物理群星
弗雷德里克·约里奥 肖像

图:哈考特影室(Studio Harcourt),1948(公有领域)

弗雷德里克·约里奥

Frédéric Joliot

1900–1958 · 生于法国巴黎 · 法国

原子与核物理

最先在实验台上看见人工放射性的人;率先证明裂变放出多余中子,后来又带头呼吁禁止原子武器

诺贝尔化学奖 1935 合成新的放射性元素(与伊雷娜·约里奥-居里共享)

「我们有理由认为,能随意建造或击碎元素的研究者,将会实现爆炸性的嬗变——真正的链式反应。如果这种嬗变能在物质中蔓延开来,可以想见将释放出多么巨大的可用能量。」

—— 弗雷德里克·约里奥,诺贝尔演讲《元素嬗变的化学证据》结尾(1935 年 12 月 12 日;据居里博物馆所藏法文原稿翻译)

1934 年 1 月 11 日,星期四下午,巴黎镭研究所。弗雷德里克·约里奥用钋源照了一片铝箔十来分钟,把源拿开,盖革计数器却没停,正电子一个接一个地来,数目每三分钟出头减掉一半。那天晚上他和妻子伊雷娜有个饭局,走之前他托实验室里的德国博士后根特纳帮忙查一下计数器是不是坏了。第二天早上,他看到根特纳留的字条:计数器没问题。他随即翻开一本新的实验记录本。

那本记录本有 146 页,除了第 42 到 44 页是伊雷娜的笔迹,其余全是他写的。论文是两人署名,诺贝尔奖是两人共得;但最先在实验台上看见人工放射性的,是他。

布商家的小儿子

他 1900 年生于巴黎,父母出身阿尔萨斯的新教家庭,父亲是富裕的布商,家里六个孩子,他最小。第一次世界大战爆发,哥哥亨利应征入伍,开战头几天就死了。

1919 年他考进巴黎市立工业物理化学学校,刚入学就因病休学,1923 年以全年级第一名毕业。当时的教务主任是朗之万。1924 年底,朗之万把他介绍给玛丽·居里,居里夫人当场就把他留在镭研究所做私人助手。在那里,他遇到了居里家的长女伊雷娜,两人 1926 年结婚。

外界习惯称他们「约里奥-居里」,他本人战后的公开活动也常用这个名字。但女儿埃莱娜在访谈里两次强调,父母的科学论文一直分别署名 Irène Curie 与 Frédéric Joliot,「从来没有署过约里奥-居里」。诺贝尔奖的官方名录上,他也是弗雷德里克·约里奥。

自己动手做仪器

他是工程师出身,擅长造仪器。两人合作的许多实验都用威尔逊云室,他自己设计、调试了一种可变压力的新型云室。1932 年 1 月,他们发现德国人报告的那种「铍辐射」能从石蜡里打出高速质子,却仍把它当作 γ 射线;查德威克读到论文,一个月内就证明那是中子。查德威克在诺贝尔演讲里说,通往中子的「第一步」,是约里奥-居里夫妇「一个非常漂亮的实验」。据女儿回忆,他说过:中子的发现,恰好说明科学是国际的。

索尔维会议之后

1933 年 10 月的索尔维会议上,夫妇俩报告铝在 α 粒子轰击下同时放出中子和正电子,迈特纳当场质疑他们的数据。据 2012 年一项查阅约里奥-居里档案的研究,会后两人没有接着一起做这个实验,而是分头去做不同的课题。

他那台新盖革计数器,线路图是他画的,实际动手造出来的却是根特纳——1933 年 1 月初才到镭研究所的第一位德国博士后。于是有了开头那一幕。此后几天夫妇俩一起补做实验,1 月 15 日向科学院报告:放射性第一次能靠外部原因造出来,撤掉原因后还能持续一段可测的时间。

元素嬗变的化学证据

1935 年 12 月,两人在斯德哥尔摩共领诺贝尔化学奖。他的演讲题目是《元素嬗变的化学证据》,讲的就是怎样证明铝真的变成了磷:只造出约十万个原子,称不出来,只能看放射性跟着谁走。把铝箔溶进盐酸,放射性随氢气一起跑出去——磷会变成气态的磷化氢,铝不会。他提醒听众:「这些实验很精细,必须在六分钟左右做完。」

颁奖人帕尔默开了个玩笑:这一回仍然不是把别的金属变成金子——「除非是间接地,以诺贝尔奖的形式」。

演讲里他还预言,人工造出的放射性元素可以当示踪剂,在生物学里追踪各种元素在活体里的去向。结尾那段话更远:研究者终将实现「爆炸性的嬗变,真正的链式反应」;如果这种嬗变能在物质中蔓延,将释放巨大的可用能量——

但是,唉,如果这种传染波及我们星球上所有的元素,我们就必须怀着忧惧,预想这样一场大灾变被引发的后果。

1939:比西拉德早一步发表

1937 年,他成为法兰西公学院教授,给自己的新实验室建起了西欧第一台回旋加速器。

1939 年 1 月,哈恩与施特拉斯曼发现铀核裂变的消息传到巴黎。他当月就设计了一个实验,给铀核的破裂提供了物理上的证据——哈恩的证据是化学的。接下来的问题是:裂变时会不会再放出中子?如果会,而且多于一个,链式反应就有可能。

