歷史 物理

MAUD 物語:原子彈前傳

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-07-29
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  • 上回阿文提到James Chadwick發現中子後,科學家就想要利用中子來完成”點石成金”的夢想。1934年義大利科學家費米(Enrico Fermi)利用慢中子撞擊釷與鈾而得到具放射性的物質。費米認為該物質是原子序高於鈾的新元素,然而當時就有女化學家Ida Noddack不以為然,她獨排眾議,認為該物質應是原子序低於鈾的元素。換言之,她認為釷跟鈾元素是被裂解開來!然而由於慢中子傳遞到鈾元素的能量實在很低,很難想像釷跟鈾會這麼容易就被裂解了!所以當時的物理界對Ida Noddack的異議完全無法認同。雖然費米在1938年得到諾貝爾物理獎的肯定, 但隨後Irène Joliot-Curie卻發現這些所謂的超鈾元素的化學性質跟設想的原子序完全不合,讓科學家們傷透腦筋。最後還是奧地利女物理學家Lise Meitner找到了答案。

    Lise Meitner其實是不輸居禮夫人的傳奇人物。她在1906年她成為維也納的第二位女博士。1907年赴柏林深造,以「無薪客席」的身份在Otto Hahn在柏林大學化學研究所的實驗室裡工作。1912年Meitner繼續在新成立的皇帝威廉研究所的化學研究所中(The Kaiser Wilhelm Institute for Chemistry) Hahn的放射性研究組中工作,不過依然無償! 直到1913年她才正式成為研究所的成員。第一次世界大戰時她加入奧地利東方戰場的戰地醫院做了一名X射線護士。而Hahn則參加了毒氣研究。1917年Meitner與Hahn再度合作,發現了鏷的同位素鏷231。1918年Meitner終於獲得了她自己的研究組和相應的薪水。四年後她獲得了教授的職位,再過四年她終於成為柏林大學實驗核物理學特別教授。但是這一切都化為泡影。1933年Meitner由於她的猶太人的身份,Meitner喪失了她的教授資格。1938年奧地利被德國吞併後,Meitner成為德國公民,甚至不能再以研究組長的身份工作。所以她逃到瑞典,在諾貝爾研究所繼續她的研究工作。
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    1925年,Lise Meitner 與Otto Hahn 在實驗室工作的情形。(Wikimedia Commons)
    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424『核分裂』初登場

    1938年11月Otto Hahn與流亡在瑞典的Meitner在哥本哈根會面跟討論之後,Hahn回到柏林與他的助手Fritz Strassman確定鈾被慢中子轟擊後的確被裂解而形成了鋇和鎝。而且被中子轟擊後的產物質量居然還小於原先鈾的質量!滿心困惑的Hahn寫信Meitner詢問她: 這從物理的角度來看是否是可能的? Meitner和她的姪子Otto Robert Frisch利用波耳發展的原子核液滴模型來計算,他們發現鈾的同位素鈾-235形狀像雪茄。一個中子撞擊鈾235原子核後,鈾235原子核內部因吸收中子的能量,開始作劇烈的啞鈴狀震盪,結構會因震盪過大而瓦解,產生出兩個質量較小的原子核及放出2到3個新的中子。裂解後的兩個原子核的總質量比裂變前的鈾原子核的質量還小,這個小小的質量差轉換成了能量。當Meitner使用愛因斯坦的相對論中E=mc2的方程式計算出在每個裂變過程中原子核會釋放2億電子伏特的能量,波耳知道後據說他嘆道:「啊,我們真蠢啊。」而釋放出的新中子能繼續引發更多的核分裂,最終可以引發巨大的爆炸。
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    鈾235原子核核分裂反應示意圖。(Wikimeida Commons)
     
    這個發現為數年後發明的原子彈提供了理論依據。1939年Meitner和Frisch一起發表了《中子導致的鈾的裂體:一種新的核反應》這篇文章,第一次為核分裂提出了理論基礎。Frisch將這個現象命名為『核分裂(fission)』。這時歐洲已經戰雲密佈,戰爭一觸即發了。

     
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    核分裂的實驗架設於慕尼黑Deutsches Museum重建。(CC BY-SA2.0)

