贊 評論 收藏 分享 這個改變人類命運的發現，凝聚了多位諾獎得主的心血_風聞
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撰文 | 王善欽
1945年8月6日，代號為“小男孩”的原子彈在日本廣島上空爆炸。雖然它的彈芯只有64千克濃縮鈾，卻摧毀了大半個城市，瞬間殺死數萬人。而在這個過程中，整個炸彈的質量損失不到1克。
研製威力巨大的原子彈，消耗了“曼哈頓計劃”的十餘萬人的努力，但其基本原理——重核裂變——卻是以歪打正着的方式被發現的。
核能、原子彈與科幻小説
1903年，劍橋大學卡文迪許實驗室的盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）與他的學生索迪（Frederick Soddy，1877-1956）通過計算，斷言放射性物質衰變放出的能量是同樣質量的物質的化學能的至少2萬倍，甚至可能達到百萬倍。1904年，索迪預言，放射性過程釋放出的能量將來有可能被應用，甚至被製造為武器。他認為這樣的武器可能改變人類的命運，乃至摧毀世界。
盧瑟福與索迪的預見早於愛因斯坦提出相對論以及與之關聯的質能關係式。因此，人類對原子能的認識早於相對論與質能關係式的誕生（1905年）。當然，後來物理學家在解釋核能時還要用到愛因斯坦的公式。
受索迪觀點的啓發，英國科幻作家威爾斯（Herbert Wells，1866-1946）於1913年寫了科幻小説《使世界獲得自由》（The World Set Free）。在這本書中，“原子彈”（atomic bombs）這個詞組首次出現。作者想象在1956年英、法、美與德國發生世界大戰，手提包內的一顆原子彈就足以毀滅半個城市，這些原子彈被投到世界所有的重要城市，持續的放射性導致持續的大火，造成巨大破壞。
威爾斯“預測”的原子彈，原理是內部放射性物質通過持續的放射性衰變釋放能量。然而，人們在此後證明，無法僅通過物質的放射性衰變大規模獲取核能並將其製造為武器。這樣的“原子彈”只能算是放射性污染物，而不是炸彈。
導致原子能利用與原子彈爆炸的基礎是重核裂變以及與此相關的鏈式反應。在重核裂變被發現之前，人類先發現了輕核裂變，並實現了人工放射性。
輕核裂變
1932年，卡文迪許實驗室的考克饒夫（John Cockcroft，1897-1967）和沃爾頓（Ernest Walton，1903-1995）用粒子加速器加速質子，並用其轟擊鋰7，二者碰撞後，分裂成兩個α粒子。這個過程被稱為“分裂原子”（splitting the atom），它首次實現了原子核的裂變。
考克饒夫和沃爾頓還發現，這個過程產生的質量虧損與釋放的能量符合愛因斯坦的質能關係式。二人因此於1951年被授予諾貝爾物理學獎。
1933年，盧瑟福做了一次演講。他提到了考克饒夫和沃爾頓用質子分裂鋰的工作，但他認為核能無法被大規模利用：“在這些過程中，我們可能獲得比質子提供的能量多得多的能量，但總的來説，我們不能指望以這種方式獲得能量。”
然而，在輕核裂變被實現的同一年（1932年），將來能夠導致重核裂變的“利劍”已被找到了，此後它像幽靈一樣在實驗室飄蕩了幾年，人類最終發現了重核裂變。
中 子
1920年，盧瑟福提出：原子核是由帶正電的質子和帶中性電荷的粒子組成。後者後來被命名為“中子”（neutron）。
1931年，德國物理學家博特（Walther Bothe，1891-1957）和他的學生貝克爾（Herbert Becker，生卒年暫不可考）發現，釙衰變釋放出的α粒子轟擊鈹、硼或鋰時，會產生一種穿透力很強的輻射，這種輻射不受電場力作用。他們認為這是伽瑪射線。
