诺贝尔物理学奖得主肖克莱与核物理——纪念肖克莱诞辰100周年＊

王晓义 白 欣

①硕士研究生,②副教授,首都师范大学物理系,北京100048

＊北京市优秀人才培养资助计划(BCD EG类,No.PYZZ090414001050)资助

诺贝尔物理学奖得主肖克莱与核物理
——纪念肖克莱诞辰100周年＊

王晓义①白 欣②

①硕士研究生,②副教授,首都师范大学物理系,北京100048

＊北京市优秀人才培养资助计划(BCD EG类,No.PYZZ090414001050)资助

肖克莱 核裂变 菲斯克-肖克莱反应堆 原子弹

作为一个固体物理学家,结型晶体管的发明人,1956年诺贝尔物理学奖得主的肖克莱,还曾与菲斯克一起在核物理的前沿做出过重大贡献——发现了可控链式核反应的机理,并设计出了“菲斯克-肖克莱反应堆”。在肖克莱诞辰100周年之际,特撰文纪念他对核物理的鲜为人知的贡献,同时也澄清“肖克莱关于战争成本的研究直接影响了美国对日本投掷原子弹的决策”的一些传说,还历史以本来面目。

威廉·肖克莱(1910—1989)

1910年 2月,肖克莱(William B.Shockley)生于英国伦敦。三岁时,他随父母回到美国。肖克莱是美国著名的固体物理学家,由于发明结型晶体管而被授予1956年的诺贝尔物理学奖①。1948年结型晶体管发明时,肖克莱时任美国著名的工业实验室——贝尔实验室固体物理组组长兼半导体小组的组长。

由于核裂变激动人心的前景,使核物理的研究在二战初期成了从科学家到政治家都关注的热点。鲜为人知的是作为固体物理学家的肖克莱也曾在贝尔实验室对核裂变进行了相关研究,并取得了一些前沿性的成果。更令人着迷的是,传说这些研究与原子弹都有着直接或间接的联系。

肖克莱的天才还表现在他对二战的贡献。二战爆发后,已经30岁的他毅然于1942年5月自愿加入了军事研究的队伍。仅用几天时间,他就指出了美国海军反潜飞机低效问题的关键所在。之后不久,在综合多方面信息的基础上,他指出德军飞机没有雷达装置的关键性信息。1944年,肖克莱制定了一套高效训练B-29轰炸机飞行员使用新型雷达视镜的科目,并花费3个月的时间穿梭于盟军各个军事基地指导实施。也正是这项工作,他被授予了平民最高奖——美国国家功勋奖章。

肖克莱一生对科学追求不辍。他的科学研究领域主要是对固体能带、铁磁畴、金属的塑性、晶粒边界理论、有序-无序合金、半导体理论的应用以及电磁理论等,发表论文约100篇。1950年出版的《半导体中的电子与空穴》和1952年的《几乎完全晶体的不完整性》都是有名的专著。他还取得了90多项美国专利。

由于卓越的学术成就,肖克莱获得了诸多的荣誉和奖励：美国国家科学院院士、美国物理学研究所研究员,以及诺贝尔物理学奖、约翰·斯科特奖章、莫里斯·利布曼纪念奖金、奥利弗·E

·伯克利固体物理学奖、科姆斯托克奖金、霍利奖章。此外,肖克莱还被美国《时代》杂志评选为“20世纪最具影响力的百名人物”之一[1]。

除此之外,肖克莱也因其固体物理学以外的研究而非议不断。首先,盛传他对战争的相关研究促使美国制定并实施了对日投掷原子弹计划。其次,他对优生学的研究和鼓吹使他被诬为“纳粹主义者”、“白人优越论者”和“科学种族主义者”[2]。

其实,时任美国五角大楼军事顾问和美国空军顾问的肖克莱也的确进行了战争成本的研究和B-29战略轰炸机低效的研究。而且,肖克莱也进行了原子核裂变研究,尽管发生在“曼哈顿工程”之外。因为肖克莱和菲斯克都不是核物理学家,也没有进入“曼哈顿工程”的研究队伍。

自1896年贝克勒尔(Henri Becquerel)发现铀盐的天然放射性到1932年中子、正电子和氘的发现,才真正开启了核物理的大门[3]。其间,卢瑟福(Ernest Rutherford)于1919年已经实现了人类历史上第一次的人工核反应——氮原子受α粒子轰击嬗变为氧17并放出一个质子。但直到中子被用作“炮弹”后,原子核的大门才被打开了!

