恩里科·费米—

驾驭核能的人

■恩里科·费米，1950年前后

核裂变或核能历史教科书几乎都没有记载1934年10月22日这个日子，其实这个日子的重要性不亚于伦琴发现神秘射线的日子，因为正是在这一天，恩里科·费米发现了中子慢化现象。

这位意大利物理学家担任一个由罗马大学出色专家组成的研究小组的负责人已有7年的时间，他上任时的任务就是要振兴意大利的物理学，使其重新进入世界的前列，为此，费米选择当时新兴的原子核研究作为突破口。1934年初，巴黎的依莱娜和弗莱德里克·约里奥—居里发现，用α射线轰击原子核可产生新的放射性元素，费米于是就想到了用中子来轰击原子核。詹姆斯·查德威克两年前发现的中子在电荷上呈中性，费米估计中子能更好地进入原子核，但问题是如何获得足够强大的中子源。当时罗马只有少量昂贵的镭可作为中子源使用，镭分解为氡和α粒子，氡是一种释放出α射线的放射性气体，氡遇到铍这种元素后就能产生人们期盼的中子。但所得到的中子数量极少，以至于费米怀疑那么微弱的中子源是否能得出可靠的测量结果。尽管如此，这位严谨执著的科学家还是将元素周期表里他所能得到的所有元素都试验了一遍，他从最轻的氢开始，在用中子轰击氟时，他发现了放射性物质，这种物质在元素周期表里排在氟的边上，在轰击锰、铁和银等金属时也有了收获。但上述各项试验只不过是重复法国人已做过的试验，并没有任何新的突破。在用中子轰击最重的元素铀时，他们发现一种无法排列在相邻元素边上的人工放射性，于是这些自命为核物理学家的研究人员宣布他们找到了一种比铀还重的元素，即所谓的“超铀”。几年之后，费米因此而获得了诺贝尔物理学奖，又过了几年后，费米才知道实际上自己用中子轰击使铀核产生了裂变。这要比奥托·哈恩发现核裂变早好几年，哈恩因其在核裂变方面的发现而获得诺贝尔化学奖。

■恩里科·费米首次引发的核裂变链式反应

伟大的测量者

费米从小就有测量一切事物的冲动，他经常估测远处山峰的距离、树木的高度或鸟飞行的速度，他的朋友更是被他按照身高、外观或富裕程度分门别类。1945年6月15日，人类历史上第一颗原子弹在新墨西哥州的沙漠中试爆时，费米在相距15公里的观察站观察，他向空中扔了几片纸屑，根据原子弹爆炸时发出的冲击波带动纸屑的距离，费米计算出了原子弹的能量释放值，后来证明他计算的结果与测量仪器测得的结果惊人地相似。

1934年10月22日，意大利物理学家费米在做中子轰击银的试验时发现，如果用其他物质将中子源和银隔开，人工放射性就会大大增加。费米灵机一动，将石蜡作为隔离物放在了中子源和银的中间，结果证明石蜡是最有潜能的人工放射性“放大器”。这一天中午休息时，费米终于找到了这种现象的答案：石蜡中的原子核延缓了中子的轰击速度，放慢了速度的中子能更好地被银原子核截住，并在那里制造出更大的动荡，这就像打高尔夫球时速度太快的球反而不容易入洞的道理一样。后来，费米又在研究所的金鱼池里做了用水代替石蜡的试验，所得出的结果也证明了他的理论。

■遭受原子弹袭击后的日本广岛市。1945年8月6日，美国在广岛投下了第一枚原子弹，14万人因此而丧生。在原子弹建造中扮演重要角色的恩里科·费米面对原子弹带来的悲剧仍赞成使用原子弹

黑色的一天

参与1942年12月人类历史上第一个核反应堆成功试验的人都知道他们的工作意味着什么，作为该项目的负责人，费米和匈牙利人列奥·西拉德更是心中有数。早在几年前，西拉德就在英国获得了通过可控制的链式反应来获取能源的保密专利，核反应堆试验成功后，西拉德在与费米握手互表祝贺时说：“我相信，这一天将作为黑色的一天载入人类的史册。”

费米和其同事在1934年秋天所发现的裂变中子慢化现象实际上是一种引发和控制核裂变链式反应的方法，当然，当时参与研究工作的科学家都还没意识到这一点。后来，奥托·哈恩和斯特拉斯曼以及迈特纳和弗里施对此又做了大量的试验研究，直到1939年初才知道，中子在使铀核裂变的同时释放出其他中子，这些中子能进一步使其他铀核产生裂变。至此，利用核裂变链式反应的想法（早在1933年匈牙利物理学家列奥·西拉德就有过这种想法）才能得以实现，核裂变链式反应的有控制利用就是建立核反应堆，无控制利用就是原子弹。

■恩里科·费米为首的物理学家建造的第一个链式核反应堆。《核时代的诞生》，油画，1957年，加里·谢汉，芝加哥历史协会

1938年，费米利用赴斯德哥尔摩领取诺贝尔奖的机会逃亡到了美国，在美国他开始建造可控原子核裂变链式反应堆。1942年，他的研究工作也被纳入了美国曼哈顿原子弹项目，1942年12月2日，在费米、西拉德和其他物理学家的努力下，世界上第一座原子核裂变链式反应堆成功运行了四分半钟，这座由铀、氧化铀和一大堆存放在芝加哥大学橄榄球场下面的壁球馆里的石墨组成的重达数百吨的核反应堆生产出了半度电，石墨使中子放慢了速度，使其成为强劲的裂变源，这个世界上第一个原子堆通过镉棒来加以控制，镉棒可以被送入反应堆或从反应堆里抽出来，镉是一种特别有效的阻隔物质，它可以完全“吞食”裂变中子，这样就可以通过镉棒来加强或消减反应堆的活动。

