核分裂發現的曲折歷史

【摘要】雖然大自然的奧祕十分複雜，但人們的眼中只看得見他們所想的事情，這才真正阻礙了科學的發展。

近代科學的發現中，很少有像由哈恩（O. Hahn）和史特拉斯曼（F. Straussmann），在1938年十二月發現的「核分裂」這樣迅速而深遠的影響人類，也很少有如此錯綜雜的背景故事。1988年發現核分裂的50周年紀念時，許多地方都有慶祝活動。筆者（西格瑞，Emilio G. Sergè）參與早期在羅馬和後來在美國的實驗，我也認識當時大部分的人（除了史特拉斯曼外）。因此，我將試著把整個發現的過程和一些插曲，做一扼要的陳述。

中子造成的質變

故事從1934年，人類首度以中子撞擊鈾開始。隨著在1934年初，由在巴黎的伊痕居禮（Irène Curie）和她的丈夫焦立（F. Joliot）發現人造輻射物質後，在羅馬的費米（E. Fermi）立刻進行由氡-鈹所產生之中子（取代了原先所使用之α粒子）來撞擊活化一般元素。在那年的四月間，藉著阿馬迪（E. Amaddi）、達高斯丁諾（O.D'Agostino）、拉塞提（F. Rosetti）和我本人的協助，費米完成了許多反應如：（n,p）、（n﹐α）、（n﹐γ）或（n﹐2n）。我們所使用的中子源，每秒鐘約可釋放出10⁷個中子。

用中子來撞擊鈾原子，會造成一很有趣的情況：因為我們預測鈾元素，經由（n﹐γ）反應及緊接的β衰變，會產生原子序93的元素，這是第一個超鈾元素。事實上，這些反應的確發生，但有更多的反應隱藏著而我們並不知道。我記得當時拉塞提非常渴望能用中子撞擊鈾和釷原子。我們實驗結果的第一篇報導是在1934年五月十日發表，離我們第一次用中子做為撞擊源約二個月。為了簡略起見，我將不提有關釷的研究，因它和鈾研究大同小異。

我們所用中子源撞擊鈾所產生的輻射強度，並不比自然界鈾的輻射強度強多少。這一點造成嚴重的實驗問題。我們可以在撞擊實驗前，先用化學方法把鈾所含會釋放β粒子的鈾衰變產物去除。但是過了幾個小時，這些物質又產生了。這造成了很大又麻煩的輻射背景值。這個困擾影響了整個歐洲學術界在這方面的研究，而且導致了一個大家都犯的錯誤。

在羅馬，我們很快就發現被輻射過的鈾，會顯示出複雜放射活性且具備多種半衰期。因我們預期會有先前所提的背景值，所以就開始尋找是否有鈾原子經（n,γ）反應後，所產生原子序93的同素異形體（isomer），會進行β衰變。

在化學上所犯的錯誤

當時我們犯了一個在今日看來會覺得很奇怪的錯誤：我們認為原子序93元素和錸（Re，原子序75）的化學性質很相似，實際上的產物的確和錸類似〔其實是鎝（Tc）的同素異形體，但當時並不知道〕。這個元素（命名為technetium，乃因它是第一個經由人工合成的元素）在三年後，也就是1937年，由派瑞（C. Perrier）和我用氘原子擊撞鉬（Mo，原子序42）所發現的。鎝和錸元素在化性上確實有許多相似之處，所以也使得我們在1934年，誤以為先前的假設是正確的，而以為所得到的是錼（Np，原子序93），實際上卻是鎝。

哈恩與麥特納（L. Meitner），還有居禮也犯了相同的錯誤，認為原子序93是一種類似錸的元素（事實上原子序93元素和今天大家所知道的超鈾元素家族一般，和稀土金屬有極相近的化性）。更令人訝異的是波爾（N. Bohr）竟沒有提出異議。雖然在十年前，他就已經想過填滿5f電子軌域，會形成一新的稀土金屬家族。不過，在另一方面，芝加哥大學的葛羅斯（A. von Gross），在1934年則指出原子
序93的元素，應分類為稀土金屬。

