■Joseph Reacher、Charles W. Clark/著
■張躍/譯
這是 1932 年，兩次世界大戰(zhàn)之間的短暫過渡時期。巨大的經(jīng)濟(jì)蕭條接近最低點(diǎn)。在美國，失業(yè)人數(shù)達(dá)25%。林德伯格(C. Lindbergh)的嬰兒被綁架并殺害，埃爾哈特 (A. Earhart) 成為世界上第一個獨(dú)自飛越大西洋的女人。伊拉克建立了自己獨(dú)立的國家，羅斯福 (F.Roosevelt) 首次贏得他曾經(jīng)四次參加過的總統(tǒng)大選。美國物理協(xié)會正式組建，并指定尤里 (H. Urey) 為協(xié)會創(chuàng)辦的第一種期刊——化學(xué)物理雜志的創(chuàng)始編輯。
1932 年，39歲的尤里成為哥倫比亞大學(xué)化學(xué)專業(yè)的副教授。那一年他的研究工作取得了一個良好的開端，正值新年之際，物理評論發(fā)表了尤里，布瑞克韋德 (F. Brickwedde) 和墨菲 (G. Murphy) 聯(lián)名寫給主編的信“一種質(zhì)量為 2 的氫同位素”，報(bào)告了對重氫的發(fā)現(xiàn)。那是 1932 年的四大不朽發(fā)現(xiàn)之首。接著又頻傳出發(fā)現(xiàn)了中微子，正電子，以及利用粒子加速器發(fā)現(xiàn)核衰變。這些發(fā)現(xiàn)立刻改變了人們對原子核結(jié)構(gòu)的理解，并證實(shí)了反物質(zhì)的存在。
有 6 個諾貝爾獎可直接追朔到在那奇跡迭出的一年里所做的工作。在這篇文章里，我們用今天的觀點(diǎn)回顧那些發(fā)現(xiàn)及其重大意義。
1932年前的核物理
1911 年，盧瑟福 (E. Rutherford) 發(fā)現(xiàn)原子有一個小而重的核心，他稱之為“原子核”，類似一種極小的茶，拉丁語說的堅(jiān)果仁。但 1932 年還沒有一個人能夠用一個精確的概念描述其結(jié)構(gòu)。1918 年，盧瑟福利用 α 粒子 ( 氦原子核 ) 轟擊氮原子，從而使氮原子轉(zhuǎn)換為氧原子加一個被釋放出的氫核。他認(rèn)為釋放出的氫核是一種新粒子并命名它為質(zhì)子。他猜想質(zhì)子就像所有核的構(gòu)成塊料，并占有它們的正電荷。
同位素的存在引起了很大的困惑。1912 年，索迪(F. Soddy) 在研究鈾衰變?yōu)殡睍r發(fā)現(xiàn)了同位素。索迪認(rèn)識到可以存在一種元素的一些變體，它們的原子質(zhì)量有區(qū)別，即使他們的化學(xué)性質(zhì)相同。
翌年，湯姆森 (J. Thomson) 用一束氖原子通過一磁場成功地分離出了氖同位素。1920 年，盧瑟福提出一個原子核的原子數(shù)與它的原子質(zhì)量之間的差別可能由于核內(nèi)含有中性粒子所致。他建議這種中性粒子可能由一個質(zhì)子與一個“核電子”組合成。但 1927 年海森伯 (W. Heisenberg) 的測不準(zhǔn)原理發(fā)表之后，認(rèn)為假定存在的核電子被限制在比一個原子的體積小 1014倍的體積內(nèi)成為一個令人困惑的問題。對一個帶有電子的極微小質(zhì)量的粒子作這樣的限制將導(dǎo)致對任何核電子施加一個異常大的動能。
進(jìn)入 1932 年，那些問題的解決有了眉目。在發(fā)現(xiàn)重氫 6 個星期之后，查德威克 (J. Chadwick) 宣布了他對中子的發(fā)現(xiàn)，同年 8 月，安德森 (C. Anderson)宣布發(fā)現(xiàn)了正電子。將這些新發(fā)現(xiàn)與正在形成的核物理科學(xué)相融合的工作以驚人的速度進(jìn)行 ( 見威納 (C.Weiner)，《今日物理》，1972 年 5 月第 40 頁 )。
重 氫
重氫被發(fā)現(xiàn) 21 年之后，就被用作第一顆氫彈的燃料?，F(xiàn)在它對于人們希望通過和平利用核聚變過程獲取便宜的電能具有核心地位。在現(xiàn)代宇宙論中，對原始重氫豐度的測量為大爆炸核合成提供了一個靈敏的檢測 ( 見《今日物理》，2012 年 1 月第 11 頁 )。
