戰爭中的物理-- 希特勒破碎的原子彈夢與 美國曼哈頓計畫

物理教育學刊 113

2008, 第九卷第一期, 1-16

Chinese Physics Education 2008, 9(1), 1-16

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戰爭中的物理--

希特勒破碎的原子彈夢與 美國曼哈頓計畫

游璦宇 中國鋼鐵工程師 [email protected]

壹、前言

1945 年美國在日本長崎、廣島投下兩個 原子彈結束二戰的故事相信大家都耳熟能詳，

但很少人知道德國才是最早研究核武器的國 家，希特勒差一點就做出原子彈了，幸好德 國最終並沒有做出原子彈，否則歷史就要重 寫了，那麼是什麼原因使德國發展核武失敗？

美國又如何搶先德國成功製造出人類第一顆 原子彈呢？今天就帶領大家來揭開這其中的 秘辛

貳、慢中子效應與減速劑

1938 年德國人奧托·哈恩(Otto Hahn)發 現核分裂後，物理學家開始思索鏈鎖反應的 可能性，但核分裂所釋放出的中子速度極快，

稱作快中子(Fast neutrons)，快中子不容易被 鈾-235 的原子核俘獲而誘發核裂變，慢中子 (Thermal neutrons)才有較大的機會被鈾-235 的原子核俘獲而誘發核裂變，快中子的速度 幾乎是慢中子的四千萬倍，因此想要做出鏈 鎖反應，必須設法使快中子減速才行，德國 人想到的減速劑是重水(Heavy water)

圖 1：奧托·哈恩

參、德軍的重水工廠

1940 年德軍攻佔挪威，佔領了挪威境內 的維莫爾克(Vemork)水力發電廠，希特勒下 令德軍在此秘密生產重水以便建造核子反應 爐。

圖 2：挪威境內的維莫爾克水電廠

圖 3：水電廠內的德軍重水實驗室，一名德軍正在 巡視生產設備

10.6212/CPE.2015.1602.04

肆、邱吉爾的『燕子行動』

二戰時英國擁有強大的間諜情報網，邱 吉爾很快就知道德軍正在提煉重水的事，他 被幕僚告知這是德國準備研製核武，於是派 遣了一支由挪威人組成特攻隊計畫炸毀工廠，

行動代號為『燕子』，1943 年第一批特攻隊 成功炸毀工廠，但德國修復後又製造了第二 批重水並準備以渡輪運往柏林，1944 年邱吉 爾又派了第二批人馬將渡輪炸毀於挪威境內 的廷湖(Lake Tinn)，希特勒是個極度沒有耐 性的人，當時德軍正在入侵蘇聯，雙方打得 如火如荼，兩軍死傷慘烈，戰局僵持不下，

希特勒眼見重水提煉況日廢時，原子彈遲遲 無法投入戰局，終於決定放棄原子彈的研 究。

圖 4：燕子祕密行動小組出任務前合影留念

伍、愛因斯坦的信

1939 年初，一批被納粹迫害的匈牙利籍 科學家流亡到美國，他們帶來一個讓美國震 驚的消息，德國納粹正在研發原子彈，消息 傳到物理界時，許多人非常擔憂，於是物理 學界推派當時聲望最高的愛因斯坦寫了一封 信給當時總統羅斯福，信中提到鏈鎖反應所 放出的巨大能量是可以被拿來製成武器的，

極具毀滅性，納粹很有可能拿來製作武器對 抗盟軍，希望總統能立刻支持物理學界展開 核研究。愛因斯坦的話羅斯福聽進去了，1939 年羅斯福成立了『鈾委員會』來統籌所相關 的核研究

圖 5：愛因斯坦寫給羅斯福總統的一封信

陸、芝加哥一號堆

領導美國鈾委員會的是美籍義大利裔物 理學家費米(Fermi)，費米知道重水雖然是一 個良好的中子減速劑，但靠電解生產的速度 實在太慢，於是他思考有沒有能快速生產的 減速劑，也就是這一個關鍵，讓美國沒有重 蹈德國的覆轍，費米想到的減速劑就是石墨。

1942 費米在芝加哥大學的斯塔格球場(Stagg Field)看台下的壁球場中建造核子反應爐，史 稱『芝加哥一號堆』(Chicago Pile-1)，1942 年 12 月 2 日是核子物理史上的一個里程碑，

