慢中子效應

費米(Enrico Fermi, 1901-1954)是意大利物理學家，1926年任羅馬大學理論物理學教授，1927年曾提出一種統計理論，在微觀世界有廣泛應用，是核物理學的理論基礎之一，1933年，費米提出β衰變理論，1934年在實驗室中發同了慢中子所引起的人工放射性，因此榮獲1938年諾貝爾物理學獎。1942年，他領導建成了世界上第一個原子核反應堆。

費米是一位全能物理學家，在理論和實驗兩方面都有很高的造詣，也是最後一位同時擅長理論物理和實驗物理的物理學家。他對物理學的許多領域都有不可磨滅的貢獻，如經典統計力學、量子統計力學、量子電動力學、理論核物理學等，並創立了原子核β衰變理論和中子物理學。

1934年10月，費米和他的夥伴們正在對某種金屬進行人工放射性實驗。他們把中子源放入銀質圓筒裏，然後把圓筒放在一個鉛盒的中央和一角，它的放射性的強弱是不相同的。

一位夥伴認為這種異常是統計的錯誤和測量的不精確造成的，然而費米卻説：“不，這也許是一個重要的發現。”並建議多做一遞增各種情況的實驗。經過一連幾天的實驗，費米他們又發現了更多的怪事。甚至當把中子源放到圓筒外面。在筒和源之間插上一塊鉛板的時候，圓筒的放射性竟然也增強了。

“這究竟是怎麼一回事呢？”費米一時找不出答案。沉思片刻，他對夥伴們説：“鉛是一種重物質，讓我們試再試輕物質，比如説石蠟吧。”10月22日上午，費米他們找來一大塊石蠟，在上面掏了個洞，把中子源放入洞內去輻照銀圓筒，然後拿到蓋革計數器上測量它的放射性。“喀、喀、喀……”計數器像發了瘋似地響着。

看到這一情景，大夥兒非常驚訝，七嘴八舌地説：“真是不可想象！也許是見鬼了！”

中午，費米靜靜地躺在牀上，而思想像脱繮的野馬在馳騁，緊張地思考着解釋石蠟奇特作用的原理，他運用豐富的想像，得到這樣的解釋：石蠟含有大量的氫，氫核即是質子，它的質量幾乎和中子相同，當中子源被封在石蠟塊裏的時候，中子在到達銀原子核前，便會同石蠟中的質子相碰，每碰一次就會失掉一部分能量，這正像一個枱球在擊中另一個枱球後，就會慢下來一樣。一箇中子從石蠟中出射以前，會連續同許多質子相碰而減速，從而變為“慢中子”。就是這種慢中子，將比快中子有更多的機會被銀原子俘獲。這又好比一個飛快滾動的高爾夫球可能從球洞跳過去，而一個慢慢滾動的球卻更容易進洞一樣。

度過了午休，費米神情激動地跑進實驗室，同伴們已經到齊了，他一口氣講述了自己的新想法，最後説：“如果我的想法是對的，那麼，任何含氫萬分大的其他物質，比如水，也應該具有同石蠟相似的效果。”

“水？”同伴們不約而同地發出疑問。

“是的，水。”費米沉着地説，“讓我們試試看，數量可觀的水對銀的放射性會有什麼影響。”

説到“數量可觀的水”，大家立刻想到實驗室後面花園裏的金魚噴池，這是他們常來玩的地方。

年輕的物理學家説幹就幹，很快從實驗室把中子源和銀筒搬了出來，放到噴池的水下。在開致力計數器後，果然不出所料，水也把銀的人工放射性增強了許多倍，費米的設想得到了實驗證實，年輕人圍着被綠樹、鮮花環繞的金魚噴池，激動地歡呼起來，慶祝實驗和理論的成功。

正是這次不尋常的實驗和由實驗引出的理論，使費米在1938年，榮獲了諾貝爾物理學獎。認識到慢中子的作用，給重核裂變的發現提供了重要理論依據。

古代人夢想的鍊金術首先被盧瑟福實現，他用天然放射性物質發射出的高速α粒子（即氦核）轟擊氮核，得到了氧核。1934年1月，約里奧·居里夫婦發現了人工放射性，即用α粒子轟擊穩定原子核產生了放射性同位素。但是，用α粒子不能使原子序數大於20的原子核分裂，只有較輕的原子核才能被α粒子轟擊分裂。費米想到了用中子來轟擊原子核，他認為，對於原子核裂變來説，中子具有特別合適的轟擊能力。α粒子帶正電，當它靠近原子核時會受到很強的排斥力，從而偏離原子核，而中子不帶電，它可以不受任何阻礙，一直前進到與原子核發生碰撞。在同事的幫助下，費密用中子轟擊了週期表中的所有元素，並辯認了因此而產生的具有放射性的元素。

後來，費米和他的同事觀察到：把中子源和被轟擊的物體放在大量石蠟中，放射性會增加很多倍。水也會產生類似的效應。費密用“慢中子”解釋了這一現象。他認為，由於質子和中子的質量相等，所以當快中子與靜止的質子發生碰撞時，快中子損失能量變為“慢中子”，慢中子與重原子核的反應截面比快中子大得多。慢中子的發現為後來研究重核裂變的鏈式反應和原子核反應堆的理論設計奠定了基礎。