化學(xué)家們已經(jīng)注意到，對于氫的原子量，利用化學(xué)方法測量與利用質(zhì)譜測定法測量的結(jié)果略有不同。這個差別被認(rèn)為可能由于存在氫的重同位素，它在普通的水中僅占萬分之幾。但是利用質(zhì)譜儀尋找這種假定存在的同位素沒有成功。質(zhì)量 -2 通道里的信號被H2 +分子的出現(xiàn)所污染，清除可能來自一種相同質(zhì)量的同位素的信號。尤里相信很可能存在一種重的氫同位素，他用一張他已經(jīng)理解的同位素的圖描繪他堅(jiān)信的靈感，并將其貼在他的辦公室的墻壁上。重新繪制的那張圖如圖 1 所示。
圖 1 一張重新繪制的 1931 年描繪氫元素同位素的圖，它曾經(jīng)鼓舞尤里去尋找重氫。圖中被填充的環(huán)形代表已知的同位素。張開的環(huán)形代表尤里希望發(fā)現(xiàn)的同位素。廢棄了的軸及其錯誤的標(biāo)示說明中子還沒有被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時原子核被推測完全由質(zhì)子構(gòu)成，由這些質(zhì)子確定核的質(zhì)量數(shù)以及校正核的凈電荷的足夠的“核電子”。那么，圖中垂直軸真實(shí)地給出質(zhì)量數(shù) A，水平軸給出 A 減去原子數(shù) Z，那就是中子的數(shù)目
1931 年，尤里對新的探索技術(shù)產(chǎn)生了一個機(jī)靈的想法，涉及原子光譜學(xué)和玻爾 (Bohr) 的原子模型。容易計(jì)算一個類氫原子的能級隨核質(zhì)量的變化從而預(yù)測其光譜性質(zhì)。尤里決定在對應(yīng)于預(yù)測的質(zhì)量為2 的氫同位素的波長處尋找一條原子氫的發(fā)射線。根據(jù)玻爾模型，2H 的巴爾末－ α線的波長應(yīng)該比通常的1H 在波長656.3 納米處的巴爾末－ α 線藍(lán)移大約0.1 納米。
問題是怎么避免有同位素位移線被相距如此近的通常的巴爾末－ α 線重疊。尤里決定制作氫的樣品，并使其中重的同位素被濃縮，然后將那些樣品用于他的光譜光源中激發(fā)放電。尤里是研究分子的熱力學(xué)性質(zhì)的專家，他計(jì)算了可能的分子 1H1H，2H1H 和 3H1H( 現(xiàn)代記號：H2，HD 和 HT[ 超重氫 ]) 的低溫蒸汽壓力。他預(yù)測這三者的蒸汽壓力的比例為：1.0:0.37:0.29。于是他得出結(jié)論：準(zhǔn)備一種液態(tài)氫樣品并允許輕的同位素優(yōu)先蒸發(fā)，有可能部分地分離同位素。
但是從哪兒去得到足夠量的液態(tài)氫呢？當(dāng)時美國僅有兩處日常地生產(chǎn)液態(tài)氫。一處在加利福尼亞大學(xué)貝克利分校。另一處在位于華盛頓 (Washington DC)的國家標(biāo)準(zhǔn)局 ( 現(xiàn)在的 NIST)。1931 年秋，尤里謀取到了國家標(biāo)準(zhǔn)局低溫實(shí)驗(yàn)室主任布瑞克韋德的贊助 (見布瑞克韋德，《今日物理》，1982 年 9 月第 34 頁 )。
當(dāng)時年僅 28 歲的布瑞克韋德已蜚聲于低溫實(shí)驗(yàn)物理界。1931 年春，他帶領(lǐng)國家標(biāo)準(zhǔn)局的團(tuán)隊(duì)首次在美國制造出液態(tài)氦。從昂內(nèi)斯 (H. Onnes)1908 年在荷蘭首次液化氦 ( 見代爾夫特 (D. Delft)，《今日物理》，2008 年 3 月第 36 頁 ) 之后，在美國經(jīng)歷了如此長的時間才制造出這樣重要的一種物質(zhì)，這似乎令人驚奇。但是，我們現(xiàn)在所認(rèn)可的堅(jiān)實(shí)的低溫物理學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)時還不存在。