核裂变

在错过了已在眼前的中子①约里奥-居里夫妇于1932年1月实验发现铍辐射是穿透能力极强的中性射线,能够把质子从石蜡中打出,误以为是γ射线。2月17日查德威克受他们实验的启发认为中性辐射是中子,并给予实验证实。和正电子②1932年8月2日,安德森(C.D.Anderson)通过云室观测宇宙射线时发现正电子。之前,约里奥-居里夫妇曾在实验室中观察到正电子射出的特别现象,却未能够正确认识到。发现的遗憾之后,约里奥·居里夫妇(F.J oliot,I.Curie)坚持研究,最终于1934年1月19日在《自然》杂志上通报了“人工放射性”的发现。这一发现直接的结果是重核裂变的发现[3]。就在这一月,费米(Enrico Fermi)收到了约里奥·居里夫妇的实验报告,很快设计了用中子代替α粒子轰击原子核的实验,并先后辐照了68种元素,其中有47种产生了新的放射性产物。当辐照到92号元素时,他们误以为产生了93号元素即所谓的“超铀元素”。这个错误认识使得核裂变的发现被推迟了,尽管1934年10月,费米小组发现了慢中子效应而更接近重核裂变的发现。

在1937年,伊伦·居里(I.Curie)和沙维奇(P.Savitch)用中子轰击铀盐发现了新的放射性产物,性质接近于镧。1938年,德国化学家哈恩(Otto Hahn)和助手斯特拉斯曼(F.Strassmann)得知这一实验后立即重复了这一实验,发现确实有钡和镧产生。而后,哈恩写信告诉了他的“老搭档”、奥地利物理学家迈特纳(Lise Meitner)关于这一实验及他本人对钡和镧产生的疑问。

1938年的圣诞节前后,迈特纳和她的外甥——物理学家奥托·弗里施(Otto Frish)根据玻尔液滴模型正确解决了哈恩实验存在的疑问,并认为：用中子轰击铀原子核可能使铀原子核分裂成两半。他们还给予了实验证实。弗里施把这个过程称为“裂变”。迈特纳把这个发现写信告诉了《自然》杂志。同时,弗里施把信件草稿带给了在哥本哈根的玻尔(Niels Bohr)。玻尔即刻认识到这一发现的重要性并迅速给予实验证实。他决定在迈特纳的发现发表之前告诉美国的科学家,于是把信件夹在包裹里寄到了纽约[1]。1939年1月6日,哈恩宣布了他们发现铀裂变的结果[4]。

同年1月26日,在华盛顿第五届理论物理会议上,费米提出了自持链式反应的基本理论和假说[4]。1939年3月间,约里奥所在的巴黎核化学实验室,费米所在的哥伦比亚大学和西拉德(L.Szilard)所在的纽约大学同时对自持链式反应的研究做出了贡献。约里奥小组最先提出了“中子过剩”问题。费米小组证明铀核每次裂变产生中子数可能是2。

1942年8月13日,在美国军方的支持下,“曼哈顿工程”开始了。同年12月2日,费米研究组率先在芝加哥大学制造成功了功率为0.5瓦的自持链式核反应堆,实现了人类第一次可控制地释放核能[3]。