鋁箔擋住了大發現

在羅馬，我們也考慮了一種可能性：就是當中子撞擊鈾原子時，會形成短半衰期的α放射物質。為了測試這個假設，我們把鈾箔片放在游離偵測室前，用慢中子來照射，希望看到核反應所產生的輻射粒子。我們認為，由中子撞擊形成短半衰期產物所放射出來的α粒子，能量應較高，射程較原來鈾所輻射的α粒子更遠。因此，我們用鋁箔覆蓋在鈾箔上，以防止鈾的背景α粒子穿透，但結果卻是否定。我們並沒有看到長射程的α粒子。因鋁箔擋住了核分裂產生之碎片，使得我們沒有看見它們造成的游離脈衝。我們並未發表這結果，但卻記錄在阿馬迪的筆記本上。無論如何，我也不能說即使我們看到這現象發生，就能了解它的原由。類似的實驗，薛赫（P. Scherrer）和他的同伴在蘇黎世、卓斯特（G. von Droste）在柏林，都曾做過。我也聽說瑞士的科學家看到這個大脈衝，卻把它當做是偵測器的錯誤。

另一個誤失，就是我沒有去注意到諾達克（I.Noddack），1934年在柏林發表的論文。她批評我們的化學，且指出核分裂的可能性。雖然她發表的論文，在羅馬的我們、在柏林的哈恩與麥特納以及在巴黎的焦立與居禮，都知道。但如果我們其中有一人抓住了她文中的重點，在1935年就可以很快發現核分裂了。令人相當吃驚的是：諾達克也沒有試著做任何實驗來驗證她的理論。這實驗對她而言，應
該也是相當容易。即使如此，往後三年多，所有此領域研究者仍然只考慮：核反應所產生的元素原子序會在92附近。

我們在羅馬開始說服自己：在撞擊鈾原子時，觀測到的放射性並不是由鈾和鉛之間元素的同素異形體所造成。我們試著去了解一些從活化的照射後，由混合物中萃取出來物質的性質，其中有一元素的化學特性類似錸元素，它主要反應是和二氧化錳形成共沈澱。在幾年前，義大利的巴隆切理（F.Baroncelli）重複我們的步驟發現：可以分離出一
些鎝的同素異形體（在1934年，還不知道鎝元素的存在），當然鎝的行為非常類似錸，而且這是一個核分裂的產物。其實，我們應該質疑的事很多。尤其是我們假設存在的元素93所造成的放射性很小，僅占由中子撞擊所產生活性的一小部分而已。

想像的超鈾元素

在1934年六月，學年結束前，我們對所實驗的超鈾元素之造成，充滿信心，準備發表。但也有一種感覺：我們的研究工作並不完整。因此，並沒有對我們想像中發現之超鈾元素予以命名。費米且為了新聞界公開報導此研究之事，大為生氣。

1934年暑假結束後，龐提科佛（B. Pontecorvo）加入我們的研究小組，十月，我們偶然發現如何製造慢中子，這是一個很重要的發現。但我們研究小組也因化學家達高斯丁諾的離去，而暫停探討超鈾元素，只能集中全力在慢中子的研究。不過，我們的確也留意了慢中子對鈾元素放射性的影響，希望知道是否有中子捕捉的反應，並想要了解中子撞擊所產生的物質。在1935年夏天，羅馬小組對超鈾元素之研究完全停頓了。當這一年結束時，拉塞提去了美國，龐提哥佛到巴黎，而我則成了巴勒摩（Palermo）物理研究所的所長。阿馬迪和費米則繼續在羅馬集中全力研究慢中子的物理學。

這時，哈恩與麥特納和居禮也加入了鈾元素的紛爭中。這二個研究小組過去在核物理和化學上都有極大的成就。

在柏林，哈恩與麥特納是達倫（Dahlem）的威廉大帝（Kaiser Wilhem）研究所研究小組的領導者，哈恩是一位頗負盛名的放射化學家。他在三十年以前，曾與拉塞福一同作研究，在他研究生涯剛開始時，發現了幾種新的放射性物質；晚期，和麥特納一同作研究，則發現了核同素異形的現象。