為了尤里的計(jì)劃，布瑞克韋德利用不同程度蒸餾制做了幾種液態(tài)氫樣品 ( 見圖 2)。最好的樣品是將4 升液態(tài)氫蒸發(fā)至接近三相點(diǎn)直到僅殘留 1 毫升。各種樣品被鐵路快車運(yùn)送至哥倫比亞 (Columbia)，尤里和墨菲在那里利用高分辨的分光儀研究它們的發(fā)射光譜。他們發(fā)現(xiàn)在預(yù)測的對應(yīng) 2H 的波長處有一條光譜線的強(qiáng)度隨著樣品的濃度增強(qiáng)。沒有質(zhì)量為 3 的氫同位素的蹤跡。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)重氫！
圖 2 布瑞克韋德和他的妻子瑪麗恩 (Marion)1930 年中期在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局。放在他們之間的是布瑞克韋德用來發(fā)現(xiàn)重氫的實(shí)驗(yàn)裝置
史密森協(xié)會檔案
發(fā)現(xiàn)重氫后不久，尤里和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的電化學(xué)家沃什伯恩 (E. Washburn) 發(fā)現(xiàn)重氫能夠相對容易地由普通的水電解分離。因而對重氫的生產(chǎn)不要求作極低溫的嘗試。座落在挪威留坎 (Rjukan, Norway) 的海德魯公司的水力發(fā)電廠很快開始了對“重水”的工業(yè)生產(chǎn)。1934 年，該工廠將重水以每千克 500 美元的價格提供給顧客。重氫在生物學(xué)、化學(xué)和核物理領(lǐng)域具有獨(dú)特的用途。1934年，尤里因“發(fā)現(xiàn)重氫”榮獲諾貝爾化學(xué)獎。
重氫的發(fā)現(xiàn)或許是人們首次利用原子理論認(rèn)識一種以前未知的同位素。但它不能清楚地說明在假定的核中存在電子。尤里在同位素圖中作的標(biāo)記意指重氫核由兩個質(zhì)子和一個核電子構(gòu)成。原子核的秘密仍然有待揭開。
問題不久有了解答。在緊接著的下一個月里，在英國劍橋 (Cambridge, UK) 卡文迪什實(shí)驗(yàn)室盧瑟福手下工作的查德威克宣布了中子的發(fā)現(xiàn)。
中 子
與重氫一樣，1932 年發(fā)現(xiàn)的中子顯示了其令世人矚目的應(yīng)用價值。由于中子不帶電荷，實(shí)驗(yàn)家們很快認(rèn)識到中子能夠容易穿透核庫侖勢壘。所以它立刻被用于轟擊許多核樣品而產(chǎn)生新的同位素。
6 年之后又迎來了一個重大的高潮。1938 年，哈恩 (O. Hahn) 和斯特拉斯曼 (F. Strassmann) 在柏林(Berlin) 利用中子照射鈾時，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，他們利用大約鈾塊的一半制造出了原子核。他們發(fā)現(xiàn)了核裂變。
在查德威克發(fā)現(xiàn)中子之前，其他人也做過一些相關(guān)的工作。1930 年，德國吉森大學(xué)的博特 (W. Bothe)和貝克爾 (H. Becher) 利用釙元素源提供的 α 粒子轟擊鈹，并用一個蓋革計(jì)數(shù)器觀察來自鈹?shù)妮椛洹８鶕?jù)輻射的穿透特性，他們認(rèn)為這種輻射必定是前所未有的高能γ 射線。
繼博特 - 貝 克 爾 的 觀 察 之 后， 弗 雷 德 里 克(Frédéric) 和居里夫婦 (I.Curie) 很快在巴黎 (Paris) 進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)。他們將含有各種光元素的紙片放置于他們的探測器前，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)子從紙片噴射出來。他們在其中一處使用了一片石蠟紙，而且出乎意料地發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的計(jì)數(shù)率有很大增加。
