3. 钱三强与铀核三分裂现象
1947 年， 约里奥・居里在巴黎召开的世界科学工作者大会上宣布： “在我们的实验里， 正在进行一项重要的工作，它本来是由中国的科学工作者开始， 由我们的实验室做了更多的工作， 已证明铀核分裂的新方式―――三分裂和四分裂。
对这新发现， 我们的研究人员做了顽强的细致的工作， 我们将遵守科学界的准则和传统， 立即发表研究论文。
约里奥・居里讲话的第二天， 法国的《人道报》、《人民报》、《时代报》， 中国的《大公报》、《新民报》都作了详细报道。有家报纸的标题是： “中国的‘居里’夫妇， 发现了原子核新分裂法”， 副标题是： “为原子研究开辟新天地， 物理学大师均赞不绝口”。
这里， 中国的“居里”夫妇指的就是钱三强和何泽慧。
正是他们发现了铀核的三分裂和四分裂现象， 而受到如此之高的赞誉。
钱三强是浙江吴兴人。1937 年， 24 岁的钱三强考取中法教育基金委员会公费留学生， 由我国著名物理学家严济慈介绍到法国巴黎大学镭学研究所居里实验室做研究生。他的导师就是居里夫人的长女伊莱娜・居里， 即小居里夫人。1940 年， 钱三强以《α粒子同质子的碰撞》为题的论文， 获得了博士学位。1945 年， 钱三强受导师之命， 赴英国布里斯托大学向著名核物理学家鲍威尔学习核乳胶技术， 学成后回到巴黎， 协助小居里夫妇开展这方面的工作。
何泽慧是钱三强在清华大学物理系读书时的同班同学。何泽慧在1936 年到德国学习， 获得工程博士学位后在德国皇家学院研究核物理学。1946 年， 何泽慧也来到巴黎的居里实验室， 与钱三强结婚并一起从事研究工作。
1946 年10 月， 钱三强和何泽慧去英国剑桥大学参加国际基本粒子与低温会议。在这次会议上， 一张不为人注意的照片， 引起了他们很大的兴趣。英国物理学家费瑟的两个博士生作了关于核乳胶记录中子打击铀核的报告， 在他们的照片中有一张记录到一个三叉形状的粒子径迹。当时， 这两位博士生解释为这是一个射程较长的α粒子。钱三强和何泽慧看到这张照片后， 觉得这个现象很特别， 认为非常值得深入研究。他们打算进行认真的实验。这时， 已是美国在日本广岛和长崎爆炸了两颗原子弹的第二年， 整个世界都被核武器的巨大杀伤力所震惊， 原子弹已成为影响人类前途的重大问题。可是， 原子核裂变的物理过程还没有完全弄清楚。剑桥的这张照片则预示着对于原子核裂变现象， 还有没有认识到的地方。正是基于这样的背景， 钱三强和何泽慧对这种奇怪现象产生了兴趣。
从英国回到巴黎， 钱三强和何泽慧取得小居里夫妇的积极支持， 带领两位法国研究生， 夜以继日地从事研究工作。终于在大量实验的基础上， 从精确的统计数字中发现： 在中子撞击原子核发生裂变时， 每300 次出现一次这种三叉径迹的新奇现象。随后， 何泽慧又发现有四叉径迹的现象， 并且统计出在一万个裂变中会出现一次。他们意识到， 这是一种新的现象： 原子核裂变时， 一分为三。这就是“三分裂”现象。1947 年2 月， 钱三强和何泽慧在美国《物理评论》上发表论文， 第一次对三分裂和四分裂现象作出明确结论， 给出了三分裂变对二分裂变之比为0 。 003 ±0. 001， 四分裂变对二人裂变之比为0 。 0003 ±0 。 0002 。这一年4 月， 钱三强发表了他那著名的论文《论铀三分裂的机制》， 在国际物理学界引起了强烈反响。
