1938 年诺贝尔物理学奖——中子辐照产生新放射性元素

1938 年诺贝尔物理学奖授予意大利罗马大学的费米（Enrico Fermi，1901—1954），以表彰他演示了用中子辐照产生新放射性元素以及用慢中子引起核反应的有关发现。

费米对中子核反应的研究

20 世纪 30 年代是核物理学大发展的年代。自从卢瑟福 1911 年发现原子核和 1919 年实现了人工原子蜕变之后，中间经过了沉闷的十年，物理学孕育着新的突破。30 年代一开始，就以正电子、氛和中子这三大发现，又一次震惊了科学界。接着，1934 年，约里奥-居里（Joliot-Curies）夫妇发现了人工放射性。加速器和计数器的发明和应用则大大加快了核物理学发展的进程。在此基础上，人们迫切需要掌握原子核蜕变的规律性，利用核物理学的成果来为人类服务。当时虽然尚未预见到原子能的巨大价值，但元素之间的相互转变有可能把人类带进新的世界，却早已是指日可待了。

在实现人工核蜕变到发现重核裂变中间这十年的历程中，费米的工作特别值得称道。他不但在理论上为核物理学作出了一系列贡献，还在实验和实际工作上为探讨核物理现象和利用原子能作出了先驱性的业绩。

1932—1934 年中子和人工放射性的发现，引起了费米的思索。他想到用中子作“炮弹”。中子要比 α 粒子优越得多。因为 α 粒子是带正电荷的氦核，α 粒子作为入射粒子的有效性，由于自身带正电荷会受到限制。它既会受原子周围的负电子吸引，又会受原子核的正电荷排斥，所以 α 粒子打到原子上，往往速度大大减弱，碰撞的几率微乎其微。约里奥-居里的实验虽然获得了新的放射性同位素，但其效率极低，一百万个 α 粒子打到铝原子上只有一个起作用，对重元素 α 粒子则毫无效果。而中子不带电，既不会受电子吸引，也不会被原子核排斥，它在物质中的路程要比 α 粒子长得多，用中子轰击原子，效果肯定比 α 粒子好得多。这些想法正是当年卢瑟福预言过的。当然，利用中子也有困难的地方，中子不会由物质自发地发射，必得靠 α 粒子轰击某些元素，这一过程大约只有十万分之一的几率，即要有十万个 α 粒子才能激发一个中子。是否可行唯有依据实验。

费米决心自己动手实践。他的周围有一些合作者，包括西格雷（E.G.Segrě），阿玛尔迪（E.Amaldi）、拉塞第（F.Rasetti）。他们从1932年开始就已经着手做一些核物理实验研究。费米本人也参加实验，并和拉塞第合作制作过一台 γ 射线光谱仪。1934 年年初，这时他的理论工作刚刚告一段落。可以抽出时间做些实验。他哪里想到，这些实验工作一做就是好几年，导致了一系列成果，甚至他获诺贝尔奖也与之有关呢！

开始时，费米邀请拉塞第一起做实验。拉塞第是实验行家，他制备了钋-铍中子源。盖革计数器那时还不是商品，只能靠自制。据说费米自己动手试着做，虽然比较粗糙，但还是做成了。前几星期，他们用中子辐照各种元素，都不见效果，显然中子源太弱了。这时，拉塞第休假走了，留下费米一人继续做实验。有一天，费米突然灵感上心，想道：何必用钋-铍中子源呢？用镭射气和铍作中子源不是可以得到强得多的中子束吗？这样的中子源是在 γ 射线光谱仪中曾经用过的。

于是，他和小组成员一起制备了新的中子源。这种中子源是一根长玻璃管，如图 38 – 3 所示，其末端夹着一段小玻璃管，里面封装着镭射气——氡和一些铍粉。氡会自发地不断释放 α 粒子，α 粒子打到铍上，就会释放出中子来。费米是一位很讲究方法的人，他不是漫无目的地轰击各种物质，而是从最轻的元素——氢开始，然后按元素周期表的顺序进行。氢没有效果。他用中子轰击水，没有出现任何迹象。下一步试验锂，也没有交好运。他继续轰击铍、硼、碳、氮。哪一种元素都没有被激活。费米有点儿泄气，几乎到了要放弃试验的地步，但是他的顽强性格使他坚持了下来。下一个元素是氧，因为已试过水，不需再试，因此他就辐照氟。就在这时，氟被激活了。他终于得到了好结果。后面是铝，也出现了人工放射性。这就验证了约里奥-居里的发现。于是，费米在 1934 年 3 月 25 日写了第一篇通信给《科学研究》杂志，题目叫《中子轰击下出现的放射性——Ⅰ》，从他的标题可以看出，他是准备对这一现象继续进行系统的研究。

费米希望尽快地进行这项实验，就请其他几位成员也参加进来，并且打电报催拉塞第回来。大家分工协作，费米管测量和计算，西格雷保证待测材料受到辐射，阿玛尔迪负责计数器和电子线路，唯独缺少化学专业人才。正好这时有一位在巴黎进修的化学家叫达哥斯廷诺（D'Agostino）在罗马休几天假。费米向他介绍了自己的工作，竟把他说动了心，留下来一起工作，再也没有回巴黎去。在以后的几个月中，费米小组发表了一系列实验结果。他们用中子辐照了大约 68 种元素，其中有大约 47 种产生了新的放射性产物。这些同位素的生成，大大丰富了核物理学的信息资料，也为化学等学科的应用提供了更多的放射源。

