1939—1943年苏联核裂变理论研究工作述论_张广翔.pdf

史 学 月 刊 2 0 2 3年 第8期1 9 3 91 9 4 3年苏联核裂变理论研究工作述论*张 广 翔 高 腾 摘 要1 9 3 91 9 4 3年,苏联在核裂变理论研究领域开展了大量卓有成效的工作。苏联物理学家和化学家依托苏联科学院下属机构积极开展组织工作,有效整合相关科研力量,为核裂变理论研究提供了间接保障。各研究机构努力执行相关的研究计划,为核裂变理论研究提供了直接保障。通过共享和情报两种方式,苏联获得了国外相关研究成果,推动了国内的研究进展。赫洛平团队和库尔恰托夫团队取得了丰硕的研究成果,实现了理论突破,为苏联核计划的开展和核武器的研制奠定了坚实的科学理论基础。关键词苏联;核裂变理论;核物理研究;赫洛平团队;库尔恰托夫团队;核计划 中图分类号K 2 1 2.5 4 文献标识码A 文章编号0 5 8 3 0 2 1 4(2 0 2 3)0 8 0 0 7 7 1 0*1 9 3 91 9 4 3年,苏联在核裂变理论研究领域开展了诸多工作,取得了丰硕的成果,为核计划的开展奠定了科学理论基础。因此,若要从更深层次上理解苏联核计划,就需要首先探讨苏联核裂变理论研究方面的问题。苏联解体前夕,就有苏联学者关注此问题,梳理、分析苏联开展核裂变理论研究的部分工作及所取得的成果。美国学者霍洛韦也长期关注此问题,对二战时期苏联开展的核裂变理论研究工作及其成果作了客观的介绍与评价。苏联解体后,由于相关档案解密,中国学者也开始介入与苏联核计划相关的问题的研究。物理学者最早关注该问题,介绍了苏联知名核物理学家所取得的成果;近年来,历史学者积极介入,并取得了一定的成果。但是,现有研究大多关注苏联核计划的理论背景和苏联物理学发展问题,缺乏从历史学角度对此问题作更加系统、深入的探讨。选编性质的苏联核武器研制官方档案文献资料汇编 苏联核计划:文献资料 中,共有1 1 1份文件涉及苏联核裂变理论研究工作。本文主要以此为史料基础,借鉴国内外学者的已有研究成果,从组织工作的开展、研究计划的执行以及理论成果的取得三个层面,对苏联核裂变理论研究工作进行梳理与分析,以期从理论源头上理解苏联核计划。一 组织工作的双轨推进1 8 9 6年,法国物理学家贝克勒尔(A n t o i n eB e c q u e r e l)发现了天然放射性现象,核能利用成为了科学家致力达成的目标。1 9 3 8年年底核裂变的发现,使这一目标即将成为现实。这不仅因为在裂变过程中释放出大量能量,更重要的是,每次裂变都伴随着中子的发射。这些中子使裂变自持地继续下去,形成链式反应,从而使原子能的大规模利用成为可能。核裂变的发现,使人类有希望利用巨大的核能储备77*基金项目:国家社会科学基金重大项目“苏联核计划档案文献资料翻译整理研究”(1 5 Z D B 0 6 4)。.亚历山德罗夫:苏联科学六十年(.,)第4 4卷第1册,莫斯科:原子能出版社1 9 8 7年版,第51 4页。戴维霍洛维:“进入核军备竞赛:苏联制造原子弹的决定(1 9 3 91 9 4 5)”(D a v i dH o l l o w a y,“E n t e r i n gt h eN u c l e a rA r m sR a c e:t h eS o v i e tD e c i s i o nt oB u i l dt h eA t o m i cB o m b,1 9 3 91 9 4 5”),科学社会研究(S o c i a lS t u d i e so fS c i e n c e)第2 0期(1 9 8 1年),第1 5 91 9 7页。徐载通:物理学家库尔恰托夫,现代物理知识1 9 9 3年第4期,第3 73 9页。刘玉宝:早期苏联核计划研究(博士学位论文),吉林大学2 0 0 9年;张广翔、金丹:苏联原子弹之父库尔恰托夫与苏联核计划,吉林大学社会科学学报2 0 2 1年第4期,第1 8 62 0 3页;许金秋:赫洛平镭学研究所与苏联核计划,吉林大学社会科学学报2 0 2 1年第4期,第2 1 12 1 7页。杨福家、王炎森、陆福全:原子核物理,上海:复旦大学出版社1 9 9 3年版,第2 8 0 2 8 1页。造福于自身。但是,当时的世界政治局势注定科学家为探索核能利用而进行的努力主要用于研制作为战争武器的核武器。核裂变的发现是科学史、也是世界历史的一个重大转折点。核裂变发现之初,苏联物理学家和化学家表现出极大的科研兴趣,更重要的是,他们看到了核能经济利用、军事利用的巨大潜力。