約里奧 - 居里夫婦將那種觀察現(xiàn)象歸咎為 γ 射線在蠟紙中的一類康普頓散射。但是查德威克認(rèn)為那不可能的，并決定進(jìn)行自己的實(shí)驗(yàn)。不巧他沒有一個好的粒子源，而儉樸的盧瑟福又拒絕授權(quán)購買一個新的。幸好一個同事告訴查德威克，在馬里蘭巴爾的摩(Baltimore, Maryland) 的一所醫(yī)院的一個地窖里藏有舊的氡安瓿。那些安瓿里的氡已經(jīng)衰變產(chǎn)生了大量的釙。這所醫(yī)院樂意將那些氡安瓿捐贈給查德威克，于是釙成為了查德威克的 α 粒子源。
查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)裝置概要地用圖3說明。他測定出被噴射出的 α 粒子的能量為單色 5.7 兆電子伏。然后根據(jù)假定的從蠟紙噴射質(zhì)子的彈性碰撞的運(yùn)動學(xué)，他得出結(jié)論：由 α 粒子轟擊鈹靶產(chǎn)生的輻射只能是質(zhì)量接近質(zhì)子的質(zhì)量的中性粒子。他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)中子，在反應(yīng)中被釋放
9BE+4He → 12C+n。
中子能夠由一個質(zhì)子和一個電子簡單地束縛組合嗎？那個猜想因利用分子光譜學(xué)確定出氮 -14 核的自旋為 1( 以
1935 年，查德威克因“發(fā)現(xiàn)中子”獲諾貝爾物理學(xué)獎。在第二次世界大戰(zhàn)期間，他成為英國赴“曼哈頓工程”的代表團(tuán)負(fù)責(zé)人，該工程的首要目的是利用核裂變拯救自然災(zāi)害。
圖 3 查德威克 1932 年發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)裝置。釙 -210 源產(chǎn)生的 5.7兆電子伏的 α 粒子撞擊在鈹靶上產(chǎn)生自由中子，然后在屏蔽順流質(zhì)子探測系統(tǒng)的富含氫的蠟紙中與質(zhì)子彈性碰撞
正 電 子
1932 年的第三個具有歷史意義的發(fā)現(xiàn)誕生在當(dāng)年 8 月，安德森 (Anderson) 在加州理工學(xué)院的密里根 (R. Millikan) 手下工作時發(fā)現(xiàn)了正電子。安德森當(dāng)時在利用一個垂直放置在一磁場中的云室觀察宇宙射線。他用一塊水平的鉛板將云室分隔為兩半。根據(jù)穿透過鉛板的宇宙射線的軌道的曲率和軌跡的長度，安德森認(rèn)為其中經(jīng)過好幾個月的時間收集到的一打射線代表帶正電荷的電子，并稱之為“正電子”。在劍橋大學(xué)，布萊克特 (P. Blackett) 和奧基亞利尼 (G.Occhialini) 也觀察到許多相同的現(xiàn)象。但是安德森1932 年 9 月關(guān)于自己最初幾次實(shí)驗(yàn)的報(bào)告對他們是一個先發(fā)制人之舉。
從某種意義上講，狄拉克 (P. Dirac) 已經(jīng)在 1928年預(yù)言過正電子的存在。他提出的電子的相對論性波動方程有負(fù)能解支持了存在帶正電荷的電子。1931 年，狄拉克明確地預(yù)言了這種“反電子”，它與普通的電子會相互湮滅。那是根據(jù)理論原理成功地預(yù)言一種新粒子的一個早期的例子。實(shí)際上，狄拉克在同一篇論文中也預(yù)言了反質(zhì)子的存在，這在以后的 24 年里卻未曾見到。
1936 年，安德森因“發(fā)現(xiàn)正電子”榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。他與發(fā)現(xiàn)宇宙射線的赫斯 (V. Hess) 共享了這份獎項(xiàng)。同年，安德森和他的研究生尼德邁耶 (S.Neddermeyer) 再次利用云室曝光宇宙射線，以發(fā)現(xiàn)另外一種新的荷電粒子—— μ 介子。
核 物 理
