她改变了核物理学的发展,却被世人遗忘

核裂变是指像(U)这种非常大的原子分裂成更小的原子对的物理过程。正是因为有这样的过程存在,才使得核弹核电站成为可能。但在很长的一段时间里,物理学家们都曾认为从能量上来讲,像铀这样大的原子(原子质量= 235或238)是不可能分裂成两个原子的。

故事的转折发生在80年前的今天,1939年2月11日,在一封寄给知名期刊《自然》的编辑的文章中,作者详尽地描述了这种过程是如何发生的,她甚至将这一过程命名为裂变(fission)。在这篇文章中,物理学家莉泽·迈特纳(Lise Meitner)在她年轻的外甥奥托·弗里希(Otto Frisch)的帮助下,为核裂变是如何发生的作出了物理解释。

这是核物理学的一次重大飞跃!但时至今日,莉泽·迈特纳的名字仍然鲜为人知,人们基本上已经将她遗忘了。回顾这一发现,我们会读到一段悲伤的故事,作出了这一重大发现的莉泽·迈特纳被排除在一切胜利庆典之外,因为她是犹太女性……

她改变了核物理学的发展,却被世人遗忘

○ 1878年,莉泽·迈特纳(Lise Meitner)出生于奥地利维也纳,并在维也纳大学研习物理。为了纪念迈特纳,元素周期表中的第109号元素被命名为鿏(Meitnerium, Mt)。| 图片来源:Amanda Phingbodhipakkiya

1. 当你分裂一个原子时会发生什么

迈特纳的裂变理论基于核结构的“液滴模型”。这个模型将把原子核结合在一起的力比作构成水滴结构的表面张力。

她指出,原子核的表面张力会随原子核电荷的增加而减弱,当核电荷非常高时,张力甚至可以接近于零——铀(电荷= 92+)就是这样的情况。如果缺乏足够的核表面张力,那么当中子(没有电荷的亚原子粒子)撞击原子核时,原子核就能分裂成两个携带着非常高的动能的碎体。迈特纳写道:“因此整个‘裂变’过程可以用一种基本上经典的(物理学)方法来描述。”就这么简单,对吧?

迈特纳还进一步解释了其他的科学同行们是如何在这个问题上弄错的。当时,许多科学家相信,在用中子轰击铀时,铀原子核不是分裂,而是捕获了一些中子。这些被捕获的中子转化成带正电的质子,从而将铀转化成元素周期表上越来越大的元素,也就是所谓的超铀元素,或铀后元素。

但是,有一部分科学家对中子轰击会产生超铀元素表示怀疑,这其中就包括玛丽·居里的女儿伊雷娜·约里奥-居里(Irene Joliot-Curie)和迈特纳。约里奥-居里发现其中一种被认为是超铀元素的新元素,其化学性质实际上与她母亲发现的镭一样。约里奥-居里认为这可能只是来自铀在中子轰击下产生的(原子质量= 226)——一种比铀稍小的元素。

对此,迈特纳还有另一种解释。她认为,这种元素可能不是镭,而是一种化学性质与镭非常相似的元素——。镭和钡的问题对迈特纳来说非常重要,因为根据她的铀分裂理论,钡(原子质量= 139)是一种可能的裂变产物,而镭却不是——因为它太大了(原子质量= 226)。

她改变了核物理学的发展,却被世人遗忘

○ 当中子轰击铀原子时,铀核分裂成两个不同的、较小的核。| 图片来源: Stefan-Xp/Wikimedia Commons

迈特纳敦促她的化学家同事奥托·哈恩(Otto Hahn)对铀的轰击样本进行进一步的净化,并检查它们到底是由镭还是其化学近亲钡构成的。哈恩照做了,并且他发现迈特纳是正确的:样品中的元素确实是钡,而不是镭。哈恩的发现表明,铀的原子核发生了分裂,变成了两种拥有更小原子核的不同元素,正如迈特纳所猜测的那样。