1932年初，皮埃爾·居里（Pierre Curie，1859-1906）和瑪麗·居里（Marie Curie，1867-1934）的女兒伊蓮娜·約里奧-居里（Irène Joliot-Curie，1897-1956，以下簡稱“伊蓮娜”）與女婿簡·約里奧-居里（Jean Joliot-Curie，1900-1958，以下簡稱“約里奧”）也在實驗中發現了這種輻射。伊蓮娜與約里奧還發現這種中性輻射的能量很高：它們轟擊石蠟或任何其他含氫化合物時，會敲出質子。他們依然認為這是伽瑪射線。
卡文迪許實驗室的查德威克（James Chadwick，1891-1974）看到伊蓮娜與約里奧發表的論文後，感覺難以置信。伽瑪射線或能力更低的X射線在轟擊電子時可以讓電子偏轉（“康普頓效應”），但質子的質量是電子質量的上千倍，如何能夠被伽瑪射線從原子核中敲出去？查德威克是盧瑟福學生，早就知道盧瑟福關於中子存在的假設，因此很自然地猜測這些中性輻射很可能是中子。為了儘快確定這個猜測，他立即投入了緊張的實驗中。
1932年2月，查德威克證明那些能量很高的中性輻射不是伽瑪射線，而是一羣質量與質子質量幾乎相同的不帶電粒子，這些性質與假設中的中子的性質相符，它們就是中子。
查德威克很快意識到，比起帶正電的α粒子與質子，用不帶電的中子轟擊原子核的效率將更高，因為它不受到帶負電的核外電子與帶正電的原子核的電場力影響。此外，獲取中子也相對容易：讓鐳、釙之類的放射性元素衰變後釋放出的α粒子轟擊鈹9，使其成為碳12，並釋放出1箇中子。
中子的發現與確認，為此後核物理學的發展起到關鍵作用。核物理學領域的泰斗貝特（Hans Bethe，1906-2005）認為：1932年之前的時代是核物理的史前時代；1932年，才進入核物理時代，因為中子在那一年被發現了。
由於發現並確認中子，查德威克獲得1935年的諾貝爾物理學獎。博特、貝克爾、伊蓮娜與約里奧都錯失了這次諾貝爾物理學獎。
人工放射性
1934年1月，伊蓮娜與約里奧發現，某些α粒子轟擊（輻照）鋁箔後，即使α粒子源被移除，鋁箔依然存在放射性。在確定蓋革計數器沒有任何問題後，他們猜測：在這個過程中，α粒子與鋁原子核結合為放射性的磷30，並釋放一箇中子，然後磷30衰變為硅30。
通過化學實驗，伊蓮娜與約里奧證明產物中確實有磷。這意味着穩定的鋁原子核被人工轉變為磷的放射性同位素。至此，他們發現了人工放射性。
人工放射性的發現是核物理學領域的一大飛躍。它使放射性元素不再僅限於那些重元素，而是可能擴展到整個元素週期表，人類可以通過人工手段製造出各種元素的放射性同位素。
當伊蓮娜將自己通過人工方式獲得的放射性物質展示給居里夫人時，這位偉大的物理學家與化學家為女兒與女婿的這個重要成就而深感欣慰，她激動地將手指伸入裝有人工製造出的放射性磷的試管中（放射性很微弱，因此不會造成什麼後果），感受這個珍貴的實驗成果。伊蓮娜回憶，這是她母親最後一次如此興奮。1934年7月，居里夫人因病去世。
1935年，伊蓮娜與約里奧因為發現人工放射性而獲得諾貝爾化學獎。
“超鈾元素”之爭
人工放射性被發現的消息傳到意大利後，費米（Enrico Fermi，1901-1954）在團隊成員維克（Gian Wick，1909-1992）的建議下，將研究重點從理論轉向實驗，並立即與團隊準備實驗設備，用中子轟擊（輻照）各種元素靶子，以製造更多放射性同位素。
一開始，費米團隊的實驗總是不成功。後來他在靶子前放了石蠟。石蠟中的質子使快中子變為慢中子，使其有更多時間與原子核相互作用，極大地提高了實驗效率。費米團隊將當時已知的元素幾乎全部轟擊，獲得了22种放射性同位素。