麥特納是奧地利公民，出生在維也納。在柏林時，曾經是蒲朗克的助手，後來成為哈恩長久的同事，且在同一實驗室作研究。她是一位很傑出的物理學家，有時也是居禮夫人和她女兒的競爭者。麥特納是猶太後裔，而哈恩則是強烈的反納粹主義者。當時的政策狀況，使得在達倫研究小組的工作變得非常困難，造成持續的不安。史特拉斯曼是最後加入此研究小組，他是一位優秀的分析化學家，也
是絕對的反納粹主義者，這一點也妨礙了他的研究生涯。

伊痕居禮是居禮夫人（鐳的發現者）的女兒，從她母親那兒學到了放射化學和化學，她也浸淫在居禮夫人的傳統作風及研究、方法和實驗技術之中。她嫁給了焦立後，二人一同做了有關正子和中子的重要實驗。雖然他們錯失了發現這些新粒子，無論如何，這些遺憾很快就彌補了，因為他們發現了人工放射性是令人難忘的重大發現。

柏林

哈恩與麥特納首先從確定我們在羅馬的實驗結果，開始研究。他們所使用的中子源強度和羅馬、巴黎研究小組差不多。令人有些驚訝的是，他們所用的化學步驟和我們的研究相當不同。他們早期所發表的論文，就像從中子撞擊而收集到的核分裂產物混合一般複雜。正確和錯誤的結果交集在一起。像這種混亂的情況，持續了一段相當長的時間，竟成為鈾元素研究的共同特徵。

由哈恩、麥特納與史特拉斯曼所得到一個重要且強有力的結果，證明了鈾-239進行β-衰變，其半衰期為23分鐘，其他細節，在此不作詳述。他們許多的論文（主要發表在《Naturwissenschaften》，詳細記載了在他們了解核分裂發生之前，所做的一切研究。剛開始，史特拉斯曼只是與哈恩和麥特納合作，直到1938年七月後，才正式成為一名共同作者。在1937年，他們發表了一長篇的總結論文在《Zeitschrift für  physik》和另一篇類似的論文在《Chemische Berichte》。他們提出12個新的放射性同位素，原子序可能在92∼95之間，並提出一系列的核雙異構態（double isomeric state）。（事實上，在1940年之前，並沒有人真正了解超鈾元素。）此雙異構態的現象，著實令人驚訝。因為當時不僅無人了解，即使今日，我們所知的此類異構態也很少。

當時我只有一個感覺：在鈾之中一定存在某些祕密。在巴勒摩，因為沒有中子源，我無法繼續進行此項研究。1936年夏天，我第一次訪問柏克萊（很幸運地，從勞倫斯處取得放射性物質），和當時還是學生的艾伯生（P. Abelson）長談，並道及鈾的大迷團。我強調藉著迴旋加速器製造強而有力的中子源，可以使這問題更容易解決；且可以從快或慢速中子來照射鈾原子開始。艾伯生作了一些實驗，並給了我一些衰變曲線的結果。

巴黎

居禮和哈本（H. von Halban）及普萊斯維克（Preiswerk）一同合作，開始研究中子撞擊釷。早在1935年五月，他們就證實了一22分鐘的衰變期，和我們在羅馬發現的一樣。這個釷的同素異形體非常重要，因為它是鈾-233的先驅核種。更重要的是：他們發現一化性類似鑭，具有3.5小時半衰期的放射性成分。當然，他們並不了解那其實就是鑭-141
，是核分裂產物之一。由於無法識別，居禮和她的同事們認為：這是一種錒（Ac）的同素異形體。

在1937和1938年，居禮和沙維奇（P. Savitch）集中所有精力來研究此活性3.5小時的物質。1938年七月，他們得到一結論：此物質並非錒，它所有性質正像是鑭（La）；到現在為止，它只可用分量結晶法（fractional crystalization）分離出來。假如他們能早些證明那就是鑭，就很可能發現核分裂。正如哈恩與史特拉斯曼幾個月後，藉著確定鋇的存在而發現核分裂一樣。可能居禮她們最初所得到的沈澱物不僅只有鑭，也包含著另一化性類似的核分裂產物的釔（Y），可能部分結晶法分離的是這二種物質。

在1938年五月中旬，哈恩和焦立在羅馬舉行的第十屆國際化學大會上相遇，且討論巴黎研究小組所發現的結果。哈恩相信居禮實驗的化學有些不對勁，便決定再重複她的一些實驗。

