3. 錢三強與鈾核三分裂現象
1947 年， 約裏奧・居裏在巴黎召開的世界科學工作者大會上宣布： “在我們的實驗裏， 正在進行一項重要的工作，它本來是由中國的科學工作者開始， 由我們的實驗室做了更多的工作， 已證明鈾核分裂的新方式―――三分裂和四分裂。
對這新發現， 我們的研究人員做了頑強的細致的工作， 我們將遵守科學界的準則和傳統， 立即發表研究論文。
約裏奧・居裏講話的第二天， 法國的《人道報》、《人民報》、《時代報》， 中國的《大公報》、《新民報》都作了詳細報道。有家報紙的標題是： “中國的‘居裏’夫婦， 發現了原子核新分裂法”， 副標題是： “為原子研究開辟新天地， 物理學大師均讚不絕口”。
這裏， 中國的“居裏”夫婦指的就是錢三強和何澤慧。
正是他們發現了鈾核的三分裂和四分裂現象， 而受到如此之高的讚譽。
錢三強是浙江吳興人。1937 年， 24 歲的錢三強考取中法教育基金委員會公費留學生， 由我國著名物理學家嚴濟慈介紹到法國巴黎大學鐳學研究所居裏實驗室做研究生。他的導師就是居裏夫人的長女伊萊娜・居裏， 即小居裏夫人。1940 年， 錢三強以《α粒子同質子的碰撞》為題的論文， 獲得了博士學位。1945 年， 錢三強受導師之命， 赴英國布裏斯托大學向著名核物理學家鮑威爾學習核乳膠技術， 學成後回到巴黎， 協助小居裏夫婦開展這方麵的工作。
何澤慧是錢三強在清華大學物理係讀書時的同班同學。何澤慧在1936 年到德國學習， 獲得工程博士學位後在德國皇家學院研究核物理學。1946 年， 何澤慧也來到巴黎的居裏實驗室， 與錢三強結婚並一起從事研究工作。
1946 年10 月， 錢三強和何澤慧去英國劍橋大學參加國際基本粒子與低溫會議。在這次會議上， 一張不為人注意的照片， 引起了他們很大的興趣。英國物理學家費瑟的兩個博士生作了關於核乳膠記錄中子打擊鈾核的報告， 在他們的照片中有一張記錄到一個三叉形狀的粒子徑跡。當時， 這兩位博士生解釋為這是一個射程較長的α粒子。錢三強和何澤慧看到這張照片後， 覺得這個現象很特別， 認為非常值得深入研究。他們打算進行認真的實驗。這時， 已是美國在日本廣島和長崎爆炸了兩顆原子彈的第二年， 整個世界都被核武器的巨大殺傷力所震驚， 原子彈已成為影響人類前途的重大問題。可是， 原子核裂變的物理過程還沒有完全弄清楚。劍橋的這張照片則預示著對於原子核裂變現象， 還有沒有認識到的地方。正是基於這樣的背景， 錢三強和何澤慧對這種奇怪現象產生了興趣。
從英國回到巴黎， 錢三強和何澤慧取得小居裏夫婦的積極支持， 帶領兩位法國研究生， 夜以繼日地從事研究工作。終於在大量實驗的基礎上， 從精確的統計數字中發現： 在中子撞擊原子核發生裂變時， 每300 次出現一次這種三叉徑跡的新奇現象。隨後， 何澤慧又發現有四叉徑跡的現象， 並且統計出在一萬個裂變中會出現一次。他們意識到， 這是一種新的現象： 原子核裂變時， 一分為三。這就是“三分裂”現象。1947 年2 月， 錢三強和何澤慧在美國《物理評論》上發表論文， 第一次對三分裂和四分裂現象作出明確結論， 給出了三分裂變對二分裂變之比為0 。 003 ±0. 001， 四分裂變對二人裂變之比為0 。 0003 ±0 。 0002 。這一年4 月， 錢三強發表了他那著名的論文《論鈾三分裂的機製》， 在國際物理學界引起了強烈反響。
