【探索23-4】從X射線到原子能的爆炸性發展 — 費米與那些科學家的意外發現

19世紀末到20世紀初,科學家探索原子結構的過程,可以說是「意外發現」推動科學革命最精彩的一個篇章。從湯姆森發現電子開始,一連串意外的實驗結果,打破了舊有的知識規範,科學家們必須基於深厚的物理直觀及不懈的探索精神,在看似意外的時機,取得最重要的突破。費米在這個過程中扮演了重要的角色,他對於放射性以及核反應的研究,讓人類得以釋放出原子中巨大的能量,卻也帶來了毀滅性的武器。

講者|台灣大學化學系副教授 鄭原忠
彙整撰文|廖梓甯

●在費米之前

早在希臘時期,人類就開始對物質的微觀極限感興趣,但因為缺乏觀察的手段,這個問題只能作為一種哲學詰辯來討論。到了18世紀,科學家才普遍接受物質有最小的構成單元,道爾頓為了解釋不同的化學反應,發表了『原子論』,也就是現在中學教科書中大家都會學到的:物質的最小單位為不可分割的原子,且不同的化學元素分別有不同的原子組成。

這樣的理論跟猜想,是否代表人類已經找到物質的核心本質?原子真的是最小單元嗎?缺乏實驗的證明,理論只是空談。到了19世紀,陰極射線管的出現,提供了突破性的觀察工具,動搖了傳統的原子論。湯姆森在研究陰極射線管的過程,意外的發現了陰極射線可以被電場與磁場偏移,由此證明電子的存在,第一個次原子粒子的發現,讓原子說的『原子不可分割性』被推翻了。

●從放射性到人工核蛻變

同個時期,侖琴也在陰極射線管實驗中發現X-ray,因著意外拍下的太太手部X光照片,引起科學界的震撼,讓眾多科學家投入X-ray的研究領域。

法國科學家貝克勒知曉了侖琴的實驗以後,認為X-ray能用來解釋礦物螢光的現象。他推論在暗處發光的礦物,可能是吸收太陽光的能量後,以X-ray的形式放出,引發出螢光。這樣的推論,在時間壓迫與意外機運下被推翻了,貝克勒碰到了巴黎連續好幾天陰天,讓他的實驗沒辦法照到陽光,急著得到實驗結果的貝克勒還是硬著頭皮把接觸礦物的底片洗出來,卻發現含鈾的礦物能「自主」放出高能量射線,不需要吸收太陽能。這樣自發性放能的特性,因爲違反了當時科學家奉為圭臬的『能量守恆』,震撼了當時的物理學界。

在貝克勒意外發現放射性後,居里夫婦接著加入研究,他們發現新元素釙與鐳,並奠定放射性研究的基石,他們三位一同獲得了1903年的諾貝爾化學獎。當時另外一位對放射性研究作出重大貢獻的是拉賽福,拉賽福是湯姆森的學生,不過他在貝克勒發現放射性後,轉為研究物質的放射性,發展出嚴謹定量放射性的實驗測量方法,也因此獲頒1908年諾貝爾化學獎。提到拉賽福,大家熟知的是他的金箔實驗,意外的證實了原子核的存在,其實這項工作是拉賽福得到諾貝爾獎之後累積好幾年的實驗結果所推論出來的,因此這項科學史上著名的意外發現可能也不是那麼意外,其實是拉賽福長時間探索並不厭其煩的驗證細節才得以發生的,需要的是大海撈針的精神與嚴謹性。

金箔實驗另外的一個重大影響是利用alpha粒子撞擊來研究核反應,居里夫婦的女兒艾琳–居禮以及她的夫婿費德里克–若利歐兩人在這個領域貢獻巨大,他們發現鋁被alpha粒子撞擊後,會發生核蛻變而產生磷的同位素。這個實驗證實能利用粒子相互撞擊得到新的粒子,人工合成新元素的想法便由此建立起來,間接證明了----煉金術是可能的。

