洛斯阿拉莫斯之再回顧

陳軼翔/編譯

洛斯阿拉莫斯之再回顧

陳軼翔/編譯

1945年7月16日，一顆钚彈在新墨西哥州的“三位一體”試驗場試爆，這是人類歷史上首枚原子彈爆炸

● 一份簡明扼要的講稿為我們提供了一個窺探20世紀歷史轉折點的窗口。

1943年4月，科學家們聚集在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的一個絕密的新型實驗室里，開始設計和研制世界上第一顆原子彈。他們中的大多數人都參與了核裂變研究，但由于保密限制，幾乎沒有人知道他們將要承擔的工程的巨大意義。他們的目標是利用4年前發現的核裂變現象研制核武器，從而對第二次世界大戰產生影響。28個月后，當廣島和長崎被歷史上最強大的武器摧毀的時候，全世界都知道他們成功了。二戰結束，冷戰和核軍備競賽很快在全球爆發。

感興趣的讀者可以發現關于洛斯阿拉莫斯戰時歷史的書籍不在少數。大衛·霍金斯（David Hawkins）撰寫于 1946—1947年間的《Y計劃》就是一部頗為詳盡的關于洛斯阿拉莫斯的內部歷史。理查德·休利特（Richard Hewlett）和奧斯卡·安德森（Oscar Anderson Jr）關于原子能委員會歷史的記錄描述了洛斯阿拉莫斯在曼哈頓計劃的大背景下的工作狀況。對技術細節感興趣的人會珍視由莉蓮·霍德森（Lillian Hoddeson）及合著者收集的信息寶庫，而無數的個人回憶錄則為這一段歷史增添了引人注目的人文視角。但是，對于任何一個對核武器起源感興趣的人來說，在眾多關于洛斯阿拉莫斯的文獻中，有一本書是必讀的——《洛斯阿拉莫斯入門》（The Los Alamos Primer）。

1943年4月，洛斯阿拉莫斯實驗室組建之初，參與者中對整個項目有大致了解的人只有少數幾個，其中有當時34歲的羅伯特·塞伯爾（Robert Serber）以及該實驗室的主任、塞伯爾的前合作者羅伯特·奧本海默（J.Robert Oppenheimer）。為了使研究團隊中的新人盡快熟悉情況，塞伯爾發布了一系列關于核武器物理學的講座。講座的內容是自1938年末發現核裂變到洛斯阿拉莫斯實驗室成立這段時間所進行的相關研究。愛德華·康登（Edward Condon）把這些講座筆記做成了一份報告。如今該報告的副本可以在不同的網站上找到，而在1992年該報告由塞伯爾作了注釋并以書的形式得以出版，這就是《洛斯阿拉莫斯入門》一書的來歷。

《洛斯阿拉莫斯入門》是一份非同尋常的文件。讀過之后會有一種身臨其境的感覺，似乎來到洛斯阿拉莫斯計劃的執行之初。在其24頁的篇幅中，塞伯爾巧妙地總結了已有的核裂變相關知識并為未來工作及可能出現的挑戰制定了一份頗有先見之明的路線圖。下面探討的就是《洛斯阿拉莫斯入門》是怎樣產生的并對其部分內容進行解析。

背景

利奧·西拉德（Leo Szilard）和愛德華·泰勒（Edward Teller）說服阿爾伯特·愛因斯坦聯名簽署了一封寫給總統富蘭克林·羅斯福的信，提醒其德國研制裂變式原子彈的可能性，此事與曼哈頓計劃的發起是密切相關的。羅斯福總統于1939年10月收到這封信之后，即授意成立了美國國家標準局鈾咨詢委員會，以資助和協調研究工作。1940年6月，該委員會被調往國防研究委員會（NDRC），一年后又轉到NDRC的繼任機構——科學研究與發展辦公室（OSRD）。NDRC和OSRD都是由麻省理工學院的電氣工程師萬尼瓦爾·布什（Vannevar Bush）領導的。到日本偷襲珍珠港的時候，對核裂變和同位素分離的研究資金已經達到了30萬美元。從1941年春季到年底，由亞瑟·康普頓（Arthur Compton）領導的一個委員會忙于準備關于反應堆和炸彈可行性的報告。布什在珍珠港事件爆發之前向羅斯福提交的最后一份報告詳盡地闡述了裂變式原子彈的前景。