黑暗與黎明

兩個月前，希特勒併吞了奧地利，麥特納因此失去了奧地利公民身分所能給予的保障，面臨了被逮捕的險境。七月中旬，藉著哈恩和荷蘭的物理學家柯斯特（D. Coster）的幫助，她祕密地逃離了德國。當哈恩聽到她已安全抵達荷蘭時，真正是鬆了一口氣。從荷蘭她經過哥本哈根抵達了瑞典，哈恩與史特拉斯曼則繼續在達倫進行他們的研究。哈恩和麥特納也藉著書信往返互通訊息。哈恩經常把他們所得到的研究成果，在發表或告訴別人（包括在柏林同事）之前，先讓麥特納知道。

當哈恩和史特拉斯曼集中全力研究他們認為是鐳的同素異形體，和由居禮與沙維奇所提及的活性3.5小時的產物時，他們做了一項結論：用中子撞擊鈾-238時，會得到16個原子序由88∼96的核元素，其中包括了一部分同素異形核種。這使得混亂達到了極點，無論如何，正像黎明前的黑暗，因為答案到此已呼之欲出。

在1938年十二月初，哈恩他們認為已建立了許多連續衰變系列，可以明確地表示鈾原子與其衰變產物之間的關係。他們假設有四個鐳的同素異形體先衰變到錒再衰變至釷。這些假設的衰變系列，乃是對前一篇論文（見圖五）所提的衰變系列，作一修正。

為了確定這假設，哈恩和史特拉斯曼決定證明這些物質的確是鐳的同素異形體。他們把這些物質用鋇當做擔體（carrier），用鐳當示蹤劑，來進行許多嚴格的化學測定分析。這些實驗結果逼使哈恩和史特拉斯曼不得不承認原先假設為鐳的同素異形體，事實上是鋇！十二月二十二日，他們發表在《Naturwissenschaften》一篇歷史性的報導記載著：「身為化學家，經由以上所描述實驗結果的推斷，我們應推翻先前的假設，引入鋇、鑭、鈰來代替鐳、錒、銩〔見圖五（C）〕。做為一核化學家，他的研究領域非常接近物理；我們還不能接受這麼激烈的一步：完全推翻核物理學先前的經驗。」在寫下這些字行之前，哈恩他們曾寫道：「鋇＋鎝的質量數合起來138＋101＝239」，這已是考慮到核分裂的明顯徵兆，而此時正是發現核分裂的時刻了。

我們真是白痴！

哈恩在發表這篇報告前，先把他們的結果告訴在瑞典的麥特納。當麥特納把哈恩他們的實驗結果告訴從哥本哈根來度聖誕節的外甥，物理學家佛來西（O.Frisch）時，他們迅速得到核分裂的觀念。幾天後，佛來西回到他在哥本哈根的實驗室，記下：「我迫不及待把我們的推測告訴正準備動身前往美國的波爾，他只給了我幾分鐘的時間，但我剛剛才開始，他就用手撐著前額且讚歎的說：『哦！我們從前是多麼地白痴啊！但這實在是太美妙了，而這也正是它應該是的答案！你和麥特納已寫好論文發表了嗎？』」兩星期後，《Nature》接受了他們的論文。

核分裂的發現，立刻引起大批的研究。首先，最明顯需要研究的就是分裂碎片的求證。我們可以從質量數的減少、或是分裂碎片彼此之間的庫侖斥力，可算出這些原子核的動能。所以，它們是相當強烈的離子化。這些碎片迅速讓佛來西和其他人同時觀測到。

對這些由中子撞擊產生的新物質，在化學認定上有了嶄新的面貌。1938年居禮說：「用中子來撞擊鈾原子，所得到的放射性，似乎可以包含所有的元素。」她是正確的，而正有許多人急忙的要解開核分裂產物之謎。

當發現核分裂之際，費米正在斯德哥爾摩接受諾貝爾獎，獎勵他證明了用中子照射可製造出新的放射性元素，以及用慢中子撞擊時所引發的核反應。有句評語中提到「新的放射性元素」具有各種不同的解釋，如果把「同位素」（isotope），用來取代元素，應當是更為清楚。費米領獎後直接從瑞典移民到美國，在那兒他首次聽到有關核分裂的訊息。

