2016-06-13 14:44 来源: 澎湃新闻 邹仲苏
6月8日,总部位于瑞士苏黎世的国际纯粹与应用化学联合会宣布,将日本理化学研究所仁科加速器研究中心的科研人员合成的第113号元素Nihonium(缩写Nh)提名为化学新元素。这也是亚洲科学家首次合成的新元素。
然而,在二战时期,创立于1917年的日本理化学研究所不可避免地参与了战时日本的军事科学研究。其中最鲜为人知的,便是其主导了日本的核武器研发。
作为财阀的日本理化学研究所
明治维新以来,日本通过大规模汲取西方自然科学的最新成果,以及大量聘请外国顾问,使国家实力快速增强。随着甲午战争和日俄战争的胜利,日本迅速崛起为亚洲第一强国,并且跻身世界诸列强的队伍之中。
但日本在崛起过程中却存在自身的短板,即主要通过引进西方的先进技术,而缺乏自主研发,且在自然科学研究方面远落后于西方。在日本崛起的过程中,西方各国也逐渐意识到了日本的潜在威胁,开始有意识地收紧对日本的技术输出,迫使日本开始走技术自主研发之路。
大正二年(1913),日本著名医药学家、肾上腺素的发现者高峰让吉提出了日本应该建立“国民科学研究所”的构想,这一构想后来也得到了被称为“日本资本主义之父”的涩泽荣一的响应。大正六年(1917),日本理化学研究所在东京都文京区驹込成立,第一任所长为数学家菊池大麓。
日本理化学研究所第一任所长菊池大麓
成立后的日本理化学研究所完善了对后来日本学术界影响深远的“研究室”制度,而且其研究人员主要由日本各帝国大学的教员担任。这对“研究室”制度从科研院所向大学普及,以及推进学术正规化产生了重要作用。
同时,日本理化学研究所也产生了诸多具有划时代意义的研究成果。例如合成酒的酿造工艺,以及维生素A的提取工艺等。其中大规模工业化提取维生素A工艺的出现,为这种治疗肺结核的特效药进行工业化生产提供了可能。以维生素A的工业化生产为标志,日本理化学研究所开始了成功的“产研结合”道路,甚至到后来成立“理研控股”,成为战前日本的十五大财阀之一。
大正时期的日本理化学研究所
在践行产研结合路线的同时,日本理化学研究所也并没有放弃对理论科学的相关研究。其中,在原子物理研究方面,理化学研究所一直走在世界前列,同时也是当时亚洲唯一的原子物理研究机构。
领先世界的战前日本原子物理学研究
1896年,法国物理学家亨利·贝克勒尔发现天然放射性,被认为是现代原子物理学的开端。1919年卢瑟福通过用α粒子轰击氮核,使之放出质子的方式,首次用人工方式实现了核蜕变反应。这种利用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为原子物理研究的主要手段。
这一时期,各主要国家的物理学家们都意识到原子物理学的重要价值,并开始深入研究,日本也不例外。早在1903年,“日本物理学之父”长冈半太郎便提出了土星型有核原子结构模型的理论,并预言了质子的存在。这种土星型有核原子结构模型理论在世界上引起很大的反响。
而直到1911年,被称为“原子核物理学之父”的卢瑟福才提出了与之相类似的“原子行星模型”理论(卢瑟福的模型也受到长冈半太郎模型的深刻影响)。当日本理化学研究所成立后,长冈半太郎曾担任理化学研究所主任研究员和物理学部长,培养出了大量优秀弟子。也正因为如此,二战前的日本原子物理学研究一直处于世界领先水平。
长冈半太郎及其土星结构原子模型
在长冈半太郎的诸多弟子中,最著名的则是被称为“日本原子核物理之父”的仁科芳雄。仁科芳雄曾赴欧洲留学,是著名物理学家尼尔斯·玻尔的高徒,以及爱因斯坦的密友。在跟随玻尔学习期间,仁科芳雄与瑞典的奥斯卡·克莱因共同推导出关于X射线的康普顿散射的“克莱因—仁科公式”。仁科芳雄回国后,便担任理化学研究所主任研究员,并主持以研究回转加速器为代表的仁科研究室。而仁科研究室,也就是近来合成新元素的仁科加速器研究中心的前身。
