【能源史話04】原子彈，曾被宣判“毫無價值的武器”

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，有一部分質量轉化成了能量。

鑒于當時正處于第二次世界大戰(zhàn)，看到原子核里蘊藏著這樣巨大的能量，很多科學家第一反應就是，能不能利用這個反應，制造一種超級武器。

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，但最開始的時候，很多科學家并不看好這種武器，認為這樣的武器“沒有什么軍事價值”。

科學家之所以會有這種想法，跟“鏈式反應”這個概念有關。

鏈式反應最早是由匈牙利科學家利奧·西拉德（下一集我們還會提到他）提出的，但他提出“鏈式反應”概念的時間是1933年，那時候人們還沒有證實核裂變。

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，他們同時還發(fā)現(xiàn)，鈾原子核裂變的時候，還會噴射出幾個中子。

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，又會釋放出的新的中子，就這樣一環(huán)接一環(huán)地進行下去，這就是西拉德所說的鏈式反應。

不過，想要發(fā)生鏈式反應，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并不能夠維持鏈式反應，能夠維持鏈式反應的只有鈾-235，它的豐度非常低，只有可憐的0.72%。

所以，想要用鏈式反應來作武器，就需要濃縮出足夠高濃度的鈾-235，這在當時來說是一個非常浩大的工程。

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)鏈式反應。

還有，中子碰撞到鈾原子核的概率實在是太低了。

之前在說盧瑟福原子模型時候提到過，相比于整個原子，原子核的體積非常非常小。

鈾原子核裂變的時候，釋放出的中子是隨機朝一個方向飛的，要想讓這個中子恰好撞上另一個原子核，概率實在是太低了。這相當于一個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，鏈式反應才有機會持續(xù)進行下去。

于是當時，用鏈式反應造武器就陷入了一個困境：一方面，需要足夠多的鈾-235，讓核裂變能夠持續(xù)進行，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值？搞清楚最少需要多少鈾能引發(fā)鏈式反應，就成為了首要問題。

臨界質量是多少？

這里需要提到“臨界質量”這個概念，能夠引發(fā)鏈式反應所需材料的最小質量就叫臨界質量。在發(fā)現(xiàn)核裂變的消息傳出來之后不久，就有人開始計算這個臨界質量了。

1939年5月，弗朗西斯·佩蘭（驗證了原子存在的讓·佩蘭的兒子），就計算過鈾氧化物的臨界質量，之所以算鈾氧化物是因為它相比純鈾更容易獲得，但這個質量算出來有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），臨界質量也有12噸[1]。

鏈式反應（圖片來源Wikipedia）

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

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了，也非常激動。

在1939年1月，玻爾迫不及待地把這個消息帶到了美國，在第五屆華盛頓理論物理學會議上，告訴美國科學家們核裂變的存在。

美國科學家自然也想到了利用核裂變來制造核武器，于是立即重復實驗。但是玻爾和美國科學家們在做了一系列實驗之后發(fā)現(xiàn)，用核裂變造武器并沒有那么簡單。

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

所以，玻爾他們最初也不看好用核裂變反應來作超級武器。

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，對核武器的誕生至關重要。

弗里施（左二）佩爾斯（右二）（圖片來源：Wikipedia）

前面弗朗西斯·佩蘭在計算鈾的臨界質量的時候，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？是不是有軍事價值？”

可以說，這份備忘錄就是一份“核武器可行性分析報告”。

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

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

雖然這個數(shù)值和后來算出來的臨界質量52kg，臨界半徑17厘米差得很遠，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)鏈式反應，可以說這份手冊對于英國、美國、加拿大開展核武器研究至關重要。

至少從這份手冊里的數(shù)據來看，核武器從一項毫無軍事價值的武器變成了極具軍事價值的武器。

接下來，科學家們將開啟一項大工程，努力把臨界質量的鈾放在一起，看鏈式反應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：
[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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