他与哈尔班、科瓦尔斯基抢在前面。3 月 18 日,《自然》刊出他们的短文:裂变确实放出中子;4 月 22 日第二篇,估计每次裂变放出约 3.5 个。这个数偏高,今天的值约 2.5,但「足以维持链式反应」的结论是对的。纽约的费米、西拉德一组几乎同时得出同样的结果。

西拉德曾提议暂缓发表、自愿保密,巴黎组没有接受。史学家韦尔特列了几条理由:约里奥坚信科学家的国际情谊;不发表就可能被别人抢先;而法国要为核能开发筹钱,也需要拿得出「第一」。那年 8 月,爱因斯坦写给罗斯福的信里说,「经过法国约里奥以及美国费米和西拉德的工作」,在大块铀里引发链式反应已经变得「很有可能」——约里奥的名字排在最前。

一份叫「对爆炸装药的改进」的专利

1939 年 5 月初,他带着哈尔班、科瓦尔斯基、弗朗西斯·佩兰提交了三份秘密专利,讲的都是怎样从铀核裂变中获取能量;其中一份的题目是《对爆炸装药的改进》。据史学家蒙然引述,专利写道,要让这种爆炸反应在实际中可用,「不仅用于采矿和公共工程,也用于制造战争器械」;里面还谈到用中子源引发、把两块材料合拢或加以压缩来达到临界尺寸。

蒙然称这份专利「大胆地」处理了原子弹的原理。《今日物理》2025 年的一篇长文则提醒,这几份专利里找不到任何像真实反应堆的图纸,通篇是构想。

重水去了英国,他留了下来

要让链式反应慢下来、稳下来,需要重水。1940 年春,法国军方派人从挪威运回了当时全世界几乎全部的重水库存,二十多罐,3 月 26 日运抵巴黎。德军压境,重水先被藏进克莱蒙费朗法兰西银行的金库,登记名是「Z 产品」。

6 月 16 日在波尔多,他作出决定:哈尔班和科瓦尔斯基带着重水去英国,他本人留下。18 日两人登上布鲁姆帕克号,21 日抵达英国法尔茅斯。那年 12 月,他们在卡文迪什实验室用铀和重水的混合物证明了临界是可以达到的。

同事戈德施密特后来写道,约里奥「没有充分意识到」他本可以在英美的工作中扮演多么关键的角色,放弃了同行。据女儿回忆,他以阿尔萨斯家族的经历自况:「我留在这儿。德国反正会战败。」

占领下的实验室

1940 年夏,德国科学家进驻他在法兰西公学院的实验室,带队的正是根特纳。据居里博物馆的说法,根特纳是在约里奥暗中同意下主动请缨接管回旋加速器的,并成功保护了它;双方约定实验室只做和平用途的研究。据前面提到的那篇《今日物理》长文,他两次被盖世太保带走,两次都靠根特纳出面才放出来。

这一段至今有史学争论。瑞士史学家比兰在 1995 年的书里把他列为「自愿迁就」占领者的例子之一,问他在投身抵抗之前,是否曾主动接受德国人的存在。皮诺 1996 年撰文回应:留在巴黎是为了替战后保存法国的科研实力,不考虑他身处的科学友谊网络与他同时着手搭建的抵抗组织,就无法理解这个选择。2023 年的一篇述评认为,皮诺正确地指出了比兰对这张网络考虑不足。

他的抵抗是实打实的。1941 年,他出任法国共产党发起的抵抗组织「民族阵线」的主席,并在占领期间秘密入党——确切年份各方说法不一。据同一篇文章,他在实验室里偷偷为游击队造过无线电与武器。1944 年 4 月,他被盖世太保追捕,化名让-皮埃尔·科蒙转入地下,8 月参加了巴黎起义。

共产党员高级专员

巴黎一解放,他就着手重组国家科学研究中心。1945 年 10 月 18 日法国原子能委员会成立,他任首任高级专员,主管全部科学技术工作。1948 年 12 月 15 日中午,法国第一座反应堆 ZOÉ 在巴黎郊外的沙蒂永堡达到临界。名字是科瓦尔斯基起的:Z 代表零功率,O 代表氧化铀,E 代表重水。

十二天后,美国《时代》周刊的标题是「一个共产党员的原子堆」。1950 年 3 月 19 日,他作为第一签名人发起斯德哥尔摩呼吁,要求禁止原子武器;4 月 5 日,他在法共代表大会上说,共产党员科学家绝不会用自己的学识去支持一场对苏联的战争。几周后,比多政府撤去了他的高级专员职务,他只保留了教职与实验室。至于理由,居里博物馆说是政治原因加上在原子能用途上与政府意见不合,也有研究者推测,决策者怕不撤他会影响美国的其他援助。