盡管質(zhì)子和中子帶有不同的電荷，但它們的質(zhì)量卻驚人的相似。海森伯建議可以將它們視為一個兩能級費(fèi)米子的選擇狀態(tài)，后來稱它們?yōu)楹俗印Ｄ敲此械脑雍酥荒苡珊俗訕?gòu)成。海森伯提出了一個區(qū)分質(zhì)子和中子的自由度，后來命名為“同位素自旋”，簡稱同位旋，在構(gòu)造完全反對稱的多核子體系波函數(shù)時，應(yīng)該將它與空間和自旋坐標(biāo)視為同等地位處理。同位旋仍然是核物理和粒子物理的一個重要的組成要素。
重氫核也稱氘核，是一個自旋為 1 同位旋為 0 的玻色子。將核子束縛在一起的強(qiáng)大的核力的作用僅超過 10-13 厘米量級的距離。1934 年，盧瑟福和奧利芬(M. Oliphant) 利用中子轟擊氘核產(chǎn)生了超重氫，氫的第三種同位素。它可以衰變?yōu)榘胨テ跒?12 年的 3He加一個電子。
現(xiàn)在，超重氫產(chǎn)生于核反應(yīng)堆，用于減慢反應(yīng)堆中子的重水中。超重氫將在未來的聚變反應(yīng)堆中起關(guān)鍵作用。由于超重氫的兩個中子增強(qiáng)它的核與其他附近粒子之間的吸引力，超重氫核 ( 氚核 ) 比普通的氫核更容易得多與其他輕核熔合。因而，預(yù)料的聚變動力反應(yīng)堆的優(yōu)先反應(yīng)為
D+T → 4He+n，
這也是熱核武器的主要反應(yīng)。
加 速 器
1932 年也實(shí)現(xiàn)了首次利用加速器研究核反應(yīng)?？ㄎ牡鲜矊?shí)驗(yàn)室的考克勞夫特 (J. Cockcroft) 和沃爾頓(E. Walton) 一直從事開發(fā)電路以產(chǎn)生非常高的電壓。他們的設(shè)計(jì)方案是以一系列電容器和半導(dǎo)體二極管為基礎(chǔ)，將交流電整流為直流電。1932 年初，他們獲得輸出高達(dá) 600 千伏的電壓，并應(yīng)用于加速質(zhì)子。
他們利用一塊表面渡了一層鋰的云母片作為靶子。當(dāng)質(zhì)子撞擊在鋰靶上，由反應(yīng)
P+7Li→4He+4He。
產(chǎn)生兩個 α 粒子沿大致相反的方向飛離。那些被考克勞夫特稱為“雨燕般的質(zhì)子”使鋰核發(fā)生衰變。
幾個月之后，勞倫斯 (E. Lawrence) 和利文斯頓(S. Livingston) 在伯克利 (Berkeley) 利用由勞倫斯的回旋加速器產(chǎn)生的 1.2 兆電子伏的質(zhì)子轟擊鋰、硼以及氟，使它們發(fā)生了衰變。通過反復(fù)加速軌道質(zhì)子穿過相同的電壓，這臺回旋加速器成為了第一臺不需要高電壓而能夠獲得高能量粒子的加速器。
鋰衰變的實(shí)驗(yàn)為愛因斯坦 (A. Einstein) 的質(zhì)－能關(guān)系 E=mc2提供了第一個定量的檢驗(yàn)。因?yàn)楹说馁|(zhì)量已知，被發(fā)射的 α 粒子的動能可測量，故能夠驗(yàn)證質(zhì) - 能關(guān)系。
隨著加速器的出現(xiàn)，物理研究從此永遠(yuǎn)改變。勞倫斯“因發(fā)明和發(fā)展回旋加速器以及利用它取得的成就，尤其是關(guān)于人造放射性元素”方面的貢獻(xiàn)榮獲1939 年諾貝爾物理學(xué)獎?？伎藙诜蛱睾臀譅栴D ( 圖4)“因在利用人工加速原子粒子使原子核衰變方面的開創(chuàng)性工作”共享了 1951 年度的諾貝爾物理學(xué)獎。
圖 4 考克勞夫特和沃爾頓在盧瑟福的兩側(cè)。( 圖片由英國原子能權(quán)威機(jī)構(gòu)和美國全美教師聯(lián)合會薩格雷 (E. Segrè) 可視檔案提供 )
中子和重氫核的應(yīng)用
隨著核裂變的發(fā)現(xiàn)，中子和重水很快被利用于開發(fā)核動力和核武器。費(fèi)米 (E. Fermi) 等人的實(shí)驗(yàn)表明，如果用于轟擊靶子的中子的速度減慢至熱速度，中子與核之間的反應(yīng)會大大地增強(qiáng)。1939 年初，在估量鈾中的裂變與釷中的裂變之間的區(qū)別時，玻爾 (N. Bohr) 認(rèn)識到只有天然出現(xiàn)在鈾中不到 1% 的鈾同位素 235U，慢中子引起它的核裂變 ( 圖 5)。