费瑟的两位博士生闻讯专程来到巴黎居里实验室， 想亲眼看看三分裂和四分裂现象。钱三强和何泽慧热情接待并满足了他们的要求。心灵手巧的何泽慧只用了10 分钟， 就按标定的坐标从核乳胶中找到了三分裂和四分裂的径迹。原子核乳胶里的径迹非常微小， 一般情况下径迹只有20 多个微米长， 即一根头发丝直径的1/ 3 。观测要在高倍显微镜下进行， 只要有小的变动， 就不好找到。两位英国同行看了这些资料， 十分惊讶。但是， 他们的导师费瑟仍然认为核裂变时的三叉径迹中， 第三个径迹是α粒子的。原子核裂变只是一分为二， 而α粒子是在两个碎片分开后很短时间内， 从一个碎片发射出来的。费瑟称之为“二次发射”。
尽管钱三强作了深入的理论分析。但是， 由于当时的实验条件还不足以精确地测定第三个碎片的质量。这使得钱三强同费瑟的不同见解一时难见分晓。在核裂变现象发现50 周年(1988 年) 时， 钱三强回忆了当时的情况， 并发表了极富启发的看法。
钱三强特别强调了他们仔细地考察了铀核三分裂中， 第三个碎片质量测定的误差问题。他认为， 在物理实验中， 误差分析占有十分重要的地位。在科学发现的历史上， 有许多错误的结论或失败的推断， 往往是由于没有正确地计算出误差的大小而造成的。对误差的估计， 既不能偏大， 也不能偏小。如果把误差估计偏小， 很可能会把引起误差的某些因素遗漏掉， 这自然会产生错误。当然也不能采取所谓“保险”的做法， 即把误差人为地扩大一点， 以为反正不会错。这实际也是不对的。因为如果过高地估计了误差的数值， 有时会把新现象忽略过去。总之， 在复杂情况下， 能不能正确地估计误差， 是一个实验物理学工作成熟与否的重要标志。钱三强还举了一个例子来说明他的这些观点。1972 年， 法国制备浓缩铀的皮埃尔拉特气体扩散工厂的技术人员， 偶然发现一个次级标准样品中铀-235 的丰度( 即铀-235 在总铀量中所占的份额) 与初级标准有一点微小的差别。这个差别非常之小， 几乎与测量误差相同。如果把它看作是测量误差， 就不会发现什么问题。但是， 这个工厂的技术人员没有简单地把这个微小差别归之于误差而放过。通过认真反复的实验和正确的分析， 他们肯定了这一微小差别超过了测量误差， 是真实存在的。进一步追究发生差别的原因， 导致了一项非常有趣的新发现。原来在非洲加蓬的奥克洛铀矿中， 十几亿年前， 曾经存在这一座天然的核反应堆。它是由于特殊的地质条件和水的存在而形成的。在古代某个时期曾经满足过发生链式核反应的条件， 这座天然核反应堆运转了约60 万年， 所以铀矿中的铀-235 被消耗掉了一部分。因而， 它的丰度变小了。这件事， 说明误差分析确实是太重要了。
讲完这段插曲， 还回到核裂变的第三个碎片的质量问题。钱三强曾仔细地估算了确定第三个碎片质量的误差。由于当时实验条件的原因， 误差是比较大的， 因此无法对它的质量问题给出确定的结论。直到22 年后， 即在1969 年维也纳“裂变的物理和化学”国际会议上， 费瑟才抛弃原来的观点， 同意钱三强关于三分裂机制的解释。
今天， 钱三强关于核裂变存在三分裂的理论已为世人所公认， 成为裂变物理的一个重要分支。三分裂现象对核裂变机理的研究有着重要的作用。核裂变是一个复杂的过程， 原子核吸收一个中子后， 受到激发， 形状发生变化。在形状被拉长到分裂的过程中， 有两种力在起作用。核子之间的静电斥力使原子核的变形增大， 而粒子之间的核力( 吸引力) 却倾向于使原子核恢复原形。当原子核被拉长到一个被称为鞍点时， 这两种力达到平衡。过了鞍点， 静电斥力占了上风， 变形将继续增大， 裂变就是不可避免的了。变形的原子核中间收缩， 形成颈部， 到了断裂点， 碎片真正分开。第三个碎片正好是在断裂的瞬间发射出来的， 所以它本身的性质， 如重量、电荷、能量分布、角动量分布等， 反映了断裂点原子核的许多信息， 成为研究核裂变过程中断裂点特性的一个有效的探针。直到今天， 仍有一些物理学家在继续深入地研究三分裂现象。