日本核物理学之父——仁科芳雄
1937年,仁科芳雄主持研制了日本第一台小型65cm回旋加速器,这也是世界历史上的第二台回旋加速器,意味着日本的原子物理研究进入世界领先水平。但在不久之后的1938年12月,德国化学家奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼发现核裂变后,各主要国家的物理学家们很快就认识到了这一发现的军事用途,日本也不例外。
直径65cm的1号回旋加速器
差点打开的“潘多拉魔盒”
核裂变现象被发现后不久的1939年,仁科芳雄就提出将这一新发现进行军事应用的可能性,但并未受到重视。直到1940年,日本陆军航空技术研究所所长安田武雄中将命令部下铃木辰三郎中佐开始研究日本制造原子弹的可能。在得到东京帝国大学物理学教授嵯峨根辽吉(长冈半太郎之子,因为早年被过继到嵯峨根家,所以姓嵯峨根)的指导下,铃木提交了以“原子弹制造的可能”的研究报告。到了1941年5月,时任理化学研究所所长的大河内正敏提交了“铀炸弹制造的可能性”的报告。一个月后,仁科芳雄也开始着手进行原子弹制造的可行性分析。
1942年6月,美国的核武器计划“曼哈顿工程”开始实施。半年后的1943年1月,以仁科芳雄为主导的日本核武器研制计划“二号研究”[以仁科芳雄(にしな よしお)的第一个假名“に”来命名,而“に”在日文里也就是“二”的意思]也正式开始。几乎与此同时,日本海军也启动了自己的核武器计划,由京都帝国大学的著名核物理学家荒胜文策主导,被命名为“F”计划(F为核裂变fission一词的首字母)。
F计划的主持人荒胜文策
在进行核武器计划时,首先需要分离出有足够纯度的铀235。但是在自然界中铀235的储量非常少,大部分铀矿石都是以铀238的形式存在,这就需要从铀238中分离出铀235并且进行提纯,才可以制成武器化的核材料。而铀235的主要提纯分离方法主要有四种,即热扩散法、气体扩散法、电磁法、高速离心法。但是战时日本寻找不到足够的铀矿石,而且为了节省时间,仁科芳雄团队决定采取最省事的热扩散法。
热扩散法的核心是将铀238进行氟化处理成六氟化铀,然后通过温度差对流分离的方式,较重的铀238会沉淀,而较轻的铀235则会浮在水面上。但是六氟化铀的腐蚀性非常强,用于分离的玻璃管道经常会被腐蚀,而等到六氟化铀分离试验取得成功的时候,已经过了一年。
然而就是制作六氟化铀也存在着相当的困难,后来仁科芳雄实验室的研究员木越邦彦发现通过砂糖可以让铀碳化,然后再用碳化的铀进行氟化,最终可以制成六氟化铀。但在战争时期,日本的砂糖供应是需要配给的,为了保证实验所需的砂糖供应,军部特批给仁科实验室十公斤砂糖,而这也正好保证了实验室相关人员家中的砂糖供应。不过这也只维持了很短的一段时间,之后木越发现用淀粉的碳化效果更好,于是之后的六氟化铀制作便选择了淀粉。
从1944年7月开始,提炼成功的六氟化铀开始在分离塔进行分离试验。但因为六氟化铀的强腐蚀性,分离塔的管道也经常被腐蚀出孔洞,导致事故频发,因此试验进行很不顺利,进展缓慢。
同时,仁科芳雄团队对日本铀矿石储量的预测也存在很大误差。之前仁科芳雄团队认为日本有着丰富的铀矿石储量,但后来调查发现日本的铀矿石储量并没有那么多。这时军部也命令日本在海外各地的占领军寻找铀矿石,结果也是徒劳无功。为此,日本甚至开始在黑市上寻找氧化铀卖家,并向盟友德国进行求助。到了1945年5月,德国向日本运送氧化铀的U-234潜艇在大西洋向盟军投降,使得整个战争期间,日本获得的氧化铀只有在上海黑市上买到的130公斤。