因此,如何开展组织工作推进核裂变理论研究,就成为摆在他们面前最迫切的问题。1.物理学家主导的工作以约费(.)、库尔恰托夫(.)等人为代表的苏联物理学家十分重视核裂变理论研究工作。1 9 3 8年1 1月2 5日,苏联科学院(以下简称科学院)主席团通过了 关于在科学院开展核研究工作的决定,开始初步整合苏联核物理研究力量。决定指出,将核物理研究工作集中到科学院并在物理数学科学部设立一个常设的原子核委员会(以下简称核委员会),成员包括瓦维洛夫(.)、约费、库尔恰托夫等。1 9 3 9年至苏德战争爆发,物理数学科学部及其下辖的核委员会是苏联物理学家组织核裂变理论研究工作的主要机构。物理数学科学部及核委员会主要从三个方面开展组织工作。第一,审议研究计划、考察研究内容、指导研究方向。1 9 3 9年2月2 7日,核委员会审议了乌克兰技术物理研究所冲击应力实验室1 9 3 9年的工作计划,要求实验室开展铀核和钍核的裂变过程研究,建议其立即扩大核裂变理论研究领域、吸收化学家参加工作、与其他实验室建立紧密联系。可见,在核裂变理论研究初期,物理学家已经认识到了与化学家合作的必要性。5月2 6日,阿里汉诺夫(.)在物理数学科学部的会议上报告了对哈尔科夫技术物理研究所(前身为乌克兰技术物理研究所)的考察结果,指出列伊彭斯基(.)的实验室正在研究铀核裂变,且已证明慢中子可致铀核、钍核裂变。1 9 4 0年6月2 7日,物理数学科学部审议并通过了阿里汉诺夫提交的1 9 4 01 9 4 1年核物理研究所工作计划。9月2 6日,物理数学科学部针对各研究所1 9 4 1年工作计划重点方向召开扩大会议,核委员会讨论了镭研究所、列宁格勒技术物理研究所、化学物理研究所等机构关于核裂变理论研究的工作计划。第二,进一步探讨研究工作的组织问题。1 9 3 9年1 1月2 7日,物理数学科学部召开了一次会议,对核裂变理论研究的组织工作进行讨论。物理数学科学部当日做出决议:委托核委员会召开专门的小型会议;听取铀核裂变报告;邀请化学家参加讨论;在科学院全体会议上安排关于核能利用的报告,并将此事通知科学院主席团。科学院主席团的参与,表明苏联核裂变理论研究在开展之初就从核物理其他领域的研究中脱颖而出,其重要性上升到苏联科学的最高层面。1 9 4 0年2月2 6日,库尔恰托夫在物理数学科学部会议上做了关于铀问题的报告,约费等人也进行了讨论。库尔恰托夫指出,苏联的核裂变理论研究进展缓慢,希望物理数学科学部就此问题通过明确的决议。第三,召开核物理大会。1 9 3 91 9 4 0年,物理数学科学部组织召开了第四届和第五届全苏核物理大会。全苏核物理大会是专门讨论核物理问题的会议,是苏联组织和协调核研究的重要形式之一。第四届、第五届全苏核物理大会对世界范围内核裂变理论研究及与其相关的链式反应应用可能性的问题给予了极大关注,在苏联核裂变理论研究中发挥了重要作用。1 9 3 9年1 1月,第四届全苏核物87.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料.(.),:第2卷第6册,莫斯科 萨罗夫:全俄实验物理学研究所出版社2 0 0 6年版,第7页。戴维霍洛维:“关于早期苏联、美国、英国和德国项目的一些观点”(D a v i dH o l l o w a y,“S o m eT h o u g h t s o n t h eE a r l yS o v i e t,Am e r i-c a n,B r i t i s ha n dG e r m a nP r o j e c t s”),.维利霍夫主编:科学与社会:苏联核计划史文集(2 0世纪4 05 0年代).(.),:(4 0-5 0-)第1卷,莫斯科:原子能出版社1 9 9 7年版,第9 5页。.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料.(.),:第1卷第1册,莫斯科:科学出版社1 9 9 8年版,第4 44 6,5 5、6 5、1 1 61 2 1、1 5 8,7 98 7、9 51 0 4页。铀问题即是与铀元素核能利用相关的问题之统称,而其科学理论基础就是核裂变理论,因而核裂变理论研究是铀问题中一个具有决定性意义的子问题。.索科洛夫斯基编:库尔恰托夫研究所核计划史(.(.),.)第1册,莫斯科:库尔恰托夫研究所出版社1 9 9 5年版,第6 7页。理大会共收到3 6份报告,1 2 0名学者与会。1 9 4 0年1 1月,第五届全苏核物理大会共收到约五十份报告,两百多位学者出席。