康普頓的最后一份報告受到了英國的一份準備報告的影響。1940年3月，當時任職于伯明翰大學的奧托·弗里希（Otto Frisch）和魯道夫·佩爾斯（Rudolf Peierls）正在準備一份著名的備忘錄，其中他們估計鈾235的臨界質量大約是1磅。（眾所周知，鈾最豐富的同位素——鈾238是非裂變物質。）由于對裂變橫截面做了過高的假設，這個數值被證明是低估了；正確的臨界質量是52公斤或超過100磅。英國政府防空作戰科學調查委員會主席亨利·蒂澤德（Henry Tizard）看到了弗里希－佩爾斯備忘錄之后，就要求物理學家喬治·湯姆森（George Thomson）去調查裂變式原子彈和同位素濃縮的可行性。湯姆森組建了一個委員會，該委員會于1941年7月就研制裂變式原子彈和必要工業基礎設施的可能性發表了一份長篇報告。這份報告遠遠領先于美國當時的研發狀況，布什于當年10月份才看到并向羅斯福簡要介紹了其內容。

就在珍珠港事件之后，奧本海默加入了康普頓的委員會，招募了塞伯爾進行核裂變的項目研究。兩人之前曾在一起工作過：塞伯爾于1934年加入了加州大學伯克利分校的奧本海默研究小組，該小組由國家研究委員會資助，從事博士后研究工作，塞伯爾甚至還曾一度負責監管奧本海默的研究生。塞伯爾于1938年離開伯克利，前往伊利諾伊大學香檳分校任教。1942年4月，他又重新回到了奧本海默的團隊，其任務是研究湯姆森和康普頓關于臨界質量和炸彈效率的評估報告。

a.《洛斯阿拉莫斯入門》的作者羅伯特·塞伯爾（左）同洛斯阿拉莫斯實驗室主任羅伯特·奧本海默交談。b.奧本海默與萊斯利·格羅夫斯在“三位一體”試爆試驗場

當塞伯爾回到伯克利的時候，布什向羅斯福報告說，可以及時研制裂變式原子彈來影響戰爭，但需要龐大的工廠來分離鈾235并合成出钚239。（后來，這些工廠設施建在了田納西州的橡樹嶺和華盛頓州的漢福德，到1945年已經以近20億美元雇用了數十萬人。）羅斯福和布什一致認為，只有美國軍隊才能在必要的保密前提下執行這一計劃，于是美軍在1942年8月建立了曼哈頓工程區。這個地區之所以如此命名，是因為其第一任領導人詹姆斯·馬歇爾（James Marshall）將總部設在了紐約的哥倫比亞大學附近，那里有一些研究正在進行；然而，這在陸軍工程區中是極不尋常的，因為它對于其設施的位置沒有任何限制。1942年9月，該地區轉而由萊斯利·格羅夫斯（Leslie Groves）指揮，他負責國內所有的軍事設施建設；其負責的最后一個大項目是五角大樓。1942年10月，奧本海默會見了格羅夫斯，并提出要建一個集中的實驗室來協調研究——這就是洛斯阿拉莫斯實驗室。

裂變式原子彈

對于想要了解裂變式原子彈物理學知識的讀者來說，《洛斯阿拉莫斯入門》可能是一份很難理解的文件。當塞伯爾開講座時，洛斯阿拉莫斯的實驗小組正面臨著工作之初的壓力。他沒有時間進行詳細推理，其結論往往看起來就好像是憑空而來似的。

《洛斯阿拉莫斯入門》總共22章，涵蓋了3個主要領域：裂變反應的特征；對臨界質量、效率和破壞的估計以及引發爆炸涉及的相關問題。第1章被命名為“目標”，雖篇幅較短卻頗具影響力，值得進行全面重述：