核分裂的發現是一件很轟動的大事，從美國學術界的反應可以看出。立刻有大量關於核分裂的論文發表在《Physical Review》上。

證實超鈾元素

超鈾元素仍有許多傳奇故事。焦立試著把一層鈾箔暴露在中子照射中，緊接是一片膠木來收集分裂產物。麥克米倫在柏克萊也獨自進行相同的實驗。他們在鈾箔上，發現有一些「沒有反跳的」（nonrecoiling）放射性物質〔編註：核分裂產物的動能很高，所以會從鈾箔中跳出來（recoil）〕。哈恩與麥特納已發現當鈾-238進行（n﹐γ）反應時，會形成一半衰期23分鐘的放射性物質。但除此之外，還有一半衰期兩天的物質。

在1938年，我一抵達柏克萊的勞倫斯輻射實驗室，立刻用迴旋加速器當中子源，來研究這半衰期兩天的物質。經研究它的化學性質得到結論：「這些物質是稀土金屬。」我曾預測這半衰期為兩天的產物是：由鈾-239β-衰變後所產生的元素93（事實上，它正是）。但我那時預期，原子序93元素是一個類似鐳的元素。我試著去找出這半衰期23分鐘和二天的放射性物質之間，是否存在有衰變的親子關
係，但是失敗了。因為原子序93元素的β射線，特別的微弱，這一點使我走錯了路，因而發表了一些關於照射鈾之產物的錯誤報導。無論如何，就像其他的犯錯者一般，我的文章中也有一些正確的地方，那就是元素93類似於稀土金屬。

最後，在幾個月後，麥克米倫和艾伯生把原子序93（錼）分離出來，且證明它是直接由鈾-239衰變而來的。

在這時候，焦立、費米和其他人都注意到在二個分裂碎片之外，有很多中子存在。大部分過多的中子，都經由β衰變轉化成質子，但也釋放出來一些中子。這開啟了連鎖反應的可能性。

約在1939年初，戰爭開始威脅歐洲，核分裂不再只是一門為了滿足求知慾望的科學而已（編註：此指原子彈的發明），我不再敘述在此之後的故事，因為它已說過太多遍了。

核分裂的發現，具有一段不平凡的複雜歷史，因為有太多的錯誤發生，而妨礙了它的發展。大自然本身就使得這問題複雜化了。科學家必須要面對鈾的自然放射性和二種長半衰期的同位素鈾-235、鈾-238。現在大家都知道較重的鈾-238同素異形體，用慢中子撞擊時，不進行分裂；而只占自然存在鈾原子0.7％的較輕鈾-235原子，用慢中子撞擊時，卻會有核分裂發生。這是很詭異的狀況。除此之外，就我的感覺而言：人們的心中，只能看見他們期望看到的事情。

（本文譯自E.G. Segrè, "The discovery of nuclear fission", Physics Today, July 1989.）

葉銘芳任職於台灣大學海洋研究所

西格瑞是柏克萊加州大學物理系教授，曾與O.Chamberlain因證實反質子的存在，於1959年獲得諾貝爾物理獎，此文是他為紀念核分裂五十周年，於1989年一月在美國物理學會大會所發表的講演，其後不久在1989年四月二十二日逝世。

核反應（A,B）表示一個原子核，被外來粒子A撞擊，而轉化成另一個原子核，釋放出粒子B，如：⁹Be(α,n)¹²C就是鈹-9原核受到α粒子撞擊，與之結合後放出一個中子形成碳-12的原子核。這就是當時產生中子的反應，是由氡-222放出α粒子撞擊鈹所產生。

核同素異形體（nuclear isomer）：原子序、原子量都相同的原子核可能存在不同的能態；大部分的激發態原子核會極快地放出γ射線而蛻變為基態，但某些核種的核自旋與基態不同時，會有較長的半衰期，如用γ射線計數器偵測，會視為一種不同的核種，因此稱為「同素異
形體」。

回到最上面

科學月刊全文資料庫

最佳瀏覽解析度800*600，請使用IE4.0以上版本的瀏覽器

科學月刊雜誌社．金台灣資訊事業有限公司．圖龍文化事業股份有限公司版權所有
Copyright 2000 Science Monthly and King-Taiwan Information Technology Inc. All Rights Reserved.