費瑟的兩位博士生聞訊專程來到巴黎居裏實驗室， 想親眼看看三分裂和四分裂現象。錢三強和何澤慧熱情接待並滿足了他們的要求。心靈手巧的何澤慧隻用了10 分鍾， 就按標定的坐標從核乳膠中找到了三分裂和四分裂的徑跡。原子核乳膠裏的徑跡非常微小， 一般情況下徑跡隻有20 多個微米長， 即一根頭發絲直徑的1/ 3 。觀測要在高倍顯微鏡下進行， 隻要有小的變動， 就不好找到。兩位英國同行看了這些資料， 十分驚訝。但是， 他們的導師費瑟仍然認為核裂變時的三叉徑跡中， 第三個徑跡是α粒子的。原子核裂變隻是一分為二， 而α粒子是在兩個碎片分開後很短時間內， 從一個碎片發射出來的。費瑟稱之為“二次發射”。
盡管錢三強作了深入的理論分析。但是， 由於當時的實驗條件還不足以精確地測定第三個碎片的質量。這使得錢三強同費瑟的不同見解一時難見分曉。在核裂變現象發現50 周年(1988 年) 時， 錢三強回憶了當時的情況， 並發表了極富啟發的看法。
錢三強特別強調了他們仔細地考察了鈾核三分裂中， 第三個碎片質量測定的誤差問題。他認為， 在物理實驗中， 誤差分析占有十分重要的地位。在科學發現的曆史上， 有許多錯誤的結論或失敗的推斷， 往往是由於沒有正確地計算出誤差的大小而造成的。對誤差的估計， 既不能偏大， 也不能偏小。如果把誤差估計偏小， 很可能會把引起誤差的某些因素遺漏掉， 這自然會產生錯誤。當然也不能采取所謂“保險”的做法， 即把誤差人為地擴大一點， 以為反正不會錯。這實際也是不對的。因為如果過高地估計了誤差的數值， 有時會把新現象忽略過去。總之， 在複雜情況下， 能不能正確地估計誤差， 是一個實驗物理學工作成熟與否的重要標誌。錢三強還舉了一個例子來說明他的這些觀點。1972 年， 法國製備濃縮鈾的皮埃爾拉特氣體擴散工廠的技術人員， 偶然發現一個次級標準樣品中鈾-235 的豐度( 即鈾-235 在總鈾量中所占的份額) 與初級標準有一點微小的差別。這個差別非常之小， 幾乎與測量誤差相同。如果把它看作是測量誤差， 就不會發現什麽問題。但是， 這個工廠的技術人員沒有簡單地把這個微小差別歸之於誤差而放過。通過認真反複的實驗和正確的分析， 他們肯定了這一微小差別超過了測量誤差， 是真實存在的。進一步追究發生差別的原因， 導致了一項非常有趣的新發現。原來在非洲加蓬的奧克洛鈾礦中， 十幾億年前， 曾經存在這一座天然的核反應堆。它是由於特殊的地質條件和水的存在而形成的。在古代某個時期曾經滿足過發生鏈式核反應的條件， 這座天然核反應堆運轉了約60 萬年， 所以鈾礦中的鈾-235 被消耗掉了一部分。因而， 它的豐度變小了。這件事， 說明誤差分析確實是太重要了。
講完這段插曲， 還回到核裂變的第三個碎片的質量問題。錢三強曾仔細地估算了確定第三個碎片質量的誤差。由於當時實驗條件的原因， 誤差是比較大的， 因此無法對它的質量問題給出確定的結論。直到22 年後， 即在1969 年維也納“裂變的物理和化學”國際會議上， 費瑟才拋棄原來的觀點， 同意錢三強關於三分裂機製的解釋。
今天， 錢三強關於核裂變存在三分裂的理論已為世人所公認， 成為裂變物理的一個重要分支。三分裂現象對核裂變機理的研究有著重要的作用。核裂變是一個複雜的過程， 原子核吸收一個中子後， 受到激發， 形狀發生變化。在形狀被拉長到分裂的過程中， 有兩種力在起作用。核子之間的靜電斥力使原子核的變形增大， 而粒子之間的核力( 吸引力) 卻傾向於使原子核恢複原形。當原子核被拉長到一個被稱為鞍點時， 這兩種力達到平衡。過了鞍點， 靜電斥力占了上風， 變形將繼續增大， 裂變就是不可避免的了。變形的原子核中間收縮， 形成頸部， 到了斷裂點， 碎片真正分開。第三個碎片正好是在斷裂的瞬間發射出來的， 所以它本身的性質， 如重量、電荷、能量分布、角動量分布等， 反映了斷裂點原子核的許多信息， 成為研究核裂變過程中斷裂點特性的一個有效的探針。直到今天， 仍有一些物理學家在繼續深入地研究三分裂現象。