這個計劃的目標是研制出一種以炸彈形式存在的實用的軍事武器，其能量是在一個或多個已知的、能夠顯示核裂變的材料中由一個快速中子鏈式反應釋放出來的。

洛斯阿拉莫斯的目標不僅僅是制造武器，而且要使武器足夠強大，能夠被載在一架戰斗狀態的B-29轟炸機上執行遠程任務。

《洛斯阿拉莫斯入門》的前幾章對裂變物理學進行了概述。涵蓋了以下內容：核反應的有效截面、中子發射和能量學；因為鈾238的原子核在不經過裂變的情況下，非彈性地散射和捕獲中子，因而普通的非濃縮鈾無法維持快速的中子鏈式反應；通過在一個反應堆里鈾238的慢中子轟擊而產生钚的可能性。（“钚”這個詞從未出現在《洛斯阿拉莫斯入門》中，塞伯爾只把它稱為“物質49”。）在1公斤的鈾235中潛在的裂變能量被正確地估計為相當于2萬噸的三硝基甲苯（TNT，烈性黃色炸藥），裂變產生的中子的平均速度是如此之快，約為每秒2×107米，以至于在每公斤的鈾235中分裂所有原子核只需要1微秒的時間，這是對于一次核爆炸時間短促性的頗為驚人的證明。

然而，塞伯爾在《洛斯阿拉莫斯入門》中強調，隨著鏈式反應的推進，由于原子彈的核芯溫度升高并不斷膨脹，實際上發生裂變的裂變物質的比例——設備的效率——本來就低。臨界狀態的條件，創造和維持鏈式反應的必要條件取決于核芯半徑與密度的乘積。隨著核芯的膨脹，它的密度必然降低，它會不可避免地達到無法繼續維持臨界狀態的半徑范圍。對于兩個臨界質量的鈾235的核芯來說，臨界關閉的徑向膨脹只有大約1厘米，效率最多只能達到幾個百分點。

效率問題的重要性可以通過源自《洛斯阿拉莫斯入門》中的一個粗略的數量級計算來說明。核芯的膨脹速度如此之快，以至于在整個核芯被裂變之前，臨界狀態就會喪失，效率就會被破壞。在1μs的時間內膨脹1厘米，可容許的膨脹速度可達每秒1萬米。假設單個中子引發鏈式反應，每個裂變釋放出n個中子并且產生G裂變連鎖反應級，釋放出的中子總數就是nG。假設這些裂變產生的所有能量都進入了膨脹核芯的動能，那么就可以估算出達到給定膨脹速度所需要的裂變連鎖反應級的數量。對于一個60公斤的核芯（廣島原子彈的質量）和n=2中子的每次裂變，需要66個連鎖反應級才能達到每秒104米的速度，釋放的總能量相當于1噸的TNT。即使可容許的速度達到每秒106米，效率仍然不足1%。塞伯爾將情況總結如下：“因為只有最后幾個裂變連鎖反應級才能釋放出足夠的能量來產生大量的膨脹，所以在被活性物質的擴散阻止之前，反應才有可能在一個有趣的范圍內發生。”他用“有趣”這個詞來描述一場可能會造成巨大破壞的爆炸，令人感到吃驚，但是他的這種風格貫穿整個《洛斯阿拉莫斯入門》，使枯燥無味的知識變得生動起來。

“小男孩”(左）和“胖子”，分別被投在廣島和長崎

實際問題

塞伯爾接下來介紹了用一個中子反射器來圍繞核芯的想法，中子反射器是一種完備的金屬外殼，它能將逃跑的中子反射回核芯里，以產生更多的裂變，從而降低臨界質量，并提高炸彈的效率。一個只有幾厘米厚的中子反射器就足以使臨界質量降低到一半或更少。在廣島投下的鈾彈“小男孩”和在長崎投下的钚彈“胖子”都使用了中子反射器，前者用的是碳化鎢，后者用的是天然鈾和鋁的嵌套殼。“小男孩”的碳化鎢中子反射器不僅對中子反射率很重要，而且對其強度也很重要。“小男孩”是由一種射擊方式引爆的。其中，一個超臨界的核芯是由大炮炮筒中可裂變物質的兩個次臨界部分組裝而成的。其中，目標部分是固定的，而輔助的彈體部分則是由常規炸藥推進的。這個中子反射器必須足夠強大，才能阻止彈體從目標中吹過。“胖子”內部的鈾238中子反射器大大增強了原子彈的能量，通過極高能的中子裂變了原本是非裂變的鈾238核；估計“胖子”有20%的能量是由這種效應產生的。