在費米團隊轟擊90號元素釷與92號元素鈾時，他們發現產生的元素的性質與釷、鈾非常不同。費米等人認為它們是第93號及第94號元素，即超鈾元素。費米的結果很受同行追捧，許多團隊紛紛跟進。
然而，德國化學家與物理學家諾達克（Ida Noddack，1896-1978）強烈質疑費米的結論。諾達克與她的丈夫（Walter Noddack，1893-1960）是稀土領域的傑出專家，他們與合作者在1925年發現了75號元素錸。
諾達克發表了論文《論93號元素》（On Element 93），指出費米在分析反應產物時，只排除了鉛以及比鉛重的元素，而沒有排除比鉛輕的元素，因此無法證明產物就是比鈾重的元素。只有把所有輕元素都排除了，才能證明產物是超鈾元素。
諾達克認為，費米可能沒有製造出新的、更重的元素，而是製造出已有的、更輕的元素，這些元素是鈾分裂後產生的，她説：“可以想象，原子核會分裂成幾個大的碎片，這些碎片是已知元素的同位素，不會是被輻照的元素[92號元素鈾]的相鄰元素[93號元素]。”
諾達克實際上預言了重核裂變的可能性。如果這個解釋屬實，那麼費米實際上發現的是重核裂變。然而，諾達克沒有鈾，因此無法做這個實驗，她也沒有給出理論上的證明。此外，她當時只是一個“無薪合作者”，在學術界地位低下。更重要的是，當時科學界普遍不相信一個小小的中子可以擊碎重核，使其分裂。諾達克這篇論文因此被當時的同行普遍嘲笑。
1935年或1936年，諾達克與她的丈夫請求德國著名化學家哈恩（Otto Hahn，1879-1968）在講義或著作中提一下諾達克對費米的工作的批評。儘管此前他們就很受哈恩的關注，但哈恩還是明確拒絕了他們。因為哈恩認為諾達克的觀點很荒謬，引用她的觀點，只會讓自己成為學術界的笑話。
風暴來臨之前
哈恩不理會諾達克的要求是可以理解的，因為他當時也正在探索這個課題。
1934年，邁特納（Lise Meitner，1878-1968）邀請哈恩跟進費米的研究。二人曾經長期合作，但這時兩人已經有十幾年沒合作了。
哈恩一開始並不願意重複費米的實驗。不過，馮·格羅斯（Aristid von Grosse）對哈恩説，費米發現的可能是91號元素鏷的同位素，而不是超鈾元素。哈恩頓時對這個課題產生了興趣，因此答應與邁特納合作，以驗證產物是質量更低的鏷還是質量更高的超鈾元素。
1935年，哈恩招聘了一個出色的助手——施特拉斯曼（Fritz Strassmann，1902-1980）。這樣三人組如火如荼地開始了實驗。
從1934年到1938年初，三人組發現了10種以上此前未知的同位素。他們認為它們都是超鈾元素的同位素，並“確認”出93到96號元素，確認了產物中的鈾239並測出其半衰期為23分鐘。不過，他們依然無法獲得真正的93號元素以及更重的元素。哈恩和斯特拉斯曼改進了實驗的化學過程，而邁特納設計了新的實驗。
這個時期，伊蓮娜和來自南斯拉夫的物理學家薩維奇（Pavle Savić，1909-1994）也在跟進費米的實驗。他們發現，鈾被中子轟擊後，產物中有一種半衰期為3.5小時的元素，它可能是90號元素釷的一種同位素。
哈恩等人認為這個結論很荒謬，它意味着慢中子轟擊鈾核，卻可以敲出一個α粒子。此外，這篇論文沒有充分肯定哈恩等人的貢獻，哈恩對此很不滿。哈恩三人組在此後的實驗中沒有發現這種半衰期為3.5小時的釷同位素。