圖 5 一個鈾 -235 核的裂變由一個入射中子引致，其吸收使鈾 -235核短暫地變化到 236U 的一個激發(fā)態(tài)。在這個例子里，被激發(fā)的核分裂成快運(yùn)動裂變的產(chǎn)物鋇 -141 和氪 -92，并釋放三個自由中子
幾個國家的物理學(xué)家 ( 其中一些是敵對國的 ) 立即考慮裂變過程會平均釋放足夠多的中子以產(chǎn)生一個鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可能性。當(dāng)費(fèi)米的團(tuán)隊(duì)在芝加哥大學(xué)對全校極保密地工作，于 1942 年 12 月獲得一個持久鏈?zhǔn)椒磻?yīng)時，那種可能戲曲性的得以實(shí)現(xiàn)。那是美國政府組織發(fā)展核武器的曼哈頓工程的第一個主要實(shí)驗(yàn)成就。
費(fèi)米的第一個“核反應(yīng)堆”使用了 46 噸未經(jīng)濃縮的鈾，與用于減速裂變中子的高純化的石墨磚混放在一起。1944 年 12 月，西拉德 (L. Szilard) 提出了一份關(guān)于“中子反應(yīng)堆”的美國保密專利申請。該專利申請于 1955 年獲公開批準(zhǔn)。
在費(fèi)米的芝加哥團(tuán)隊(duì)獲得持久鏈?zhǔn)椒磻?yīng)僅 2 年半之后，第一顆原子彈試驗(yàn)裝置在新墨西哥 (NewMexico) 的特里尼蒂 (Trinity) 試驗(yàn)場爆炸。特里尼蒂原子彈的裂變?nèi)剂鲜穷?-239，由曼哈頓工程的鈾核反應(yīng)堆的龐大的工廠陣列制造。钚原子彈試驗(yàn)后不到一個月，另一顆原子彈于 1945 年 8 月 9 日在日本長崎(Nagashaki, Japan) 的上空爆炸。而在這三天之前將日本廣島 (Hiroshima) 夷為平地的 235U 原子彈，其爆炸機(jī)制簡單得多，不要求使用前進(jìn)行試驗(yàn)。
海森堡領(lǐng)導(dǎo)的德國科學(xué)家已經(jīng)沿著一條不同的道路尋求核反應(yīng)堆。他們錯誤地相信了工業(yè)上制造的石墨不可避免地會被中子吸收器諸如用作減速劑的硼過重污染。減速劑的最好選擇是重氫。當(dāng)時挪威海德魯公司在留坎的工廠正在大規(guī)模地生產(chǎn)重水。這個工廠坐落在一個大的瀑布旁，自 1900 年初開始一直利用電解生產(chǎn)氨。隨著重氫的發(fā)現(xiàn)，海德魯公司認(rèn)識到工廠可以將重水作為副產(chǎn)品生產(chǎn)。到 1935 年，工廠利用船運(yùn)將純度為 99% 的重水送往整個歐洲的國家供科學(xué)實(shí)驗(yàn)利用。1940 年 4 月德國入侵中立國挪威時，他們立刻占領(lǐng)了這個工廠并開始用船將大量的重水運(yùn)往他們的武器實(shí)驗(yàn)室。
1942 年，美國人和英國人相信重水是德國核成就的一個關(guān)鍵組成部分。雖然重氫本身不能用于裂變炸彈，但核反應(yīng)堆對于獲取關(guān)鍵的裂變數(shù)據(jù)和生產(chǎn)239Pu 都很重要，從這兩方面可以將重氫理解為一種可能避免將 235U 從天然鈾分離出來的巨大困難和經(jīng)費(fèi)開支的潛在的裂變炸彈燃料。
所以同盟國要廢除挪威海德魯公司的工廠。因?yàn)楣S半隱半現(xiàn)地座落于陡峭的山中，空炸困難。但最終同盟國的轟炸迫使德國人放棄了這座工廠。為了挽救手中儲存的重水，德國人準(zhǔn)備將它們裝運(yùn)由鐵路送往柏林。為了穿過工廠附近的一條湖，鐵路機(jī)動有軌車必須利用一只渡船裝載重水。挪威人的地下組織獲取了此情報(bào)，在渡船上安裝了一顆炸彈。船航行到半程時炸彈爆炸，炸沉了船和貨物，但也奪去了 14 條挪威市民的生命。
