被遗忘的麦特纳 - 发现核分裂的另一要角
2015/5/22 哲学园
被遗忘的麦特纳
发现核分裂的另一要角
(这是小编多年前收藏的一篇文章，没有作者署名，现网上搜索也没有结果，作者有缘请联系小编，谢谢!哲学园于15年3月7日还发过两篇关于迈特纳的文章)
莉萨?麦特钠(Lise Meitner, 1878～1968年)和「核分裂的发现」息息相关。但是对她的报导总是有遗落和偏颇：在柏林的研究小组成员为麦特纳、哈恩(O. Hahn)和史特拉斯曼(F. Strassmann)，但只有哈恩得诺贝尔奖；铀受中子撞击分裂产生的钡被发现时，她不在柏林；但她是第一个提供理论解释者；她和哈恩是好朋友，但在哈恩的传记中，她是一个被描述成生活在二度空间的人物，苍白、无生命，偶而就如同银幕上的影像一闪即逝。在幕尼黑的德国博物馆中，陈列着她为铀受中子照射实验设计的仪器设备──铅容器、射源、蜡块、计数器、放大器等，放在一个木桌上，是她在威廉大帝化学研究所物理组研究室所装置的。现在的告示牌上却标着「奥图?哈恩工作桌」，旁边一块小匾上，提到史特拉斯曼；却一点也没提到麦特纳的名字。
柏林小组的领导人逃亡瑞典
记载显示：麦特纳不仅是柏林研究小组的成员，而且是领导者。也指出：由于当时德国采「种族迫害」政策，不仅逼使麦特纳逃离德国，如果哈恩承认和麦特纳之间不间断的研究关连，也会使他陷入险境；这逼使哈恩否认与麦特纳的往来。
在1938年七月十三日，麦特纳带着10马克和一些夏天衣服，怀着恐惧逃出德国。这处境对麦特纳而言，是已经坏到极点了。她被迫和心爱的每一件事物分离：工作、职位和朋友们。当时她和哈恩已认识三十年，她是他儿子的教母，而哈恩对她而言更介于同事与手足之间。她离开了她的物理组，她在1920年代的成功，促使世界对该研究作整体性的认同，却被迫离开未完成的铀探讨。记载显示：这整个计划，从一开始就是她在1934年，受到费米之「中子辐射」实验所吸引，而决心把这实验带到柏林来研究。首先她花了好几个星期才说服了哈恩加入她的计划，然后她一直领导着铀调查实验达四年之久，一直到她被迫离开德国的前夕。从那段时期的出版数据显示：无论在研究内容、方向或目的，都指出这是一个核物理学的问题。
在纳粹时代的德国，政治因素控制了一切的活动；由于「政治兼容性」，促使麦特纳、哈恩和史特拉斯曼三个反纳粹的人紧密地结合在一起。史氏是一非常勇敢的人，其一生坚决不加入由纳粹势力所控制的德国化学学会：且曾冒着失去妻子、幼儿和自己生命的危险，把一位受迫害的犹太人收藏在家中达数月之久。在某些程度上，政治考虑影响了研究题材的选择：由于超铀元素保证是一个受国际瞩目的研究焦点，所以替这些列于政治黑名单的人物，带来了期待的保护伞，他们亟需被认同，当然也使得他们的研究和在巴黎的伊痕?居礼及其同仁的竞争更形尖锐。
发现了钡元素
1938年九月，麦特纳抵达瑞典首都斯德哥尔摩，赴诺贝尔物理研究所任职。这是个新成立的研究机构，组织和设备皆不完善，她并没受到热烈的欢迎。另一方面，由于此地邮件传递非常快速。使哈恩和麦特纳仍保持紧密的书件联络。在九月底，他们的通信因恐惧战争波及捷克而分心，但随即因慕尼黑和约之达成，又恢复专心思索在铀元素上的研究。当时居礼已观察到一个半衰期3.5小时的物质，但一直无法解释。
同年十月二十五日，哈恩在写给麦特纳的信上提到，他确信镭是产生3.5小时活性的原因。当麦特纳向哈恩质疑时，他和史氏却声称发现三个镭的同素异形体及其衰变产物。这时麦特纳仍是此小组成员。哈恩写信给她说：「如果妳帮我们想出，为何在慢中子撞击铀，会使铀产生α衰变，致铀衰变为钍，钍再衰变为镭，且直接形成镭的几个同素异形体？我们将会很感激。」于是麦特纳很热切地去思考镭或锕同位素是如何产生。于是她要求更详尽数据，并且向哈恩保证不告诉别人。铀问题此时是处于最昏黯模糊的时期了。
