费米和“超铀元素”猜想

第四节　费米和“超铀元素”猜想

1901年9月29日，费米出生在意大利的罗马。费米的父亲是一名铁路职员，母亲是中学教师。

费米从10岁起，就特别喜欢物理和数学。在小学读书时，他就能理解方程x²＋y²＝z²代表一个圆。费米父亲的同事艾米蒂看出费米的非凡天才，便有意指导他自学。艾米蒂以循序渐进的方法。分批将家藏的数学和物理书借给费米，加上自己买来的一些书，费米通过自学获得了丰富的数理知识，如相当顺利地掌握了投影几何、高等数学和理论力学，学习了电动力学和相对论。在中学读书时，费米掌握的经典物理的基础知识，已相当于大学研究生的程度。

此外，费米还非常喜欢动手用自制仪器以最简单的方法做物理实验，如曾测量过罗马的重力加速度、罗马的自来水密度、地磁场等。他还曾用大拇指测山的距离、树的高度以及鸟的飞行速度等等。许多年后，当第一颗原子弹爆炸时，费米将一张纸撕碎后扔向空中，根据纸飘落的情况，就曾相当准确地测出了原子弹的爆炸威力。

1 918年，17岁的费米考入比萨高等师范学院。为了中请奖学金，费米向学校提交了一篇题为《声音的特殊性能》的论文。论文的第一页就写出了关于振动弹簧的偏微分方程，然后以20页的篇幅阐明了用本征函数求出的解和特征频率的决定等等。这篇论文使评审员C·卡诺雷利教授大感意外。在大学期间，费米几乎不用花时间去学习那些必修课，而是把大量的时间用在深入研究电动力学、相对论和量子力学上，同时在实验室做了大量的实验。1922年7月，费米以一篇关于X射线实验结果的论文，获得博士学位。

获得博士学位后，费米回到了罗马。这时，他十分幸运地遇见了一位非常赏识他、对他一生起着重大作用的人，这就是物理学家、科学院院士、参议员、公共教育大臣科比诺教授。科比诺在与费米几经接触后，就敏锐地感到这位才气勃发的年轻物理家将能担当起复兴意大利物理学的重任，正是他苦心物色的帅才。从此，科比诺成了费米的终身朋友和保护人。在科比诺的安排下，费米先后到德国和荷兰进修，有机会与许多著名科学家接触，获得了许多近代物理的直接知识。

1926年，费米被任命为罗马大学理论物理学教授。费米没有辜负科比诺的期望，很快使罗马成为举世瞩目的原子物理的研究中心之一。在费米的身边，聚集了一批年轻有为的物理学家，形成了理论物理学的罗马学派。

1938年，为使犹太族出身的妻子免遭迫害，费米利用去斯德哥尔摩领取诺贝尔物理学奖的机会，全家去了美国。1944年，费米及家人加入了美国籍。

1942年，费米在芝加哥大学主持建造了第一个可控链式核反应堆，开创了人类利用原子能的历史。1944年，费米以科学总顾问的身份参加了原子弹的秘密研制。1945年7月，第一颗原子弹试爆成功。1946年，费米受聘于芝加哥大学核研究所，从事高能粒子物理研究，取得许多重要成果。

1954年11月28日，费米在芝加哥病逝。

20世纪，是物理学大革命、大综合、大飞跃的时代，也是物理学英才辈出的时代。而在20世纪最杰出的物理群英中，费米是唯一既擅长理论又擅长实验的物理学家。费米对物理学的贡献是巨大的，甚至是划时代的。下面我们介绍费米关于用中子轰击铀元素产物的一个假说，即“超铀元素”的猜想，这一猜想有它科学与合理的地方，在实验中确实产生了超铀元素。但由于铀同位素的存在，费米没能考虑到产物的多样性，走到了重大发现的边缘而失去了重大发现的机会。

1934年1月，约里奥·居里夫妇发现了人工放射性现象引起了费米的极大兴趣，但费米觉得应该对约里奥·居里夫妇的实验进行改进。因为约里奥－居里夫妇是用α粒子轰击铝靶的，由于α粒子带正电，静电斥力使得a粒子很难接近铝核，所以实验的成功率很低，往往用上百万个α粒子才得到·次成功的机会。费米想，如果用1932年查德威克发现的中子来轰击原子，就不会有静电斥力的作用，实验成功的机会一定会大大增加。1934年3月，费米开始了他的中子轰击元素的实验。

