论埃姆斯实验室对美国曼哈顿工程的贡献

摘要：第二次世界大战爆发后，为应对纳粹德国潜在的核威胁，美国联邦政府在情报部门和学术界的双重压力下，与爱荷华州立大学在核科学领域展开了合作，并成立了埃姆斯实验室。该实验室不仅为曼哈顿工程提供了包括高纯度金属和稀土元素在内的大量工业产品，也在核科学领域展开了学术研究，从而有力地推动了美国核工业的进步。

关键词：埃姆斯实验室；曼哈顿工程；核科学；科研机构

中图分类号：K152文献标识码：A文章编号：2095-6916（2024）11-0095-04

On the Contribution of the Ames Laboratory to the Manhattan Project

in the United States

Yang Haonan

（College of History and Culture， Harbin Normal University， Harbin 150025）

Abstract： After the outbreak of World War II， in response to the potential nuclear threat posed by Nazi Germany， the US federal government cooperated with Iowa State University in the field of nuclear science under dual pressure from intelligence agencies and academia， and established the Ames Laboratory. This laboratory not only provides a large number of industrial products， including high-purity metals and rare earth elements， for the Manhattan Project， but also conducts academic research in the field of nuclear science， thereby effectively promoting the progress of the US nuclear industry.

Keywords： the Ames Laboratory; the Manhattan Project; nuclear science; scientific research institution

曼哈顿工程（Manhattan Project）是美国在1942年8月至1945年7月期间实施的绝密计划，旨在利用核裂变反应研制原子弹。该计划云集了当时各大科研机构的顶尖科学家，并成功制造出了可在实战中投入使用的核武器。1945年8月6日、9日，美国向日本本土投放了原子弹，这不仅加速了第二次世界大战的结束与战后和平的到来，也标志着人类社会进入了原子时代［1］。目前，学术界对于曼哈顿工程中相关科研机构的研究主要集中在探讨洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）、橡树岭实验室（Oak Ridge National Laboratory）和汉福德工厂（Hanford Works）等机构的贡献Leslie R.Groves， Now It can be Told： The Story of the Manhattan Project（New York：Harper&Row Publishers，1962）；Sue Vander Hook， The Manhattan Project（Edina：ABDO Publishing Company，2011）；Doreen Gonzales， The Secret of the Manhattan Project（Berkeley Heights，NJ：Enslow Publishers，Inc.，2012）。，对于爱荷华州立大学埃姆斯实验室（Ames Laboratory）的研究却相对较少［2］。笔者认为，埃姆斯实验室在曼哈顿工程中同样具有重要地位。本文以相关解密档案与原始文献为史料依据，通过分析埃姆斯实验室在曼哈顿工程中的贡献，进而揭示该实验室在美国核工业中的重要作用。

一、美国政府对核科学研究的关注与埃姆斯实验室的成立

1938年底，德国柏林威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm Institute）的物理学家奥托·哈恩（Otto Hahn）和他的助手弗利茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）在用中子轰击铀原子核的实验中首次发现了铀的裂变过程。这一革命性的科学发现轰动了学术界，纳粹德国决定利用这一发现研制核武器，从而满足其侵略扩张的需要。关于德国正在研制原子武器的消息引起了美国高层对核科学研究的高度重视。早在1939年10月，当富兰克林·罗斯福（Franklin Delano Roosevelt，以下简称罗斯福）总统的朋友和私人顾问亚历山大·萨克斯（Alexander Sachs）呼吁罗斯福支持当前正在进行的核科学研究时，美国政府就表示高度关注。作为回应，罗斯福总统随即成立铀顾问委员会（Advisory Committee on Uranium）用于了解当前核研究的情况。该委员会由国家标准局、陆军和海军的代表组成，通过与物理学家和化学家开展不定期会面的方式来探讨原子能和原子武器的最新发展趋势［3］6-7，预算为6 000美元［4］20。

