物理群星
奥托·哈恩 肖像

图:诺贝尔基金会官方照片(公有领域)

奥托·哈恩

Otto Hahn

1879–1968 · 生于德国美因河畔法兰克福 · 德国

原子与核物理

化学家用化学的办法证明了铀核裂成两半,却说不出这在物理上意味着什么

诺贝尔化学奖 1944 发现重核的裂变

1938 年 12 月的一个晚上,柏林达勒姆的一间化学实验室里,奥托·哈恩反复检查了同一件事:他们从被中子轰击过的铀里分离出来的东西,无论怎么做化学分离,都跟钡走在一起。

钡的原子序数是 56,铀是 92。这不是「铀掉了一小块」能解释的差距。

一个化学家的手艺

哈恩本行是化学。1904 年他去伦敦跟拉姆齐,起初只是想练英语,结果在处理一批粗镭盐时发现了一种新的放射性物质。第二年他到蒙特利尔跟卢瑟福干了一年——那一年他学到的是放射化学:如何在肉眼看不见的量级上,靠共沉淀、结晶和分离,把一种元素从另一种里面认出来。

这门手艺后来救了他。1938 年的判决性证据不是任何物理测量,而是一次极其干净的化学分离:他和斯特拉斯曼用钡做载体做分级结晶,如果产物是镭(当时公认的答案),它应该在某一步和钡分开;结果它一步都没分开。

三十年的合作和一封信

1907 年起,哈恩与莉泽·迈特纳在柏林合作了三十年,他负责化学,她负责物理。1938 年 7 月,迈特纳因犹太血统被迫仓皇逃往荷兰,最后落脚瑞典。

12 月得到那个荒唐结果时,哈恩第一个动作是写信给已经流亡的迈特纳。他在信里近乎求助地写道:这个结论与核物理学的一切经验相抵触,但化学上又赖不掉。

迈特纳在瑞典的雪地里散步时,和外甥弗里施一起算出了答案:核可以像一滴水一样被拉长、掐断;断开时两半的电荷互相推开,释放约两亿电子伏。这个数字与玻尔的液滴模型对得上。他们给这个过程取了个借自细胞分裂的名字——fission,裂变。

一个人的名字与另一个人的缺席

1939 年 1 月 6 日,哈恩与斯特拉斯曼的化学论文发表。一个月后,迈特纳与弗里施的物理解释发表在《自然》上。

1944 年的诺贝尔化学奖只给了哈恩一人。迈特纳的名字不在上面。原因至今有争议——学科壁垒(化学委员会不愿承认物理的贡献)、战时通信不畅、以及哈恩战后倾向于把裂变说成纯粹化学成果,都在其中。1997 年,第 109 号元素被命名为 meitnerium(䥑)作为迟来的补偿。

法姆霍尔的那个夜晚

1945 年,哈恩和其他九位德国核科学家被英军秘密扣押在英格兰乡下的法姆霍尔庄园,屋里装满窃听器。8 月 6 日晚,他们从广播里听到广岛的消息。

录音记录显示,哈恩当晚陷入极度的自责——他一直认为分离出可用的铀 235 在工程上不可能,而正是他的发现让这件事成为可能。同伴担心他会自杀,整夜有人陪着他。

战后他成了马克斯·普朗克学会的首任会长,也成了德国科学界反核武器最坚决的声音:1955 年的《美瑙宣言》、1957 年的《哥廷根宣言》,都由他领衔。他余生没有再做过一次实验。

代表方程

铀核的裂变

92235U+01n→56141Ba+3692Kr+3 01n^{235}_{92}\mathrm{U} + ^{1}_{0}\mathrm{n} \rightarrow ^{141}_{56}\mathrm{Ba} + ^{92}_{36}\mathrm{Kr} + 3\,^{1}_{0}\mathrm{n}

哈恩与斯特拉斯曼在铀被中子轰击后的产物里,用化学方法确认了钡——一种只有铀一半重的元素。核不是被削掉一角,是被劈成了两半。

一次裂变放出的能量

ΔE≈200 MeV\Delta E \approx 200\ \mathrm{MeV}

一次普通化学反应放出的能量以电子伏计,一次铀核裂变放出两亿电子伏——差了将近一亿倍。这个数字是迈特纳和弗里施在雪地里算出来的。

伟大发现