核裂變發(fā)現(xiàn)時(shí)，費(fèi)米正在瑞典的斯德哥爾摩為他一系列中子核反應(yīng)的工作領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)金。他離開意大利后已經(jīng)不準(zhǔn)備回去，由于他妻子有猶太人的血統(tǒng)，去斯德哥爾摩的路上已經(jīng)碰到了一些麻煩，但由于他是諾貝爾獎(jiǎng)金的獲得者，這麻煩沒有引起太大的困難。費(fèi)米到美國(guó)后，在哥倫比亞大學(xué)任職，在羅馬時(shí)做實(shí)驗(yàn)的一切設(shè)備當(dāng)然都留在羅馬了。費(fèi)米就做起了理論研究，研究核裂變能否引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)問題。要把原子核裂變所產(chǎn)生的能量利用起來發(fā)電，必須研究如何實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)呢？

前面說過，鈾原子核吸收了一個(gè)中子，分裂成兩個(gè)核時(shí)，會(huì)放出很多能量，就像煤、碳等燃料會(huì)放出很多能量類似，煤爐燒煤放出的能量可以把水燒開，通過蒸汽機(jī)發(fā)電。當(dāng)然從煤爐燒煤到發(fā)電還有著很多技術(shù)過程，那是工程上早已解決的問題。擺在物理學(xué)家面前的事是：用什么辦法把“鈾爐子”給“點(diǎn)著”，讓它慢慢地?zé)?，千萬別爆炸。要使煤爐里的煤燒起來，首先要有火種，也就是用火柴劃一小火花，這小火花給了一小塊煤后，這一小塊煤自己得發(fā)出火花去點(diǎn)燃旁邊的煤，這樣整個(gè)煤爐才算點(diǎn)著了。你不能每一小塊煤都需要用劃火柴去點(diǎn)燃呀！

“鈾爐子”的火種就是中子源，小火花就是中子，鈾吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變，在裂變的過程中能否發(fā)射中子？是發(fā)射一個(gè)還是兩個(gè)、兩個(gè)以上中子？到底平均能發(fā)射幾個(gè)中子？這是個(gè)很重要的問題，就等于說煤燒著后能否出現(xiàn)火花去點(diǎn)燃旁邊的煤。

若鈾原子核裂變時(shí)能平均發(fā)射出一個(gè)以上的中子，這些中子能引起旁邊的鈾核裂變，這樣就能繼續(xù)裂變下去，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

科學(xué)家們首先需要研究的問題是究竟一個(gè)中子使鈾裂變后會(huì)不會(huì)放出一個(gè)以上的中子來。在裂變發(fā)現(xiàn)不久，1939年2月約里奧·居里領(lǐng)導(dǎo)下的巴黎實(shí)驗(yàn)室就測(cè)量了裂變發(fā)射的中子，當(dāng)然測(cè)量得不是很準(zhǔn)確，測(cè)出鈾裂變平均放出的中子數(shù)有3.5個(gè)。雖然不準(zhǔn)確，但卻使約里奧·居里等確信鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是能實(shí)現(xiàn)的。

費(fèi)米很想做實(shí)驗(yàn)來研究能否實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，但原來在羅馬做實(shí)驗(yàn)的裝置——特別是中子源——都留在羅馬了。這時(shí)候，玻爾到哥倫比亞大學(xué)來找費(fèi)米，那天剛巧費(fèi)米不在，玻爾碰到了哥倫比亞大學(xué)另一位教授赫伯特·安德森，玻爾對(duì)安德森說明了找費(fèi)米的目的，并與他詳盡地談了核裂變的問題。玻爾走后，安德森興奮地沖出去找費(fèi)米，找到費(fèi)米后，建議費(fèi)米用哥倫比亞大學(xué)的回旋加速器做中子源。

什么是回旋加速器？回旋加速器會(huì)產(chǎn)生中子嗎？

回旋加速器示意圖

大家知道，帶電的離子在均勻磁場(chǎng)作用下的軌跡為圓圈。利用帶電粒子在磁場(chǎng)中走圓周軌道的原理，用垂直于真空盒平面的磁場(chǎng)使離子在真空盒里轉(zhuǎn)圓圈，離子每走半個(gè)圓周，就在兩真空盒的縫隙處加速一次，速度越大圓周半徑越大；最后用靜電偏壓板把加速后的粒子引出。用這粒子來轟擊合適的物質(zhì)就可以產(chǎn)生中子。這對(duì)費(fèi)米是個(gè)極大的鼓舞，用回旋加速器加速氘去轟擊鈹，每秒鐘打出來的中子要比在羅馬用氡-鈹中子源打出的中子大約要多100000倍。

哥倫比亞大學(xué)很快成為研究實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中心，而費(fèi)米很快成為這中心的核心人物，雖然按美國(guó)的法律，他算是一個(gè)“敵僑”。

敵僑？

因?yàn)橘M(fèi)米是意大利人，當(dāng)時(shí)第二次世界大戰(zhàn)期間，德、意、日聯(lián)盟對(duì)美國(guó)來說是敵國(guó)，因而費(fèi)米是敵國(guó)的僑民，簡(jiǎn)稱敵僑。

費(fèi)米在解決鈾裂變到底能否放出兩個(gè)以上的中子的問題時(shí)，并沒有用回旋加速器產(chǎn)生的中子，還是用鐳-鈹中子源。對(duì)研究中子具有豐富經(jīng)驗(yàn)的費(fèi)米利用一個(gè)作成球形的鐳-鈹中子源，與一個(gè)作成球形的套在中子源外面的氧化鈾靶，放在錳溶液里，利用吸收中子后錳的放射性來判斷中子數(shù)。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)示意圖

把氧化鈾靶做成球形可以比較好地避免鐳-鈹中子源射出的中子沒有經(jīng)過鈾而直接到溶液中，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性?？梢赃@樣來做，第一次只放入鐳鈹中子源，測(cè)量了錳的放射性；第二次將鐳鈹中子源放到氧化鈾球的中心，再放入錳溶液中經(jīng)過相同的時(shí)間，然后測(cè)量錳的放射性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，放入氧化鈾后錳溶液的放射性大了一倍。這說明了氧化鈾放射的中子數(shù)約為吸收的中子數(shù)的兩倍。即鈾吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變，并同時(shí)放出了兩個(gè)中子。

哥倫比亞的實(shí)驗(yàn)還說明了能量比較小的中子，即慢中子引起裂變的效果比較好。特別慢的中子有時(shí)也叫熱中子。在室溫下，氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均能量為0.025電子伏，中子能量慢到以電子伏特來計(jì)算時(shí)，就可以稱為熱中子。

初步研究了鈾吸收了一個(gè)中子發(fā)生裂變后，能平均放出兩個(gè)或兩個(gè)以上中子的問題，實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是可能的了，就可以著手做反應(yīng)堆。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是可能的了，也就是說，可以用“火柴”（中子源）點(diǎn)燃“鈾爐子”。但是如何安放中子源，如何安放鈾，如何既能讓鈾爐子燃燒，又不能爆炸，還要能自如地控制，傷透了科學(xué)家們的腦子。