1938年1月，哈恩寫信給伊蓮娜與薩維奇，指出他們的研究有誤，希望他們撤稿。二人沒有回信，而是繼續進行實驗。他們發現可以用57號元素鑭作為載體，提取出這種元素。因此，伊蓮娜與薩維奇在第二篇論文中宣佈，新發現的同位素不是釷的同位素，而可能是89號元素錒的同位素。施特拉斯曼勸哈恩讀一讀這篇論文，哈恩拒絕，以示抗議。
1938年5月，哈恩在羅馬召開的一次國際會議上遇到約里奧，私下對他説：“我是看在你妻子是女性的份上，才沒有公開批評她。但她錯了。”約里奧回到法國後，將哈恩的這個意見轉達給妻子伊蓮娜。
伊蓮娜與薩維奇決定將繼續做實驗。5月，他們發表了第三篇與鈾相關的論文。這次，他們確定中子轟擊鈾之後的產物，即新同位素，很像57號元素鑭。二人不相信92號元素鈾受到轟擊後會失去那麼多質子與中子，成為鑭。因此，他們認為這是一種新的，極難解釋的超鈾元素。
1938年7月，邁特納逃離了德國，輾轉來到瑞典。從1933年開始，她長期處於被威脅的狀態，由於她出身於猶太家庭，受到了希特勒種族政策的迫害。不過那時候她還是奧地利人，處境還沒那麼危險。1938年3月12日，德國吞併奧地利，邁特納失去奧地利國籍，成為德國人，德國的種族法令開始對她生效，她的科研資助很快被停止，並處於極度的危險之中。為了避免更可怕的迫害，邁特納從那時候就開始籌備逃亡，最後在7月僥倖逃離。
此後，哈恩與她通過信件交流合作。
1938年9月，伊蓮娜與薩維奇在《法國科學院院刊》（Comptes Rendus）上再次發表他們最近的結果。根據施特拉斯曼的回憶，他在讀了這篇論文後，確定伊蓮娜等人不僅沒有犯下任何錯誤，而且給出了一個正確的研究路徑。他激動地跑到樓上，對哈恩説：“您一定要讀這篇論文。”
哈恩抽着雪茄，傲慢地答覆：“我對我們這位有交情的太太最近寫的東西不感興趣。”施特拉斯曼並未灰心，他堅持在哈恩面前敍述了伊蓮娜等人論文的精華部分。哈恩聽完被驚呆了。他把沒來得及抽完的雪茄直接放在桌上，立即和施特拉斯曼一起去重複伊蓮娜等人的實驗。
這個故事有另一個版本（可能是哈恩提供的）：哈恩看到了伊蓮娜與薩維奇的新文章後，強烈質疑裏面的結論，並將其交給施特拉斯曼閲讀，然後二者開始重複這個實驗。
不論是哪一種情況，哈恩與施特拉斯曼在1938年秋天開始了分離元素的實驗。
重核裂變
哈恩與施特拉斯曼以鑭作為載體，來分離可能產生的錒之類的元素；他們同時以鋇作為載體，來分離可能產生的鐳之類的元素。他們很快確認出16種同位素，其中有3種是此前未知的。他們猜想這是鐳的同位素。
11月10日，哈恩應玻爾（Niels Bohr，1885-1962）邀請，訪問哥本哈根。他與玻爾、邁特納和弗裏施（Otto Frisch，1904-1979）討論了這些結果。
弗裏施是邁特納姐姐奧古斯特·邁特納·弗裏施（Auguste Meitner Frisch，1877-1951）的兒子。他是一名優秀的理論物理學家，曾經在德國工作，在1933年希特勒開始推行種族迫害政策時，嗅覺靈敏的他立即離開德國，前往英國，跟隨布萊克特（Patrick Blackett，1897-1974）從事雲室技術與人工放射性的研究。由於他的傑出才能，他又被玻爾招募到哥本哈根，跟隨玻爾做研究（為期5年）。
這次討論沒有得到突破。回到柏林後，哈恩繼續做實驗。經過多日的實驗、測量與分析後，哈恩和施特拉斯曼於1938年12月16日與17日獲得突破性進展，他們確認：那3種未知的同位素可以從其他所有元素中分離出來，但不能從鋇的載體中分離出來，這意味着它們很可能就是鋇，而不是鐳。
鋇是56號元素，比鈾輕40%。當時認為鈾通過失去100多個核子而轉化為鋇是不可能的，因為中子不可能有這麼多的能量剝離走這麼多核子。哈恩與施特拉斯曼遇到了當初伊蓮娜與薩維奇一樣的困境。
