在罗马时的一些发现

在罗马时的一些发现

科宾诺曾有过一个梦想：复兴意大利的物理学。他是那么热爱科学，这科学在意大利自伏打和阿伏伽德罗时代享有了光辉灿烂的历史时期之后，几乎整整一个世纪里毫无一点生气。科宾诺智慧、大度、毫不妒贤忌能，他一眼就认准了费米是实现他梦想的希望。因此，他不遗余力地鼓励、保护和帮助费米。通过意大利政府以及后来通过洛克菲勒财团的奖学金，费米先后到了德国和荷兰。在这两个国家里，他与国际物理学界有了接触。他因此完全摆脱了乡气的意大利人的外表；而从智力上讲在比萨读书期间他就早已不是一个“乡下人”了。

在德国，费米曾随玻恩在哥廷根待过一段时间。在那里，他遇到过海森堡和泡利，但是，这次相遇，总的说来并不很成功，因为费米仍然保持着离群的习性。在莱顿，他交上了好运。埃伦菲斯特赏识了他的才能，并给了他极大的鼓励。费米回意大利后，在弗罗伦萨当上了临时教师。在竞争萨丁尼亚教授职位过程中遇到小小挫折之后的科宾诺，想方设法总算为罗马大学争取到了一个理论物理学教授职位。在意大利，对这门学科设立教授职位是史无前例的，费米被委任此职。同一时期，帕西科也来到弗罗伦萨，不久成了另一位理论物理学教授。到了1927年，由于发现了费米统计原理——适用于遵从泡利不相容原理的粒子，费米获得了国际声誉。

在本书第五章中，我们已读到过，玻色和爱因斯坦揭示的经典统计力学中解释所考虑的粒子的同一性概念所需的变化。尤其是玻色把这种思想应用到光量子上，爱因斯坦则把它用到分子上。然而，他们的这种计算方法并没有考虑到泡利不相容原理的限制，因为当时这还是不知道的。玻色-爱因斯坦统计对不受这一限制的粒子有效，这类粒子一般称为玻色子，它们具有整数的自旋。对于具有半整数自旋的粒子，则它们遵从不相容原理。对此我们必须使用费米统计。这样的粒子称为费米子。由于电子、质子、中子等皆为费米子，所以费米统计具有广泛的用途。例如，这种统计是金属研究的基础。

自费米在罗马定居起，他就总是受到科宾诺的帮助；也为弗朗哥·拉赛蒂（生于1902年）弄到了职位。他们俩开始聚集一群有才华的学生。加入这个小小团体的人员，按时间次序是：我，埃托里·马约拉纳、埃多达·阿玛尔迪（Edoardo Amaldi），以及另一些人。所有这些人都渴望学习，也善于学习。初时，罗马大学中的这个学派主要是研究光谱学和原子理论。但是，当费米和他的朋友们洞察到新的课题更有前途，未来属于原子核物理时，他们随即就改变了研究方向。当然，进行这样的变动需要时间和精力，但是，他们最终取得了很出色的成绩。

我们在前面已经知道，1933年底费米是怎样成功地解决了一个基本的理论问题——β衰变的。这是一项极为重要的工作，其重要性不仅在于成果本身，更主要的是它给汤川秀树的强相互作用的理论建立提供了灵感和模型。关于这方面的情况，我们将在第十二章中讨论。费米的β衰变理论经受了时间的考验。事实上，随着时间的流逝，这一理论越来越显示出了它的重要性来。

罗马取得了国际声誉，从而成了重要的理论物理中心，同时也是实验物理中心。下面叙述这种情况是如何发生的。

为了彻底弄清人工放射性这项重大发现，有必要对实验作些改进，即改用中子来作为入射粒子。在约里奥-居里夫妇的最初实验中，他们每使用百万个α粒子轰击铝靶才得到一次蜕变。产额如此低的主要原因是：由于静电力的作用，铝原子核排斥着射来的α粒子，从而阻碍了这些粒子接近靶核。费米考虑到：要是使用中子作轰击粒子就不会存在这种电性斥力，使产额近于1。另一方面，α的天然放射性发射体和铍组成的中子源，每发射一个α粒子时只发射很少的中子，因为在此中子源中只在发生蜕变时才有中子出现。不过，铍的原子序数为4，故α易于穿透进去。形象地说，中子的使用使得每一种元素都具有象铍一样的穿透性。特别是，对于原子量Z大于10的元素，中子提供了用天然源产生反应的唯一可能性。这些极为简单的想法使费米想到试用中子作为轰击粒子。这就开创了一条通向完全未预料的发展道路。

