原子時代的奠基人～費米

 

原子時代的奠基人～費米

2024-02-26

 

 

1938年的諾貝爾物理獎頒給了義大利物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi，1901～1954），得獎理由是「證明了可由中子照射而產生的新放射性元素的存在，以及有關慢中子引發的核反應的發現」。不過當時費米並沒有製造出新元素，而是造成了核分裂，這是諾貝爾物理獎惟一犯錯的一次。不過費米做為二十世紀最偉大的物理學家之一的歷史地位並沒有因此動搖。他是最後一個能同時在理論與實驗都有卓越貢獻的重量級物理學家。

 

1901年, 費米誕生於羅馬，就讀於比薩高等師範學校，1922年7月，費米獲得了學士學位。1924年，他前往德國哥廷根大學，跟隨馬克斯·玻恩學習了一學期。隨後，他前往萊頓跟隨埃倫費斯特學習了三個月。在那裡，他結識了羅倫茲和愛因斯坦。費米自1925年1月起在佛羅倫斯大學任教直到1926年末。1926年，他成為羅馬大學的教授。他很年輕時就嶄露頭角，在量子力學以及場論都有很大的貢獻，也第一個提出描述貝他衰變的理論。而他的興趣也逐漸由理論轉向核物理實驗。
 

1934年1月法國的伊蓮娜·約里奧-居禮與弗雷德里克·約里奧-居禮發現利用α粒子轟擊原子核的方式可以誘導原子核產生放射性。費米知道以後決定採用查德威克在1932年發現的中子來進行類似的實驗。中子不帶電，所以不會被帶正電的原子核給散射掉。這意味著它們深入原子核時所需能量要比帶電粒子少，因而不需要使用粒子加速器。開始時他用中子轟擊鉑核，但並沒有成功。接著嘗試鉛原子，也沒有成功。於是他轉向轟擊鋁原子核，並成功將其轉化為鈉的一種同位素以及一個α粒子。這個鈉原子後來發生β衰變轉化為鎂原子。最終，他利用中子轟擊的方法成功誘導了22種元素產生放射性。
 

接下來費米用中子轟擊釷元素與鈾元素，這兩種元素都具有天然放射性，很難判斷利用中子轟擊這兩種元素原子的結果。費米認為反應產物中包含當時尚未發現的第93號及第94號元素。化學家伊達·諾達克質疑這個實驗結果，表示反應產物可能並不是新的元素，而是原子序數較鉛小的元素。由於諾達克的研究團隊之前沒有進行過與鈾有關的研究，因而她的質疑並沒有受到重視。當時的物理學家從理論上也認為原子核不會分裂。因而他們認為對於一個原子進行中子轟擊只會產生原子序數比它大的原子。沒有人相信慢中子有足夠能量令重的原子核發生分裂。
 

但是到了1938年12月，費米得知德國化學家哈恩及施特拉斯曼在利用中子轟擊鈾原子的產物中發現了元素鋇。1939年，莉澤·邁特納與她的外甥奧托·弗里施將這一現象歸結為鈾核發生了核分裂，並在該年1月13日通過實驗驗證了這一點。諾達克的質疑與推測最終被證實。雖然此前費米基於計算結果否決了核分裂存在的可能性，但他當時並沒有考慮到具有奇數個中子的核素俘獲外來中子時釋放出的結合能。費米此前宣布發現的超鈾元素，最終被證實了並不是超鈾元素而是核分裂產物。但這無損費米在核物理的崇高地位。
 

就當費米成為新興的核物理領導人物之際，國際局勢的變化也改變了他的人生。費米不是個象牙塔中的書生，他來自平民家庭，從小到大能者多勞，對於社會狀態也有了解，墨索里尼在1938年頒布義大利種族法時，費米轉而反對法西斯主義，因為這項法案威脅到他的妻子蘿拉，她是猶太人。

 

1938年12月獲得了諾貝爾物理獎後，沒有回到義大利，而是與家人直接去了紐約。他們一家申請了美國的永久居留權。費米於1939年1月2日安全抵達紐約,當時有5間大學邀請他去教書，他選擇了哥倫比亞大學。費米的團隊花不到4年便設計並建造了芝加哥一號堆（Chicago Pile-1），這個反應爐在1942年12月2日進行了臨界試驗，是人類首次完成可控制的自續式連鎖反應鈾裂變反應爐。
 

費米基於此前有關中子的研究，發現可利用石墨作為減速劑。這樣做可以減小中子的俘獲率，從理論上可以實現自我持續的連鎖反應。西拉德提出了在石墨磚堆中穿插置入鈾氧化物。這些創想在後來的實驗裝置裏都實現了。

 

美國對日宣戰後，費米離開哥倫比亞大學，參與在芝加哥新成立的冶金實驗室。費米成為製造原子彈的曼哈頓計畫的要角。他首先在芝加哥大學的斯塔格球場看台下的壁球場中建造反應爐。芝加哥1號堆在1942年11月6日正式開工，並在同年12月2日進行了臨界試驗。這是人類首次製造出自我持續的連鎖反應。反應爐後來遷到了阿貢。

 

1944年9月，費米向漢福德B反應爐插入了第一個鈾燃料芯塊。這個反應爐是為了生產大量的合成鈽而設計建造的。1945年7月16日，費米見證了三位一體核子試爆，並通過觀察爆炸產生的衝擊波能將紙片吹多遠估算了試驗核彈的當量。他的估算結果為10千噸TNT，與實際當量18.6千噸在同一數量級。這是費米的看家本領:用很簡單的方法估計出很複雜問題答案的數量級!
 

戰後費米馬上被聘為芝加哥大學的教授。1946年7月1日，冶金實驗室被升格為阿貢國家實驗室。在阿貢，他與利昂娜·馬歇爾一起研究中子散射，還幫助了瑪麗亞·梅耶深入理解原子核中核子的自旋-軌域耦合。梅耶後來獲得諾貝爾物理學獎的研究也是受到他的啟發。

 

1947年1月1日，曼哈頓計劃正式被美國原子能委員會取代。費米擔任顧問。1949年，費米雖然反對研發氫彈，但還是成為了氫彈研究團隊的顧問。他與斯塔尼斯拉夫·烏拉姆合作計算得出泰勒模型中所需的氚的數量儘管大到驚人，但仍不能保證核融合能夠持續遞移。
 

1954年，費米不幸因胃癌在芝加哥的家中去世，享年只有53歲。他的早逝實在是科學界的一大損失。

 

科學家之妻為丈夫寫側傳並不多見，但是針對原子彈相關的科學家，有兩本相當受到重視，《時空遊子海森堡》是其一，還有《原子時代的奠基人：費米傳》（Atoms in the Family，Laura Fermi，1973）。費米英年早逝，雖然他的傳記有5本以上，但是他太太蘿拉的文筆輕巧流暢，不但讓不熟悉原子物理的讀者能夠了解費米在原子彈製造過程中的貢獻，還很稀罕的為我們描述原子彈誕生地──美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）社區的生活實景。因為蘿拉是猶太人，費米當初選擇美國移民，就是為了她及小孩，否則他會不會有後來「原子能之父」的稱謂。