    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424原子彈的誕生:由英國到美國

    上次提到Chadwick 在開戰時驚慌失措地跑回英國。之後不久,1939年10月Chadwick就收到一封從科學及工業研究部部長Edward Victor Appleton爵士的信,請教他關於原子彈可行性的意見。(Appleton爵士本身也是個傑出的科學家。他長期從事大氣層物理性質的研究,1926年發現高度約為150英里(241千米)的電離層,後被命名為Appleton層。1947年他獲得諾貝爾物理學獎。) Chadwick謹慎地回了信。Chadwick與從波蘭來的猶太科學家Joseph Rotblat利用利物浦大學新購的迴轉加速器從事相關的研究,但沒什麼進展。(Joseph Rotblat的太太因為經費短缺所以沒有跟他一同赴英,不幸的是戰爭隨即爆發,最後她死在納粹集中營。Joseph Rotblat隨後前往美國參與曼哈頓計劃,但在1944年退出並返回英國。之後他轉而研究醫學物理學。1955年他與許多科學家共同簽署了羅素-愛因斯坦宣言,1957年成立帕格沃什科學和世界事務會議組織。1995年,因致力於消除核武器威脅而獲得諾貝爾和平獎。) 當時學術界普遍相信製作原子彈需要好幾公噸的鈾235,因此認為建造及使用原子彈並不是一件實際的事。因為鈾235在大自然存量只有0.72% 而好幾噸的原子彈要如何投射到敵人領土? 當時的轟炸機載不了這麼重的炸彈,所以原子彈似乎只是空中樓閣。

    但是1940年3月 Frisch和伯明罕大學的Rudolf Ernst Peierls發表了《Frisch-Peierls備忘錄》後卻改變了一切。他們考慮的一塊球狀的鈾-235不只會形成連鎖反應,而且所需的鈾-235可以少至1公斤,就能發揮數公噸炸藥的威力。講起來這兩位都是歐洲來的猶太難民。Frisch是 Meitner 的外甥,在漢堡時曾在Otto Stern的指導下測量質子的磁偶極。當1933年納粹掌權時,他搬到倫敦。在拉塞福的學生Patrick Blackett底下從事放射性的研究。後來他跑去丹麥跟從波耳做研究。1939年夏天他到英國伯明罕訪問,遇上二戰爆發,只好留在伯明罕。至於Peierls則是出生在柏林的猶太人。當希特勒開始在德國執政時,Peierls正拿著洛克菲勒研究獎學金在劍橋大學進行研究。他在獲得了英國的無限期居留簽證之後,使用難民專用的研究經費轉到曼徹斯特。回到劍橋之後開始與Kapur合作研究超導現象及液態氦。他於1937年就任伯明罕大學教授一職。1939年起他與Frisch以及Chadwick開始進行原子能的研究。(諷刺的是,Peierls及Frisch之前都因為”敵國背景”而無法參與雷達的機密研究。) 他們首先把備忘錄拿給也在伯明罕的Marcus Oliphant看。Oliphant是澳大利亞人,拉塞福的學生,同時也是第一個做出核融合反應的人。他看完了這份備忘錄後,如夢初醒地馬上去找防空科學委員會的主席Henry Thomas Tizard 爵士。他們結識是因為戰前Oliphant就參與由Tizard主持的秘密雷達計畫。Tizard向當時的英國首相邱吉爾報告後邱吉爾當下就決定成立一個委員會來評估原子彈的可行性。邱吉爾找來倫敦帝國學院的George Thomson來擔任主席。George Thomson在1937年因電子繞射實驗得到諾貝爾物理獎。他的父親就是發現電子的J.J.Thomson。一開始這個委員會以主席George Thomson為名就叫作Thomson Committee。後來為什麼改叫MAUD 委員會呢? 其實是當德國入侵丹麥後波耳送了一封電報給Otto Frisch,電報最後一行寫著: "Tell Cockcroft and Maud Ray Kent”。大家還以為Maud是什麼暗號,像Ray代表radium之類的,所以把委員會叫成MAUD委員會,其實Maud Ray是波耳的管家啦!而她來自Kent! 真是夠無厘頭的了。

    由於Frisch是奧地利籍而Peierls是德國籍,所以他們都被排除在決策委員會以外,只能參加另一個負責分離出鈾235的技術委員會。決策委員會成員有George Thomson(主席),James Chadwick,John Cockcroft,Marcus Oliphant,Patrick Blackett。Charles Ellis(跟James Chadwick一起待過拘留營的那位!),William Haworth與Philip Moon。除了Haworth以外其它人都是拉塞福的學生。Thomson 與Chadwick當時都得了諾貝爾獎,而Cockcroft跟Blackett在二戰後也分別在1951年以及1948年獲得諾貝爾獎。Blackett因為發現帶有奇異性的新粒子而得獎,而Cockcroft則是因為他與Ernest Walton在1932年利用直線加速器將質子撞擊鋰原子核,將其裂解為兩個氦原子核的實驗而得獎。這樣的陣容由此可以看出邱吉爾的決心。