库尔恰托夫、哈里顿(.)、弗廖罗夫(.)等人就核裂变研究问题提交了报告。1 9 4 1年6月苏德战争爆发后,苏联核裂变理论研究中止。当时,弗廖罗夫发现,英美期刊上已无任何关于核裂变理论研究的文章,因此意识到西方国家可能正在研制核武器。1 9 4 1年1 2月,弗廖罗夫就此事致函国防委员会主席斯大林,建议立即开始研制核武器。1 9 4 2年秋,卡夫塔诺夫(.)收到此函并咨询约费,二人起草了一份恢复核研究的国防委员会指令草案。9月2 8日,国防委员会发布了该决议 2 3 5 2号关于组织开展铀研究工作的决议。根据这项决议,科学院主席团组建原子核专门实验室(以下简称核专门实验室),库尔恰托夫担任负责人。核专门实验室成立后,就成为了核裂变理论研究的领导机构。可见,核裂变理论研究的重要性已上升到国家层面。至此,苏联核裂变理论研究的管理体系完成了从科研管理机构 科学家模式到政府机构 科研管理机构科学家模式的转变。虽然苏联核计划直至1 9 4 5年才全面展开,但这种科研管理模式已提前开始运转。这种模式一则为核计划开展积累了组织经验,二则提升了工作效率,三则将科学家从繁琐的组织工作中解放出来,使他们能够全身心地投入到具体研究工作中。不过,由于当时苏联与德国鏖战正酣,无暇顾及尚处理论论证阶段的核裂变理论研究,因此实验室仅开展了些许工作。核专门实验室的工作内容主要是安排研究任务、指导研究方向。1 9 4 3年1月2 5日,核专门实验室发布了当年的工作计划,在“铀核裂变过程物理学”这一部分为列宁格勒技术物理研究所、镭研究所安排了研究任务。翌日,核专门实验室又发布了1 9 4 3年工作计划说明,其中指出了两个研究方向:证明天然铀不可能产生爆炸性质和燃烧性质的核反应,即天然铀不能直接用于核反应,换言之,天然铀既不能用于获取核电,也不能用于制造核武器;证明只有制取开展核裂变理论研究所需的浓缩铀2 3 5,进而观察浓缩铀产生的核爆炸的初始阶段,才能获取关于产生核爆炸所需浓缩铀数量的数据。2.化学家主导的工作由于核裂变现象是在放射化学的研究过程中发现的,因此以韦尔纳茨基(.)、赫洛平(.)为代表的苏联化学家也积极开展组织工作。韦尔纳茨基是苏联最早对核裂变理论研究的组织工作问题给予高度关注的科学家之一。1 9 4 0年6月初,韦尔纳茨基收到了其子从美国华盛顿寄回的一份关于核能利用的剪报。他对此极为重视,并与赫洛平就铀矿勘探计划致函科学院地质地理科学部。6月2 5日,地质地理科学部对该计划进行了审议。翌日,科学院成立了“三人小组”机构,成员包括韦尔纳茨基、赫洛平、费尔斯曼(.),其任务是制定与核能利用相关的措施草案。7月1 2日,“三人小组”向人民委员会副主席布尔加宁(.)提交了关于核能工业利用的报告。报告指出,存在通过控制核裂变过程获取核能的可能性,请求政府采取措施。同日,韦尔纳茨基和赫洛平还向科学院主席团提交了一份报告,详细阐述了1 9 4 11 9 4 2年必要的组织措施计划。7月1 6日,科学院主席团审议了该报告并决定:责成韦尔纳茨基等人制定铀原子内能利用计划;责成“三人小组”就铀原子内能利用的科学和实用97.维兹金:原子纪元:科学院的贡献(.,:.),莫斯科:俄罗斯科学院档案馆出版社2 0 1 0年版,第1 1页。.维利霍夫主编:科学与社会:苏联核计划史文集(2 0世纪4 05 0年代).(.),:(4 0-5 0-)第2卷,莫斯科:原子能出版社1 9 9 9年版,第3 6页。.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料 第2卷第6册,第1 81 9页。.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料 第1卷第1册,第2 6 92 7 1、3 0 9,2 9 93 0 0、3 0 2,1 2 11 2 2页。需要指出的是,核裂变理论研究虽然属于核物理研究,但其与化学领域关系密切,因而上述化学家(属于物理化学家,或称核化学家)也参与了相关研究。.格林贝格、.弗伦克尔:伊戈尔瓦西里耶维奇库尔恰托夫在技术物理研究所(1 9 2 51 9 4 3)(.,.,-(1 9 2 51 9 4 3),列宁格勒:科学出版社1 9 8 4年版,第1 0 6页。意义等内容向人民委员会提交报告。此后,韦尔纳茨基还向人民委员会主席莫洛托夫阐明了核裂变理论研究对国家的意义,也指出了美国相关研究规模宏大的状况。7月3 0日,科学院主席团召开会议,决定成立铀问题委员会(以下简称铀委员会),赫洛平、韦尔纳茨基等1 4人进入委员会。