约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝元素而发现了放射性现象，而用中子去轰击铝或别的元素，又会出现什么现象呢？费米决定从氢开始，按照顺序对周期表的所有元素都试一试。当他从氢一直轰到氧时，实验中根本没出现预料的反应，这使费米几乎丧失信心，甚至怀疑中子究竟是否具有轰击原子的“炮弹”的作用。然而，费米并没放弃，当轰击到氟时，实验终于成功了。

在以后短短的几个月内，费米轰击了36种元素，得到了37种放射性同位素。当费米开始轰击周期表上最后一个元素，即92号元素铀时，情况变得复杂起来。就是产生的放射性元素不只是一种。通过分析确定至少有一种放射性元素不是靠近铀的已知元素。费米从理论上分析认为，这可能是铀后面的元素，即“超铀元素”。因为从以往的经验规律看，²³⁸U俘获一个中子后变成了²³⁸U，如果²³⁸U进行β衰变，放出一个电子，就变成了第93号元素。而第93号元素当时还没有被发现。如果在实验室里造出来．那当然是十分令人兴奋的事。费米反复地仔细地进行实验，认真地分析研究，但却无法确定自己是否真的制出了第93号元素。

1934年5月，费米将实验的情况写了一篇实验报告，发表在《科学研究》杂志上。报告中并没有声称发现了一种新元素，而是叙述他们已经发现哪些迹象可以表明可能已产生了一种新元素。

但是，科比诺却认为费米过于谨慎，他确信费米已制出了第93号元素。6月4日，科比诺在有国王出席的科学院会议上公开宣称：“根据我天天都注意着这些研究的进展，我认为我可以做出结论说，这一元素的制成已经取得了确切的肯定。”费米认为，尽管制成第93号元素是非常可能的，但现在宣布还为时过早。费米担心其他物理学家会指责他鲁莽和轻率。在征得科比诺同意后，费米和科比诺联合向报界发表了一个简短声明，指出：“在制成第93号元素得到证明以前，尚需完成无数精密的实验……无论如何，这一研究的重要目的并不是要制成一种新元素，而是要研究一种普遍现象。”

费米关于“超铀元素”的猜想得到了大多数物理学家的支持，特别是两位放射化学方面的权威迈特纳和哈恩宣称，通过实验分析“证实”费米的猜想是正确的。这就使得包括费米在内的大多数人认为实验得到的正是“超铀元素”。

然而，德国弗莱堡大学的依达·诺达特却提出了完全不同的看法。她认为费米的猜想是没有化学证据的。她大胆地提出一个新的猜想：是否有可能当中子闯进铀核时引起了核分裂，费米实验中得到的产物可能就是分裂的碎片。她在给《应用化学》杂志写的一篇论文中写道：“可以假定，当原子核在中子的作用下分裂时，就会产生核反应，这个反应与目前在质子或γ射线作用于原子核时所产生的反应有很大区别。似乎在用中子轰击重核时，所研究的核子分裂成几个大块的碎片是可能的，而且毫无疑问。这些碎片应该是已知元素的同位素，但不是被轰击元素的相邻元素。”

遗憾的是，诺达特的观点没能引起费米的重视，也没有引起其他物理学家的重视，包括玻尔、约里奥在内的许多科学家都认为诺达特的假设是不可能的，而用中子轰击铀而产生“超铀元素”是理所当然的。

到1938年哈恩发现铀裂变时，人们才惊异地看到诺达特的假设是正确的。铀裂变的发现是近代物理学最重大的发现之一，而费米由于提出了片面的猜想，让这个本该属于他的发现从自己的眼皮底下溜走了，并且使得这一重大发现推迟了几年。

当然，我们也不能认为费米的假设是完全错误的，第93号元素确实在实验中产生了。1939年，美国物理学家E·M·麦克米伦和P·H·艾贝尔森在用中子轰击铀原子后，成功地分离出了第93号元素，这种元素被命名为镎。镎还会发射一个电子变成第94号元素，第94号元素被命名为钚。镎和钚都是名副其实的“超铀元素”。

用中子轰击铀原子产生两类结果的原因，是铀的同位素造成的。铀常含有铀234，235和238三种同位素，其中，铀238是完全按照费米的猜想进行反应的，而铀－235在被中子击中后则发生了核裂变。客观上讲，不仅费米的猜想是片面的，而且诺达特的观点也是不全面的，只是费米的猜想符合人们的思维习惯，容易被人们接受，而诺达特的假说却出乎人们的预料，所以易招来反对意见。不过，科学的事实最终却将两个矛盾的，甚至是对立的假说统一起来了。