12月19日，哈恩寫信給邁特納，將自己最新的發現告訴她。信中説：“我們越來越接近一個可怕的結論，我們的鐳同位素的行為不像鐳，而是像鋇……也許你能想出一些奇妙的解釋。我們自己也意識到它（鈾）不可能分裂成鋇。現在我們想測試由‘鐳’衍生出的錒同位素，它的行為不像錒，而是像鑭。”實際上，此時哈恩已經傾向於認為鈾被中子分裂。
通過貝塔衰變，鐳會衰變為錒，鋇會衰變為鑭。只要判斷出產物是錒還是鑭，就可以判定出母元素是鐳還是鋇。哈恩和施特拉斯曼立即開始進行這個實驗。
12月20日，哈恩打電話給《自然科學》（Die Naturwissenschaften）雜誌編輯，將自己的發現告訴他，並希望對方能夠加急安排他的論文發表。編輯答應將預定要出版的一篇論文推遲一期，為哈恩的論文騰出位置，條件是哈恩的論文必須在23日提交。哈恩安排一位打字員在22日敲出論文。
12月21日，哈恩和施特拉斯曼確定了實驗結果：未知元素的衰變產物是鑭，而不是錒。所以，那個神秘的同位素確實是鋇的同位素，而不是鐳的同位素。
這意味着，伊蓮娜與薩維奇當時確認出很像鑭的同位素，實際上就是鑭的同位素，它是鋇衰變後的產物；只不過他們當時不知道這一點，一直將其作為某種令人費解的超鈾元素。
同一天（21日），邁特納收到了哈恩19日寫的信，她也被這個結果震驚了。她在回信中説：“目前，假設這樣一個徹底的破裂，對我來説很困難，但在核物理學中，我們經歷瞭如此多的驚奇，因此我們不能斷然地説：‘這是不可能的。’”然後她告訴哈恩，自己23日開始就要到孔艾爾夫度假，為期一週。如果有新的信件，請寄到那裏。
雖然尚未收到邁特納的回信，但兩天前還搖擺不定的哈恩此時已經堅定了自己的信念：中子轟擊鈾之後，鈾核的產物之一是鋇，它在此後衰變為鑭。為了避免伊蓮娜與薩維奇也得到相同結論並搶先發表，哈恩已經迫不及待，他們要立即公佈自己的結果。
21日，在尚未收到邁特納回信時，他又寫信給邁特納，説他們確認產物是鋇而不是鐳，哈恩還提到，雖然他認為這個結果在物理學上是荒唐的，但不能繼續保密了。論文將在明天或後天提交。並將寄一份副本給她。
12月22日，論文呈到編輯部。這篇論文沒有署上邁特納的名。當天晚上，哈恩將論文的副本寄給邁特納，此時他還不知道邁特納即將去度假。這篇重要的論文於1939年1月6日發表。
鈾核為何會分裂？
12月23日上午，邁特納按照計劃離開斯德哥爾摩，前往孔艾爾夫。稍後，她的外甥弗裏施來這裏探望她。此時，邁特納還不知道哈恩昨天投出了論文且論文中沒有署她的名。由於論文副本與哈恩21日寄出的信都被寄往斯德哥爾摩，她在回到斯德哥爾摩之前也不可能看到信的內容。
在孔艾爾夫，邁特納將哈恩19日發的信交給弗裏施。弗裏施看完後，不相信鈾核被轟擊後會產生鋇，他跑出去滑雪。但是，邁特納對弗裏施窮追不捨，邊追邊説。弗裏施被説服了，決定考慮鈾核被分裂的可能性。
他們想到伽莫夫（George Gamow，1904-1968）於1935年提出、卡爾卡（Fritz Kalckar，1910-1938）和玻爾於1937年完善的液滴模型。這個模型假設原子核像一顆液滴。但卡爾卡與玻爾認為重核液滴很難破裂。弗裏施曾經與卡爾卡相處過（見下圖；卡爾卡於1938年逝世，年僅27歲）。
在液滴模型的框架內，弗裏施與邁特納合作進行了計算。他們發現鈾原子核的電荷大到足以幾乎完全克服表面張力束縛，因此處於瀕臨破裂的狀態，彷彿一顆不穩定的水滴。中子的敲擊會導致鈾核變為橢球形，然後其“腰部”變細，接着從“腰部”斷開，分裂為兩個小“液滴”。