铀委员会在核裂变理论研究领域开展了一定的组织工作。其一,审查工作计划。1 9 4 0年9月9日,库尔恰托夫向铀委员会主席赫洛平提交了列宁格勒技术物理研究所1 9 4 01 9 4 1年的铀问题工作计划,其中三项工作涉及核裂变理论研究。9月1 6日,铀委员会召开会议,审查化学物理研究所、列宁格勒技术物理研究所和镭研究所关于核裂变理论研究的最新工作计划。1 9 4 1年5月1 7日,铀委员会在镭研究所举行例会,听取化学物理研究所、镭研究所、列宁格勒技术物理研究所、哈尔科夫技术物理研究所关于裂变链式反应计算等工作的报告。其二,制定工作总计划。1 9 4 0年7月3 0日,科学院主席团会议要求铀委员会制定1 9 4 1年科学院铀问题科研工作计划。1 0月1 5日,科学院主席团批准了铀委员会提出的1 9 4 01 9 4 1年铀问题工作计划。计划要求:查明铀和钍的裂变机制,查明正常的铀同位素混合物和钍同位素混合物发生链式反应的可能性。1 9 4 2年9月2 8日后,核专门实验室承担了核裂变理论研究的领导工作。苏联化学家就恢复铀委员会工作做了一定的努力,但随着2号实验室的成立,铀委员会的工作宣告结束。比较苏联物理学家和化学家所开展的组织工作就可发现,二者工作方向迥异,这主要是由于二者专业领域差异,致使他们对核裂变理论研究的认识不同。物理学家希望先开展核裂变理论研究,因此当时更倾向于在科研体系内组织研究工作;化学家则希望寻求政府介入,开展铀矿勘探工作,以解决铀元素供应问题,避免将来陷入“无米之炊”的窘境。尽管物理学家和化学家之间存在分歧,但其中并无意识形态或政治色彩,也没有任何破坏或反马克思主义的指控。不过,这种差异也从侧面反映了一个问题,即苏联科研力量的整合力度不够,科学院未能发挥有效的科研领导作用。核裂变理论研究本身就是需要物理学家和化学家通力合作解决的一大理论难题,从上述可知,二者确实存在合作关系,但形式性比实用性的意味更浓烈。二 研究计划的执行核裂变发现之初,苏联的镭研究所和列宁格勒技术物理研究所已在核物理领域深耕多年,自然根据相关研究计划率先开展研究工作。1 9 4 3年2月,2号实验室一经成立就成为了铀问题的领导机构,积极在此领域开展工作。1.镭研究所镭研究所是苏联最早开展核裂变理论研究的机构之一,其承担的研究计划集中于裂变过程、裂变产物、核反应机制、人工放射性等领域。1 9 3 9年1月,赫洛平在镭研究所的研讨会上报告了核裂变发现的消息。与会者一致认为这一现象具有重要意义,并从专业角度阐明了对使用放射化学方法和物理学方法研究核裂变的必要性。当时,核能利用问题已成为镭研究所的工作重心。赫洛平对此指出了六大工作方向,其中一项就是“核反应研究和获得人工放射性元素的方法”。5月4日,赫洛平在科学院主席团所做的报告中指出,镭研究所的回旋加速器可用于核裂变理论研究:研究原子核俘获快中子的问题;证实在中子作用下重核发生新型裂变,分裂成质量相近的两部分;研究在新型铀核裂08.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料 第1卷第1册,第1 2 41 2 5,1 2 71 3 0,1 4 21 4 7、2 3 22 3 3,1 2 8、1 6 9、1 8 61 8 7页。.维利霍夫主编:科学与社会:苏联核计划史文集(1 9 4 01 9 5 0年代)第1卷,第4 5页。戴维霍洛维著,.季亚科夫、.弗伦克尔译:斯大林与原子弹:苏联与核能(1 9 3 91 9 5 6).:,1 9 3 91 9 5 6(.,.,新西伯利亚:新西伯利亚历史文献出版社1 9 9 7年版,第1 0 2页。.梅谢利亚科夫:“.赫洛平:攀上最后高峰”(.,“.:”),自然()1 9 9 3年第3期,第9 4、9 6页。.乌沙科娃:维塔利格里戈里耶维奇赫洛平(1 8 9 01 9 5 0)(.,1 8 9 01 9 5 0),莫斯科:科学出版社1 9 9 0年版,第2 7 1页。变过程中形成的诸多产物的化学性质。1 9 4 0年9月1 3日,科学院主席团在关于1 9 4 1年主要任务的决议中指出,镭研究所应在核反应机制、人工放射性等方面开展研究工作。9月2 6日,物理数学科学部委员会为镭研究所拟定了研究计划:人工放射性和核反应的研究,衰变产物(铀裂变过程的细节问题)的研究。9月2 8日,铀委员会制定了镭研究所1 9 4 1年的工作计划:检验借助加速器分离铀同位素的方法,精确测量铀2 3 8的共振位置和宽度,研究铀核裂变机制,测量纳入铀反应计算的常数。