1938年十一月，麦特纳与哈恩在丹麦哥本哈根进行秘密会谈。虽然他们在后来的信中未提起这次会谈，也未告诉任何人有关这次的见面。而在哈恩写回忆录时，也似乎已忘了此事，但在波尔研究所的来宾登记簿上，清楚地记载着十一月十三、十四日他们在此地见面。且从哈恩的私人行事历中发现：麦特纳和他在十一月十三日早上6：48见面后，共进早餐且商谈了数小时，隔天早上还接受波尔夫妇的邀请，到他们家中。麦特纳过去在柏林的生活是充满自信且武断的。她常被引用的一句话是：「亲爱的哈恩，对于物理学之领域，你是一窍不通。」所以麦特纳可能要哈恩再仔细地检验所发现的镭，理由是：所谓发现新镭同素异形体及其锕系衰变产物，正如同过去被误认为超铀元素之形成，是错的。因为从铀形成镭，需要二次激烈α衰变。而中子引发α衰变，就吾人所知需要快中子。但哈恩所发现的，在使用慢中子时，似镭的产物变多。对物理学家而言，这是个梦魇。
哈恩带着这些讯息回到柏林，他并未告诉史氏，但史氏了解这讯息的来源。他后来写下：「幸运地，麦特纳的意见和判断，对在柏林的我们影响极大，使我们立刻采取必要的『控制实验』。」
因此，他们开始了分量结晶(fractional crystallization)和指示剂(indicator)实验(案：添加已知分量之元素当指示剂)，最后终于达到了高潮──在铀受中子撞击的反应产物中，发现了钡元素!
令人吃惊的结论
此时，麦特纳忧郁地回到斯德哥尔摩，对她而言，此时是黑暗时期；除了工作不如意外，更担心她妹妹会被捕。一连串打击，使她如此形容自己：「我觉得我像是上紧发条的玩具娃娃，带着微笑做些机械动作，但没有真正的自我，这样你就知道我的工作性质，但终究我还是感激这样的日子，因为这样可以逼我集中思想，仔细思考。」她逼哈恩给她有关「验证镭」的进一步新消息。
在同年十二月十九日，哈恩写信通知麦特纳，首次提到实验结果：「结果是如此的奇异，目前我们只通知妳....。我们发现所假设为『镭』的同素异形体，其化性表现却像是钡。」这是一令人吃惊的结论，他恳求她提供解释：「或许妳可以想出一个怪诞的解释，但我们仍不相信：为什么钡元素的原子量会超过137？」过了两天后哈恩又来信说：「如果我们能再像以前一样地共同工作，是多么美好的情景....，我们已无法隐瞒我们的结果，即使这结论在物理上是很荒诞。我想，妳会帮我们一个大忙，如果妳能解决如此棘手的问题。」
哈恩曾写信给麦特纳说：「如果妳可以提议出任何可发表的，那我们二人仍是一齐工作的伙伴。」这不是他们可以一齐发表任何文献的提议(因为他们知道政治上是不允许的)，而是表示他们持续的共同实验合作，肯定她是小组的重要成员。如史氏后来所提到：「麦特纳没有直接参与核分裂的发现，有什么关系呢？....她过去一直是我们组里在心智、知识上的领导者。即使发现核分裂时，她不在场，但她仍是我们组的一员。」
当麦特纳十二月二十一日收到哈恩第一封信后，立即答复道：「你的镭元素结果，非常使人困惑....，一个慢速中子撞击的铀元素，应可能会导致钡元素之形成!....，虽然如此大规模核分裂的主意，对我来说很难接受；但在核物理学中，我们经历了太多的惊奇和意外。且从中得到一个经验：没有一个人可以无条件武断地说『那是不可能』这句话。」
想想看，这些话对哈恩的影响有多大!当十二月二十三日，她的信抵达柏林，可说是哈恩一生中所收到最好的圣诞礼物了。现在的他可以更进一步思想所谓：「铀原子核大规模分裂的说法。」四天之后，在《自然科学》(Naturwissenschaft)所投稿件的校样稿上，加一小段文字，建议说：「过去所谓超铀元素，一直被以为是与Re、Os、Ir等同族而较重的元素；取而代之，可能是较轻的Ma(现称为Tc)、Ru、Rh....等的同族元素。且Ba+Ma质量数和为138+101，恰为239!」这段文字使该文更有内容，就是暗示原子核实际上分裂了。但哈恩似乎在一瞬间遗忘了原子序的重要性(因Ba+Tc的原子序56+43＝99，远超过92)，这也证实哈恩的这段文字极不寻常。