若利歐–居禮夫婦在1935年因為人工核蛻變研究得到諾貝爾化學獎,這是科學史上居里家族的一段佳話。有趣的是,同一年的諾貝爾物理獎頒給了發現中子的查兌克,這項成就卻也跟若利歐–居禮夫婦有關。若利歐–居禮夫婦在1932年進行以alpha粒子撞擊鈹的實驗,他們發現鈹被撞擊後,其產生的射線能夠讓石蠟產生大量的質子,當時他們沒有多想,直接解釋此現象是gamma射線造成的。查兌克得知這個實驗結果後,認為沒有質量的gamma射線,不可能將帶有質量的質子撞擊出來,肯定有其他質量相當的粒子參與在其中,才可能有這樣的碰撞結果。他回到英國的實驗室才做了兩個禮拜的實驗,就重現了若利歐–居禮夫婦的結果,另外也證實產生的粒子不帶電、且質量與質子相當—中子這個原子核中另一個極重要的存在被發現了,我們終於完整的描繪出構成原子的三種基本粒子。若利歐–居禮夫婦原本有可能搶先發現中子,機會女神降臨但是他們卻大意錯過了,這種科學上「意外的沒有發現」也所在多有。查兌克能夠憑著深厚的物理知識洞悉實驗所揭示的自然本質,因此在科學史上留名,這也再一次驗證了巴斯德的話—「機會只留給準備好的人」。

●費米出場:慢中子

年輕的費米是一位非常出色的理論物理學家,但是在得知中子的發現以及若利歐-居禮夫婦的人工核蛻變實驗後,他開始思考人工核蛻變的其他方法。當時做人工核蛻變的科學家,大多利用帶電的alpha粒子去碰撞其他粒子,但是因爲alpha粒子本身帶有正電,讓它容易與原子核中的質子互斥,而不容易接近原子核,導致反應機率很低。擁有精準物理直覺的費米,想到使用電中性的中子,應該可以更容易接近原子核,增加產生人工核蛻變的可能性。

中子撞擊實驗的成功,跟一個意外發現有關,費米發現讓中子穿過木頭、石蠟或水等物質,可以大幅度的增加核蛻變的可能性,擁有極佳物理直觀的費米很快想出了原因,這些物質中的氫原子因質量與中子相近,可以透過碰撞讓中子減速,產生的慢中子更容易發生反應。在發現慢中子現象後,費米團隊利用中子撞擊了67個元素,發現37種可以產生人工放射性,費米並認為他們成功製造出質量比鈾大的新元素,還替這些元素命了名,這項工作讓費米贏得1938年諾貝爾物理獎,但可能也是費米科學生涯中最令他感到羞愧的一項工作 — 費米其實沒有製造出超鈾元素,不久之後,德國科學家漢恩跟史特拉斯曼證實中子撞擊鈾,並不會產生新的元素,而是讓鈾產生核分裂。

●原子能與核武器

得知核分裂實驗的消息時,費米剛利用參加諾貝爾獎典禮的機會離開了歐洲來到美國,他很快的意識到這項工作的重要性,投入研究鈾連鎖反應的工作,他在芝加哥大學的球場看台底下建造史上第一個核子反應堆,在1942年達成連鎖反應臨界狀態,開啟了原子能的世代,也因此費米被稱為原子能之父。在這之後,費米加入了曼哈頓計劃,見證了第一次原子試爆,看見了原子的爆炸能量是極具有毀滅性的,此時的科學研究已經開始變調了,不再單純是知識的探索,而是涉及大國間的武器競賽。

除了原子彈外,費米在曼哈頓計劃中對於利用核融合原理的氫彈發展也做出重大貢獻,是氫彈概念的發想者之一,但是在戰後他很清楚的表明反對氫彈發展的立場。1952年,美國在太平洋的小島引爆了世界上第一顆氫彈,核爆過後,科學家從搜集的灰燼中分析出微量的新元素,其中原子序為 100的新元素在 1955 年 (費米過世後一年)被命名為 fermium,以紀念費米的偉大貢獻。

19世紀末至20世紀初的這段時間,因為一連串的意外發現,科學產生了驚天動地的改變,開創全新的研究領域。沒有人能想到,太陽、星系發光的原理,其實在最微小的地方留下線索 —也就是 原子的核融合。科學家在探索的過程中,往往需要從最不經意的小地方中看出珠絲馬跡,才能解開自然的謎題,這些意外發現,雖然看起來像幸運女神的眷顧,但背後卻需要實事求是的懷疑態度還有堅實的物理知識才得以達成。此外,重大的發現雖然往往來自新的觀察方法或實驗儀器,但是知識的積累以及物理直觀,對於發揮新發現的價值起著決定性的作用。

 

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本文整理自:109/4/11由鄭原忠老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「物理奇才費米與那些年的意外發現」演講內容。

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