1 0月1 5日,科学院科研和地质勘探单位及其他部委发布了1 9 4 01 9 4 1年铀问题工作计划,镭研究所承担了铀和钍重核裂变机制的实验研究方面的五项小课题:(1)要求提出研究铀核和钍核裂变碎片光谱精细结构的方法,利用铀2 3 4研究裂变过程。铀2 3 8中子共振吸收的研究。(2)要求确定铀2 3 8中子共振吸收频带的结构。铀核和钍核裂变产物的射线谱研究。(3)要求确定铀核和钍核某些裂变产物粒子的能量。铀核自发裂变现象研究。(4)要求确定自发裂变现象与宇宙射线的相关性。铀核和钍核裂变产物的化学性质研究。(5)要求提出包含长寿命惰性气体的铀裂变产物衰变系。1 9 4 1年1月2 0日,库尔恰托夫建议,镭研究所应将关于铀核裂变过程释放大量中子之假设的实验纳入研究计划。1 9 4 1年秋,镭研究所因战争原因转移至喀山。赫洛平十分清楚核裂变理论研究的重要性和紧迫性,因此领导研究所继续研究铀的化学特性以及中子致铀核裂变的过程。1 9 4 2年9月底,国防委员会发布了恢复核研究的决定,但是该决定并未包含镭研究所在该领域已开展工作的任何说明。1 9 4 3年1月1 5日,赫洛平在给约费和卡夫塔诺夫的信中指出,镭研究所可参与核裂变理论研究的工作:验证含高纯金属铀的天然同位素混合物不能发生自持的裂变链式反应,验证慢中子不能使天然同位素混合物发生自持的裂变链式反应。1 9 4 3年1月2 5日,核专门实验室制定了镭研究所1 9 4 3年的研究计划:证明天然铀 水混合物不能产生核燃烧,与列宁格勒技术物理研究所共同确定能量为2 0 08 0 0千伏的中子引起的铀2 3 5的核裂变截面。2.列宁格勒技术物理研究所和2号实验室列宁格勒技术物理研究所是苏联老牌物理研究机构,由约费等物理学家领导工作,其执行的研究计划主要集中在裂变过程、裂变链式反应等领域。1 9 3 9年年初,库尔恰托夫的实验室已为核裂变实验做好了准备。库尔恰托夫组织了一次关于铀核和钍核裂变的研讨会,并拟定了研究计划:确定裂变过程是否发射二代中子;若结论肯定,进一步确定二代中子的数量。1 0月2 0日,列宁格勒技术物理研究所发布了1 9 4 0年核物理科研选题计划。库尔恰托夫实验室拟开展中子与铀核、钍核相互作用的研究:确定铀核和钍核俘获快中子时是否发射二代中子,若结论肯定,进而确定二代中子的能量;研究快中子非弹性散射现象,确定中子俘获截面与散射截面的关系;确定铀核俘获慢中子过程中的裂变数据;研究铀核俘获中子现象,为查明裂变链式反应的可能性及其实现条件提供必要的实验数据。1 9 4 0年8月2 4日,约费在给科学院主席团秘书斯韦特洛夫(.)的报告中提及研究所应承担的工作:研究碳核及某些原子核的中子吸收和散射,筹备铀核裂变链式反应实验。8月2 9日,库尔恰托夫等物理学家就铀研究工作计划致函斯韦特洛夫。他们指出了列宁格勒技术物理研究所拟开展的两项工作:确定金属铀块中链条的分支条件,确定重氢、氦等轻元素俘获慢中子的有效吸收截面。9月9日,库尔恰托夫就列宁格勒技术物理研究所铀问题工作计划致函赫洛平。库尔恰托夫指出了拟开展的研究工作:研究铀核自发裂变现象,研究铀2 3 8发生裂变链式反应的条件,确定重氢等原子核的慢中子俘获截面。9月2 6日,鲁西诺夫(.)在核委员会会议上指出,列宁格勒技术物理研究所负责查明快中子反应概率和轻同位素俘获温和中子的情况。9月2 6日,在物理数学科学部的会议上,瓦维洛夫指出了列宁格勒技术物理研究所的工作计划:研究描述衰变过程的常数,研究与核反应计算相关的问题。9月2 8日,列伊彭斯基在铀委员会的会议上指出,列宁格勒技术物理研究所拟开展关于氧、氢、碳的慢中子俘获截面值的18.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料 第1卷第1册,第6 0、1 4 3、1 5 71 5 8、1 6 21 6 3、1 8 8、2 1 9,2 9 5、2 9 93 0 0,7 77 8、1 3 5页。.格林贝格、.弗伦克尔:伊戈尔瓦西里耶维奇库尔恰托夫在技术物理研究所(1 9 2 51 9 4 3),第1 0 61 0 7页。测量工作。因现有数据不可靠,研究所需开展数据核查工作。1 0月1 5日,科学院科研和地质勘探单位及其他部委发布了1 9 4 01 9 4 1年的铀问题工作计划,其中列宁格勒技术物理研究所承担三项小课题:继续研究铀核自发裂变现象,于1 9 4 0年年底彻底查明衰变现象与宇宙射线的相关性;测量氢核、碳核和氧核慢中子的俘获截面;研究非弹性散射对核反应过程的影响并测定铀2 3 8裂变过程中发射的中子数。