慢中子效應(yīng)

1934年10月，費(fèi)米和他的伙伴們正在對(duì)某種金屬進(jìn)行人工放射性實(shí)驗(yàn)。他們把中子源放入銀質(zhì)圓筒里，然后把圓筒放在一個(gè)鉛盒的中央和一角，它的放射性的強(qiáng)弱是不相同的。

一位伙伴認(rèn)為這種異常是統(tǒng)計(jì)的錯(cuò)誤和測(cè)量的不精確造成的，然而費(fèi)米卻說(shuō):"不，這也許是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。"并建議多做一遞增各種情況的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)一連幾天的實(shí)驗(yàn)，費(fèi)米他們又發(fā)現(xiàn)了更多的怪事。甚至當(dāng)把中子源放到圓筒外面。在筒和源之間插上一塊鉛板的時(shí)候，圓筒的放射性竟然也增強(qiáng)了。

"這究竟是怎么一回事呢?"費(fèi)米一時(shí)找不出答案。沉思片刻，他對(duì)伙伴們說(shuō):"鉛是一種重物質(zhì)，讓我們?cè)囋僭囕p物質(zhì)，比如說(shuō)石蠟吧。"10月22日上午，費(fèi)米他們找來(lái)一大塊石蠟，在上面掏了個(gè)洞，把中子源放入洞內(nèi)去輻照銀圓筒，然后拿到蓋革計(jì)數(shù)器上測(cè)量它的放射性。"喀、喀、喀……"計(jì)數(shù)器像發(fā)了瘋似地響著。

看到這一情景，大伙兒非常驚訝，七嘴八舌地說(shuō):"真是不可想象!也許是見(jiàn)鬼了!"

中午，費(fèi)米靜靜地躺在床上，而思想像脫韁的野馬在馳騁，緊張地思考著解釋石蠟奇特作用的原理，他運(yùn)用豐富的想像，得到這樣的解釋:石蠟含有大量的氫，氫核即是質(zhì)子，它的質(zhì)量幾乎和中子相同，當(dāng)中子源被封在石蠟塊里的時(shí)候，中子在到達(dá)銀原子核前，便會(huì)同石蠟中的質(zhì)子相碰，每碰一次就會(huì)失掉一部分能量，這正像一個(gè)臺(tái)球在擊中另一個(gè)臺(tái)球后，就會(huì)慢下來(lái)一樣。一個(gè)中子從石蠟中出射以前，會(huì)連續(xù)同許多質(zhì)子相碰而減速，從而變?yōu)?quot;慢中子"。就是這種慢中子，將比快中子有更多的機(jī)會(huì)被銀原子俘獲。這又好比一個(gè)飛快滾動(dòng)的高爾夫球可能從球洞跳過(guò)去，而一個(gè)慢慢滾動(dòng)的球卻更容易進(jìn)洞一樣。

度過(guò)了午休，費(fèi)米神情激動(dòng)地跑進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，同伴們已經(jīng)到齊了，他一口氣講述了自己的新想法，最后說(shuō):"如果我的想法是對(duì)的，那么，任何含氫萬(wàn)分大的其他物質(zhì)，比如水，也應(yīng)該具有同石蠟相似的效果。"

"水?"同伴們不約而同地發(fā)出疑問(wèn)。

"是的，水。"費(fèi)米沉著地說(shuō)，"讓我們?cè)囋嚳?，?shù)量可觀的水對(duì)銀的放射性會(huì)有什么影響。"

說(shuō)到"數(shù)量可觀的水"，大家立刻想到實(shí)驗(yàn)室后面花園里的金魚(yú)噴池，這是他們常來(lái)玩的地方。

年輕的物理學(xué)家說(shuō)干就干，很快從實(shí)驗(yàn)室把中子源和銀筒搬了出來(lái)，放到噴池的水下。在開(kāi)致力計(jì)數(shù)器后，果然不出所料，水也把銀的人工放射性增強(qiáng)了許多倍，費(fèi)米的設(shè)想得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)，年輕人圍著被綠樹(shù)、鮮花環(huán)繞的金魚(yú)噴池，激動(dòng)地歡呼起來(lái)，慶祝實(shí)驗(yàn)和理論的成功。

正是這次不尋常的實(shí)驗(yàn)和由實(shí)驗(yàn)引出的理論，使費(fèi)米在1938年，榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。認(rèn)識(shí)到慢中子的作用，給重核裂變的發(fā)現(xiàn)提供了重要理論依據(jù)。

古代人夢(mèng)想的煉金術(shù)首先被盧瑟福實(shí)現(xiàn)，他用天然放射性物質(zhì)發(fā)射出的高速α粒子(即氦核)轟擊氮核，得到了氧核。1934年1月，約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)了人工放射性，即用α粒子轟擊穩(wěn)定原子核產(chǎn)生了放射性同位素。但是，用α粒子不能使原子序數(shù)大于20的原子核分裂，只有較輕的原子核才能被α粒子轟擊分裂。費(fèi)米想到了用中子來(lái)轟擊原子核，他認(rèn)為，對(duì)于原子核裂變來(lái)說(shuō)，中子具有特別合適的轟擊能力。α粒子帶正電，當(dāng)它靠近原子核時(shí)會(huì)受到很強(qiáng)的排斥力，從而偏離原子核，而中子不帶電，它可以不受任何阻礙，一直前進(jìn)到與原子核發(fā)生碰撞。在同事的幫助下，費(fèi)密用中子轟擊了周期表中的所有元素，并辯認(rèn)了因此而產(chǎn)生的具有放射性的元素。

后來(lái)，費(fèi)米和他的同事觀察到:把中子源和被轟擊的物體放在大量石蠟中，放射性會(huì)增加很多倍。水也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的效應(yīng)。費(fèi)密用"慢中子"解釋了這一現(xiàn)象。他認(rèn)為，由于質(zhì)子和中子的質(zhì)量相等，所以當(dāng)快中子與靜止的質(zhì)子發(fā)生碰撞時(shí)，快中子損失能量變?yōu)?quot;慢中子"，慢中子與重原子核的反應(yīng)截面比快中子大得多。慢中子的發(fā)現(xiàn)為后來(lái)研究重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和原子核反應(yīng)堆的理論設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

費(fèi)米(Enrico Fermi, 1901-1954)是意大利物理學(xué)家，1926年任羅馬大學(xué)理論物理學(xué)教授，1927年曾提出一種統(tǒng)計(jì)理論，在微觀世界有廣泛應(yīng)用，是核物理學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，1933年，費(fèi)米提出β衰變理論，1934年在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)同了慢中子所引起的人工放射性，因此榮獲1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1942年，他領(lǐng)導(dǎo)建成了世界上第一個(gè)原子核反應(yīng)堆。

費(fèi)米是一位全能物理學(xué)家，在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面都有很高的造詣，也是最后一位同時(shí)擅長(zhǎng)理論物理和實(shí)驗(yàn)物理的物理學(xué)家。他對(duì)物理學(xué)的許多領(lǐng)域都有不可磨滅的貢獻(xiàn)，如經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)、理論核物理學(xué)等，并創(chuàng)立了原子核β衰變理論和中子物理學(xué)。