對這新發現， 我們的研究人員做了頑強的細致的工作， 我們將遵守科學界的準則和傳統， 立即發表研究論文。
約裏奧・居裏講話的第二天， 法國的《人道報》、《人民報》、《時代報》， 中國的《大公報》、《新民報》都作了詳細報道。有家報紙的標題是： “中國的‘居裏’夫婦， 發現了原子核新分裂法”， 副標題是： “為原子研究開辟新天地， 物理學大師均讚不絕口”。
這裏， 中國的“居裏”夫婦指的就是錢三強和何澤慧。
正是他們發現了鈾核的三分裂和四分裂現象， 而受到如此之高的讚譽。
錢三強是浙江吳興人。1937 年， 24 歲的錢三強考取中法教育基金委員會公費留學生， 由我國著名物理學家嚴濟慈介紹到法國巴黎大學鐳學研究所居裏實驗室做研究生。他的導師就是居裏夫人的長女伊萊娜・居裏， 即小居裏夫人。1940 年， 錢三強以《α粒子同質子的碰撞》為題的論文， 獲得了博士學位。1945 年， 錢三強受導師之命， 赴英國布裏斯托大學向著名核物理學家鮑威爾學習核乳膠技術， 學成後回到巴黎， 協助小居裏夫婦開展這方麵的工作。
何澤慧是錢三強在清華大學物理係讀書時的同班同學。何澤慧在1936 年到德國學習， 獲得工程博士學位後在德國皇家學院研究核物理學。1946 年， 何澤慧也來到巴黎的居裏實驗室， 與錢三強結婚並一起從事研究工作。
1946 年10 月， 錢三強和何澤慧去英國劍橋大學參加國際基本粒子與低溫會議。在這次會議上， 一張不為人注意的照片， 引起了他們很大的興趣。英國物理學家費瑟的兩個博士生作了關於核乳膠記錄中子打擊鈾核的報告， 在他們的照片中有一張記錄到一個三叉形狀的粒子徑跡。當時， 這兩位博士生解釋為這是一個射程較長的α粒子。錢三強和何澤慧看到這張照片後， 覺得這個現象很特別， 認為非常值得深入研究。他們打算進行認真的實驗。這時， 已是美國在日本廣島和長崎爆炸了兩顆原子彈的第二年， 整個世界都被核武器的巨大殺傷力所震驚， 原子彈已成為影響人類前途的重大問題。可是， 原子核裂變的物理過程還沒有完全弄清楚。劍橋的這張照片則預示著對於原子核裂變現象， 還有沒有認識到的地方。正是基於這樣的背景， 錢三強和何澤慧對這種奇怪現象產生了興趣。
從英國回到巴黎， 錢三強和何澤慧取得小居裏夫婦的積極支持， 帶領兩位法國研究生， 夜以繼日地從事研究工作。終於在大量實驗的基礎上， 從精確的統計數字中發現： 在中子撞擊原子核發生裂變時， 每300 次出現一次這種三叉徑跡的新奇現象。隨後， 何澤慧又發現有四叉徑跡的現象， 並且統計出在一萬個裂變中會出現一次。他們意識到， 這是一種新的現象： 原子核裂變時， 一分為三。這就是“三分裂”現象。1947 年2 月， 錢三強和何澤慧在美國《物理評論》上發表論文， 第一次對三分裂和四分裂現象作出明確結論， 給出了三分裂變對二分裂變之比為0 。 003 ±0. 001， 四分裂變對二人裂變之比為0 。 0003 ±0 。 0002 。這一年4 月， 錢三強發表了他那著名的論文《論鈾三分裂的機製》， 在國際物理學界引起了強烈反響。
費瑟的兩位博士生聞訊專程來到巴黎居裏實驗室， 想親眼看看三分裂和四分裂現象。錢三強和何澤慧熱情接待並滿足了他們的要求。心靈手巧的何澤慧隻用了10 分鍾， 就按標定的坐標從核乳膠中找到了三分裂和四分裂的徑跡。原子核乳膠裏的徑跡非常微小， 一般情況下徑跡隻有20 多個微米長， 即一根頭發絲直徑的1/ 3 。觀測要在高倍顯微鏡下進行， 隻要有小的變動， 就不好找到。兩位英國同行看了這些資料， 十分驚訝。但是， 他們的導師費瑟仍然認為核裂變時的三叉徑跡中， 第三個徑跡是α粒子的。原子核裂變隻是一分為二， 而α粒子是在兩個碎片分開後很短時間內， 從一個碎片發射出來的。費瑟稱之為“二次發射”。