苏德战争爆发后,列宁格勒技术物理研究所的核裂变理论研究中止。1 9 4 1年7月,弗廖罗夫在给约费等人的报告中指出,列宁格勒技术物理研究所应研究爆炸性裂变链式反应,即快中子引起的核裂变反应,并拟定了重点研究内容。1 9 4 2年1月2 5日,核专门实验室制定了列宁格勒技术物理研究所1 9 4 3年的工作计划。研究所在“铀裂变过程物理学”项目中负责:证明天然铀不能产生核爆炸,观察天然铀和部分浓缩的铀2 3 5产生的核爆炸的初始阶段。1 9 4 3年2月后,列宁格勒技术物理研究所的研究团队逐渐转入了新成立的2号实验室。3月,库尔恰托夫被委任为实验室主任,他立即开始恢复核裂变理论研究。2号实验室的研究计划主要集中于与核裂变技术应用相关的理论研究等领域。7月4日,库尔恰托夫在对美国铀问题研究情报的分析中指出,2号实验室拟开展镎和钚的研究、中子慢化的研究。7月7日,在给别尔乌辛的报告中,库尔恰托夫指出了实验室1 9 4 3年的研究计划:通过实验测定铀2 3 8中等能量中子俘获截面的工作;为了确定纯金属铀是否适合建造核反应堆,拟测定铀2 3 8中等能量中子的俘获截面和中等能量中子作用下铀2 3 5的裂变截面。8月1 8日,2号实验室发布了1 9 4 3年下半年的工作计划,涉及核裂变理论研究的有一项内容:测定铀2 3 5和铀2 3 8的一系列数值(核反应堆和核弹设计需掌握这些数值)。具体包括:测定铀2 3 8对能量为数十万电子伏特中子的吸收情况,测定快中子辐照作用下铀核裂变发射的二代中子数,通过实验测定慢中子作用下铀2 3 5裂变过程中的中子损失及发射的二代中子数。综观上述内容不难发现,镭研究所执行的研究计划冗杂、范围广、强度低,这表明计划制定者对镭研究所的科研强项缺乏必要的了解。以赫洛平为首的化学家擅长人工放射性、裂变产物等问题的研究,虽然镭研究所也有一小批以梅索夫斯基(.)为首的核物理学家,但其专攻的研究领域是荷电粒子加速器,因此其他理论领域的研究工作难有实际进展。相对而言,列宁格勒技术物理研究所和2号实验室执行的研究计划则针对性很强,研究领域也相对集中。这说明在众多计划制定者中物理学家的比重远超化学家,如此一来,化学家在核裂变理论研究领域逐渐被边缘化,但是,化学家擅长的研究领域对于核裂变理论的技术应用具有举足轻重的作用。这也从另一个层面解释了缘何苏联在核武器技术理论攻关阶段滞后于美国的事实。三 理论成果的借鉴与突破苏联科学家在研究过程中并未闭门造车,而是通过各种方式积极吸纳国外核裂变理论研究的有益成果,为己所用。最终,苏联科学家取得了丰硕的成果,实现了核裂变理论研究的突破。1.借鉴国外核裂变理论研究成果苏联主要通过两种方式获得了国外成果,推动国内的研究进展。第一,共享的方式。2 0世纪3 0年代末4 0年代初,核物理是一门纯理论性学科,各国核物理学家可以共享研究成果。核裂变发现前,苏联核物理学家与国外科学家保持着长期的交流。他们能够及时共享核裂变发现的消息及后续研究成果,正是得益于这种良好的交流传统。限于篇幅,这里仅就其中与核武器研制密切相关的成果进行介绍。1 9 3 8年年底1 9 3 9年年初,德国科学家哈恩(O t t oH a h n)28.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料 第1卷第1册,第1 4 2、1 5 4、1 5 8、1 6 3、1 8 81 8 9,2 9 93 0 0,3 5 8、3 6 13 6 2、3 8 73 8 8页。.戈洛文:.库尔恰托夫(.,.),莫斯科:原子能出版社1 9 7 8年版,第5 7页。张广翔、高腾:粒子加速器建设与苏联核计划 核物理研究实验基础的构建(1 9 3 21 9 5 7),史学集刊2 0 2 2年第2期,第4 4页。和斯特拉斯曼(F r i e d r i c hS t r a s s m a n n)确认中子辐照铀的产物为钡、镧等元素周期表中间位置的元素。1 9 3 9年2月1 8日,迈特纳(L i s eM e i t n e r)与弗里希(O t t oF r i s c h)发表了相关的实验验证结果,并首次使用了“核裂变”概念。3月,弗雷德里克约里奥 居里(F r e d e r i cJ o l i o t-C u r i e)等科学家通过实验证明裂变反应发射二代中子,这成为了核武器研制的实验基础之一。