对这新发现， 我们的研究人员做了顽强的细致的工作， 我们将遵守科学界的准则和传统， 立即发表研究论文。
约里奥・居里讲话的第二天， 法国的《人道报》、《人民报》、《时代报》， 中国的《大公报》、《新民报》都作了详细报道。有家报纸的标题是： “中国的‘居里’夫妇， 发现了原子核新分裂法”， 副标题是： “为原子研究开辟新天地， 物理学大师均赞不绝口”。
这里， 中国的“居里”夫妇指的就是钱三强和何泽慧。
正是他们发现了铀核的三分裂和四分裂现象， 而受到如此之高的赞誉。
钱三强是浙江吴兴人。1937 年， 24 岁的钱三强考取中法教育基金委员会公费留学生， 由我国著名物理学家严济慈介绍到法国巴黎大学镭学研究所居里实验室做研究生。他的导师就是居里夫人的长女伊莱娜・居里， 即小居里夫人。1940 年， 钱三强以《α粒子同质子的碰撞》为题的论文， 获得了博士学位。1945 年， 钱三强受导师之命， 赴英国布里斯托大学向著名核物理学家鲍威尔学习核乳胶技术， 学成后回到巴黎， 协助小居里夫妇开展这方面的工作。
何泽慧是钱三强在清华大学物理系读书时的同班同学。何泽慧在1936 年到德国学习， 获得工程博士学位后在德国皇家学院研究核物理学。1946 年， 何泽慧也来到巴黎的居里实验室， 与钱三强结婚并一起从事研究工作。
1946 年10 月， 钱三强和何泽慧去英国剑桥大学参加国际基本粒子与低温会议。在这次会议上， 一张不为人注意的照片， 引起了他们很大的兴趣。英国物理学家费瑟的两个博士生作了关于核乳胶记录中子打击铀核的报告， 在他们的照片中有一张记录到一个三叉形状的粒子径迹。当时， 这两位博士生解释为这是一个射程较长的α粒子。钱三强和何泽慧看到这张照片后， 觉得这个现象很特别， 认为非常值得深入研究。他们打算进行认真的实验。这时， 已是美国在日本广岛和长崎爆炸了两颗原子弹的第二年， 整个世界都被核武器的巨大杀伤力所震惊， 原子弹已成为影响人类前途的重大问题。可是， 原子核裂变的物理过程还没有完全弄清楚。剑桥的这张照片则预示着对于原子核裂变现象， 还有没有认识到的地方。正是基于这样的背景， 钱三强和何泽慧对这种奇怪现象产生了兴趣。
从英国回到巴黎， 钱三强和何泽慧取得小居里夫妇的积极支持， 带领两位法国研究生， 夜以继日地从事研究工作。终于在大量实验的基础上， 从精确的统计数字中发现： 在中子撞击原子核发生裂变时， 每300 次出现一次这种三叉径迹的新奇现象。随后， 何泽慧又发现有四叉径迹的现象， 并且统计出在一万个裂变中会出现一次。他们意识到， 这是一种新的现象： 原子核裂变时， 一分为三。这就是“三分裂”现象。1947 年2 月， 钱三强和何泽慧在美国《物理评论》上发表论文， 第一次对三分裂和四分裂现象作出明确结论， 给出了三分裂变对二分裂变之比为0 。 003 ±0. 001， 四分裂变对二人裂变之比为0 。 0003 ±0 。 0002 。这一年4 月， 钱三强发表了他那著名的论文《论铀三分裂的机制》， 在国际物理学界引起了强烈反响。
费瑟的两位博士生闻讯专程来到巴黎居里实验室， 想亲眼看看三分裂和四分裂现象。钱三强和何泽慧热情接待并满足了他们的要求。心灵手巧的何泽慧只用了10 分钟， 就按标定的坐标从核乳胶中找到了三分裂和四分裂的径迹。原子核乳胶里的径迹非常微小， 一般情况下径迹只有20 多个微米长， 即一根头发丝直径的1/ 3 。观测要在高倍显微镜下进行， 只要有小的变动， 就不好找到。两位英国同行看了这些资料， 十分惊讶。但是， 他们的导师费瑟仍然认为核裂变时的三叉径迹中， 第三个径迹是α粒子的。原子核裂变只是一分为二， 而α粒子是在两个碎片分开后很短时间内， 从一个碎片发射出来的。费瑟称之为“二次发射”。