发现慢中子的作用是费米小组的又一项重要贡献。1934 年 10 月，费米小组偶然地但却是在精心观测中发现了一种奇特现象，这个现象后来证明具有深远影响。一天，彭特柯伏（Pontecorvo）和阿玛尔迪正在辐照一件圆筒形的银管，银管中放有中子源，整个装置又放在防护用的铅盒里。他们注意到，银的放射性随装置在铅盒中的位置变化。他们和费米商讨，费米在分析实验现象上有丰富经验，他直觉地感到周围的环境也许是引起放射性变化的原因，就建议他们试试在铅盒外边辐照银管，看看会有什么情况。结果证明周围的物体果然会影响放射性。如果银管辐照时放在木桌上，效果更佳。费米建议用轻的物质再试试，例如用石蜡。1934 年 10 月 22 日，他们用一大块石蜡，上面挖了一个洞，把中子源放进去，然后再辐照银管，照过的银管用盖革计数器测放射性。结果，银的放射性大增，竟增大了一百倍。他们又把这套装置放到水中试验，证实水也有类似效应。对于这一奇特效应，费米很快就领悟了其中的机理。他论证说，周围物体的作用是使中子的速度减慢；含氢物质之所以特别有效，是因为氢核与中子质量相近，碰撞后速度减慢的比率大；中子速度减慢后，被原子核俘获的机会增多（也就是所谓的截面变大），因此产生的效果也就大大增强。

认识到慢中子的作用大大加速了人工放射性的研究。以后的几年里，费米继续从理论上研究这个问题，为日后原子能的利用作了重要的准备。正是由于这些新发现导致了核物理学的大发展，1938 年的诺贝尔物理学奖授予了费米。当时并没有获知重核裂变的发现，因此在授奖时没有提到这项意义最大的后果。

实际上，就在费米接受诺贝尔物理学奖时，哈恩（O.Hahn）和斯托拉斯曼（F.Strassman）于 1938 年年底发现了铀核的裂变。当时费米已到美国。消息传来，费米立刻看到了发射次级中子和链式反应的可能性，他以极大的热情投入了试验工作。他主持了一系列为原子反应堆和受控链式反应作准备的实验研究工作。1942 年 12 月 2 日，在芝加哥体育场看台下的网球场里成功地进行了首次原子反应堆实验。他在解决有关制造第一颗原子弹的问题中起了重要作用。他是发展核能和原子弹的曼哈顿计划的物理学家小组的领导人之一。图 38 – 4 就是在芝加哥大学体育场看台下的试验反应堆示意图，图 38 – 5 是曼哈顿工程成员在运动场大门口合影的照片。

获奖者简历

费米  1901 年 9 月 29 日出生于意大利的罗马。父亲是交通部的一位稽查长。他在学校里被看成模范学生，事事第一。他从小就对数学物理有极大兴趣。他酷爱读书，从广泛的书籍中获取知识。10 岁时，他就能从大人们的言谈中理解 x² + y² = r² 代表一个圆。他父亲有一位同事叫阿米第（A.Amidei）发现 14 岁的小费米具有非凡的才能，就把自己许多数学书和工程书借给他，并指导他阅读。费米从这位启蒙导师那里接受了坚实的数学教育，学习了代数、数学分析和几何学，解了无数道难题。他在学校功课超前，教师们觉得没有什么可教，就让他在实验室里自由做实验。他和同学帕西科（Persico）利用这个机会自制仪器做了许多实验，从这里他很好地掌握了实验物理学，例如，他测过重力加速度、自来水的密度、地球磁场等，他还自制过小电机。17 岁时，在阿米第的建议下，费米以优异成绩获取了比萨（Pisa）的皇家高等师范学院的奖学金，这是一所培养尖子的学校，入学考试时指定他做的论文题目是《声的特性》。他先以半页作了一般介绍，接着用 20 页的篇幅对振动棒作了详细的数学分析，写下了偏微分方程，求得本征值和本征函数，并用傅里叶分析讨论其运动。如此复杂的答卷竟完全没有靠书本，中间没有任何错误。这样的水平甚至连博士生都难以达到。评审的教授对他的答卷大为惊讶，决定破例和他面谈。那位教授对他说：“我从来没有见过你这样的年轻人。”入学后，费米得到了优越的学习条件，但也多为自学，一年内就掌握了量子理论和相对论，成为比萨在这方面的权威，甚至还可以给教授讲授这些新知识。

1922 年，21 岁的费米就获得了比萨大学的博士学位，次年得奖学金到德国等地向著名物理学家玻恩（M.Born）等教授学习。回国后，在 25 岁当上了罗马大学的理论物理学教授，1927 年提出一种统计理论，这种理论几个月后狄拉克也独立地提出了，被称为费米-狄拉克统计理论，在微观世界有广泛的运用，是核物理学的理论基础之一。1933 年年底，费米又提出 β 衰变理论。他成了国际闻名的理论物理学家。由于费米和其他一些物理学家的努力，罗马在 20 世纪 30 年代成了世界上又一个崛起的物理学研究中心。1938 年费米借领取诺贝尔奖的机会，逃离法西斯统治的意大利，经瑞典去美国，在哥伦比亚大学任教。1944 年他担任芝加哥大学核子研究所的教授职务，一直任职到 1954 年。他在研究所期间，注意力转到高能物理学方面，从事介子-核子相互作用问题的研究。以后的几年中，费米从事宇宙射线起源问题的研究，1954 年 11 月 28 日逝世于芝加哥，终年仅 54 岁。

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发布时间：2023/8/12 下午12:23:43  阅读次数：2471