【能源史話04】原子彈，曾被宣判“毫無價(jià)值的武器”

前面我們說到，哈恩、邁特納他們發(fā)現(xiàn)了鈾元素的核裂變，邁特納還發(fā)現(xiàn)，在核裂變的過程中，有一部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量。

鑒于當(dāng)時(shí)正處于第二次世界大戰(zhàn)，看到原子核里蘊(yùn)藏著這樣巨大的能量，很多科學(xué)家第一反應(yīng)就是，能不能利用這個(gè)反應(yīng)，制造一種超級(jí)武器。

小男孩原子彈爆炸（圖片來源：Wikipedia）

于是，核裂變開啟了它坎坷的核武器之旅。

宣判“沒有軍事價(jià)值的武器”

雖然從理論上來說，原子核裂變制作的武器擁有巨大的破壞力，但最開始的時(shí)候，很多科學(xué)家并不看好這種武器，認(rèn)為這樣的武器“沒有什么軍事價(jià)值”。

科學(xué)家之所以會(huì)有這種想法，跟“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”這個(gè)概念有關(guān)。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最早是由匈牙利科學(xué)家利奧·西拉德（下一集我們還會(huì)提到他）提出的，但他提出“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”概念的時(shí)間是1933年，那時(shí)候人們還沒有證實(shí)核裂變。

利奧·西拉德（圖片來源：Wikipedia）

在1939年，哈恩和邁特納不僅發(fā)現(xiàn)了鈾原子能夠裂變，他們同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，鈾原子核裂變的時(shí)候，還會(huì)噴射出幾個(gè)中子。

如果這些噴射出來的中子能夠繼續(xù)撞擊鈾原子核，那么，被擊中的鈾原子核就有可能繼續(xù)發(fā)生裂變，又會(huì)釋放出的新的中子，就這樣一環(huán)接一環(huán)地進(jìn)行下去，這就是西拉德所說的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

不過，想要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并沒那么容易。

首先，是原材料太稀少了。

自然界里的鈾元素以三種同位素形式存在：鈾-234，鈾-235，鈾-238。絕大部分的鈾，都以鈾-238的形式存在（大約占到99.27%），但豐度最高的鈾-238并不能夠維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，能夠維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的只有鈾-235，它的豐度非常低，只有可憐的0.72%。

所以，想要用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來作武器，就需要濃縮出足夠高濃度的鈾-235，這在當(dāng)時(shí)來說是一個(gè)非常浩大的工程。

金屬鈾（外層灰黑色為氧化鈾）（圖片來源Wikipedia）

其次，并不是所有類型的中子都能引發(fā)核裂變。

鈾-235裂變時(shí)候，釋放出來的中子種類很多，其中，只有特定能量的中子（熱中子）能夠引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

還有，中子碰撞到鈾原子核的概率實(shí)在是太低了。

之前在說盧瑟福原子模型時(shí)候提到過，相比于整個(gè)原子，原子核的體積非常非常小。

鈾原子核裂變的時(shí)候，釋放出的中子是隨機(jī)朝一個(gè)方向飛的，要想讓這個(gè)中子恰好撞上另一個(gè)原子核，概率實(shí)在是太低了。這相當(dāng)于一個(gè)盲人在體育館里隨意開一槍，子彈恰好擊中了隔壁體育館里的一顆乒乓球。

為了確保核裂變能持續(xù)進(jìn)行下去，就需要足夠多的鈾-235，這樣飛出來的中子撞上另一顆原子核的概率就增大了，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才有機(jī)會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去。

于是當(dāng)時(shí)，用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)造武器就陷入了一個(gè)困境：一方面，需要足夠多的鈾-235，讓核裂變能夠持續(xù)進(jìn)行，另一方面，鈾-235在自然界的鈾元素里豐度又很低，制造足夠多的鈾-235需要投入大量的成本。

黃餅，經(jīng)過濃縮后的氧化鈾混合物（圖片來源：Wikipedia）

花這么大的成本來造一顆武器，在軍事上是不是有價(jià)值？搞清楚最少需要多少鈾能引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就成為了首要問題。

臨界質(zhì)量是多少？

這里需要提到“臨界質(zhì)量”這個(gè)概念，能夠引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需材料的最小質(zhì)量就叫臨界質(zhì)量。在發(fā)現(xiàn)核裂變的消息傳出來之后不久，就有人開始計(jì)算這個(gè)臨界質(zhì)量了。

1939年5月，弗朗西斯·佩蘭（驗(yàn)證了原子存在的讓·佩蘭的兒子），就計(jì)算過鈾氧化物的臨界質(zhì)量，之所以算鈾氧化物是因?yàn)樗啾燃冣櫢菀撰@得，但這個(gè)質(zhì)量算出來有40噸，就算加上了中子反射器（把沒碰到原子核的中子反射回去，增加碰撞概率），臨界質(zhì)量也有12噸[1]。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（圖片來源Wikipedia）