尽管钱三强作了深入的理论分析。但是， 由于当时的实验条件还不足以精确地测定第三个碎片的质量。这使得钱三强同费瑟的不同见解一时难见分晓。在核裂变现象发现50 周年(1988 年) 时， 钱三强回忆了当时的情况， 并发表了极富启发的看法。
钱三强特别强调了他们仔细地考察了铀核三分裂中， 第三个碎片质量测定的误差问题。他认为， 在物理实验中， 误差分析占有十分重要的地位。在科学发现的历史上， 有许多错误的结论或失败的推断， 往往是由于没有正确地计算出误差的大小而造成的。对误差的估计， 既不能偏大， 也不能偏小。如果把误差估计偏小， 很可能会把引起误差的某些因素遗漏掉， 这自然会产生错误。当然也不能采取所谓“保险”的做法， 即把误差人为地扩大一点， 以为反正不会错。这实际也是不对的。因为如果过高地估计了误差的数值， 有时会把新现象忽略过去。总之， 在复杂情况下， 能不能正确地估计误差， 是一个实验物理学工作成熟与否的重要标志。钱三强还举了一个例子来说明他的这些观点。1972 年， 法国制备浓缩铀的皮埃尔拉特气体扩散工厂的技术人员， 偶然发现一个次级标准样品中铀-235 的丰度( 即铀-235 在总铀量中所占的份额) 与初级标准有一点微小的差别。这个差别非常之小， 几乎与测量误差相同。如果把它看作是测量误差， 就不会发现什么问题。但是， 这个工厂的技术人员没有简单地把这个微小差别归之于误差而放过。通过认真反复的实验和正确的分析， 他们肯定了这一微小差别超过了测量误差， 是真实存在的。进一步追究发生差别的原因， 导致了一项非常有趣的新发现。原来在非洲加蓬的奥克洛铀矿中， 十几亿年前， 曾经存在这一座天然的核反应堆。它是由于特殊的地质条件和水的存在而形成的。在古代某个时期曾经满足过发生链式核反应的条件， 这座天然核反应堆运转了约60 万年， 所以铀矿中的铀-235 被消耗掉了一部分。因而， 它的丰度变小了。这件事， 说明误差分析确实是太重要了。
讲完这段插曲， 还回到核裂变的第三个碎片的质量问题。钱三强曾仔细地估算了确定第三个碎片质量的误差。由于当时实验条件的原因， 误差是比较大的， 因此无法对它的质量问题给出确定的结论。直到22 年后， 即在1969 年维也纳“裂变的物理和化学”国际会议上， 费瑟才抛弃原来的观点， 同意钱三强关于三分裂机制的解释。
今天， 钱三强关于核裂变存在三分裂的理论已为世人所公认， 成为裂变物理的一个重要分支。三分裂现象对核裂变机理的研究有着重要的作用。核裂变是一个复杂的过程， 原子核吸收一个中子后， 受到激发， 形状发生变化。在形状被拉长到分裂的过程中， 有两种力在起作用。核子之间的静电斥力使原子核的变形增大， 而粒子之间的核力( 吸引力) 却倾向于使原子核恢复原形。当原子核被拉长到一个被称为鞍点时， 这两种力达到平衡。过了鞍点， 静电斥力占了上风， 变形将继续增大， 裂变就是不可避免的了。变形的原子核中间收缩， 形成颈部， 到了断裂点， 碎片真正分开。第三个碎片正好是在断裂的瞬间发射出来的， 所以它本身的性质， 如重量、电荷、能量分布、角动量分布等， 反映了断裂点原子核的许多信息， 成为研究核裂变过程中断裂点特性的一个有效的探针。直到今天， 仍有一些物理学家在继续深入地研究三分裂现象。