《今日物理》那篇文章把他称作「法国的奥本海默」,又补了一句:奥本海默是被指控与共产党有牵连,约里奥是真的共产党员。作者也批评他后期对苏联控制东欧保持沉默。

和平运动与中国学生

1949 年起,他领导世界和平运动,此后多年任世界和平理事会主席。1955 年,是他先写信问罗素愿不愿意起草一份联合声明,这才有了当年 7 月的罗素-爱因斯坦宣言,他是十一位签署者之一。

中国的核事业与他渊源很深。钱三强 1937 年赴巴黎,在居里实验室与他的法兰西公学院实验室做研究生,导师正是约里奥夫妇;何泽慧、杨承宗后来也在巴黎这两处实验室工作过。据杨承宗晚年回忆,1951 年他回国前,约里奥专门约见他,托他转告毛泽东:「你们要保卫世界和平,要反对原子弹,就要有自己的原子弹。」此后三十多年杨承宗一直没有对外讲,直到 1983 年 11 月才第一次提起;这段话至今只有他一人的回忆可据,法方档案里没有找到旁证。

奥赛

1956 年伊雷娜死于白血病,他接过她在巴黎大学的核物理教席,也接过她没建完的奥赛核物理中心,把生命最后两年都花在上面。1958 年 8 月 14 日,他在巴黎死于肝病,享年 58 岁;他一辈子烟不离手,这病也可能与多年接触辐射有关。法国为他举行了国葬。

代表方程

放射性跟着气体走

30P+3 H→30PH3↑\mathrm{{}^{30}P} + 3\,\mathrm{H} \to \mathrm{{}^{30}PH_3} \uparrow

把照过的铝箔丢进盐酸,初生的氢把新生成的磷变成气态的磷化氢,放射性就随气体跑进收集管,铝却留在溶液里。一次只造出约十万个原子,称不出来,只能让化学替它作证。全套操作要在六分钟左右做完,因为三分钟就衰掉一半。

裂变放出的中子

01n+92235U→X+Y+ν 01n\begin{aligned} &{}^{1}_{0}\mathrm{n} + {}^{235}_{92}\mathrm{U} \\ &\quad \to \mathrm{X} + \mathrm{Y} + \nu\, {}^{1}_{0}\mathrm{n} \end{aligned}

铀核被中子击碎成两块碎片 X、Y,同时再放出 ν\nu 个中子。1939 年他与哈尔班、科瓦尔斯基估出 ν≈3.5\nu \approx 3.5,偏高了,今天的值约 2.5——但「多于一个、足以维持链式反应」这个结论是对的。

一代一代地蔓延

Ng=N0 kgN_g = N_0\, k^{g}

kk 是每个中子平均引出的下一代中子数,gg 是代数。k>1k>1 时中子数像复利一样暴涨,就是他 1935 年说的「在物质中蔓延」;1948 年法国第一座反应堆 ZOÉ 启动,要的恰恰是把 kk 稳在 1。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.I. Curie、F. Joliot《New Evidence for the Neutron》,Nature 130, 57(1932)
  2. 2.F. Joliot、I. Curie《Artificial Production of a New Kind of Radio-Element》,Nature 133, 201–202(1934)
  3. 3.H. von Halban、F. Joliot、L. Kowarski《Liberation of Neutrons in the Nuclear Explosion of Uranium》,Nature 143, 470–471(1939)
  4. 4.H. von Halban、F. Joliot、L. Kowarski《Number of Neutrons Liberated in the Nuclear Fission of Uranium》,Nature 143, 680(1939)
  5. 5.Frédéric Joliot, Nobel Lecture: Chemical Evidence of the Transmutation of Elements (1935)
  6. 6.诺贝尔基金会《Frédéric Joliot – Biographical》
  7. 7.F. Guerra、M. Leone、N. Robotti《The Discovery of Artificial Radioactivity》,Physics in Perspective 14, 33–58(2012)——据约里奥-居里档案中的实验记录本重建发现经过
  8. 8.D. Mongin《Aux origines du programme atomique militaire français》,Matériaux pour l'histoire de notre temps 31, 13–21(1993)
  9. 9.M. Pinault《Frédéric Joliot, les Allemands et l'université aux premiers mois de l'Occupation》,Vingtième Siècle 50, 67–88(1996)
  10. 10.M. Eckes 等,Philosophia Scientiæ 27(1), 3–31(2023)——比兰与皮诺之争的述评
  11. 11.B. Sweet《France's Oppenheimer》,Physics Today 78(3), 46–51(2025)
  12. 12.戈德施密特《法国对发现链式反应的贡献》,《国际原子能机构通报》第 4 卷(1962)
  13. 13.Musée Curie《Biographie d'Irène et Frédéric Joliot-Curie》
  14. 14.Musée Curie《Frédéric Joliot et l'appel de Stockholm》
  15. 15.埃莱娜·朗之万-约里奥口述史访谈,原子遗产基金会(AHF)
  16. 16.《杨承宗:为中国核事业作出卓越贡献》,中国科学院网(原载《学习时报》2021 年 7 月 7 日)