菲斯克-肖克莱反应堆

肖克莱、布拉顿和菲斯克有幸在哥伦比亚大学玻尔的研讨班上获知了核裂变的消息并把它带回了贝尔实验室。

1940年5月,在时任贝尔实验室总裁兼美国国家科学院主席的朱厄特(Frank Jewett)的首肯下,贝尔实验室研究部主任凯利(Mervin J oe Kelly)要求肖克莱和菲斯科解决“核能能否从核分裂中可靠地获得”的问题[1]。

贝尔实验室为他们准备了房间和所需的设备。他们的任务是找到一种产生核能的方法,而不是去制造一个核反应堆或者一枚炸弹。几天以后,肖克莱就发现了“减慢快中子的倍增速度就可以既使链式反应速度被控制,同时也能使核裂变反应继续进行”的获得核能的方法[1]。

又花了两个月时间,肖克莱和菲斯克初步解决了凯利提出的问题。他们在报告中建议：“用含氢原子的石蜡给铀块分层或者使用石墨来减慢中子。一层是稀有的铀(U235),下一层是它的极常见的同位素铀(U238),这样交替叠放来设计反应堆。”并且他们指出,除了用做电源之外,这样的反应堆还可有以下的用途：①作为爆炸物;②作为一个人工放射源,他们认为,如果链式反应能被激发和运行,大量的放射性物质将会按可控制的比例产生;③作为中子源[1]。

在他们的报告中,他们提出“铀层在几百万度的高温下包含的能量会显示出极高的爆炸特性”。肖克莱和菲斯克最重要的发现是：几吨的铀在最初的投入中是不必要的,几百磅的铀就足够了[1]。

他们的报告交给凯利和国家标准局主任兼铀顾问委员会主任的莱曼·布里格斯(Lyman Briggs)后,贝尔实验室就停止了他们的这一研究。他们最先提出的“菲斯克-肖克莱反应堆”专利申请也因涉密而未获批准。

这一贡献并未被忘记,6年后,时任贝尔实验室总裁的巴克莱(Oliver Buckley)收到了时任铀贸易委员会主席的布里格斯的感谢信“：我现在记录了对菲斯克和肖克莱所做贡献的极大的赞赏!”[1]另外,曾参加“曼哈顿工程”的尤金·魏格纳(Eugene Wigner,时任原子能委员会的负责人)写信给菲斯克,对他和肖克莱送给他们的报告表示祝贺![1]

虽然肖克莱的洞见不是独一无二的,但当时在美国也仅有几个科学家(包括费米在内)指出减慢快中子可以实现可控核裂变反应的方法(由于当时的保密要求和自愿保密,肖克莱和菲斯克无法知道其他科学家的研究结果)。肖克莱和菲斯克还设计出了可控链式核反应堆,使核能的可控链式反应得以实现。在当时这是独立的发现,尽管没有对“曼哈顿工程”产生影响。费米和塞缪尔·阿森(Samuel Arthen)是在1942年春才分别独立建造了幂级的核反应堆。肖克莱以核物理学家之外的身份,在如此短的时间内研究了核物理的部分难题,不能不说他是个科学天才!

原子弹

1939年10月由萨克斯(Alexander Sachs)起草,爱因斯坦(Albert Einstein)等签名的关于启动“原子弹计划”以应对纳粹德国可能同样的研究的报告递交给罗斯福(Franklin D.Roosevelt)总统。这导致了美国铀顾问委员会的建立,开始了保密的原子弹研究工作[4]。到1942年8月13日,军方介入并给予该研究计划一个新名称“曼哈顿工程”。

美国的“曼哈顿工程”最终于1945年7月16日成功爆炸了第一颗内爆式原子弹。后来,美国于1945年8月6日和9日把两颗原子弹分别投向了日本的广岛和长崎。原子弹的巨大威力虽然加速了日本军国主义投降的步伐,但也带来了20多万日本平民伤亡的悲剧。

