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2020-03-01改變軍事與能源的力量─核分裂與核融合
603 期
Author 作者
高崇文／中原大學物理系教授，研究領域為高能物理。
原子核也能被裂解：核分裂
核分裂（nuclear fission），是指由原子序數較大的原子核，如鈾（uranium, U）與鈽（plutonium, Pu）分裂成兩個或以上的原子序數較小原子核。核分裂是由邁特納（Lise Meitner）、哈恩（Otto Hahn）及弗里施（Otto Frisch）等科學家於1938年發現，而核分裂的發現過程其實充滿曲折離奇。
1934年，義大利科學家費米（Enrico Fermi）認為利用慢中子撞擊釷（thorium, Th）與鈾所得到的具放射性物質，是原子序高於鈾的新元素。然而當時的德國女化學家諾達克（Ida Noddack）對此想法不以為然，她獨排眾議，認為該物質應是原子序低於鈾的元素，換言之，釷跟鈾元素是被裂解開來！不過由於慢中子傳遞到鈾元素的能量實在很低，難以想像釷與鈾居然能輕易被裂解，所以當時物理界對於諾達克的異議完全無法認同。雖然費米在1938年因為此研究而得到諾貝爾物理獎的肯定，但隨後居禮（Irène Joliot-Curie）卻發現這些超鈾元素的化學性質與週期表的預測完全不吻合，著實讓科學家們傷透了腦筋。最後還是由奧地利女物理學家邁特納找到了答案。
解答核分裂機制
邁特納是出身於奧地利維也納的女科學家，1933年時，因身為猶太人而使她喪失在德國柏林擔任教授的資格。而當1938年奧地利被德國吞併後，她更被迫逃亡到瑞典，在諾貝爾研究所（Nobel Institute）繼續她的研究工作。
同年11月，德國物理學家哈恩與邁特納在丹麥哥本哈根會面後，回到柏林與助手史特曼（Fritz Strassman） 進行實驗，確認鈾被慢中子轟擊後，的確會裂解成鋇（barium, Ba）和鎝（technetium, Tc），而且此過程的產物質量總和小於原先鈾的質量！對實驗結果到不解的哈恩，曾寫信給邁特納，表達自己的疑惑。
後來，邁特納和她的姪子弗里施利用波耳（Niels Bohr）的原子核液滴模型（liquid drop model）進行計算，發現當中子撞擊鈾－235的原子核後，原子核內部在吸收中子的能量後產生劇烈的啞鈴狀震盪，導致原子核結構會因震盪過大而瓦解，產生出兩個質量較小的原子核，並釋放出2~3個新的中子（圖一）。裂解後的兩個原子核總質量小於最初的鈾原子核，此微小的質量差變成了能量。當邁特納透過愛因斯坦的質能轉換方程式E=mc2，計算出每個裂變過程中原子核會釋放2億電子伏特（eV）， 相當於3.24×10-11焦耳的能量。
圖一：核分裂過程。鈾–235被中子撞擊後，因吸收一個中子，轉變為鈾–236，後續鈾–236分裂為兩個較小的原子核：氪–92 （krypton-92）、鋇–141（barium-141）及三個中子。下方為核分裂的反應式。
據說當波耳得知此結果後感嘆道：「啊，我們真蠢啊。」而1939年邁特納和弗里施共同發表的論文《中子導致的鈾的裂體：一種新的核反應》（Disintegration of Uranium by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction），首次提出核分裂的理論基礎。弗里施將此現象命名為核分裂（fission），而哈恩也因為發現核分裂現象，三人共同獲得1944年度的諾貝爾化學獎（1945年頒發）。……【更多內容請閱讀科學月刊第603期】