《洛斯阿拉莫斯入門》第12章對核爆炸的預期效果進行了發人深省的分析。塞伯爾研究了造成破壞的3種原因：中子輻射、放射性和沖擊波。高能中子會造成細胞損傷；從一項基于空氣里中子散射特性的簡單分析中，塞伯爾確定“嚴重的病態效應”將發生在距離爆心投影點半英里的范圍。放射性的影響會有更大變數，取決于當地的地理、天氣和爆炸高度。塞伯爾估計，核爆10天后，剩余輻射將會達到100萬居里級別，相當于1 000公斤的鐳。

后來由塞繆爾·葛萊斯棟（Samuel Glasstone）和菲利普·多蘭（Philip Dolan）所做的一項分析發現，相關數值要稍高一些，但與塞伯爾的分析大致一致。1 000噸爆炸后的放射性會在一分鐘后達到300億居里的級別，之后會隨著時間的推移而衰減——幾分鐘后變為12億居里。2萬噸的爆炸在10天之后放射性為600萬居里，在30天之后則為160萬居里。

數百萬居里是大量的輻射，但人類受危害的程度也取決于輻射的分布范圍。廣島和長崎的原子彈設定在1 600英尺的高空引爆，以盡可能減少在土壤和碎片中由中子俘獲引起的放射性，并使裂變產物得以廣泛分散。1945年9月，在原子彈爆炸后的一個月，作為訪問廣島和長崎的一個調查小組成員之一，塞伯爾并沒有發現任何殘留的放射性。絕大多數的受害者死于爆炸和燒傷，而不是輻射。

為了估計物理爆炸造成的破壞，塞伯爾從常規炸彈的沖擊波峰值壓力、炸彈當量和距離這三者之間的已知關系中進行了推斷。對于10萬噸的當量，他估計沖擊波會傳播兩英里。塞伯爾為什么選擇10萬噸的當量？這比《洛斯阿拉莫斯入門》中出現的其他任何當量都要高得多，對此他并未做出解釋。長崎原子彈爆炸產生了大約2萬噸的能量，并對距離爆心投影點超過1英里的鋼架建筑造成了嚴重的結構性破壞。

在《洛斯阿拉莫斯入門》中，塞伯爾說自己忽略了另一種損傷效應：在核爆炸中釋放出的耀眼強光和巨大熱量。就在爆炸發生后，一英里外的觀察者會看到一個火球，其大小是太陽的350倍，亮度是太陽的3倍。在廣島，距離爆心投影點1.5英里范圍以內的人都遭到了燒傷。

引爆原子彈：a.在射擊方式中，可裂變物質的彈體由常規炸藥推進到目標中。目標和彈體這兩個本身都不能單獨構成臨界質量，但當它們結合時，就會形成臨界質量。b.引發鏈式反應的引發劑，包含了幾毫克的釙，周圍用一層鈹包裹。當釙與鈹之間的屏障被組裝的核彈核芯破壞時，元素就會混合，而阿爾法n效應會產生大量中子來引發反應。c.在內爆方法中，通過引爆炸藥，使得楔形部分同時向中心合攏，形成一個臨界質量。內爆比射擊方式速度更快，更適合于钚彈的引爆

引發爆炸

《洛斯阿拉莫斯入門》的最后幾章討論了有關如何引爆核彈并使其效率最大化的幾個相互關聯的問題。一個核心問題就是避免所謂的預爆轟——核芯組裝只有部分完成時，鏈式反應就開始了——會導致爆炸比預期效率低得多。

在上圖a所示的射擊方式中，彈體可達到的最大拋射速度約為每秒1千米。對于尺寸為10厘米數量級的彈體而言，從彈體第一次進入目標到組裝完成，需要100μs的時間。如果在這段時間內，一個雜散中子在接近完成組裝的核芯中引起裂變，那么就會導致預爆轟。