鉴于费米在核物理方面的权威和核能可控性方面的成功示范，他自然就成了美国原子弹项目不可缺少的顾问，他本人也赞成在日本投放原子弹，因为他相信，只有原子弹的威慑力量才能迫使日本终止战争。原子弹带来的毁灭性后果也并没能改变费米的基本立场，但他却反对研制比原子弹威力更大的氢弹，因为这将是一种“种族屠杀的武器”。

专利

1934年秋天，费米和其他四位同事发现，通过“延缓”材料可提高人工放射性，那时他们只看到了这一发现的科学价值，他们的导师物理学教授马里奥·科尔比诺则目光远大，要求他的学生去申请专利。1935年2月2日 意大利专利局颁发了专利证书，5年后，该发明还获得了美国专利。尽管这项发现成就了费米于1942年在芝加哥建造的原子反应堆和洛斯阿拉莫斯第一颗原子弹的建造，这几位年轻的发明者并没有因此而变得富有起来。费米当时作为技术顾问以政府官员的名义参与原子弹项目，本来无权使用相关专利，尽管如此，专利拥有者们并没有提出侵权诉讼，其中一个原因是5名发明者中最小的一位布鲁诺·蓬泰科尔沃于1950年投奔苏联。1953年，原子能委员会终于与专利权人达成和解，共向他们支付了30万美元。

■柬埔寨发行的恩里科·费米特种纪念邮票

恩里科·费米主要以核物理学家和原子堆建造第一人而闻名于世，但他在理论物理方面的贡献也是物理学进步所不可或缺的。费米统计法是今天所有物理学分支的标准教学内容，费米统计法是一种应用量子力学原理计算气体特性的方法。早在开始研究核物理以前，费米就提出了这方面的理论。20世纪20年代，费米还发表了不少关于相对论方面的论文，费米是一位集实践和理论于一身的双料天才。

恩里科·费米

生平与学术生涯

恩里科·费米于1901年9月29日出生在罗马，父亲是一位铁路官员，母亲是一位教师。与当时意大利的情况一样，恩里科生命的前两年与哥哥朱利奥一起在乡下的奶妈家度过，兄弟俩小时候几乎形影不离，直到朱利奥于191 5年在一次手术中丧生。传说哥哥的死给费米带来了巨大的打击，他把悲痛全部倾注在物理和数学的学习中。事实上费米从小就是一名优秀的学生，在物理和数学方面尤为出类拔萃，他跳过了高级中学的三年级，于1917年直接从罗马来到了更为有名的比萨大学。不久，他的专业知识就超过了他的老师，并完成了《伦琴射线在晶体上的散射》的实验性博士论文。这以后他获得一笔奖学金，来到了汇集了量子理论精英的哥廷根大学，当时，与他同龄的维尔纳·海森伯也在那里深造。生性腼腆的费米无法适应哥廷根大学的学术氛围，在哥廷根的三个月在他的物理生涯中只留下失败的回忆，后来他又在荷兰的莱顿待了三个月，拜著名的保罗·艾伦菲斯特为师。结束了为期六个月的国外深造后，费米回到了意大利，起初在佛罗伦萨当大学讲师，二十六岁时（1927）主持罗马大学新成立的理论物理学讲座，他关于相对论的论文和计算量子粒子的费米统计法使他声名鹊起。在罗马，费米带领一支阵容强大的物理学科研队伍，把原子核物理作为主攻方向。1928年费米与劳拉·卡彭结婚，两人共生育了两个孩子。1934年，费米的研究团队开始用中子轰击原子核的试验，他们不断改进试验方法，终于发现了一种比铀还重的新元素，研究人员由此就把它称为“超铀”元素，为了表彰他在这方面的发现和贡献，费米在1938年被授予诺贝尔物理学奖。借赴斯德哥尔摩领奖的机会，他与全家逃离了墨索里尼法西斯统治的意大利（费米的夫人是犹太人）。逃亡美国后，费米在纽约的哥伦比亚大学找到了工作，开始着手研究核裂变过程，他在这方面的研究成果在人类历史上的第一个原子反应堆得到了充分展示。该原子反应堆于1942年12月2日进入临界状态，运行了几分钟，这是当时美国曼哈顿原子弹项目的一个组成部分。不久，费米就作为技术顾问来到了建造原子弹的洛斯阿拉莫斯。1946年起，费米出任新成立的芝加哥大学核物理研究所所长，直至他离开人世。1954年11月28日，恩里科·费米在芝加哥死于胃癌。

推荐

阅读：

《恩里科·费米》， Carlo Bernardini主编，Berlin2004

《物理学家恩里科·费米》， Emilio Segré著，Chicago 1995

《是原子弹还是第8造物日的故事？》，Richard Rhodes著，Nördlingen 1988

《我的丈夫和原子》， Laura Fermi著，Köln 1956

《原子舞者：费米传》， Emilio Segre著，杨建邺、杨渭译，上海科学技术出版社2006

《原子在我家中：我与恩里科·费米的生活》， Laura Fermi著，何兆武、何芬奇译，上海人民出版社2005

《恩里科·费米与现代物理学革命》， Dan Cooper著，罗爽译，陕西师范大学出版社2004

参观：

位于新墨西哥州阿尔伯克基的美国国家原子博物馆

美国芝加哥科学和工业博物馆费米反应堆模型

点评

如果费米建造的人类历史上第一个核反应堆不服务于原子弹的制造，人们就可把“核能之父”的美誉送给他。