他們還計算出這樣的分裂會釋放出200 MeV（1 MeV=1.6×10-13焦）的能量。這個能量從何而來？邁特納想起自己曾經聽過愛因斯坦關於相對論的報告，裏面的質能關係式使當時的她大受震撼。
邁特納用計算原子核質量的經驗公式計算出這個質量差約為質子質量（1.67 × 10-27千克）的1/5，將這個值乘以光速的平方（9×1016），得到的值（3.0×10-11焦）幾乎等於裂變後產生的能量（3.2×10-11焦）。由於質量差自身是估算值，因此3.0與3.2之間的微小差異可以忽略。這個結果意味着，鈾核確實可能發生了分裂。
弗裏施借用生物學領域的術語，首次用“裂變”（fission）這個詞命名鈾核分裂過程。回到丹麥哥本哈根後，弗裏施將自己的發現告訴了玻爾。玻爾立即明白了，他用手掌拍了一下自己的額頭，説：“我們怎麼這麼白痴！”（“What idiots we have been !”）
緊接着，弗裏施使用雲室（他在英國期間的研究領域之一就是雲室技術）追蹤了反應產物的軌跡，用直觀的、物理學的方式直接證明：中子碰撞鈾核後，確實發生了裂變。
因此，諾達克4年前提出的假設是正確的：鈾被中子轟擊之後，發生了裂變。人們這才發現費米的團隊獲得的元素並不是超鈾元素，他們實際上首次發現了重核裂變，卻錯過了這個榮譽。伊蓮娜與薩維奇也錯過了這個榮譽。
1939年2月11日，邁特納與弗裏施的理論解釋論文發表在《自然》。2月18日，弗裏施用雲室證明鈾發生裂變的論文也發表在《自然》。
然而，在這兩篇論文發表前，相關的消息就被玻爾傳到美國了。玻爾在1月抵達華盛頓後，將消息告訴了伽莫夫。伽莫夫打電話給特勒，説：“玻爾剛剛進來，他發瘋了。他説一箇中子可以使鈾分裂。”特勒立即想到此前費米團隊的那些難以解釋的觀測結果，立即就明白那就是裂變。
1939年1月26日，玻爾與費米在華盛頓共同主持了第五屆華盛頓理論物理會議，鈾裂變的消息轟動了整個會場。哥倫比亞大學的物理學家很快就在實驗室重複出這個結果，並確定被慢中子裂變的鈾主要是鈾235。
此前不久，玻爾還信誓旦旦地向弗裏施保證自己會保密；然後，他又因為消息傳得太快而感覺對不起弗裏施。
消息傳到西海岸的加州伯克利時，正在理髮店的阿爾瓦雷斯（Luis Alvarez，1911-1988）大驚失色，因為他與他的學生此前也一直在用中子轟擊鈾，以尋找超鈾元素，但一直沒有預料到會發生裂變。他讓理髮師停止理髮，直奔輻射實驗室。
阿爾瓦雷斯把消息轉告給奧本海默（J. Robert Oppenheimer，1904-1967），奧本海默不相信，並從理論上論證鈾核不可能裂變。但實驗很快顯示了中子轟擊鈾之後釋放出的能量。15分鐘內，奧本海默相信鈾核發生了裂變。
鏈式反應與原子彈
1939年2月，哈恩和施特拉斯曼發表了第二篇相關論文，預測鈾裂變的同時可以釋放出中子。約里奧的團隊迅速證明鈾的裂變會釋放出2個以上中子，並在1939年3月發表了相關論文。
很顯然，被釋放出的中子還會轟擊其他鈾原子核，這個過程會以滾雪球一樣的方式迅速持續下去，形成鏈式反應，釋放出巨大的能量。
此前，匈牙利核物理學家西拉德（Leo Szilard，1898-1964）在1933年也猜想了鏈式反應實現的類似途徑，並設想這樣的鏈式反應可以用於製造原子彈。他在1934年推導出鏈式反應的方程式，並提出“臨界質量”這個概念（當裂變的物質的質量超過臨界質量時，鏈式反應就可以自我持續併產生核爆炸）。
但是，那時沒有任何人（包括西拉德）預想到重核會發生裂變，西拉德也不知道什麼樣的元素被轟擊後可以產生鏈式反應。他想用中子把當時已知的92種元素逐一轟擊，以找到答案。不過，他無法申請到資金進行這樣的實驗。西拉德提交了鏈式核反應的專利申請。為了避免這個發現被德國等國用來製造核武器，他將專利交給了英國海軍部，並要求海軍部保密。
