諾貝爾物理學獎得主肖克萊與核物理
——紀念肖克萊誕辰100周年＊

王曉義 白 欣

①碩士研究生,②副教授,首都師范大學物理系,北京100048

＊北京市優秀人才培養資助計劃(BCD EG類,No.PYZZ090414001050)資助

諾貝爾物理學獎得主肖克萊與核物理
——紀念肖克萊誕辰100周年＊

王曉義①白 欣②

①碩士研究生,②副教授,首都師范大學物理系,北京100048

＊北京市優秀人才培養資助計劃(BCD EG類,No.PYZZ090414001050)資助

肖克萊 核裂變 菲斯克-肖克萊反應堆 原子彈

作為一個固體物理學家,結型晶體管的發明人,1956年諾貝爾物理學獎得主的肖克萊,還曾與菲斯克一起在核物理的前沿做出過重大貢獻——發現了可控鏈式核反應的機理,并設計出了“菲斯克-肖克萊反應堆”。在肖克萊誕辰100周年之際,特撰文紀念他對核物理的鮮為人知的貢獻,同時也澄清“肖克萊關于戰爭成本的研究直接影響了美國對日本投擲原子彈的決策”的一些傳說,還歷史以本來面目。

威廉·肖克萊(1910—1989)

1910年 2月,肖克萊(William B.Shockley)生于英國倫敦。三歲時,他隨父母回到美國。肖克萊是美國著名的固體物理學家,由于發明結型晶體管而被授予1956年的諾貝爾物理學獎①。1948年結型晶體管發明時,肖克萊時任美國著名的工業實驗室——貝爾實驗室固體物理組組長兼半導體小組的組長。

由于核裂變激動人心的前景,使核物理的研究在二戰初期成了從科學家到政治家都關注的熱點。鮮為人知的是作為固體物理學家的肖克萊也曾在貝爾實驗室對核裂變進行了相關研究,并取得了一些前沿性的成果。更令人著迷的是,傳說這些研究與原子彈都有著直接或間接的聯系。

肖克萊的天才還表現在他對二戰的貢獻。二戰爆發后,已經30歲的他毅然于1942年5月自愿加入了軍事研究的隊伍。僅用幾天時間,他就指出了美國海軍反潛飛機低效問題的關鍵所在。之后不久,在綜合多方面信息的基礎上,他指出德軍飛機沒有雷達裝置的關鍵性信息。1944年,肖克萊制定了一套高效訓練B-29轟炸機飛行員使用新型雷達視鏡的科目,并花費3個月的時間穿梭于盟軍各個軍事基地指導實施。也正是這項工作,他被授予了平民最高獎——美國國家功勛獎章。

肖克萊一生對科學追求不輟。他的科學研究領域主要是對固體能帶、鐵磁疇、金屬的塑性、晶粒邊界理論、有序-無序合金、半導體理論的應用以及電磁理論等,發表論文約100篇。1950年出版的《半導體中的電子與空穴》和1952年的《幾乎完全晶體的不完整性》都是有名的專著。他還取得了90多項美國專利。

由于卓越的學術成就,肖克萊獲得了諸多的榮譽和獎勵：美國國家科學院院士、美國物理學研究所研究員,以及諾貝爾物理學獎、約翰·斯科特獎章、莫里斯·利布曼紀念獎金、奧利弗·E

·伯克利固體物理學獎、科姆斯托克獎金、霍利獎章。此外,肖克萊還被美國《時代》雜志評選為“20世紀最具影響力的百名人物”之一[1]。

除此之外,肖克萊也因其固體物理學以外的研究而非議不斷。首先,盛傳他對戰爭的相關研究促使美國制定并實施了對日投擲原子彈計劃。其次,他對優生學的研究和鼓吹使他被誣為“納粹主義者”、“白人優越論者”和“科學種族主義者”[2]。

其實,時任美國五角大樓軍事顧問和美國空軍顧問的肖克萊也的確進行了戰爭成本的研究和B-29戰略轟炸機低效的研究。而且,肖克萊也進行了原子核裂變研究,盡管發生在“曼哈頓工程”之外。因為肖克萊和菲斯克都不是核物理學家,也沒有進入“曼哈頓工程”的研究隊伍。

自1896年貝克勒爾(Henri Becquerel)發現鈾鹽的天然放射性到1932年中子、正電子和氘的發現,才真正開啟了核物理的大門[3]。其間,盧瑟福(Ernest Rutherford)于1919年已經實現了人類歷史上第一次的人工核反應——氮原子受α粒子轟擊嬗變為氧17并放出一個質子。但直到中子被用作“炮彈”后,原子核的大門才被打開了!

