制造原子弹的铀到底是个什么鬼？

　　出品：科普中国

　　制作：北京燕清联合文化产业发展中心 张轩中

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　最近有一个新闻非常轰动，新闻中说，核工业北京地质研究院院长李子颖带领的研究团队采用光电能谱方法，对产于我国典型热液型铀矿床中沥青铀矿的成分和价态进行了系统的研究，发现沥青铀矿中铀不仅有四价和六价形式，还以金属铀（零价）形式存在。

　　为什么这个新闻会引起轰动呢？

　　因为大家都知道，铀是可以制造原子弹的。但为什么原子弹那么难造，原因就在于自然界的铀矿中存在的铀一般都是化合物，提炼起来非常困难，而纯净的金属铀的存在简直就是“放在一起就可以直接爆炸成为原子弹”，非常有意思。

　　关于铀可以制造原子弹的事情，说起来还真有一段风云往事。

　　偶然发现原子核的分裂秘密

　　1938年的圣诞节，比以往时候来得要冷一些。

　　德国的哈恩教授与他的助手斯特拉斯曼在柏林的威廉皇家化学研究所里，正在拿一个中子源轰击92号铀元素，在他们的工作计划中，他们希望在轰击的产物中能找到大量的88号元素——也就是居里夫人发现的那个镭元素。

　　可是，事情似乎正在变得不可控，他们发现大量的92号铀元素正在分裂为差不多质量的2部分，比如说56号元素钡就产生的特别多一些。但是，这情况是以前从来没有预料到的，所以哈恩觉得很困惑。

　　对于原子核的分裂，则有点类似于整数分拆，如果没有强相互作用的束缚，那么整个原子核系统可以任意分裂：

　　比如4=1+1+1+1=2+1+1=3+1=2+2，一共是5种可能。

　　铀原子核的分裂，也像整数分拆，有很多可能。这背后有一定的规律，但这种规律是隐藏的，而且看上去像是随机的。

　　在那个时候，哈恩作为一个化学家，对这个规律有点吃不准。他很希望别的实验组也能够做类似的实验，大家相互验证一下实验结果。

　　于是，他就写信给当时已经被迫离开德国的女物理学家迈特纳。哈恩把实验的过程与结果全部和盘托出，告诉了迈特纳，他希望迈特纳也能做一下相同的实验，然后再提供一下相应的看法。

　　这种事情，迈特纳也是第一次听说，于是她把自己的外甥弗里兹（Otto Frisch）找来，一起讨论这个事情。两人最后想到，可以用玻尔的液滴模型来解释这个现象。

　　液滴模型的大概意思就是说，原子核就好像是一个小水滴，依靠表面张力保持一个近似球形的形状，但是，水滴是会变形的，也是会破碎的。

　　在铀原子核的内部存在一对矛盾——那就是正电荷之间的库仑的排斥作用，以及强相互作用的吸引力这一对矛盾。在正常的情况下，这一对矛盾力处于平衡状态，但当外来中子闯入的时候，平衡就有可能被打破。

　　这就好像是一个气球，里面已经不能再充多一点空气，如果有新的空气充进来，气球就会爆炸。

　　这个液滴模型很好的解释了原子核为什么会在中子的撞击下被破碎。但是，迈特纳与她的外甥毕竟是学物理的，比哈恩这样的化学家走得更远一些，他们计算了一下铀原子核分裂为2个碎片的质量，发现2个碎片的质量之和小于原来的质量，这当然就意味着质量损失，而根据爱因斯坦的E=Mc2这个公式，损失的质量会全部转化为能量，这是相当可观的。

　　原子核时代的到来

　　当时的国际形势已经很明显，德国正在准备入侵波兰，准备第二次世界大战。

　　在这种情况下，迈特纳与她外甥就把这个关于原子核裂变的消息转告给了正要登船去美国的玻尔，让这物理大师把这个消息转告给在美国的爱因斯坦，评估一下这个事情是不是可以用在炸弹的制作上。

　　作为物理人，大家都懂的，这原子核裂变会放出能量，而且，还有一个细节也是很重要的，那就是每次裂变的时候，会有多余的自由中子射出来，这就是类似以前汤生研究放电的时候所谓的雪崩效应一样，中子越来越多的话，反应会越来越激烈——当然前提是你有足够多的铀。

　　比方说，一个中子轰击铀后，假设会发出2个中子，那么2个中子去轰击铀，会发出4个中子……

　　那么碰撞n次以后，中子的个数就有 个了，这样的话，如果有大量的铀，能发出十分巨大的能量。

　　这被称为链式反应，或者说自持反应。

　　哈恩也没有闲着，自己写了一个文章，把这个事情在学术界全部公开了。他这样一喊，消息既然已经走漏出去，马上就有新的物理组跟进研究，其中居里夫人的女儿，约里奥?居里（曾是钱三强先生的研究生导师）的小组也验证了这些现象，并且也写了一篇文章发表在《自然》杂志上，文章的题目是“一个慢中子轰击铀核引起的快中子的发射”。

　　于是，在1939年，一些聪明人都可以看出来，人类已经从电与光的时代，进入了一个原子核能量的新时代。这一切是在1939年发生的。从1925年海森堡建立原子核外电子运动与光谱学，到1939年，这14年可以被认为是一个过渡时期。

　　现在，这个过渡时期终于结束了。

　　1939年4月24日，也就是在居里的文章发表后两天，德国汉堡大学就有教授给德国军事部领导写信，要求研究核爆炸装置的可行性，并且说：“第一个拥有核爆炸装置的国家，一定会具有其他国家无法超越的军事实力。”

　　巧用资源“曲线救亡”

　　但是，铀元素具有2种不同质量的同位素，就好像双胞胎一样，就是重量稍有区别，一个是235amu，一个是238amu。

　　而且，铀238在中子的轰击下是不会发生裂变的（就是分成质量差不多相等的2小块），因此，它不可能被用来做原子弹。可是，地球上的铀矿石中，99%以上的含量是铀238，铀235少得可怜。事情没有那么简单，科学家马上发现，铀238不是不堪一用的废物，在中子的轰击下，它可以变成93号元素，然后再转变为94号元素。94号元素是钚元素，与铀235一样是可以裂变的，因此铀238也可以做原子弹的原材料。因此，这是一次“曲线救国”的故事——相当于你花100元钱买来了铀238，用中子轰击一下，它们变成了原子弹的原材料，价值就会翻n番，变成100万，因此，铀238可以成为原子弹生产的原材料。

　　“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

　　本文由科普中国移动端出品，转载请注明出处。