到了1939年，人們已經知道鈾在慢中子轟擊下會發生裂變並可能引發鏈式反應。此後，美國、蘇聯、德國、英國與日本分別開始探討製造原子彈的可能性，並在第二次世界大戰結束前不同程度地付諸實施。
奧本海默在確信鈾核裂變後，只用了幾分鐘，就討論到鏈式反應以及製造原子彈的可能性。一個星期後，他辦公室的黑板上就出現了原子彈的草圖。
弗裏施從丹麥回到英國，與佩爾斯（Rudolf Peierls，1907-1995）一起計算出純的鈾235發生鏈式反應的臨界質量約為1磅（約0.45千克）或2磅。1940年，弗裏施與佩爾斯寫了“弗裏施-佩爾斯備忘錄”（Frisch-Peierls memorandum），並將使用鈾鏈式反應的炸彈稱為“超級炸彈”（super-bomb），他們還設計出世界上第一個原子彈暴轟模型。
然而，當時大部分了解核物理的人都不相信有任何國家可以在當時製造出原子彈。天然鈾有三種同位素：鈾234、鈾235與鈾238。鈾238佔99.28%，它會在快中子的轟擊下發生裂變，但裂變時釋放的中子能量低於入射中子的能量，無法讓其他鈾238原子核發生裂變，因此無法啓動鏈式反應。鈾235可以發生鏈式反應，但僅佔天然鈾的0.714%。
必須將鈾中大部分鈾238分離出去，讓鈾235的濃度提高到80%以上（最好達到90%），才能成為武器級鈾。這對工業能力的要求很高，動用舉國之力也未必能夠實現。後來被製造出來的鈈239也可以用來製造原子彈，但批量製造鈈239也需要動用舉國之力。
因此，玻爾到美國後就宣稱，原子彈不可能被造出來，除非美國成為一個巨大的工廠。
1942年，費米在芝加哥大學制造出人類歷史上第一個核反應堆，為人類和平使用核能奠定了基礎，也為此後批量生產鈈239奠定了基礎。
此後，曼哈頓計劃（Manhattan Project）迅速推進了原子彈的製造進程。目睹美國製造原子彈的進度後，玻爾沒有收回自己的話，他感嘆道：美國確實已經成為一個巨大的工廠。
1945年7月16日，美國成功引爆了世界上第一顆原子彈，其爆炸的威力相當於2萬噸TNT炸藥的威力。不到一個月後，兩顆原子彈先後轟炸了廣島和長崎。
1945年，哈恩因為“發現重核裂變”（“for his discovery of the fission of heavy nuclei”）而被授予1944年度的諾貝爾化學獎。邁特納與施特拉斯曼無緣分享這個獎項，這對他們並不公平。當時，哈恩還在盟軍的拘留營，直到1946年才去領了獎。
儘管因為發現核裂變而獲得諾獎，哈恩卻有遺憾。中子轟擊鈾之後，一部分鈾確實發生了裂變，但還有一部分鈾真的轉化為93號與94號元素，而哈恩當時沒有檢測出來。與超鈾元素相關的諾貝爾獎後來落到了別人手裏。在當時激烈競爭、幾乎瞬息萬變的情形下，哈恩等人在確認鈾核裂變現象的同時，實在無法想到另一部分鈾核真的變成了超鈾元素。在科學研究領域，經常是一個驚奇連着一個驚奇。
參考文獻
[1] Richard Rhodes, The Making of the Atomic Bomb, Simon & Schuster, 1986 （中譯本：《原子彈出世記》，李匯川 等 譯，李匯川 校；世界知識出版社，1990年；《橫空出世》，江向東，廖湘彧 譯；方在慶 譯校，2023；此書還有上海科技教育出版社譯本，本文未參考此譯本。）