盡管錢三強作了深入的理論分析。但是， 由於當時的實驗條件還不足以精確地測定第三個碎片的質量。這使得錢三強同費瑟的不同見解一時難見分曉。在核裂變現象發現50 周年(1988 年) 時， 錢三強回憶了當時的情況， 並發表了極富啟發的看法。
錢三強特別強調了他們仔細地考察了鈾核三分裂中， 第三個碎片質量測定的誤差問題。他認為， 在物理實驗中， 誤差分析占有十分重要的地位。在科學發現的曆史上， 有許多錯誤的結論或失敗的推斷， 往往是由於沒有正確地計算出誤差的大小而造成的。對誤差的估計， 既不能偏大， 也不能偏小。如果把誤差估計偏小， 很可能會把引起誤差的某些因素遺漏掉， 這自然會產生錯誤。當然也不能采取所謂“保險”的做法， 即把誤差人為地擴大一點， 以為反正不會錯。這實際也是不對的。因為如果過高地估計了誤差的數值， 有時會把新現象忽略過去。總之， 在複雜情況下， 能不能正確地估計誤差， 是一個實驗物理學工作成熟與否的重要標誌。錢三強還舉了一個例子來說明他的這些觀點。1972 年， 法國製備濃縮鈾的皮埃爾拉特氣體擴散工廠的技術人員， 偶然發現一個次級標準樣品中鈾-235 的豐度( 即鈾-235 在總鈾量中所占的份額) 與初級標準有一點微小的差別。這個差別非常之小， 幾乎與測量誤差相同。如果把它看作是測量誤差， 就不會發現什麽問題。但是， 這個工廠的技術人員沒有簡單地把這個微小差別歸之於誤差而放過。通過認真反複的實驗和正確的分析， 他們肯定了這一微小差別超過了測量誤差， 是真實存在的。進一步追究發生差別的原因， 導致了一項非常有趣的新發現。原來在非洲加蓬的奧克洛鈾礦中， 十幾億年前， 曾經存在這一座天然的核反應堆。它是由於特殊的地質條件和水的存在而形成的。在古代某個時期曾經滿足過發生鏈式核反應的條件， 這座天然核反應堆運轉了約60 萬年， 所以鈾礦中的鈾-235 被消耗掉了一部分。因而， 它的豐度變小了。這件事， 說明誤差分析確實是太重要了。
講完這段插曲， 還回到核裂變的第三個碎片的質量問題。錢三強曾仔細地估算了確定第三個碎片質量的誤差。由於當時實驗條件的原因， 誤差是比較大的， 因此無法對它的質量問題給出確定的結論。直到22 年後， 即在1969 年維也納“裂變的物理和化學”國際會議上， 費瑟才拋棄原來的觀點， 同意錢三強關於三分裂機製的解釋。
今天， 錢三強關於核裂變存在三分裂的理論已為世人所公認， 成為裂變物理的一個重要分支。三分裂現象對核裂變機理的研究有著重要的作用。核裂變是一個複雜的過程， 原子核吸收一個中子後， 受到激發， 形狀發生變化。在形狀被拉長到分裂的過程中， 有兩種力在起作用。核子之間的靜電斥力使原子核的變形增大， 而粒子之間的核力( 吸引力) 卻傾向於使原子核恢複原形。當原子核被拉長到一個被稱為鞍點時， 這兩種力達到平衡。過了鞍點， 靜電斥力占了上風， 變形將繼續增大， 裂變就是不可避免的了。變形的原子核中間收縮， 形成頸部， 到了斷裂點， 碎片真正分開。第三個碎片正好是在斷裂的瞬間發射出來的， 所以它本身的性質， 如重量、電荷、能量分布、角動量分布等， 反映了斷裂點原子核的許多信息， 成為研究核裂變過程中斷裂點特性的一個有效的探針。直到今天， 仍有一些物理學家在繼續深入地研究三分裂現象。