核裂變

在錯過了已在眼前的中子①約里奧-居里夫婦于1932年1月實驗發現鈹輻射是穿透能力極強的中性射線,能夠把質子從石蠟中打出,誤以為是γ射線。2月17日查德威克受他們實驗的啟發認為中性輻射是中子,并給予實驗證實。和正電子②1932年8月2日,安德森(C.D.Anderson)通過云室觀測宇宙射線時發現正電子。之前,約里奧-居里夫婦曾在實驗室中觀察到正電子射出的特別現象,卻未能夠正確認識到。發現的遺憾之后,約里奧·居里夫婦(F.J oliot,I.Curie)堅持研究,最終于1934年1月19日在《自然》雜志上通報了“人工放射性”的發現。這一發現直接的結果是重核裂變的發現[3]。就在這一月,費米(Enrico Fermi)收到了約里奧·居里夫婦的實驗報告,很快設計了用中子代替α粒子轟擊原子核的實驗,并先后輻照了68種元素,其中有47種產生了新的放射性產物。當輻照到92號元素時,他們誤以為產生了93號元素即所謂的“超鈾元素”。這個錯誤認識使得核裂變的發現被推遲了,盡管1934年10月,費米小組發現了慢中子效應而更接近重核裂變的發現。

在1937年,伊倫·居里(I.Curie)和沙維奇(P.Savitch)用中子轟擊鈾鹽發現了新的放射性產物,性質接近于鑭。1938年,德國化學家哈恩(Otto Hahn)和助手斯特拉斯曼(F.Strassmann)得知這一實驗后立即重復了這一實驗,發現確實有鋇和鑭產生。而后,哈恩寫信告訴了他的“老搭檔”、奧地利物理學家邁特納(Lise Meitner)關于這一實驗及他本人對鋇和鑭產生的疑問。

1938年的圣誕節前后,邁特納和她的外甥——物理學家奧托·弗里施(Otto Frish)根據玻爾液滴模型正確解決了哈恩實驗存在的疑問,并認為：用中子轟擊鈾原子核可能使鈾原子核分裂成兩半。他們還給予了實驗證實。弗里施把這個過程稱為“裂變”。邁特納把這個發現寫信告訴了《自然》雜志。同時,弗里施把信件草稿帶給了在哥本哈根的玻爾(Niels Bohr)。玻爾即刻認識到這一發現的重要性并迅速給予實驗證實。他決定在邁特納的發現發表之前告訴美國的科學家,于是把信件夾在包裹里寄到了紐約[1]。1939年1月6日,哈恩宣布了他們發現鈾裂變的結果[4]。

同年1月26日,在華盛頓第五屆理論物理會議上,費米提出了自持鏈式反應的基本理論和假說[4]。1939年3月間,約里奧所在的巴黎核化學實驗室,費米所在的哥倫比亞大學和西拉德(L.Szilard)所在的紐約大學同時對自持鏈式反應的研究做出了貢獻。約里奧小組最先提出了“中子過剩”問題。費米小組證明鈾核每次裂變產生中子數可能是2。

1942年8月13日,在美國軍方的支持下,“曼哈頓工程”開始了。同年12月2日,費米研究組率先在芝加哥大學制造成功了功率為0.5瓦的自持鏈式核反應堆,實現了人類第一次可控制地釋放核能[3]。

菲斯克-肖克萊反應堆

肖克萊、布拉頓和菲斯克有幸在哥倫比亞大學玻爾的研討班上獲知了核裂變的消息并把它帶回了貝爾實驗室。

1940年5月,在時任貝爾實驗室總裁兼美國國家科學院主席的朱厄特(Frank Jewett)的首肯下,貝爾實驗室研究部主任凱利(Mervin J oe Kelly)要求肖克萊和菲斯科解決“核能能否從核分裂中可靠地獲得”的問題[1]。