1940年4月，当铀顾问委员会得知德国威廉皇帝研究所正在进行一项涉及铀元素的研究项目时［3］7，美国政府进一步加强了对本国核研究的支持。两个月后，在铀顾问委员会的基础上，美国成立了国防研究委员会（National Defense Research Committee），通过向一些大学和研究所提供经费援助这些研究经费最开始来自于陆军和海军的拨款，后来改由国防研究委员会负责提供。的方式，推动本国在核科学领域的进步“ProQuest： History Vault. Nuclear research conducted at Iowa State College in support of the Manhattan Project， March 29， 1976， Manhattan Project： Official History and Documents，”Download September 10， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/003236/003236_002_0053/003236_002_0053_From_1_to_97.pdf.。截至1941年11月，该委员会共与大学、私人或公立研究机构签订了16份研究合同，总额约为30万美元［3］7。1941年6月，国防研究委员会与医学研究委员会合并，成立了科学研究与发展局（Office of Scientific Research and Development），由罗斯福总统的科学顾问万尼瓦尔·布什博士（Vannevar Bush）担任局长，从而加速了美国政府与科研机构在核科学研究方面的合作。

在这一背景下，负责核研究的芝加哥大学物理系教授阿瑟·康普顿博士（Arthur Holly Compton）于1942年2月邀请爱荷华州立大学化学家弗兰克·斯佩丁博士（Frank H. Spedding）前来芝加哥，共同商讨建立一个化学研究所的可能性。经过讨论，双方决定在爱荷华州立大学设立一个小型研究项目，埃姆斯实验室由此诞生，这一决定也很快得到了爱荷华州立大学校长查尔斯·弗里利（Charles E. Friley）的大力支持同上。。

二、美国成立埃姆斯实验室的原因

第一，美国在核化学领域的研究尚不充分。1940年代初，美国在核武器的研究与开发方面基本停滞在理论层面，其主要原因之一是美国化学界在放射性元素研究方面存在不足，冶金工厂无法提供足够多的元素样品供科研机构进行分析。这些不足导致美国在研制核武器的过程中，科研人员几乎无法通过已有的参考文献来获取急需分析的稀有元素样品的关键资料。实际上，由于这些待分析的稀有元素严重限制着相关研究的进展，科研人员必须额外开发数百种分析方法（甚至已有的分析方法也需加以改进），以便对这些元素进行研究同上。。鉴于此，为减轻其他科研机构的工作负担，美国政府有意在化学实力较强的爱荷华州立大学设立埃姆斯实验室。

第二，爱荷华州立大学有能力召集众多高水平的科学工作者。在战争时期集结一众科研人员共同参与一项高度保密的核工程绝非易事。埃姆斯实验室成立后，为确保后续研究的顺利进行，爱荷华州立大学在人员配置方面对其进行了援助。除著名稀土化学家弗兰克·斯佩丁博士亲自担任埃姆斯实验室主任以外，该实验室在爱荷华州立大学的帮助下，共计招募到121位科学工作者，其中包括萨姆·莱格沃尔德（Sam Legvold）、约翰·卡尔森（John F. Carlson）等有较高名望的化学家与物理学家同上。。这些科研人员代表各自研究领域的专业力量，展示了爱荷华州立大学在科研方面的卓越实力，突显了该大学在人员协调与组织方面的出色能力。这也是美国政府选择与爱荷华州立大学合作并成立埃姆斯实验室的重要原因之一。