曾经广为流传的说法是：二战期间,肖克莱关于战争成本的研究成果直接影响了美国对日的原子弹轰炸。

肖克莱是于1945年7月21日向鲍尔斯(Bowles,时任美国国防部高层顾问组负责人)提交了一个报告,他估计了盟军入侵日本列岛所造成的伤亡与日军可能的伤亡。肖克莱于报告结尾总结道：“我们也许不得不杀死五百万到一千万的日本人。我们的代价可能是一百七十万到四百万的人员伤亡,其中包括四十万到八十万人的死亡。”[1]

如果肖克莱的7月备忘录在五角大楼被传阅,除了鲍尔斯的档案之外,历史学家们并未找到任何别的副本。这只能说明向日本投放原子弹的决定已经做出了,肖克莱的备忘录可能并未产生作用。同年2月,肖克莱关于B-29轰炸机轰炸效果低下的研究是另外一回事[1]。

这时,肖克莱对“曼哈顿工程”的了解,仅通过排除和推理就能知道的：大约从1942年起,美国所有的核物理学家都神秘的消失,去从事一项秘密的工程而工作于遥远的新墨西哥州的分部或者是在芝加哥大学的费米实验室。由于“曼哈顿工程”是保密的,虽然肖克莱认识参与工程的塞茨(Frederick Seitz),但是由于保密要求和自愿保密,他们也都极力避免谈论工作。这样,肖克莱就更没有理由知道原子弹的研制进程和使用原子弹轰炸日本的决定。

就在肖克莱的备忘录发出的两周后,第一颗原子弹落在了广岛,三天后另一颗落在了长崎。时间的巧合也许是误会发生的原因。

结 语

首先,肖克莱以固体物理学家的身份能在如此短的时间内和菲斯克在核物理研究中作出如此重要的发现是很难得的,尽管他们发现的仅仅是实现可控制链式核反应的原理和获得核能的核反应堆的设计方法。

其次,肖克莱的研究也告诉我们科学的各门学科是相通的,并没有不可逾越的鸿沟。比如,他以理论物理学家的身份进行军事技术研究,以物理学家的身份进行“优生学的研究”等等都取得相当的成就。尽管我们现在已经进入大科学时代,学科细化成了时代的主流,跨越学科领域的研究也并非是无能为力。

再次,战争的需要和任务的需要很多时候也会给科学家们带来前所未有的研究动力和机会。如果没有二战的军事需要,肖克莱也就不会关心智能炮弹、雷达视镜、轰炸机效率等军事技术问题。如果没有贝尔实验室的研究指令,肖克莱也许终生也不会关心核物理的研究课题。假如没有纳粹德国的核计划的威胁,美国的科学家们也不会集中精力在短暂的时间里研制成功“原子弹”。如果没有美苏的争霸,人类走向太空的脚步也许会慢得多。

最后,从肖克莱的研究中我们再一次看到科学的方法是比科学知识更重要的。其实,肖克莱也个凡人,他的成功是源于他对科学方法的笃信。正如1977诺贝尔物理学奖的获得者菲利普·安德森(Philip Andersen)所说的,“肖克莱是一个笃信简化方法的人”[5]。也正是对简化方法的利用,肖克莱在核裂变研究和军事研究中取得了成功。更重要的是,利用简化方法,肖克莱发明了结型晶体管,点燃了晶体之火,照亮了现代化信息之路,而且还率先研制出场效应管,制造了集成电路的雏形——四层结构的二极管。

从1965年起,肖克莱把他的大部分精力都投入到了优生学的研究中,走过了极不平凡的30多年的余生。在他逝世后,巴丁认为“他(肖克莱)去从事一个自己不擅长的专业——人类遗传学——是一个悲剧”,“他本可以在物理学和电子学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.物理学史[M].北京：清华大学出版社,2005.

[4]莫少群.两度辉煌——费米学派[M].武汉：武汉出版社,2002.

[5]HODDESON L,DAITCH V.旷世奇才——巴丁传[M].文慧静,沈衡,译.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同年被授予诺贝物理学奖的还有巴丁(John Bardeen)和布拉顿(Walter H.Brattain),获奖理由是对表面态理论的突破和点接触型晶体管的发明。

(责任编辑：温文)