第一个核分裂理论的诞生
当时麦特纳和她的外甥，物理学家佛来西(O.R. Frisch)和他们的朋友一起欢度圣诞节。当他们走在雪中，建立了核分裂的第一个理论：「原子核就像一不稳定的水滴，由一微小的表面张力所界限，随时准备向外扩展；且受到外来微弱的刺激时，会分裂成二部分，同时释放出大量的能。」从佛来西事后写的回忆文章，我们了解他的喜悦，而麦特纳却惊愕不已!她了解从前所谓的超铀元素，一定
是分裂碎片，而不是原子序在铀之后的较重元素。这是一个重大的打击，未能亲自参与这个美妙的发现已是够糟的，连带的也证实了她四年来所做的研究工作是错误的。
她在新年写给哈恩的信上说：「如果超铀元素消失了，你们的处境要比我好得多了。因为你们发现了核分裂，而我只有四年错误的结果要丢弃；对我未来要重新开始找工作，实在不是个值得推荐的好成绩。」
二天后，当麦特纳回到斯德哥尔摩，并研读文献报导后，她更有把握了。「我虽然不十分肯定说你们真的由核分裂产生钡元素，但我发现这真是一个完美的结果。衷心地恭喜你和史特拉斯曼，在你们眼前将是一片宽阔而完美的研究领域；相信我，虽然我一直无所获，然而我却为这奇迹似的发现而喜悦!」
1939年元月第一个星期，是麦特纳的一段美好时光。她和佛来西的研究成果，得到了令人鼓舞的进展。她不再哀悼失去的「超铀元素」，一旦她了解到「分裂碎片」，他们就证实了分裂假说。使得多种同素异形体的解释，不再需要了。并且解释了长系列α衰变现象。可告慰的是：她能从早期研究工作中，得到一些成果：铀之同位素──铀-239(半衰期：23分钟)，不但具有活性，且可以用来产生原子序93的新元素。元月十六日，麦特纳和佛来西把他们的研究手稿送到《自然科学》期刊，但几天后，一份受审手稿复印品送到哈恩和史氏手中。这份手稿包含了许多可经实验证实的预测；如当经铀分裂产生原子序56的钡元素出现时，必会有原子序36的氪元素随之出现，而氪再衰变为铷、锶、钇等。
对哈恩而言，1939年元月份令人不太愉快的。当他发现钡元素之报告在元月六日发表之后，同单位的物理学家开始抱怨哈恩没有立刻和他们分享实验结果，虽然这些只会抱怨的物理学家，并未提供任何的助力。由于没有从物理上得到任何明确的指示，哈恩开始对钡元素的发现，感到不安。他和史氏只能一再地证明它的存在而毫无进展。一直到看了麦特纳和佛来西的文稿，才恍然大悟而开始寻找氪元素的存在和它的蜕变产物。
哈恩后来写了许多自传和回忆录，却都没有叙述麦特纳如何把「中子撞击铀元素」的计划，带到柏林。也根本不提他们在1938年十二月在哥本哈根的会面。他认为核分裂的发现完全是化学的功劳，而物理学家错误的假设：「原子核只能进行微小的改变」阻碍了核分裂的发现。(编案：这一点也受到诺贝尔奖评审的同意，所以颁给他1944年的化学奖。)在麦特纳的一生中，她从未同意别人替她写自传，也不愿自己写。但她却把大量书信和文件保留下来，我相信她这样做，或许是不想让她的故事永远遭埋没吧!
(取材自R. L. Sime, "Lise Meitner and thediscovery of fission", J. Chem. Ed., 66：373～376, 1989.)
参考数据
1.杨觉民译 劈开原子核 本刊十六卷六期447页
2.李政道讲 江才健译 弱作用的历史 本刊十九卷五期352页
叶铭芳任职于台湾大学海洋研究所
109元素命名为Mt钅麦(265)，以纪念麦特纳。
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