第三，美国国内要求研发核武器的呼声日益高涨。一方面，为突出研制核武器的紧迫性，情报部门曾向美国高层提交了一份关于德国核研究情况的报告。该报告明确指出：由于德国方面在美国参战前就已经在原子能领域展开大规模研究活动，核武器成为德国所吹嘘的秘密武器这一说法是有据可循的。德国进行核研究的目的是制造核武器，其类型可能是原子弹，也可能是含有放射性物质的核污染剂，或二者兼而有之“ProQuest： History Vault. Investigation of German development of nuclear weapons， March 30， 1976， Manhattan Project： Official History and Documents，”Download September 10， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/003236/003236_005_1107/003236_005_1107_From_1_to_39.pdf.。另一方面，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）、莱奥·西拉德（Leo Szilard）和爱德华·泰勒（Edward Teller）等物理学家作为二十世纪最著名的学术巨擘，他们的意见对于美国决策者来说至关重要。在那封由著名核物理学家西拉德起草，由爱因斯坦亲笔签名、写给罗斯福总统的信中［5］，这些科学家们表达了对德国开采铀矿石的担忧，直言不讳地要求美国政府应尽快采取措施来推动国内核工业的发展：“铀元素在不久的未来将会成为一种重要的新型能源，由大量铀所构成的链式反应也将产生巨大的能量……德国早已禁止捷克斯洛伐克向外出口铀矿，并接管了那里的矿山。政府部门应当对此高度关注并迅速采取行动，在保证铀矿石供应充足的同时，资助那些缺少预算资金的大学实验室，以帮助它们顺利完成实验活动。同时也应与那些愿意在核事业奉献，或是拥有必要研究设备的实验室展开合作”“ProQuest： History Vault. Explanation of Enrico Fermi and Leo Szilards nuclear research， noting it could ‘lead to the construction of bombs， and it is conceivable “though much less certain” that extremely powerful bombs of a new type may thus be constructed and encouraging the president to secure a supply of uranium ore， August 2， 1939， Documentary History of the Franklin D. Roosevelt Presidency，”Download September 12， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/002166/002166_043_0005/002166_043_0005_From_1_to_2.pdf.。在情报部门和美国学界的双重压力下，美国政府逐渐认识到了研发核武器的重要性，并决定与爱荷华州立大学在核科学领域展开合作。

三、埃姆斯实验室对曼哈顿工程的贡献

1942年8月，在参加“二战”的8个月后，美国政府启动了曼哈顿工程，由美国陆军将军莱斯利·格罗夫斯（Leslie Richard Groves）负责［4］24。这项工程作为美国科学界的练兵场，会集了包括罗伯特·奥本海默（Julius Robert Oppenheimer）、恩利克·费米（Enrico Fermi）、尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和冯·诺依曼（John von Neumann）在内的一大批精英科学家，美国由此正式展开了研制原子弹的工作。

鉴于美国政府和军方对曼哈顿工程安全性的高度重视，相关核研发任务主要被分散在三个地区进行。其一是位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室，代号为“Y站点”。该实验室作为曼哈顿工程的核心机构，全面负责美国核计划的统筹规划工作，并承担原子弹的最后组装任务。其二是位于田纳西州的橡树岭实验室。该实验室负责浓缩铀元素的相关实验工作，从而为整个核计划提供放射性原材料。其三是位于华盛顿州哥伦比亚河畔的汉福德工厂。由于临近河流，汉福德工厂得以利用足够的水资源作为冷却剂来冷却高耗能的核反应堆，故该工厂主要承担钚生产方面的相关研究。此外，还有多个科研院所分担了曼哈顿工程的部分核研究任务。上述各个实验机构和工厂设施之间分工明确、协调统一并互为补充。同时，美国政府持续加大对曼哈顿工程的资金援助，并密集出台多项有助于开展核研究的政策和条款，为取得对德核竞赛的优势、建立本国核工业体系提供了良好的支撑。

然而研发过程并非完全顺利，虽然科学家们在理论方面的研究日趋成熟，并且建造了一系列试验场地，但是最大的难题在于无法生产出足够多的燃料以供实验。一方面，铀和钚作为唯一已知的核燃料来源，二者在自然界中的储量十分匮乏。另一方面，制造原子弹需要用到一种名为U-235的特殊铀，而这种铀在自然界中的储量还不到普通铀（U-238）储量的1%［6］。

为解决这一技术难题，埃姆斯实验室作为专门进行金属与化学研究的科研机构，不仅承担了大部分的冶金任务，还在基础化学方面展开研究，并重点关注那些可能被用于研发原子能装置的材料。为进一步扩大埃姆斯实验室的规模，爱荷华州立大学的几位著名化学家被任命为科学顾问。此外该实验室还雇佣了大量科学工作者和技术人员，使得在科学研究进入最紧张的阶段时，有超过500位研究人员参与了该实验室的科研任务“ProQuest： History Vault. Nuclear research conducted at Iowa State College in support of the Manhattan Project， March 29， 1976， Manhattan Project： Official History and Documents，”Download September 10， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/003236/003236_002_0053/003236_002_0053_From_1_to_97.pdf.。