[2] Robert Jungk, Heller als tausend Sonnen. Das Schicksal der Atomforscher (Stuttgart, 1956) （英譯本Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists，中譯本《比一千個太陽還亮——原子科學家的故事》，原子能出版社，1991年）
[3]Winifred Conkling Radioactive!: How Irène Curie and Lise Meitner Revolutionized Science and Changed the World （中譯本《她們開啓了核時代：不該被遺忘的伊蕾娜·居里與莉澤·邁特納》，王爾山 譯 上海科技教育出版社，2017年）
[4]Noddack, Ida (1934). Über das Element 93. Angewandte Chemie. 47(37): 653-655. (On Element 93).
[5]Joliot-Curie, Irène; Savić, Pavle (1938). “On the Nature of a Radioactive Element with 3.5-Hour Half-Life Produced in the Neutron Irradiation of Uranium”. Comptes Rendus. 208 (906): 1643.
[6] Hahn, O.; Strassmann, F. (1939). “Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle”. Naturwissenschaften (in German). 27 (1): 11–15. Received 22 December 1938.
[7]Hahn, O.; Strassmann, F. (February 1939). “Nachweis der Entstehung aktiver Bariumisotope aus Uran und Thorium durch Neutronenbestrahlung; Nachweis weiterer aktiver Bruchstücke bei der Uranspaltung”. Naturwissenschaften. 27 (6): 89–95.
[8]Meitner, Lise, & Frisch, O. R. (1939). Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction. Nature. 143 (3615): 239–240.
[9]Frisch, O. R. (1939). Physical Evidence for the Division of Heavy Nuclei under Neutron Bombardment. Nature. 143 (3616): 276.
[10]Otto R. Frisch, “The Discovery of Fission – How It All Began”, Physics Today, V20, N11, pp. 43-48 (1967).
[11] Bethe, H. A.; Winter, George (January 1980). “Obituary: Otto Robert Frisch”. Physics Today. 33 (1): 99–100
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