被遺忘的麥特納──發現核分裂的另一要角


1990年3月243期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1990、3 ＃期號：0243 ＃專欄：＃標題：被遺忘的麥特納──發現核分裂的另一要角＃作者：葉銘芳節譯．柏林小組的領導人逃亡瑞典．發現了鋇元素．令人吃驚的結論．第一個核分裂理論的誕生．圖：麥特納		被遺忘的麥特納── 發現核分裂的另一要角麗莎‧麥特鈉（Lise Meitner, 1878～1968年）和「核分裂的發現」息息相關。但是對她的報導總是有遺落和偏頗：在柏林的研究小組成員為麥特納、哈恩（O. Hahn）和史特拉斯曼（F. Strassmann），但只有哈恩得諾貝爾獎；鈾受中子撞擊分裂產生的鋇被發現時，她不在柏林；但她是第一個提供理論解釋者；她和哈恩是好朋友，但在哈恩的傳記中，她是一個被描述成生活在二度空間的人物，蒼白、無生命，偶而就如同銀幕上的影像一閃即逝。在幕尼黑的德國博物館中，陳列著她為鈾受中子照射實驗設計的儀器設備──鉛容器、射源、蠟塊、計數器、放大器等，放在一個木桌上，是她在威廉大帝化學研究所物理組研究室所裝置的。現在的告示牌上卻標著「奧圖‧哈恩工作桌」，旁邊一塊小匾上，提到史特拉斯曼；卻一點也沒提到麥特納的名字。柏林小組的領導人逃亡瑞典記載顯示：麥特納不僅是柏林研究小組的成員，而且是領導者。也指出：由於當時德國採「種族迫害」政策，不僅逼使麥特納逃離德國，如果哈恩承認和麥特納之間不間斷的研究關連，也會使他陷入險境；這逼使哈恩否認與麥特納的往來。在1938年七月十三日，麥特納帶著10馬克和一些夏天衣服，懷著恐懼逃出德國。這處境對麥特納而言，是已經壞到極點了。她被迫和心愛的每一件事物分離：工作、職位和朋友們。當時她和哈恩已認識三十年，她是他兒子的教母，而哈恩對她而言更介於同事與手足之間。她離開了她的物理組，她在1920年代的成功，促使世界對該研究作整體性的認同，卻被迫離開未完成的鈾探討。記載顯示：這整個計畫，從一開始就是她在1934年，受到費米之「中子輻射」實驗所吸引，而決心把這實驗帶到柏林來研究。首先她花了好幾個星期才說服了哈恩加入她的計畫，然後她一直領導著鈾調查實驗達四年之久，一直到她被迫離開德國的前夕。從那段時期的出版資料顯示：無論在研究內容、方向或目的，都指出這是一個核物理學的問題。在納粹時代的德國，政治因素控制了一切的活動；由於「政治相容性」，促使麥特納、哈恩和史特拉斯曼三個反納粹的人緊密地結合在一起。史氏是一非常勇敢的人，其一生堅決不加入由納粹勢力所控制的德國化學學會：且曾冒著失去妻子、幼兒和自己生命的危險，把一位受迫害的猶太人收藏在家中達數月之久。在某些程度上，政治考慮影響了研究題材的選擇：由於超鈾元素保證是一個受國際矚目的研究焦點，所以替這些列於政治黑名單的人物，帶來了期待的保護傘，他們亟需被認同，當然也使得他們的研究和在巴黎的伊痕‧居禮及其同仁的競爭更形尖銳。發現了鋇元素 1938年九月，麥特納抵達瑞典首都斯德哥爾摩，赴諾貝爾物理研究所任職。這是個新成立的研究機構，組織和設備皆不完善，她並沒受到熱烈的歡迎。另一方面，由於此地郵件傳遞非常快速。使哈恩和麥特納仍保持緊密的書件聯絡。在九月底，他們的通信因恐懼戰爭波及捷克而分心，但隨即因慕尼黑和約之達成，又恢復專心思索在鈾元素上的研究。當時居禮已觀察到一個半衰期3.5小時的物質，但一直無法解釋。同年十月二十五日，哈恩在寫給麥特納的信上提到，他確信鐳是產生3.5小時活性的原因。當麥特納向哈恩質疑時，他和史氏卻聲稱發現三個鐳的同素異形體及其衰變產物。這時麥特納仍是此小組成員。哈恩寫信給她說：「如果妳幫我們想出，為何在慢中子撞擊鈾，會使鈾產生α衰變，致鈾衰變為釷，釷再衰變為鐳，且直接形成鐳的幾個同素異形體？