与此同时,荒胜文策团队试图利用高性能离心分离机的方式来分离出浓缩铀,但荒胜文策设计出来的离心机转速远低于理论需要的10万转/分,离心机分离浓缩铀的实验也宣告失败。而在1945年4月,用于热扩散法提纯铀235的分离塔也在美军的空袭中被摧毁,使得日本无法完成核武器制造最基本的原料生产。由此,某种程度上来说,日本的核武器计划已经宣告失败。
离心机工作原理简图
“原子弹雨”的威胁
尽管日本原子物理学家在制造核武器的问题上收效甚微,但在广岛和长崎“原爆”后,他们为政府提供的专业意见却非常重要。1945年8月6日,“小男孩”原子弹在广岛上空爆炸,日本政府面对这种情况不知所措,只能宣布广岛遭到了某种“新型炸弹”的打击。
广岛原子弹爆炸后形成的巨大蘑菇云
一天后,日本核计划的两位主持人仁科芳雄和荒胜文策被紧急召集起来,成立了一个紧急专家小组奔赴广岛。他们经过调查分析认为,广岛遭受打击的“新型炸弹”是一种装药基于铀235的炸弹。但同时他们也得出了一个非常致命的假设,认为生产铀235在技术上非常困难,因此美国只有一枚类似的炸弹。这个结论虽然正确,但也让日本政府误以为有足够的时间可以与盟军方面商谈结束战争的相关事宜。
到了8月9日,“胖子”原子弹在长崎上空爆炸,日本的核物理学家们对此的分析也是正确的:这枚炸弹的装药是基于钚239的某种爆炸物。而钚239的生产只可能来自于反应堆,但反应堆是可以持续制造钚239的。这就意味着,美国的核武器可能不止一枚,并且其他的核武器仍在持续制造之中。如果日本不停止战争,那么日本本土就有继续遭受核武器打击的可能。
这个结论也并非空穴来风。在8月9日长崎被原子弹轰炸之前,3个长方形金属容器被投放到长崎周边地区。里面除了测量仪器外,还有一封由3名参与了“曼哈顿工程”的美国原子物理学家致他们曾经在加州大学伯克利分校的同事、东京帝国大学知名原子物理学家嵯峨根辽吉的信。
在信中,三位美国原子物理学家希望嵯峨根辽吉可以警告日本政府,如果继续作战将造成很严重的后果。甚至在信的结尾还写道:“如果日本还不立即投降,那么日本将遭受‘原子弹雨’的打击。”这种“原子弹雨”的威胁在信中虽然被过分夸大,但这也是加速日本终战进程的重要原因。作为日本核武器计划的主持人,仁科芳雄在8月15日的终战广播中特地解说了原子弹对日本终战的重要作用。
   
三位美国物理学家致嵯峨根辽吉的信
虽然战时日本的核计划全盘失败,但在日本理化学研究所进行核武器研究的同时,日本的原子物理学研究也获得了巨大发展。1943年,仁科芳雄团队设计建造了直径150cm的二号回旋加速器(虽然在1945年底,一号和二号加速器被占领军强行拆毁并沉入大海)。而仁科芳雄的弟子汤川秀树、朝永振一郎等人也参与到了战时日本的核计划,并且在战后先后因为在原子物理学领域的突出贡献获得诺贝尔物理学奖。而以日本理化学研究所为代表的日本原子物理学研究也一直在世界上处于领先地位。
仁科芳雄的弟子,诺贝尔物理学奖获得者汤川秀树与朝永振一郎
二战前的日本理化学研究所的命运只是战争时期各国诸多科研机构的缩影。科学只是一种手段,在战争时期为战争服务;到了和平时代,就将造福人类。由此,日本理化学研究所的科学家们能够成功合成新元素,也就不难理解了。
录入编辑:钱冠宇澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 明治维新,财阀,理化学研究所,仁科芳雄,原子弹
继续阅读

热新闻

澎湃新闻APP下载

客户端下载

热话题

热门推荐