    MAUD 委員會在Tizard的要求下於1940年四月十日召開第一次會議。會中決定開始研究分離鈾235的方法。MAUD委員會的運作方式是由散佈各大學的各個實驗室分頭進行的。經費也是撥到各大學去。在利物浦大學領軍的是Chadwick本人。他們工作重點是企圖用熱擴散來分離鈾235與鈾238。此外他們也研究鈾-235的核散射截面。到1941年4月,他們已經確定了鈾-235的臨界質量可能在8公斤或以下。而在他研究這個課題的同時,納粹德國空軍幾乎沒有中斷地轟炸利物浦實驗室的周圍,由於窗戶一而再、再而三地被炸掉,所以只好把玻璃窗換成紙板。在牛津大學則是由Franz Simon負責。Franz Simon也是德國出生的猶太人,他與他的太太在1933年因為逃避納粹迫害而逃到英國。他負責研究用氣體擴散法來分離鈾235與鈾238。劍橋大學則是由Eric Rideal帶領下研究鈽Plutonium 是否能拿來製造原子彈以及製造重水。至於在伯明罕大學的團對則是由Peierls負責。他們的任務是考慮製造原子彈相關的理論計算並歸納各實驗室的數據,此時納粹德國幾乎控制了絕大部份的歐洲,而自1940年九月起德軍不斷轟炸英國本土,展開所謂的The Blitz,各個實驗室處境都相當艱難,然而這些科學家們還是拼命地工作,所以當1941年七月美國的物理學家Lauritsen參與MAUD委員會時,他赫然發現英國的相關研究已經走到非常成熟的地步了。反觀美國早在1939年10月21日就成立了S-1鈾委員會,由當時的美國國家標準局National Bureau of Standards (今天的National Institute of Standards and Technology (NIST)的前身)的局長Lyman James Briggs擔任主席,但是卻還沒有具體的成果。只是持續撥款支持費米在哥倫比亞大學做相關的研究。
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    1941年3月 MAUD 委員會的報告內容第一頁(Wikimedia Commons)
     
    在各方催促下MAUD委員會在1941年五月十七日發表最終的報告。報告的主筆人是Chadwick。報告分成兩部份。第一份報告肯定製造原子彈是可行的,它預估十二公斤的鈾235能產生1,800噸TNT炸藥的效果,伴隨許多有害的輻射物質。它也同時預估要蓋一座提鍊鈾235的工廠要花費大約五百萬英鎊以及許多熟練的技術人員。造一顆原子彈估計要花兩千五百萬鎊。並且報告中提到德國可能也在朝製造原子彈的方向前進,所以就算整個計劃所費不貲還是要堅持下去。第二份報告則是關於如何控制鈾235核分裂的連鎖反應。重水與石墨可以當作快中子的減速劑。它同時建議將劍橋團隊的Hans von Halban與 Lew Kowarski派去美國來大規模製造重水。此外第二份報告也提到鈽可能比鈾235更適合拿來製造原子彈,所以它主張繼續在英國本土研究鈽的性質。七月十五日委員會合議通過這兩份報告後就解散了。它還把最終報告寄給了美國鈾委員會的主席Lyman Briggs。英國首相邱吉爾隨即於1941年九月二十四日批准Tube Alloys 計畫。準備在英國以及加拿大繼續原子彈的研究。
     
    當時英國正陷入與德國的苦戰,但美國尚未參戰。當Marcus Oliphant 在八月冒著生命危險搭著轟炸機飛去美國時,發現MAUD的報告書被Lyman Briggs束之高閣,完全沒被理睬。Marcus Oliphant氣壞了,他後來回憶道:當時他正詫異似乎完全沒有人對MAUD報告書有任何評論,他跑去找Lyman Briggs才知道這廝(用Oliphant 的話: this inarticulate and unimpressive man) 把MAUD報告書鎖在保險櫃裡根本沒拿給其它人看過!Oliphant在跟S-1鈾委員會成員開會時強調,造原子彈勢在必行,而且英國沒有足夠的人力與財力,只能靠美國了。 然後Oliphant去找發明迴旋加速器的Ernest Lawrence 以及費米,告訴他們事態緊急,Lawrence於是去聯絡諾貝爾獎得主Compton與時任哈佛大學校長 James Conant。他們都是Office of Scientific Research and Development (OSRD) 的成員(OSRD 是在該年六月二十八日就成立的新機構,它的前身是National Defense Research Committee (NDRC),是個經費無上限,直接向總統負責的神奇霸氣機構。),最後他們說服了OSRD的”大頭目” Vannevar Bush。到了十月九日,Vannevar Bush向羅斯福總統報告後,美國終於下定決心要造原子彈了。而且羅斯福選定陸軍而非原先較積極的海軍來發展原子彈,這就是曼哈頓計畫的開端。十二月六日Bush把Compton找來當主持人,請Harold Urey 研究氣體擴散分離法來提鍊鈾235,再請 Lawrence 來研究用電磁作用來做濃縮鈾。隔天珍珠港事變就爆發了。

    四年後的八月六日,第一顆原子彈投在廣島,三天後,另一顆原子彈投在長崎。但是你知道有兩位大無畏的勇者曾努力阻止這樁人類史上的悲劇嗎? 欲知詳情,請待下回分解!
    Nagasakibomb
    1945年8月,於日本廣島投下原子彈。(Wikimedia Commons)
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