漢恩發現核分裂
取材自：王道還 教授（中央研究院歷史語言研究所人類學組）
[科學史上的這個月─一九三八年十二月，漢恩發現核分裂]
（科學發展 ：2002 年 12 月，360 期，78～80 頁）
閱讀以下文章，並回答文末的問題….
1903 年，諾貝爾物理獎頒給研究「放射性」的先驅：居 禮夫婦與貝克勒。這時，原子核中蘊藏著巨大的能量，
已是明確的科學事實。發現核分裂的梅特娜及漢恩。梅 特娜是一九三○年代世界著名的核子物理學家，與外甥 傅里胥共同發展了「核分裂」理論，解釋漢恩的化學分 析結論。
核分裂
1932 年，英國科學家查兌克（J. Chadwick, 1891-1974） 發現了中子。立刻就有人想到利用中子轟擊原子核，以
改變元素並釋放原子能。1933 年九月，拉塞福（Ernest Rutherford, 1871-1937；1908 年諾貝爾 化學獎得主）公開預言：儘管三萬瓦或七萬瓦電力就可能驅動中子轟擊原子核，造成改變元 素、釋放核能的結果，但是這個點子不啻夢想，不值得追求。這個消息反而使物理學家吉拉
德（LeoSzilard, 1898-1964）想出了「連鎖反應」的點子：要是一顆中子撞入一個原子核，能釋
出新的中子，撞擊其他的原子核，那麼，只要有足夠的原子核，這個核反應就可能一直持續 下去……並釋出能量。不過，一開始科學家並沒有想到原子核可以給中子撞裂。例如，義大 利物理學家費米（E. Fermi, 1901-1954；楊振寧在芝加哥大學的老師）1934 年就在實驗室創造 了核分裂反應，但是，當時他根本不知道。這是因為當時大家都認為用中子轟擊原子核，結 果可以類比成元素衰變。舉例來說吧，以中子轟擊鈾（原子序92，原子量 238）的話，科學 家預期鈾原子核會釋出質子，因而形成周期表上排名稍前的元素，例如鐳（原子序88）。更 糟的是，化學家設計檢驗實驗產物的方法，根本沒考慮到鈾原子核遭到中子撞擊，可能會分 裂成大小相近的兩個原子核，例如鋇（原子序56，原子量 137.3）。而化學家檢驗中子撞擊 實驗產物，使用的標準方法就是以硫化鋇沈澱標的元素。因此，化學家一直沒發現鈾原子核 以中子撞擊後，會分裂出鋇原子。直到一九三八年十二月，漢恩( Otto Hahn, 1879-1968 )與史特 拉斯曼（Fritz Strassmann, 1902-1980）在柏林威廉大帝化學研究所改用氯化鋇做實驗，才發現 鈾原子核受中子撞擊後，產物中有鋇。他們的結論是：我們是化學家，因此我們應該說：中 子撞擊鈾的產物不是鐳，而是鋇。
但是，他們十分困惑，因為這與已知的物理學知識不合。漢恩立即將結果寫成論文，於1939 年一月六日正式出版。同時，他也把結論告訴正在斯德哥爾摩的梅特娜（Lise Meitner, 1878- 1968），希望她能想出物理學的解釋。
梅特娜是漢恩在柏林大學的同事，是猶太人，所以出國避難。她在聖誕節前收到漢恩的信與 論文稿，她的外甥傅里胥（Otto Frisch, 1904-1979）剛好在丹麥研究中子，一起受邀到梅特娜 友人家裡過節。梅特娜將漢恩的信與論文給傅里胥看，他一開始覺得漢恩的發現「是不可能
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的」，可是最後，這一對姨甥想出了漢恩期待的答案。梅特娜借用了生物學家描述「細胞分 裂」的字fission，描述了一種「新的核反應」，就是核分裂。科學界很快就了解核分裂會釋出 大量能量，使愛因斯坦的質能互變公式產生了新的現實意義。由於1939 年初，歐洲已經戰 雲密布，許多科學家都想到以核分裂原理製造炸彈的可能性。
海森堡登場
1930 年代初，納粹黨在德國逐漸得勢，許多著名科學家或因納粹的種族歧視政策，或因理 念與納粹不合，逐漸流亡其他國家。1939 年六月，德國著名物理學家海森堡（W. K.
