【能源史话04】原子弹，曾被宣判“毫无价值的武器”

前面我们说到，哈恩、迈特纳他们发现了铀元素的核裂变，迈特纳还发现，在核裂变的过程中，有一部分质量转化成了能量。

鉴于当时正处于第二次世界大战，看到原子核里蕴藏着这样巨大的能量，很多科学家第一反应就是，能不能利用这个反应，制造一种超级武器。

小男孩原子弹爆炸（图片来源：Wikipedia）

于是，核裂变开启了它坎坷的核武器之旅。

宣判“没有军事价值的武器”

虽然从理论上来说，原子核裂变制作的武器拥有巨大的破坏力，但最开始的时候，很多科学家并不看好这种武器，认为这样的武器“没有什么军事价值”。

科学家之所以会有这种想法，跟“链式反应”这个概念有关。

链式反应最早是由匈牙利科学家利奥·西拉德（下一集我们还会提到他）提出的，但他提出“链式反应”概念的时间是1933年，那时候人们还没有证实核裂变。

利奥·西拉德（图片来源：Wikipedia）

在1939年，哈恩和迈特纳不仅发现了铀原子能够裂变，他们同时还发现，铀原子核裂变的时候，还会喷射出几个中子。

如果这些喷射出来的中子能够继续撞击铀原子核，那么，被击中的铀原子核就有可能继续发生裂变，又会释放出的新的中子，就这样一环接一环地进行下去，这就是西拉德所说的链式反应。

不过，想要发生链式反应，并没那么容易。

首先，是原材料太稀少了。

自然界里的铀元素以三种同位素形式存在：铀-234，铀-235，铀-238。绝大部分的铀，都以铀-238的形式存在（大约占到99.27%），但丰度最高的铀-238并不能够维持链式反应，能够维持链式反应的只有铀-235，它的丰度非常低，只有可怜的0.72%。

所以，想要用链式反应来作武器，就需要浓缩出足够高浓度的铀-235，这在当时来说是一个非常浩大的工程。

金属铀（外层灰黑色为氧化铀）（图片来源Wikipedia）

其次，并不是所有类型的中子都能引发核裂变。

铀-235裂变时候，释放出来的中子种类很多，其中，只有特定能量的中子（热中子）能够引发链式反应。

还有，中子碰撞到铀原子核的概率实在是太低了。

之前在说卢瑟福原子模型时候提到过，相比于整个原子，原子核的体积非常非常小。

铀原子核裂变的时候，释放出的中子是随机朝一个方向飞的，要想让这个中子恰好撞上另一个原子核，概率实在是太低了。这相当于一个盲人在体育馆里随意开一枪，子弹恰好击中了隔壁体育馆里的一颗乒乓球。

为了确保核裂变能持续进行下去，就需要足够多的铀-235，这样飞出来的中子撞上另一颗原子核的概率就增大了，链式反应才有机会持续进行下去。

于是当时，用链式反应造武器就陷入了一个困境：一方面，需要足够多的铀-235，让核裂变能够持续进行，另一方面，铀-235在自然界的铀元素里丰度又很低，制造足够多的铀-235需要投入大量的成本。

黄饼，经过浓缩后的氧化铀混合物（图片来源：Wikipedia）

花这么大的成本来造一颗武器，在军事上是不是有价值？搞清楚最少需要多少铀能引发链式反应，就成为了首要问题。

临界质量是多少？

这里需要提到“临界质量”这个概念，能够引发链式反应所需材料的最小质量就叫临界质量。在发现核裂变的消息传出来之后不久，就有人开始计算这个临界质量了。

1939年5月，弗朗西斯·佩兰（验证了原子存在的让·佩兰的儿子），就计算过铀氧化物的临界质量，之所以算铀氧化物是因为它相比纯铀更容易获得，但这个质量算出来有40吨，就算加上了中子反射器（把没碰到原子核的中子反射回去，增加碰撞概率），临界质量也有12吨[1]。

链式反应（图片来源Wikipedia）

这个质量实在是太大了，且不说这颗炸弹造出来到底有多大，爆炸时候威力到底怎么样，光是弄这么多的原材料就很麻烦了。如果倾全国之力去造一枚炸弹，那这样的炸弹在军事上就没什么价值。

同样不看好原子弹前途的，还有玻尔。

前一集我们提到过，迈特纳能够发现核裂变，是受到了玻尔和伽莫夫原子液滴模型的启发。玻尔看到铀原子裂变被证实了，也非常激动。

在1939年1月，玻尔迫不及待地把这个消息带到了美国，在第五届华盛顿理论物理学会议上，告诉美国科学家们核裂变的存在。

美国科学家自然也想到了利用核裂变来制造核武器，于是立即重复实验。但是玻尔和美国科学家们在做了一系列实验之后发现，用核裂变造武器并没有那么简单。

他们也意识到，只有铀-235能够捕获中子发生核裂变，而且铀-235在自然界的含量实在是太少了，他们得出了同样的结论：“制造一颗炸弹需要投入整个国家的力量”[2]。

所以，玻尔他们最初也不看好用核裂变反应来作超级武器。

弗里施-佩尔斯备忘录

虽然弗朗西斯·佩兰和玻尔都不看好核武器，但是迈特纳的侄子弗里施和另一位科学家鲁道夫·佩尔斯却很看好核武器的前景。

同样是在1939年，弗里施和佩尔斯一同发布了一份“弗里施-佩尔斯备忘录”，这份备忘录，对核武器的诞生至关重要。

弗里施（左二）佩尔斯（右二）（图片来源：Wikipedia）

前面弗朗西斯·佩兰在计算铀的临界质量的时候，用的是铀氧化物。弗里施他们的备忘录里考虑的是“如果用纯铀-235，临界质量是多少？这样的炸弹能有多大威力？提纯这么多铀需要多少成本？是不是有军事价值？”

可以说，这份备忘录就是一份“核武器可行性分析报告”。

需要说明的是，当时人们对于铀的性质并不是很熟悉，弗里施他们的计算中有一些参数估算错误，比如纯铀的密度，弗里施是按照15g/cm³算的，但实际上是18.95g/cm³。还有另一些不确定的参数，弗里施也做了估算。

在这个基础上，弗里施他们算出来的临界质量非常小，大约是 600 g（一说计算结果约10公斤，但从备忘录上看，是 570 g），临界半径约 3 厘米[3]。

虽然这个数值和后来算出来的临界质量52kg，临界半径17厘米差得很远，但是弗里施算出来的答案太有诱惑力了，600g的铀-235就可以引发链式反应，可以说这份手册对于英国、美国、加拿大开展核武器研究至关重要。

至少从这份手册里的数据来看，核武器从一项毫无军事价值的武器变成了极具军事价值的武器。

接下来，科学家们将开启一项大工程，努力把临界质量的铀放在一起，看链式反应是不是真的能和象想象中一样，释放出巨大的能量。

参考文献：
[1]Perrin, Francis (1 May 1939). "Calcul relatif aux conditions éventuelles de transmutation en chaine de l'uranium". Comptes rendus de l'Académie des sciences (in French). 208: 1394–1396.
[2]Wheeler, John A. (1 November 1967). "The Discovery of Fission – Mechanism of Fission". Physics Today. 20 (11): 49–52.
[3]The Frisch-Peierls Memorandum,p191, https://web.stanford.edu/class/history5n/FPmemo.pdf（原文链接）

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