2. 作为一名犹太女性,迈特纳被抛在了身后

在这一发现被告知天下之时,迈特纳本应是那天的英雄,她与哈恩本应联合发表他们的发现,并等待因核裂变的发现而将获得的来自全世界的赞誉。但不幸的是,事实并非如此。

当时的迈特纳遭遇了两大难处:一,她是一个因为纳粹德国的迫害而流亡瑞典的犹太人;二,她是一个女人。或许在取得科学成功的道路上,她已经克服了这些障碍中的任何一个,但结果证明,这些艰难是不可逾越的。

迈特纳和哈恩曾在柏林的德皇威廉学院(Kaiser Wilhelm Institute)共事,在学术上,她与哈恩不相上下。据说,多年来他们一直是亲密的同事和朋友。然而当纳粹接管后,迈特纳被迫离开德国。她在斯德哥尔摩找到了一份工作,并通过定期通信继续与哈恩和他的下属弗里茨·施特拉斯曼(Fritz Strassmann)就核问题进行合作。这种工作方式虽然不够理想,但仍非常高效。钡的发现就是他们合作的最新成果。

她改变了核物理学的发展,却被世人遗忘

○ 迈特纳和哈恩在柏林(1913)。

然而,到了发表结果的时候,哈恩知道,在论文上登上一名犹太女性的名字将会断送他在德国的职业生涯。所以他在没有署名迈特纳的情况下发表了这篇文章,他虚假地声称这一发现仅仅是基于他从自己的化学净化工作中获得的洞见,而迈特纳所贡献的任何物理见解都无足轻重。尽管事实却是如果没有迈特纳的指导,他根本连想都想象不到要将钡从他的样品中分离出来。

然而,哈恩很难对他自己的发现作出解释。在他的论文中,他没能提出铀原子如何分裂成钡原子的可信机制。但迈特纳知道如何解释。所以几周后,迈特纳给《自然》的编辑写了那封著名的裂变文章,讽刺地解释了“哈恩的发现”的机制。

她改变了核物理学的发展,却被世人遗忘

○ 迈特纳与弗里希在80年前发表的论文。| 图片来源:Nature

即便这样,她的处境仍然没有得到什么改善。诺贝尔委员会将1944年的诺贝尔化学奖授予了哈恩一人,以表彰他“发现了重原子核的裂变”。但矛盾的是,“裂变”一词压根就没有出现在哈恩最初发表的论文之中,这是迈特纳在后来发表的那篇文章中第一次创造出的词。

从那以后,关于核裂变的发现就引发了一场激烈的争论。批评者称,这是诺贝尔委员会最糟糕的一次公然的种族主义和性别歧视的事例之一。与另一位杰出的女性核物理学家居里夫人不同,迈特纳对核物理的贡献从未获得过诺贝尔委员会的认可。她完全被排除在公众之外,大多数人都不知道她。

战后,迈特纳留在了斯德哥尔摩,成为了瑞典公民。后来,她决定放下过往,与哈恩重新建立了联系,两位八旬老人又恢复了友谊。虽然诺贝尔委员会从来没有承认自己的错误,但在1966年,美国能源部联合授予了迈特纳、哈恩和施特拉斯曼其著名的恩里科·费米奖,以表彰他们通过“对天然放射性的开创性研究和广泛的实验研究导致了裂变的发现”,对迈特纳的怠慢也在一定程度上得到了缓解。这迟到了20多年的认可来得正是时候。1968年,迈特纳与哈恩在几个月内相继去世,享年89岁。

撰文:Timothy J. Jorgensen

原文标题为“Lise Meitner – the forgotten woman of nuclear physics who deserved a Nobel Prize”,首发于2019年2月7日的TheConversation。原文链接:https://theconversation.com/lise-meitner-the-forgotten-woman-of-nuclear-physics-who-deserved-a-nobel-prize-106220。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。