雜散中子可能有3種來源：宇宙射線，裂變物質本身的自發裂變以及所謂的阿爾法n反應——由可裂變物質自然釋放的阿爾法粒子會撞擊光元素核和雜質，并釋放中子。這些過程本質上都是隨機的，必須從概率上進行分析。宇宙射線是無關緊要的，它們的流量過低，不可能有機會造成預爆轟。同樣地，鈾235和钚239的自發裂變和阿爾法衰變率要足夠低，以確保預爆轟的低概率。钚239的相對較短的阿爾法衰變半衰期——2.4萬年（鈾235的是7.05億年）——要求钚彈中的任何一種輕元素雜質含量都不超過百萬分率（ppm）的水平。事實上，一旦核芯組裝完成，阿爾法n過程作為引發劑的中心，就會用來引爆核彈。一個高爾夫球大小的囊，如上圖b所示，包含了阿爾法放射釙和輕元素鈹，最初由一層金屬箔隔開。囊被組裝完成的核芯壓碎，因此混合了元素，釋放了中子，并引發了鏈式反應。

但是在1944年的夏天，钚被發現有一個比雜質嚴重得多的問題——雜散中子。當一個反應堆的钚239原子核被中子擊中時，它就有機會俘獲中子而變成钚240。因此，核反應堆產生的钚則不可避免地含有一些钚240，其自發裂變率接近于每千克每秒近50萬次。長崎爆炸的原子彈包含6公斤的钚。如果這樣的質量受到哪怕是1%的钚240的污染，那么中子的發射率將會超過每秒7萬次，或者是超過0.07μs的核芯組裝時間，足以確定會引發預爆轟。

大約在塞伯爾講座期間，钚的發現者格倫·西博格（Glenn Seaborg）從理論上預期了钚240的污染及自發裂變的可能性，但當時還沒有實驗數據。這種影響被認為是一場嚴重的危機，奧本海默迅速將幾個洛斯阿拉莫斯研究小組進行了重組，以應對這一危機。唯一可行的選擇是開發一個新流程，能夠在不超過幾微秒的時間內完成對一個核芯的組裝。結果就有了內爆方式，其最初構思如上圖c中所示：將可裂變物質的亞臨界部分安裝在管或球體的內部，并將其同時推入一個超臨界的整體。在長崎投下的钚彈就是在該種引爆方式的基礎上做了改進：它的次臨界核是一個實心球，被周圍的一層常規炸藥高速粉碎到臨界密度。內爆機理不僅解決了預爆轟問題，而且還利用了由一個被快速粉碎的核芯的較高密度而導致的較低臨界質量。這一機理于1945年7月16日在新墨西哥州南部的“三位一體”試驗場進行了引爆測試。相比之下，在廣島投下的鈾彈，采用更緩慢、更簡單的組裝射擊方式去引爆就足夠了。由于其設計的簡單性和鈾235的缺乏，它在沒有測試的情況下就被部署了。

不朽的傳奇

在塞伯爾講座期間，洛斯阿拉莫斯實驗室的科學家們有大量的工作要做。他們必須精確測量裂變和散射截面，次級中子數以及中子能譜。他們需要改進理論計算，設計高速電子設備用于診斷試驗和引發機理，研制引發劑并進行危險的、裂變物質的近臨界組裝的試驗。他們需要去發現自發裂變中出現的問題并加以解決。最終，他們要將所了解到的一切與現有的軍事后勤和實踐相結合。研制原子彈是一場巨大的賭博。如果發生在洛斯阿拉莫斯或太平洋地區的歷史稍有差池，那么這個實驗室的科學家們可能與第二次世界大戰的結束就沒有任何關系了。

塞伯爾預見到了許多未知和挑戰，充分證明了他對該計劃的實驗、理論和操作問題有極其深刻的理解。《洛斯阿拉莫斯入門》中的分析準確、簡練而緊湊，與之形成鮮明對比的是維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）的分析——即便是對于像臨界質量這樣一個基本的物理量。“三位一體”試爆以及廣島、長崎核彈的爆炸將洛斯阿拉莫斯的工作推向了高潮。該實驗室的影響將會以世界核武庫的形式一直存在，而圍繞和平利用核能的爭議也將持續不斷。

二戰后，塞伯爾在位于伯克利的歐內斯特·勞倫斯輻射實驗室工作了幾年，之后在哥倫比亞大學任職，從事核結構、宇宙射線和粒子加速器等領域的研究，并在眾多的政府委員會和董事會任職。他于1978年退休，1997年去世，但他的名字將永遠與物理學史上最重要的進展和事件聯系在一起。

[資料來源：Physics Today][責任編輯：彥 隱]

本文作者卡梅倫·里德（Cameron Reed）是美國阿爾瑪學院物理學教授。