我們將會很感激。」於是麥特納很熱切地去思考鐳或錒同位素是如何產生。於是她要求更詳盡資料，並且向哈恩保證不告訴別人。鈾問題此時是處於最昏黯模糊的時期了。 1938年十一月，麥特納與哈恩在丹麥哥本哈根進行祕密會談。雖然他們在後來的信中未提起這次會談，也未告訴任何人有關這次的見面。而在哈恩寫回憶錄時，也似乎已忘了此事，但在波爾研究所的來賓登記簿上，清楚地記載著十一月十三、十四日他們在此地見面。且從哈恩的私人行事曆中發現：麥特納和他在十一月十三日早上6：48見面後，共進早餐且商談了數小時，隔天早上還接受波爾夫婦的邀請，到他們家中。麥特納過去在柏林的生活是充滿自信且武斷的。她常被引用的一句話是：「親愛的哈恩，對於物理學之領域，你是一竅不通。」所以麥特納可能要哈恩再仔細地檢驗所發現的鐳，理由是：所謂發現新鐳同素異形體及其錒系衰變產物，正如同過去被誤認為超鈾元素之形成，是錯的。因為從鈾形成鐳，需要二次激烈α衰變。而中子引發α衰變，就吾人所知需要快中子。但哈恩所發現的，在使用慢中子時，似鐳的產物變多。對物理學家而言，這是個夢魘。哈恩帶著這些訊息回到柏林，他並未告訴史氏，但史氏了解這訊息的來源。他後來寫下：「幸運地，麥特納的意見和判斷，對在柏林的我們影響極大，使我們立刻採取必要的『控制實驗』。」因此，他們開始了分量結晶（fractional crystallization）和指示劑（indicator）實驗（案：添加已知分量之元素當指示劑），最後終於達到了高潮──在鈾受中子撞擊的反應產物中，發現了鋇元素！令人吃驚的結論此時，麥特納憂鬱地回到斯德哥爾摩，對她而言，此時是黑暗時期；除了工作不如意外，更擔心她妹妹會被捕。一連串打擊，使她如此形容自己：「我覺得我像是上緊發條的玩具娃娃，帶著微笑做些機械動作，但沒有真正的自我，這樣你就知道我的工作性質，但終究我還是感激這樣的日子，因為這樣可以逼我集中思想，仔細思考。」她逼哈恩給她有關「驗證鐳」的進一步新消息。在同年十二月十九日，哈恩寫信通知麥特納，首次提到實驗結果：「結果是如此的奇異，目前我們只通知妳....。我們發現所假設為『鐳』的同素異形體，其化性表現卻像是鋇。」這是一令人吃驚的結論，他懇求她提供解釋：「或許妳可以想出一個怪誕的解釋，但我們仍不相信：為什麼鋇元素的原子量會超過137？」過了兩天後哈恩又來信說：「如果我們能再像以前一樣地共同工作，是多麼美好的情景....，我們已無法隱瞞我們的結果，即使這結論在物理上是很荒誕。我想，妳會幫我們一個大忙，如果妳能解決如此棘手的問題。」哈恩曾寫信給麥特納說：「如果妳可以提議出任何可發表的，那我們二人仍是一齊工作的夥伴。」這不是他們可以一齊發表任何文獻的提議（因為他們知道政治上是不允許的），而是表示他們持續的共同實驗合作，肯定她是小組的重要成員。如史氏後來所提到：「麥特納沒有直接參與核分裂的發現，有什麼關係呢？....她過去一直是我們組裡在心智、知識上的領導者。即使發現核分裂時，她不在場，但她仍是我們組的一員。」當麥特納十二月二十一日收到哈恩第一封信後，立即答覆道：「你的鐳元素結果，非常使人困惑....，一個慢速中子撞擊的鈾元素，應可能會導致鋇元素之形成！....，雖然如此大規模核分裂的主意，對我來說很難接受；但在核物理學中，我們經歷了太多的驚奇和意外。且從中得到一個經驗：沒有一個人可以無條件武斷地說『那是不可能』這句話。」想想看，這些話對哈恩的影響有多大！當十二月二十三日，她的信抵達柏林，可說是哈恩一生中所收到最好的聖誕禮物了。現在的他可以更進一步思想所謂：「鈾原子核大規模分裂的說法。」四天之後，在《自然科學》（Naturwissenschaft）所投稿件的校樣稿上，加一小段文字，建議說：「過去所謂超鈾元素，一直被以為是與Re、Os、Ir等同族而較重的元素；取而代之，可能是較輕的Ma（現稱為Tc）、Ru、Rh....