貝爾實驗室為他們準備了房間和所需的設備。他們的任務是找到一種產生核能的方法,而不是去制造一個核反應堆或者一枚炸彈。幾天以后,肖克萊就發現了“減慢快中子的倍增速度就可以既使鏈式反應速度被控制,同時也能使核裂變反應繼續進行”的獲得核能的方法[1]。

又花了兩個月時間,肖克萊和菲斯克初步解決了凱利提出的問題。他們在報告中建議：“用含氫原子的石蠟給鈾塊分層或者使用石墨來減慢中子。一層是稀有的鈾(U235),下一層是它的極常見的同位素鈾(U238),這樣交替疊放來設計反應堆。”并且他們指出,除了用做電源之外,這樣的反應堆還可有以下的用途：①作為爆炸物;②作為一個人工放射源,他們認為,如果鏈式反應能被激發和運行,大量的放射性物質將會按可控制的比例產生;③作為中子源[1]。

在他們的報告中,他們提出“鈾層在幾百萬度的高溫下包含的能量會顯示出極高的爆炸特性”。肖克萊和菲斯克最重要的發現是：幾噸的鈾在最初的投入中是不必要的,幾百磅的鈾就足夠了[1]。

他們的報告交給凱利和國家標準局主任兼鈾顧問委員會主任的萊曼·布里格斯(Lyman Briggs)后,貝爾實驗室就停止了他們的這一研究。他們最先提出的“菲斯克-肖克萊反應堆”專利申請也因涉密而未獲批準。

這一貢獻并未被忘記,6年后,時任貝爾實驗室總裁的巴克萊(Oliver Buckley)收到了時任鈾貿易委員會主席的布里格斯的感謝信“：我現在記錄了對菲斯克和肖克萊所做貢獻的極大的贊賞!”[1]另外,曾參加“曼哈頓工程”的尤金·魏格納(Eugene Wigner,時任原子能委員會的負責人)寫信給菲斯克,對他和肖克萊送給他們的報告表示祝賀![1]

雖然肖克萊的洞見不是獨一無二的,但當時在美國也僅有幾個科學家(包括費米在內)指出減慢快中子可以實現可控核裂變反應的方法(由于當時的保密要求和自愿保密,肖克萊和菲斯克無法知道其他科學家的研究結果)。肖克萊和菲斯克還設計出了可控鏈式核反應堆,使核能的可控鏈式反應得以實現。在當時這是獨立的發現,盡管沒有對“曼哈頓工程”產生影響。費米和塞繆爾·阿森(Samuel Arthen)是在1942年春才分別獨立建造了冪級的核反應堆。肖克萊以核物理學家之外的身份,在如此短的時間內研究了核物理的部分難題,不能不說他是個科學天才!

原子彈

1939年10月由薩克斯(Alexander Sachs)起草,愛因斯坦(Albert Einstein)等簽名的關于啟動“原子彈計劃”以應對納粹德國可能同樣的研究的報告遞交給羅斯福(Franklin D.Roosevelt)總統。這導致了美國鈾顧問委員會的建立,開始了保密的原子彈研究工作[4]。到1942年8月13日,軍方介入并給予該研究計劃一個新名稱“曼哈頓工程”。

美國的“曼哈頓工程”最終于1945年7月16日成功爆炸了第一顆內爆式原子彈。后來,美國于1945年8月6日和9日把兩顆原子彈分別投向了日本的廣島和長崎。原子彈的巨大威力雖然加速了日本軍國主義投降的步伐,但也帶來了20多萬日本平民傷亡的悲劇。

曾經廣為流傳的說法是：二戰期間,肖克萊關于戰爭成本的研究成果直接影響了美國對日的原子彈轟炸。

肖克萊是于1945年7月21日向鮑爾斯(Bowles,時任美國國防部高層顧問組負責人)提交了一個報告,他估計了盟軍入侵日本列島所造成的傷亡與日軍可能的傷亡。肖克萊于報告結尾總結道：“我們也許不得不殺死五百萬到一千萬的日本人。我們的代價可能是一百七十萬到四百萬的人員傷亡,其中包括四十萬到八十萬人的死亡。”[1]

如果肖克萊的7月備忘錄在五角大樓被傳閱,除了鮑爾斯的檔案之外,歷史學家們并未找到任何別的副本。這只能說明向日本投放原子彈的決定已經做出了,肖克萊的備忘錄可能并未產生作用。同年2月,肖克萊關于B-29轟炸機轟炸效果低下的研究是另外一回事[1]。