這個(gè)質(zhì)量實(shí)在是太大了，且不說這顆炸彈造出來到底有多大，爆炸時(shí)候威力到底怎么樣，光是弄這么多的原材料就很麻煩了。如果傾全國(guó)之力去造一枚炸彈，那這樣的炸彈在軍事上就沒什么價(jià)值。

同樣不看好原子彈前途的，還有玻爾。

前一集我們提到過，邁特納能夠發(fā)現(xiàn)核裂變，是受到了玻爾和伽莫夫原子液滴模型的啟發(fā)。玻爾看到鈾原子裂變被證實(shí)了，也非常激動(dòng)。

在1939年1月，玻爾迫不及待地把這個(gè)消息帶到了美國(guó)，在第五屆華盛頓理論物理學(xué)會(huì)議上，告訴美國(guó)科學(xué)家們核裂變的存在。

美國(guó)科學(xué)家自然也想到了利用核裂變來制造核武器，于是立即重復(fù)實(shí)驗(yàn)。但是玻爾和美國(guó)科學(xué)家們?cè)谧隽艘幌盗袑?shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，用核裂變?cè)煳淦鞑]有那么簡(jiǎn)單。

他們也意識(shí)到，只有鈾-235能夠捕獲中子發(fā)生核裂變，而且鈾-235在自然界的含量實(shí)在是太少了，他們得出了同樣的結(jié)論：“制造一顆炸彈需要投入整個(gè)國(guó)家的力量”[2]。

所以，玻爾他們最初也不看好用核裂變反應(yīng)來作超級(jí)武器。

弗里施-佩爾斯備忘錄

雖然弗朗西斯·佩蘭和玻爾都不看好核武器，但是邁特納的侄子弗里施和另一位科學(xué)家魯?shù)婪颉づ鍫査箙s很看好核武器的前景。

同樣是在1939年，弗里施和佩爾斯一同發(fā)布了一份“弗里施-佩爾斯備忘錄”，這份備忘錄，對(duì)核武器的誕生至關(guān)重要。

弗里施（左二）佩爾斯（右二）（圖片來源：Wikipedia）

前面弗朗西斯·佩蘭在計(jì)算鈾的臨界質(zhì)量的時(shí)候，用的是鈾氧化物。弗里施他們的備忘錄里考慮的是“如果用純鈾-235，臨界質(zhì)量是多少？這樣的炸彈能有多大威力？提純這么多鈾需要多少成本？是不是有軍事價(jià)值？”

可以說，這份備忘錄就是一份“核武器可行性分析報(bào)告”。

需要說明的是，當(dāng)時(shí)人們對(duì)于鈾的性質(zhì)并不是很熟悉，弗里施他們的計(jì)算中有一些參數(shù)估算錯(cuò)誤，比如純鈾的密度，弗里施是按照15g/cm3算的，但實(shí)際上是18.95g/cm3。還有另一些不確定的參數(shù)，弗里施也做了估算。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，弗里施他們算出來的臨界質(zhì)量非常小，大約是 600 g（一說計(jì)算結(jié)果約10公斤，但從備忘錄上看，是 570 g），臨界半徑約 3 厘米[3]。

雖然這個(gè)數(shù)值和后來算出來的臨界質(zhì)量52kg，臨界半徑17厘米差得很遠(yuǎn)，但是弗里施算出來的答案太有誘惑力了，600g的鈾-235就可以引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，可以說這份手冊(cè)對(duì)于英國(guó)、美國(guó)、加拿大開展核武器研究至關(guān)重要。

至少?gòu)倪@份手冊(cè)里的數(shù)據(jù)來看，核武器從一項(xiàng)毫無軍事價(jià)值的武器變成了極具軍事價(jià)值的武器。

接下來，科學(xué)家們將開啟一項(xiàng)大工程，努力把臨界質(zhì)量的鈾放在一起，看鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是不是真的能和象想象中一樣，釋放出巨大的能量。

參考文獻(xiàn)：
[1]Perrin, Francis (1 May 1939). "Calcul relatif aux conditions éventuelles de transmutation en chaine de l'uranium". Comptes rendus de l'Académie des sciences (in French). 208: 1394–1396.
[2]Wheeler, John A. (1 November 1967). "The Discovery of Fission – Mechanism of Fission". Physics Today. 20 (11): 49–52.
[3]The Frisch-Peierls Memorandum,p191, https://web.stanford.edu/class/history5n/FPmemo.pdf（原文鏈接）

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