等的同族元素。且Ba＋Ma質量數和為138＋101，恰為239！」這段文字使該文更有內容，就是暗示原子核實際上分裂了。但哈恩似乎在一瞬間遺忘了原子序的重要性（因Ba＋Tc的原子序56＋43＝99，遠超過92），這也證實哈恩的這段文字極不尋常。第一個核分裂理論的誕生當時麥特納和她的外甥，物理學家佛來西（O.R. Frisch）和他們的朋友一起歡度聖誕節。當他們走在雪中，建立了核分裂的第一個理論：「原子核就像一不穩定的水滴，由一微小的表面張力所界限，隨時準備向外擴展；且受到外來微弱的刺激時，會分裂成二部分，同時釋放出大量的能。」從佛來西事後寫的回憶文章，我們了解他的喜悅，而麥特納卻驚愕不已！她了解從前所謂的超鈾元素，一定是分裂碎片，而不是原子序在鈾之後的較重元素。這是一個重大的打擊，未能親自參與這個美妙的發現已是夠糟的，連帶的也證實了她四年來所做的研究工作是錯誤的。她在新年寫給哈恩的信上說：「如果超鈾元素消失了，你們的處境要比我好得多了。因為你們發現了核分裂，而我只有四年錯誤的結果要丟棄；對我未來要重新開始找工作，實在不是個值得推薦的好成績。」二天後，當麥特納回到斯德哥爾摩，並研讀文獻報導後，她更有把握了。「我雖然不十分肯定說你們真的由核分裂產生鋇元素，但我發現這真是一個完美的結果。衷心地恭喜你和史特拉斯曼，在你們眼前將是一片寬闊而完美的研究領域；相信我，雖然我一直無所獲，然而我卻為這奇蹟似的發現而喜悅！」 1939年元月第一個星期，是麥特納的一段美好時光。她和佛來西的研究成果，得到了令人鼓舞的進展。她不再哀悼失去的「超鈾元素」，一旦她了解到「分裂碎片」，他們就證實了分裂假說。使得多種同素異形體的解釋，不再需要了。並且解釋了長系列α衰變現象。可告慰的是：她能從早期研究工作中，得到一些成果：鈾之同位素──鈾-239（半衰期：23分鐘），不但具有活性，且可以用來產生原子序93的新元素。元月十六日，麥特納和佛來西把他們的研究手稿送到《自然科學》期刊，但幾天後，一份受審手稿複印品送到哈恩和史氏手中。這份手稿包含了許多可經實驗證實的預測；如當經鈾分裂產生原子序56的鋇元素出現時，必會有原子序36的氪元素隨之出現，而氪再衰變為銣、鍶、釔等。對哈恩而言，1939年元月份令人不太愉快的。當他發現鋇元素之報告在元月六日發表之後，同單位的物理學家開始抱怨哈恩沒有立刻和他們分享實驗結果，雖然這些只會抱怨的物理學家，並未提供任何的助力。由於沒有從物理上得到任何明確的指示，哈恩開始對鋇元素的發現，感到不安。他和史氏只能一再地證明它的存在而毫無進展。一直到看了麥特納和佛來西的文稿，才恍然大悟而開始尋找氪元素的存在和它的蛻變產物。哈恩後來寫了許多自傳和回憶錄，卻都沒有敘述麥特納如何把「中子撞擊鈾元素」的計畫，帶到柏林。也根本不提他們在1938年十二月在哥本哈根的會面。他認為核分裂的發現完全是化學的功勞，而物理學家錯誤的假設：「原子核只能進行微小的改變」阻礙了核分裂的發現。（編案：這一點也受到諾貝爾獎評審的同意，所以頒給他1944年的化學獎。）在麥特納的一生中，她從未同意別人替她寫自傳，也不願自己寫。但她卻把大量書信和文件保留下來，我相信她這樣做，或許是不想讓她的故事永遠遭埋沒吧！（取材自R. L. Sime, "Lise Meitner and the discovery of fission", J. Chem. Ed., 66：373～376, 1989.）參考資料 1.楊覺民譯劈開原子核本刊十六卷六期447頁 2.李政道講江才健譯弱作用的歷史本刊十九卷五期352頁葉銘芳任職於台灣大學海洋研究所
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