這時,肖克萊對“曼哈頓工程”的了解,僅通過排除和推理就能知道的：大約從1942年起,美國所有的核物理學家都神秘的消失,去從事一項秘密的工程而工作于遙遠的新墨西哥州的分部或者是在芝加哥大學的費米實驗室。由于“曼哈頓工程”是保密的,雖然肖克萊認識參與工程的塞茨(Frederick Seitz),但是由于保密要求和自愿保密,他們也都極力避免談論工作。這樣,肖克萊就更沒有理由知道原子彈的研制進程和使用原子彈轟炸日本的決定。

就在肖克萊的備忘錄發出的兩周后,第一顆原子彈落在了廣島,三天后另一顆落在了長崎。時間的巧合也許是誤會發生的原因。

結 語

首先,肖克萊以固體物理學家的身份能在如此短的時間內和菲斯克在核物理研究中作出如此重要的發現是很難得的,盡管他們發現的僅僅是實現可控制鏈式核反應的原理和獲得核能的核反應堆的設計方法。

其次,肖克萊的研究也告訴我們科學的各門學科是相通的,并沒有不可逾越的鴻溝。比如,他以理論物理學家的身份進行軍事技術研究,以物理學家的身份進行“優生學的研究”等等都取得相當的成就。盡管我們現在已經進入大科學時代,學科細化成了時代的主流,跨越學科領域的研究也并非是無能為力。

再次,戰爭的需要和任務的需要很多時候也會給科學家們帶來前所未有的研究動力和機會。如果沒有二戰的軍事需要,肖克萊也就不會關心智能炮彈、雷達視鏡、轟炸機效率等軍事技術問題。如果沒有貝爾實驗室的研究指令,肖克萊也許終生也不會關心核物理的研究課題。假如沒有納粹德國的核計劃的威脅,美國的科學家們也不會集中精力在短暫的時間里研制成功“原子彈”。如果沒有美蘇的爭霸,人類走向太空的腳步也許會慢得多。

最后,從肖克萊的研究中我們再一次看到科學的方法是比科學知識更重要的。其實,肖克萊也個凡人,他的成功是源于他對科學方法的篤信。正如1977諾貝爾物理學獎的獲得者菲利普·安德森(Philip Andersen)所說的,“肖克萊是一個篤信簡化方法的人”[5]。也正是對簡化方法的利用,肖克萊在核裂變研究和軍事研究中取得了成功。更重要的是,利用簡化方法,肖克萊發明了結型晶體管,點燃了晶體之火,照亮了現代化信息之路,而且還率先研制出場效應管,制造了集成電路的雛形——四層結構的二極管。

從1965年起,肖克萊把他的大部分精力都投入到了優生學的研究中,走過了極不平凡的30多年的余生。在他逝世后,巴丁認為“他(肖克萊)去從事一個自己不擅長的專業——人類遺傳學——是一個悲劇”,“他本可以在物理學和電子學方面取得更大的成就”[5]。

(2010年1月10日收到)

[1]JOEL N S.Broken genius：the rise and fall of William Shockley,creator of the electronic age[M].New York：Macmillan,2006.

[2]WILLIAM S.Wikipedia the Free Encyclopedia[EB/OL][2009-5-4].http：//www.wikipedia.org/wiki/William Shockley.

[3]郭奕玲,沈慧君.物理學史[M].北京：清華大學出版社,2005.

[4]莫少群.兩度輝煌——費米學派[M].武漢：武漢出版社,2002.

[5]HODDESON L,DAITCH V.曠世奇才——巴丁傳[M].文慧靜,沈衡,譯.上海：上海科技教育出版社,2007.

William Shockley and Nuclear Physics：to Commemorate the 100th Anniversary Shockley’s Birth

WANG Xiao-yi①,BAI Xin②
①Master Candidate,②Associate Professor,Department of Physics Capital Normal University,Beijing 100048,China

William Shockley,nuclear fission,Fisk-Shockley reactor,atom bomb

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.012

①同年被授予諾貝物理學獎的還有巴丁(John Bardeen)和布拉頓(Walter H.Brattain),獲獎理由是對表面態理論的突破和點接觸型晶體管的發明。

(責任編輯：溫文)