同月,津恩(W a l t e rZ i n n)和西拉德(L e oS z i l a r d)通过实验测定了二代中子的平均数,从理论上证实了链式反应的可能性。9月1日,玻尔(N i e l sB o h r)和惠勒(J o h nWh e e l e r)发表了一篇关于裂变理论的论文,独立提出了一个在与中子相互作用的情况下重核中发生现象的一般性理论。早在1 9 3 8年年底,约费就已获悉核裂变发现的消息,这足以说明苏联科学家能够迅速获取核裂变理论研究的成果。第二,情报的方式。核裂变现象一经发现,美、苏等国科学家就意识到,有可能利用核裂变理论研制原子弹。1 9 4 0年下半年,欧美国家的核裂变理论研究均已保密,情报几乎成为苏联获取国外核裂变理论研究成果的唯一途径。情报在苏联核裂变理论研究中主要发挥了两种作用。第一,在战时核裂变理论研究的恢复中起到刺激作用。1 9 4 1年1 0月1 0日,基于一份从英国获取的关于研制核武器的情报,内务人民委员部第四保密处处长克拉夫琴科(.)向人民委员贝利亚(.)提交了一份报告。他指出,英国正在铀核裂变军事利用领域开展重大研究,建议苏联成立专门委员会,并责成其就苏联开展原子能军事利用研究的可能性提出意见。1 9 4 2年5月,红军总参谋部的领导在给科学院的一封信函中表示,情报显示国外已开始将铀核裂变能用于军事目的研究,请分析核技术是否具有开展研究的价值。8月至9月初,卡夫塔诺夫收到了红军总参谋部发送的关于核裂变理论研究的大量情报。在情报的持续刺激下,卡夫塔诺夫与约费致函国防委员会,提出了恢复核裂变理论研究的建议。1 9 4 2年9月2 8日,国防委员会通过了该决定。值得注意的是,诸多情报材料于苏联科学家而言并无实质意义,但其佐证了国外开展核裂变军事利用研究的真实性,刺激苏联恢复核裂变理论研究。第二,在核裂变理论研究中起到实质性作用。1 9 4 21 9 4 3年,库尔恰托夫整理出英国情报中的几点重要内容:天然铀与重水可能发生链式反应,这是解决核反应堆问题的方案之一;快中子致铀2 3 5裂变的截面值,由此可估算出铀弹的临界质量;证实了铀核自发裂变现象,这与铀弹装药的最低接近速度有关系;每次裂变产生的二代中子数、查德威克(J a m e sC h a d w i c k)所绘的二代中子随能量变化分布的曲线图,这对于原子弹研制具有基本意义。1 9 4 3年,库尔恰托夫分析了美国情报中的重要内容:铀2 3 8可用于核反应堆,且其燃烧产物钚2 3 9可代替铀2 3 5作为原子弹装药;碳的慢中子俘获截面,这与反应堆中石墨的使用密切相关;关于铀2 3 5、镎和钚的核物理性质的数据;中等能量中子致铀2 3 5裂变的研究成果。综上,国外成果在苏联核裂变理论研究中起到了重要作用,但归根结底,这种作用只是辅助性的,只具有借鉴和启发的意义。苏联核裂变理论研究仅靠舶来品并不能完成理论突破,重点还应着眼于国内取得的成果。2.国内核裂变理论研究的突破以赫洛平团队、库尔恰托夫团队为代表的苏联科学家在核裂变理论研究领域取得了丰硕的成果,实现了理论突破。赫洛平团队主要包括赫洛平及其领导下的镭研究所的科研人员,其研究成果主要集中于裂变产物领域。1 9 3 9年年初,日丹诺夫(.)、梅索夫斯基描述了关于铀核裂变中反冲核(后来称为裂变碎片)的首批实验,确定了两个裂变碎片的总射程。这是苏联裂变产物研究最早获得的成果。1 9 3 9年,赫洛平等人观测到铀核裂变产物中存在锑和碲,证明铀核裂变存在第三种模式;发现一38.伊科宁:苏联原子(.,),萨拉托夫:萨拉托夫大学出版社1 9 7 5年版,第3 8 7、3 8 83 8 9页。.维利霍夫主编:科学与社会:苏联核计划史文集(2 0世纪4 05 0年代)第2卷,第1 3页。.戈洛文:.库尔恰托夫,第4 54 6页。.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料 第1卷第1册,第2 4 22 4 3、2 6 6,2 7 62 7 8、3 1 83 1 9、3 2 73 2 8、3 3 63 4 0、3 5 53 5 9页。参见.维利霍夫主编:科学与社会:苏联核计划史文集(2 0世纪4 05 0年代)第2卷,第4 8页。种中子作用下的新型铀核裂变模式和两组裂变产物;确定铀核裂变碎片电荷的下限;发现铀核裂变产物的轨迹并确定其射程;确定引起钍核裂变的中子能量下限。1 9 4 0年,佩尔菲洛夫(.)先后利用氡 铍中子源、回旋加速器对裂变碎片的有效电荷进行测定,获得了精确的结果。