埃姆斯实验室在生产高纯度金属、稀土元素、化学品和特殊物品方面表现出色，不仅开发了低成本冶炼金属铀、铈和铍的生产工艺，也研发了一种从核废料中回收金属铀的方法，同时还在分析化学、物理学和光谱学等领域展开了大量研究。根据相关档案资料统计，埃姆斯实验室在曼哈顿工程中的贡献可以总结为以下五个方面。

第一，该实验室总共生产了大约200万磅金属铀、4 500磅高纯度金属钍、450磅高纯度金属铈和大量金属镧、金属铍和其他特殊合金。

第二，该实验室制造并提供了陶瓷坩埚和高温限制槽，以及由CaO、MgO、BeO、U2O、UO2、UO、UC、U2C3、UC2、UN、TaN、ZrN、ZrC、ThN、TiN、W2C、WC、TaC、TiC、CbC和MoC等材料制成的杆和细丝。

第三，该实验室提供了纯度极高的化学样品，如UBr4、UBr3、UF3、UI3、UC、UN、UOCL2、UOBr2、KUF5、KUCL5、RbF、CaO、稀土元素、无水ThCL4、ThO2、ThF4、二乙基锌、二甲基锌、二水杨醛乙二胺和α—萘羟肟酸等。这些特殊材料作为核研究的基础原料，有效地支持了曼哈顿工程中的核项目。

第四，该实验室通过与其他科研机构展开合作的方式，对田纳西州橡树岭Y-12工厂中的钽丝、不锈钢板和其他受到腐蚀的部件进行冶金检测和腐蚀研究，同时对金属铀在电磁型同位素分离器内壁和其他部件中的渗透深度展开研究，从而有力地支持了其他科研机构的研究活动。

第五，埃姆斯实验室在完成上述工作任务的同时，进行了大量的学术研究。据统计，该实验室的科研工作者们共计提交了357份研究文献，其中包括234份出版物、105份有关钚项目的实验记录报告和18份发表在科学期刊上的论文“ProQuest： History Vault. Nuclear research conducted at Iowa State College in support of the Manhattan Project， March 29， 1976， Manhattan Project： Official History and Documents，”Download September 10， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/003236/003236_002_0053/003236_002_0053_From_1_to_97.pdf.。这些学术研究成果不仅对曼哈顿工程的顺利进行起到了不可或缺的推动作用，而且极大地促进了战后美国核科学的进步。

四、结语

作为“二战”时期美国核研究的重要组成部分，爱荷华州立大学的埃姆斯实验室不仅为曼哈顿工程做出了巨大贡献，也在一定程度上填补了美国学界在核研究领域的空白，同时有力地推动了美国核工业的发展。“二战”结束后，凭借其雄厚的科研实力，埃姆斯实验室成功跻身于美国国家重点实验室之列。时至今日，该实验室在化学与材料工程领域的科研实力依然不可小觑。

参考文献：

［1］史宏飞.科学家在国会的活动与美国1946年原子能立法进程［J］.历史教学（下半月刊），2020（1）：49-57.

［2］PAYNE C S.The Ames Project： Administering Classified Research as a Part of the Manhattan Project at Iowa State College， 1942-1945［D］.Ames：Iowa State University，1992.

［3］GROVES L R.Now It can be Told： The Story of the Manhattan Project［M］.New York：Harper & Row Publishers，1962.

［4］HOOK S V.The Manhattan Project［M］.Edina：ABDO Publishing Company，2011.

［5］李工真.文化的流亡：纳粹时代欧洲知识难民研究［M］.北京：人民出版社，2010：328.

［6］GONZALES D.The Secret of the Manhattan Project［M］.Berkeley Heights，NJ：Enslow Publishers，Inc.，2012：31.

作者简介：杨浩南（2000—），男，汉族，内蒙古扎兰屯人，单位为哈尔滨师范大学历史文化学院，研究方向为世界近现代史、美国史。

（责任编辑：朱希良）