費米的芝加哥一號堆點火測試成功，雖然功 率只有 0.5 瓦特，僅能點亮幾盞家用電燈，

但這是人類第一次成功釋放了原子核內部的 能量，物理學界為了紀念這一具有代表性的 一天，特別製作了一塊匾額懸掛在芝加哥大 學校園內。

圖 6：芝加哥一號堆點火測試描繪圖

圖 7：芝加哥大學內的紀念匾額

柒、美國曼哈頓計畫

1941 年 12 月 7 日日本空襲美國夏威夷 島的珍珠港，羅斯福悲痛憤怒，美國一改過 去的孤立主義，對日、德宣戰。1942 年 12 月 6 日，羅斯福批准了代號爲『曼哈頓』的 研 製 原 子 彈 大 型 軍 士 工 程 計 畫 (Manhattan Project)，這項計畫的保密等極為絕密 (Top Secret)。 羅斯福總統賦予這一計劃以“高於 一切行動的特别優先權”。

圖 8：格羅夫斯將軍

曼哈頓計畫由當時美國陸軍工兵團格羅 夫斯(Groves)少將領導，時任美國物理學會會 長的康普吞(Compton,1927 年諾貝爾物理獎 得主)向格羅夫斯引薦年輕且才華洋溢的加 州 大 學 柏 克 萊 分 校 物 理 系 教 授 奧 本 海 默 (Oppenheimer)為曼哈頓計畫為首席科學顧 問，奧本海默也被稱作『原子彈之父』

圖 9：奧本海默

捌、史上最貴的電磁鐵

核子反應堆使用的是慢中子，但原子彈 必須在極短時間內發生大規模鏈鎖反應，必 須靠快中子才能達成，可是快中子不容易誘 發核裂變，唯一的辦法就是提高鈾-235 的濃 度，因此提煉濃縮鈾成為曼哈頓計畫的重點 工作。奧本海默的團隊想出了利用磁場分離 鈾-235、鈾-238 的技術，他們將天然鈾加熱 氣化後再離子化，此時鈾-235、鈾-238 就變 成了帶電的粒子，然後再加速打入磁場中，

粒子受到勞侖茲力(Lorentz force)的作用會 進行圓周運動，因為鈾-235、鈾-238 的質量 不同，造成迴轉半徑不同，利用這一點就可 以成功的分離鈾-235、鈾-238。

圖 10：使用磁場分離鈾同位素之設計藍圖

此種分離技術強力磁場，因此需要的電 磁鐵的大小就有一個中等艦船那樣大，而且 磁鐵外面要繞線圈，戰爭期間銅太缺了，導 線就用銀子做，竟用了 15,000 噸白銀，光憑 這一點就知美國政府為了這顆原子彈花了多 少血本。

圖 11：用來分離鈾同位素之巨型電磁鐵

玖、新墨西哥沙漠中的巨大火球

1945 年中期，美國已經提煉了足夠的鈾 -235 濃縮鈾，已達原子彈所需的鈾-235 臨界 質量(Critical Mass)，1945 年 7 月 12 日，第 一顆原子彈終於完成，代號『瘦子』(Thin Man)，7 月 16 日清晨，美國的第一顆原子彈 在新墨西哥州的沙漠中試爆成功，爆炸當量 大約 21,000 噸 TNT 炸彈，消息傳到正在德 國參加波茨坦會議的杜魯門耳裡，他非常高 興，還故意向當時蘇聯領袖史達林提起，意 圖震懾蘇聯。

圖 12：人類第一次原子彈試爆

圖 13：人類第一顆原子彈

圖 14：波茨坦會議左起邱吉爾、杜魯門、史達林

拾、波茨坦公告

1945 年 7 月 26 日在波茨坦會議上美國 總統杜魯門、中華民國國民政府主席蔣介石、

英國首相邱吉爾及蘇聯最高領導人史達林聯 合發表了《波茨坦公告》要求日本政府無條 件投降，此份公告被視為對日下達最後通牒，

日本政府口氣強硬的回絕了這份公告，杜魯 門結束會議後在回程的軍艦上下達了轟炸日 本國土的指令，1945 年 8 月 6 日及 9 日，年 美軍在日本廣島、長崎各投下原子彈結束了 二戰。其中投下的廣島原子彈，總重量為 440 公斤，鈾-235 含量為 45 公斤，當中只有 1 公斤鈾 235 發生核分裂，反應中又只有 1 克 的質量轉化成能量，但已經可以把方圓 50

公里的地方夷為廢墟，血淋淋見證了核能的 可怕，也開啟了人類新能源的希望。

圖 15：美國軍方打擊日本結束二戰印製之海報