1 9 4 1年,赫洛平团队分别完成了快中子和慢中子作用下裂变链式反应临界质量的计算,解出了决定快中子链式反应临界计算结果的积分方程,这对于后续原子弹装药的质量与设计具有举足轻重的意义;分析了铀核裂变产生的放射性碘的光谱照片。1 9 4 3年,团队解决了慢中子的反照率、吸附作用的问题,对非氢介质中的慢中子进行了具体计算。这些成果与核反应堆设计、核电利用关系密切。赫洛平就核裂变应用问题进行了理论总结。1 9 4 0年1 0月1日,赫洛平在铀委员会原料基地会议上指出,铀核裂变发射2 3个二代中子,链式反应在理论上完全可行,但铀2 3 5和铀2 3 8的使用均存在困难。1 0月1 5日,赫洛平在铀委员会会议上表示,天然铀无法产生链式反应,必须开展难度极大的铀浓缩工作,提高铀2 3 5丰度;若用慢中子产生链式反应,必须把铀和能够降低快中子飞行速度的轻物质混合(核反应堆问题)。1 9 4 1年4月7日,赫洛平谈道,足够数量的纯铀2 3 5或富含铀2 3 5的天然铀混合物可以产生链式反应。1 9 4 3年1月1 5日,赫洛平在 关于组织核研究应采取措施的报告 中表示,慢中子和纯铀2 3 5、高丰度的铀2 3 5混合物可以发生链式反应;快中子引起镤、铀2 3 5发生链式反应的可能性极大。库尔恰托夫团队主要包括库尔恰托夫及其领导下的列宁格勒技术物理研究所、2号实验室、化学物理研究所的科研人员。库尔恰托夫团队在裂变过程、裂变链式反应等研究领域取得了丰硕的成果。第一,基本理论成果。1 9 4 0年,弗廖罗夫主持了“中子与铀核、钍核相互作用”的科研课题,力图查明快中子引起裂变链式反应的可能性。研究表明,利用快中子实现链式反应的必要条件是发射大量二代中子。同年,库尔恰托夫实验室研究发现,快中子不能使铀氧化物和铀2 3 8发生链式反应。1 9 4 2年,弗廖罗夫多次致函库尔恰托夫,提出了快中子引起裂变链式反应的可能性及其实现条件,阐述了裂变链式反应临界质量计算的问题。这些成果从理论上确定了原子弹研制的可能性。1 9 4 3年,2号实验室分别测量出快中子、慢中子致铀核裂变的截面,这对于核反应堆、原子弹的设计工作意义非凡。第二,重大理论成果。首先,弗伦克尔(.)创立了铀核裂变的首个定量理论。1 9 3 9年年初,弗伦克尔基于带电液滴模型提出了慢中子作用下重核裂变的电毛细管理论,成为铀核裂变理论研究的理论基础。该理论早于玻尔和惠勒提出的核裂变一般性理论,二人在相关论文中也有说明。其次,慢中子致铀核裂变过程中发射的二代中子平均数测定。若其平均数超过一个,从原理上讲链式反应是可能的,原子弹研制就具备理论现实性。鲁西诺夫和弗廖罗夫最初以较大的相对误差测得该值:31个。1 9 4 0年,尼基京斯卡娅(.)利用精密设备测得更为精确的值(2.3个),这与目前公认的值差别不大。再次,自发裂变现象的发现。1 9 4 0年年初,弗廖罗夫和彼得扎克在实验中发现,铀核在没有中子轰击的情况下仍在裂变,即自发裂变现象。经过多次对比实验,库尔恰托夫肯定了这一发现的真实性。自发裂变的发现超越了一般的物理学意义,在军用钚的生产、原子弹的设计中均起重要作用。最后,泽利多维奇(.)和哈里顿关于铀核裂变链式反应实现条件的研究成果。1 9 3 9年年底至1 9 4 0年上旬,泽利多维奇和哈里顿在 实验与理论物理学杂志 上发表了3篇论文。首篇论文研究了快中子作用下铀2 3 8发生链式反应的可能性。他们从理论上确定了链式反应发生的条件,断定铀2 3 8不具备实现链式反应的条件。第二篇论文研究了慢中子48.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料 第1卷第1册,第8 99 2、2 4 8,1 6 81 6 9、1 8 61 8 7、2 2 8、2 9 42 9 5,8 99 0、2 0 8、2 0 9,2 5 42 5 7、4 3 54 4 0页。.里亚别夫主编:苏联核计划:文献资料.(.),:第1卷第2册,莫斯科 萨罗夫:全俄实验物理学研究所出版社2 0 0 2年版,第2 7页。.伊科宁:苏联原子,第3 8 83 8 9页。.格林贝格、.弗伦克尔:伊戈尔瓦西里耶维奇库尔恰托夫在技术物理研究所(1 9 2 51 9 4 3),第9 89 9、1 0 1页。.索科洛夫斯基编:库尔恰托夫研究所核计划史 第1册,第6 7页。作用下天然铀发生链式反应的可能性。他们指出,为实现链式反应,可以使用重氢、重水或其他俘获截面足够小的物质,以减慢中子速度;也可浓缩铀2 3 5。第三篇论文研究了裂变链式反应系统的临界值等问题。他们推测了核能用于军事目的、经