首先，费米着手按照原子序数增加的次序辐照所有当时能弄到的各种元素。他试了氢、锂、铍、硼、磷、氮及氧都没有见效。但他坚持不懈，继续干下去，最终在氟上显示出了放射性。(https://www.daowen.com)

随后，这一紧张和迅速的研究进行了三年。费米和他的合作者们：阿玛尔迪、O.达戈斯蒂诺（O.D'Agostino）、拉赛蒂及我（后来还有B.庞德科伏（B.Pontecorvo）），首批就发现了约四十种新的放射性物质。这项工作有着极大的实际和理论价值。在研究原子核分类学上不断提供了大量材料。不久，得到了当时所有已知化学元素的放射性示踪物，从而对改革化学和生物学技术有所裨益。

1934年春天，我们用中子辐照了当时所知道的最重要的元素——铀。发现了几个放射性半衰期和若干种放射性物质。对于其它所有元素，我们也观察到了一种或多种（n，α），（n，p）和（n，γ）反应。而且，我们用化学方法验证了：没有一种在铀中生成的放射性可能归于原子序数大于铅的元素。于是，我们以为生成了超铀元素，如用（n，γ）作用于U238生成了U239，经β衰变产生了U239。在这上头我们是搞错了的，至少有部分错。当时确实产生过超铀元素（包括前面介绍过的反应），但我们观察到的却是完全不相同的东西。在巴黎的约里奥-居里夫妇及在柏林的哈恩和迈特纳重复和扩展了我们的实验。他们证实了我们所做的绝大部分的实验结果；而且，通过进一步深入的研究找到了越来越多的物质，不得不考虑可能有更复杂的衰变途径。要作出一些合理假设以得到所形成物质间的产生关系，确定它们在元素周期表末尾中的位置变得越来越困难。我们感到，我们正面临着一个奥秘。当然，我们对它还一无所知。

我们的研究结果以一种谨慎的方式传播着。费米坚决反对命名这些新假设的元素。因为他觉得，要解释好这些实验是很不容易的事。由于1934年费米就已闻名于意大利科学界了，虽然他个人并不愿意有任何形式的名声，费米还是成了意大利科学院（法西斯主义的产物）的院士。我相信，如果不是直接的压力的话，也曾有一些建议要给这些假设的新元素某些以纪念法西斯分子的名字，给法西斯政权增添光彩。如利托立奥（Littorio）。（这些侍从官们（lictors）是佩有作为官职识别符号的法西斯党徽的罗马官员。）具有非凡答辩才能的科宾诺指出说，这些新的元素寿命都很短促，要是用它们来颂扬法西斯主义，那就显得不恰当了。直到1938年，在费米接受诺贝尔奖的演说中，他才提出这些新元素的临时名称来。遗憾的是，正在这个时候，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变。由此，证实了那些元素是由蹩脚的化学产生出来的（用外交辞令来说）。

然而，在1934年的秋天，我们遇到一件极为意外的事。经过细致的观察，一个偶然的机会我们发现：通过石蜡过滤后的中子产生核反应比直接从镭+铍的源所产生核反应要有效得多。一俟确证了这一事实之后，费米提出了那个出人意料的解释：即中子通过石蜡，由于弹性碰撞的缘故使之放慢了速度。在产生某种核反应上，慢中子比快中子的效率要大得多。在几小时之内，我们就能检验这种假设，就在1934年10月22日那天晚上，由费米、阿玛尔迪、庞德科伏、拉赛蒂和赛格雷签名的一页关于严格确立的这个事实和他们对此的解释报告（图10.3）。对于所有作者来说，这无疑是他们各自的一生中最为杰出的著作之一。慢中子重要的实际应用的可能性并没有逃过科宾诺的眼力。他主张我们应该把它申请一项专利。虽然当时谁也没有意识到，慢中子将是核能利用的关键。

到了1935年，这是发生埃塞俄比亚战争、西班牙内战，以及其它一些二次大战的序幕战争的一个年头。有识之士十分清楚地看到：欧洲的局势使它即将卷入一场灾难。大约在这个时候，由于种种原因，这个罗马小组自行解散了。拉赛蒂担心和厌恶这一局势，到美国来了；我去离罗马相当远的西西里岛的巴勒莫大学当物理教授；庞德科伏加入了巴黎的约里奥小组；而费米和阿玛尔迪仍留在罗马。不幸的是，1937年科宾诺意外地去世了。这种越来越恶化的局势更进一步迫使我们这个小组彻底解散。由于罗马-柏林轴心的形成（柏林方面说成柏林-罗马轴心），意大利听命于德国，意大利反犹太人法律的公布，以及随之而来的其它蛮干政策，使得这里的局势益发不可收拾。