C. Stearns 與 Leó Szilárd。當1945年德國敗象漸濃時,Franck就曾跟當時的副總統Henry A. Wallace 提到應該慎重考慮使用原子彈的時機與方法。而在1945年春天, 委員會成員Leó Szilárd在起草了陳情書,並得到參加曼哈頓計畫的七十位科學家的連署。他去找當時的國務卿James F. Byrnes,希望他將陳情信交給剛上任的總統杜魯門。信上的內容是建議不要對日本平民投擲原子彈,並且建議戰後原子彈要由國際社會共同管制,免得造成核武軍備競賽。可惜他找錯人了,Byrnes根本懶得理他。Leó Szilárd對Byrnes這種人在政壇如此呼風喚雨感到很不爽,曾挖苦地說,要是換成他自己在美國政壇能如此吃得開,而換成Byrnes在匈牙利讀物理,這個世界一定會美好的多了! 曼哈頓計畫主持人Leslie Groves 准將對Szilárd恨得牙癢癢的,曾想將他繩之以法,後來不了了之,但是簽名的科學家戰後全被炒魷魚了。

    講起Leó Szilárd,其實算是位傳奇人物。他於1898年出生於布達佩斯的一個猶太家庭。1916 他贏得Eötvös 獎,這是個匈牙利全國的數學大獎。沒多久他進入Palatine Joseph 科技大學,隔年他被徵召入伍,被送去當作軍官培訓,在上前線前染上西班牙流感,在家療養。結果逃過一劫。因為原先他的單位在戰場上被殲滅,無人生還。沒多久戰爭結束,Szilárd回去大學,卻發現戰後獨立的匈牙利一片混亂,他決定離開。

    Szilárd在1919年到柏林Friedrich Wilhelm 大學就讀物理,當時愛因斯坦,普蘭克, Walter Nernst, James Franck 與 Max von Laue 都在那裏,可說是冠蓋雲集。1922年他拿到博士學位,博士論文是關於統計力學中的「馬克斯威爾幽靈」的問題,Szilárd巧妙地將統計力學與訊息理論聯結起來,這一點深得愛因斯坦的讚賞。接下來他擔任Max von Laue的助手,1927年他通過habilitation 正式成為Privatdozent。在他的habilitation 演說中他提出Szilárd engine,這可以算得上現代訊息理論的濫觴。不過他拖到1929年才發表。後來Claude E. Shannon以他的研究為起點開創了現代信息科學。

    Szilárd是少見的點子王。他在1928年獨立構思了直線粒子加速器和回旋加速器。他本人並沒有製作出上述的裝置,也沒有在科學期刊發表上述構思,只有申請專利。他還跟愛因斯坦一起想出「愛因斯坦冰箱」的構想。Szilárd在1930年拿到德國公民的身份,可是他已經嗅出德國的政治空氣中的法西斯氣味。所以當1933年一月希特勒被任命總理時,Szilárd馬上離開德國跑到英國去。接下來的幾年他成了許多科學家難民的救星,到1939年開戰為止他一共幫忙安置了超過兩千五百位科學家!

    1933 年當Szilárd讀到拉塞福宣稱原子能的實用性是癡心妄想,他大為光火,沒多久他就構思出利用最近發現的中子產生連鎖反應的想法。當時核分裂還未被發現,他還是信心滿滿,相信中子一定能引發產生能量的核反應。隔年他申請了專利。Szilard曾回憶說他是在他是過馬路等紅綠燈時靈光一現時想到的,他的好朋友Jacob Bronowski對Szilárd會等紅燈表示不可置信。後來他與Thomas A. Chalmers一起發展出用中子將同位素從化合物中分離出來的方法,稱之「Szilárd –Chalmers effect」。

    Szilárd的政治嗅覺堪稱一絕,1937年他覺得另一場歐洲大戰已近,他決定搬到美國去。1938年他落腳紐約的哥倫比亞大學。當他聽到核分裂的消息時,他馬上了解到鈾將是原子彈的材料。他試圖說服費米著手去做這個實驗,結果發現中子速度太快,不易引發連鎖反應。所以他們開始找適當的中子減速劑。一開始他們用水效果不好,後來改用石墨,後來他認為重水最適合,但因重水很貴而作罷。

    當二戰爆發時,Szilárd敦請愛因斯坦致信給羅斯福總統,提到德國可能製造原子彈,美國不能置之不理。之後Szilárd也加入芝加哥的冶金實驗室,在曼哈頓計畫中扮重要的角色。當第一次人造的核連鎖反應在芝加哥的第一個核反應爐形成時,他還當場向費米握手致賀。他在1943年歸化為美國公民。向來特立獨行的Szilárd會提出陳情書想來並不奇怪。

    在Szilárd的陳情書遭到”默殺”時,戰局也走到盡頭。1945年四月底納粹德國一敗塗地,希特勒自殺之際,曼哈頓計劃也即將大功告成。原本擔心希特勒會造出原子彈的眾多科學家終於鬆了一口氣。可是軍方可不這麼想,沖繩島戰役中美軍傷亡慘重。人心渴望戰爭早日結束,日本卻遲遲不願意投降。到了六月十二日,Franck帶著由James Franck,  Hughes,  Nickson,  Rabinowitch, Seaborg,  Stearns, 跟Szilárd共同連署的報告書到華府,六月二十一日提交給杜魯門成立的暫定委員會(Interim Committee)討論是否使用原子彈。委員會主席是戰爭部長Stimson。Franck 帶去的報告書說:


    “這項新武器的演示,最好是在整個聯合國的代表面前進行,地點則選在沙漠或者某個荒瘠的島嶼。當美國有能力對世界說出下面這段話的時候:「諸位均已見識到,我們所擁有,卻沒有使用的武器。我們已經準備好作出在未來放棄使用該武器的聲明,並加入其他國家的行列,與各國共同合作建立起一套妥善監督使用此核子武器的辦法」。這時全世界的輿論都將對美國有利。”


    當然,這樣的理想主義無法打動暫定委員會的其它委員。原子彈還是在八月六日丟在廣島,八月九日丟到長崎。


    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424後記
    阿文曾讀到一篇文章認為科學家不該因科學可能帶來的負面影響而自我設限,甚至科學家對此完全沒有責任。阿文完全無法認同這種觀點。科學家也是人,只要與別人有關的事就有責任。擁有知識沒有特權。Franck與Szilard他們兩位都與原子彈的完成有千絲萬縷的關係,但是他們極盡一己之力,企圖阻止慘劇的發生。真可謂是諤諤雙士。Bronowski在BBC 的影集”Ascent of Man” 中曾提到當有人在Szilard身旁說道:『廣島長崎是科學家的悲劇,他們讓自己的發現造成毀滅。』 Szilard回道: 『不,這不是科學家的悲劇,這是人類的悲劇。』阿文完全同意呀。

    原子彈的故事就暫時打住,下回阿文要講什麼呢? 先賣個關子,Ate breve! Obrigado!
回上一頁