二戰(zhàn)后，美國從事開發(fā)核聚變武器，那就是氫彈。這些核聚變武器的關(guān)鍵部分是重氫和超重氫。這種武器的第一次試驗(yàn)于 1952 年在馬紹爾群島 (Marshall ZSluads) 的埃內(nèi)韋塔克環(huán)礁 (Enewetak Atoll) 舉行。試驗(yàn)需要大約 1000 升液態(tài)重氫，由位于科羅拉多州博爾德 (Boulder, Colorado) 的國家標(biāo)準(zhǔn)局低溫實(shí)驗(yàn)室制造。布瑞克韋德已經(jīng)發(fā)展了設(shè)備專門用于此目的。他在早 21 年前就利用數(shù)毫升的重水制造了有史以來的第一個重氫樣品。
應(yīng)用反物質(zhì)
利用放射性源和電子加速器可以產(chǎn)生可觀量的正電子?，F(xiàn)在正電子已具有各種科學(xué)和實(shí)際用途。高能電子 - 正電子對撞機(jī)已經(jīng)對基本粒子物理做出了偉大貢獻(xiàn)。同步加速器光源通常利用正電子束而不是電子束，這是因?yàn)檎娮邮懦饬钊藷赖恼x子束雜質(zhì)。盡管其壽命短暫，電子偶素 - 電子 - 正電子束縛態(tài)是借助高分辨激光光譜學(xué)精確檢驗(yàn)量子電動力學(xué)的一個重要媒介。
人們最熟悉的正電子的實(shí)際應(yīng)用是在正電子發(fā)射斷層 X 線攝影術(shù)方面，稱為 PET 掃描。這種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)使醫(yī)生能在生命組織中尋找腫瘤和監(jiān)視新陳代謝活動。一個病人首先被注射一種追蹤劑 ——攜帶一種正電子發(fā)射同位素的特定的生物分子。然后放射學(xué)醫(yī)師通過確定發(fā)生正負(fù)電子湮滅的位置尋找那種分子在病人體內(nèi)的累積。一個衰變正電子迅速趨向靜止并在發(fā)射分子的附近湮滅，產(chǎn)生一對典型的沿相反方向飛行的 511 千電子伏的γ 射線光子。根據(jù)放置在病人周圍的探測器陣列所記錄的這對光子到達(dá)的位置和時間可以確定正電子發(fā)射的位置。這種技術(shù)由圖 6 解釋。
圖 6 一個受治療者的頭部的正電子發(fā)射斷層 X 線攝影術(shù) (PET 掃描 )。圍繞頭部一平面的γ 射線探測器陣列描繪出注入受治療者體內(nèi)運(yùn)載一放射性正電子發(fā)射追蹤劑的分子的累積。一個衰變正電子(e+) 立刻與一個附近的電子湮滅靜止，產(chǎn)生一對共線飛行的 511 千電子伏的光子 (γ)，根據(jù)它們到達(dá)探測器陣列相反兩端的亞納秒時間差確定它們沿共同飛行線路的精確起端
正電子發(fā)射追蹤劑是利用一臺地方專用的回旋加速器提供的質(zhì)子輻照一種元素制作成。然后放射線元素被合成為生物物質(zhì)。一種通用的追蹤劑由葡萄糖和放射線同位素碳 -11 合成，其半衰期為 20分鐘。
不同的追蹤劑用于探測不同的器官。PET 掃描的主要應(yīng)用之一是探測腦癌。研究人員也利用追蹤劑研究在各種環(huán)境下健康大腦的不同部分中的新陳代謝活動。
后 記
去年夏季全家團(tuán)聚時，我們當(dāng)中的克拉克與他的叔叔，一個機(jī)械工程專業(yè)的退休教授談?wù)撈?1932 年的那些杰出的發(fā)現(xiàn)。他的叔叔沒想到自己比發(fā)現(xiàn)中子早幾年出生。這與那卓越和令人驚奇的 1932 年仍然有著栩栩如生的聯(lián)系。
作者簡介：Joseph Reader 是位于馬里蘭州蓋瑟斯堡 (Gaithersburg) 的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的一位光譜學(xué)家。Charles Clark 也是一位光譜學(xué)家，是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和科利奇帕克 (College Park) 的馬里蘭大學(xué)的聯(lián)合量子研究所負(fù)責(zé)人。
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