Heisenberg, 1901-1976）到美國出席學術會議，許多人都勸他留下，可是他卻認為「國家需要
我」，堅持回到德國。當時，海森堡是世界級的核物理大師，他在美國的許多舊識，都擔心 戰爭爆發後他會為德國研發核武。不過，直到大戰結束，德國都沒能研發出原子彈。大戰之 後，海森堡不但鼓吹反核武，還反覆宣稱，在大戰期間，德國科學家不是不能製造核武，而 是基於良知，故意將研發工作引導到反應器的方向上。海森堡接受外國訪問時，也有這樣的 說詞：
一九四二年二月，我們奉召到柏林開會。我提出了我的結論。我非常誠懇地告訴他們，對，
我們能製造原子彈，但是，那需要花很長時間，比這場戰爭還長。而且，就算要做，我們必 須動員德國最好的研究人員，以及全國主要的工業資源，才做得成。
不過，戰後有些德國科學家卻回憶，海森堡雖然受德國軍方倚重，期望他能研發原子彈，但 是海森堡錯估了製造原子彈需要的「臨界質量」，因此認為原子彈不可能造得出來。
《農莊報告》
關於這個問題，1992 年解密的一批資料，提供了珍貴的線索。
原來大戰結束時，美國組織了專門小組，負責調查德國的「原子彈計畫」，以了解德國的核 武實力。他們拘禁了十位最重要的德國科學家，包括海森堡與漢恩。美國在一九四五年七月 三日將他們送到英國曼徹斯特一戶叫做「農莊」（Farm Hall）的宅院裡，他們在那裡待了六個 月。他們不知道的是，那裡四處都布置了竊聽器。
一九四五年八月六日晚上六點，英國廣播公司發布新聞，說是美國在日本廣島投下了一枚原 子彈。那十位科學家聽了這則新聞後，反應是十分震驚、難以置信。漢恩甚至譏嘲海森堡沒有 為德國造出原子彈，是「二流角色」。海森堡一開始拒絕相信這個消息。等到十個人心情平復 了一些之後，就開始熱烈討論美國原子彈的可能細節。最值得注意的是，他們居然難以達成 一致的結論。海森堡甚至感嘆：
我們都是搞這個的教授，可是我們連他們怎麼做出（原子彈）的都搞不清楚，
真是丟臉。
原來，製造原子彈需要純的鈾-235，而天然鈾中，這種鈾同位素很少，只占一百四十分之一，
因此必須發展提煉鈾-235 的技術。此外，海森堡計算過，製造原子彈需要成噸的純鈾-235，
而他估計，盟國一年只能生產三十公斤鈾-235。
臨界質量
以中子撞擊鈾-235 原子，想引發連鎖反應，首先必須考慮射入的中子在物質中最少必須前
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進多少距離，才會撞上一個鈾原子核。然後，受撞鈾原子核釋出的中子，又有多少機會撞擊 另一個鈾原子核。一個鈾-235 的球，必須有多大，才能使連鎖反應發生？這就是「臨界質量」
問題，一九三九年五月就有人發表論文討論了。根據第一個公開的估計，大概需要一個重四 十公噸的氧化鈾球。等到科學家有了更多資料與更精密的理論之後，這個數字就開始變小了。
一九四○年三月十九日，傅里胥與另一位流亡的德籍猶裔物理學家佩爾斯（Rudolf Peierls,
1907-1995），聯名向英國政府的科學顧問遞交了一份四頁的備忘錄，指出只要一公斤鈾-235
就能製造原子彈。後來，這個數字以最新的實驗數據校正後，更正為六十公斤。但是，美國 發展原子彈的曼哈頓計畫，已經在一九四一年十二月六號展開了。
尺有所短
從《農莊報告》中，我們可以看出，海森堡聽說了廣島遭原子彈攻擊的消息之後，不斷地思考 計算盟國成功製造原子彈的祕密，他在這一方面的造詣，因此也教人一覽無遺。佩爾斯是海 森堡的學生，他的一段話值得我們注意：
海森堡雖然是個傑出的理論物理學家，但總是對數字不太小心。一九二○年代 末，我是他的學生，他給我的第一個功課，就是檢查最近的光譜分析實驗數據，
看看是否與他的測不準原理相符。其實，只要簡單的計算就能發現，實驗值大 於理論值一百倍，甚至一千倍。
當年的核子物理學家中，大概只有費米「文武雙全」──既是理論家，又是實驗家，更對數 字敏感。他在原子彈試爆現場附近，光是觀察他拋出的碎紙片在空中受爆震推移的程度，就 準確地估計出爆炸的威力。其實，漢恩對海森堡的批評並不公平。德國納粹把第一流的科學 家驅散到海外，他們親身經歷危疑震撼的時局，都對歷史發展的方向抱著最壞的打算，因為 他們的努力，才促成了美國的「曼哈頓計畫」。等到曼哈頓計畫上馬了，美國所聚集的人才、
物力，世上已沒有一個國家對抗得了。即使海森堡也不可能。
歷史的諷刺
一九四五年十一月十六日，十位德國科學家仍在農莊「作客」，瑞典宣布漢恩因為發現核分 裂而得到一九四四年的諾貝爾化學獎。
回答以下問題…
1.（ ）下列所述的科學家何者與「原子核分裂」的發現及其理論的發展無關？
（A）傅里胥（B）漢恩（C）梅特娜（D）海森堡。
2.（ ）發現核分裂的科學家的是？（A）查兌克（B）梅特娜（C）湯姆生（D）漢恩。
3.（ ）關於原子彈的製造，何者不是需要考慮的原因？（A）純的鈾-235（B）核分裂反應
（C）臨界質量（D）核融合反應。
4.（ ）以下關於文意的敘述，何者錯誤？（A）美國的「曼哈頓計畫」是製造原子彈的計畫
（B）漢恩因為發現核分裂而得到 1944 年的諾貝爾物理獎（C）中子撞擊鈾的產物 是鋇（D）海森堡曾提出「測不準原理」。
5.（ ）「中子」的發現者是哪一個科學家？
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（A）查兌克（B）拉塞幅（C）湯姆生（D）漢恩。
[參考答案]
1. D 2. D 3. D 4. B 5. A
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