核裂變是指像鈾 （U）這種非常大的原子分裂成更小的原子對的物理過程。正是因為有這樣的過程存在，才使得核彈和核電站成為可能。但在很長的一段時間裡，物理學家們都曾認為從能量上來講，像鈾這樣大的原子（原子質量= 235或238）是不可能分裂成兩個原子的。
故事的轉折發生在80年前的今天，1939年2月11日，在一封寄給知名期刊《自然》的編輯的文章中，作者詳盡地描述了這種過程是如何發生的，她甚至將這一過程命名為裂變（fission）。在這篇文章中，物理學家莉澤·邁特納（Lise Meitner）在她年輕的外甥奧托·弗裡希（Otto Frisch）的幫助下，為核裂變是如何發生的作出了物理解釋。
這是核物理學的一次重大飛躍！但時至今日，莉澤·邁特納的名字仍然鮮為人知，人們基本上已經將她遺忘了。回顧這一發現，我們會讀到一段悲傷的故事，作出了這一重大發現的莉澤·邁特納被排除在一切勝利慶典之外，因為她是猶太女性……
○ 1878年，莉澤·邁特納（Lise Meitner）出生於奧地利維也納，並在維也納大學研習物理。為了紀念邁特納，元素週期表中的第109號元素被命名為䥑（Meitnerium, Mt）。| 圖片來源：Amanda Phingbodhipakkiya
1. 當你分裂一個原子時會發生什麼
邁特納的裂變理論基於核結構的“液滴模型”。這個模型將把原子核結合在一起的力比作構成水滴結構的表面張力。
她指出，原子核的表面張力會隨原子核電荷的增加而減弱，當核電荷非常高時，張力甚至可以接近於零——鈾（電荷= 92+）就是這樣的情況。如果缺乏足夠的核表面張力，那麼當中子（沒有電荷的亞原子粒子）撞擊原子核時，原子核就能分裂成兩個攜帶著非常高的動能的碎體。邁特納寫道：“因此整個‘裂變’過程可以用一種基本上經典的（物理學）方法來描述。”就這麼簡單，對吧?
邁特納還進一步解釋了其他的科學同行們是如何在這個問題上弄錯的。當時，許多科學家相信，在用中子轟擊鈾時，鈾原子核不是分裂，而是捕獲了一些中子。這些被捕獲的中子轉化成帶正電的質子，從而將鈾轉化成元素週期表上越來越大的元素，也就是所謂的超鈾元素，或鈾後元素。
但是，有一部分科學家對中子轟擊會產生超鈾元素表示懷疑，這其中就包括瑪麗·居里的女兒伊雷娜·約里奧-居里（Irene Joliot-Curie）和邁特納。約里奧-居里發現其中一種被認為是超鈾元素的新元素，其化學性質實際上與她母親發現的鐳一樣。約里奧-居里認為這可能只是來自鈾在中子轟擊下產生的鐳（原子質量= 226）——一種比鈾稍小的元素。
對此，邁特納還有另一種解釋。她認為，這種元素可能不是鐳，而是一種化學性質與鐳非常相似的元素——鋇。鐳和鋇的問題對邁特納來說非常重要，因為根據她的鈾分裂理論，鋇（原子質量= 139）是一種可能的裂變產物，而鐳卻不是——因為它太大了（原子質量= 226）。
○ 當中子轟擊鈾原子時，鈾核分裂成兩個不同的、較小的核。| 圖片來源： Stefan-Xp/Wikimedia Commons
邁特納敦促她的化學家同事奧托·哈恩（Otto Hahn）對鈾的轟擊樣本進行進一步的淨化，並檢查它們到底是由鐳還是其化學近親鋇構成的。哈恩照做了，並且他發現邁特納是正確的：樣品中的元素確實是鋇，而不是鐳。哈恩的發現表明，鈾的原子核發生了分裂，變成了兩種擁有更小原子核的不同元素，正如邁特納所猜測的那樣。
2. 作為一名猶太女性，邁特納被拋在了身後
在這一發現被告知天下之時，邁特納本應是那天的英雄，她與哈恩本應聯合發表他們的發現，並等待因核裂變的發現而將獲得的來自全世界的讚譽。但不幸的是，事實並非如此。
當時的邁特納遭遇了兩大難處：一，她是一個因為納粹德國的迫害而流亡瑞典的猶太人；二，她是一個女人。或許在取得科學成功的道路上，她已經克服了這些障礙中的任何一個，但結果證明，這些艱難是不可逾越的。
邁特納和哈恩曾在柏林的德皇威廉學院（Kaiser Wilhelm Institute）共事，在學術上，她與哈恩不相上下。據說，多年來他們一直是親密的同事和朋友。然而當納粹接管後，邁特納被迫離開德國。她在斯德哥爾摩找到了一份工作，並通過定期通信繼續與哈恩和他的下屬弗裡茨·施特拉斯曼（Fritz Strassmann）就核問題進行合作。這種工作方式雖然不夠理想，但仍非常高效。鋇的發現就是他們合作的最新成果。
○ 邁特納和哈恩在柏林（1913）。
然而，到了發表結果的時候，哈恩知道，在論文上登上一名猶太女性的名字將會斷送他在德國的職業生涯。所以他在沒有署名邁特納的情況下發表了這篇文章，他虛假地聲稱這一發現僅僅是基於他從自己的化學淨化工作中獲得的洞見，而邁特納所貢獻的任何物理見解都無足輕重。儘管事實卻是如果沒有邁特納的指導，他根本連想都想象不到要將鋇從他的樣品中分離出來。
然而，哈恩很難對他自己的發現作出解釋。在他的論文中，他沒能提出鈾原子如何分裂成鋇原子的可信機制。但邁特納知道如何解釋。所以幾周後，邁特納給《自然》的編輯寫了那封著名的裂變文章，諷刺地解釋了“哈恩的發現”的機制。
○ 邁特納與弗裡希在80年前發表的論文。| 圖片來源：Nature
即便這樣，她的處境仍然沒有得到什麼改善。諾貝爾委員會將1944年的諾貝爾化學獎授予了哈恩一人，以表彰他“發現了重原子核的裂變”。但矛盾的是，“裂變”一詞壓根就沒有出現在哈恩最初發表的論文之中，這是邁特納在後來發表的那篇文章中第一次創造出的詞。
從那以後，關於核裂變的發現就引發了一場激烈的爭論。批評者稱，這是諾貝爾委員會最糟糕的一次公然的種族主義和性別歧視的事例之一。與另一位傑出的女性核物理學家居里夫人不同，邁特納對核物理的貢獻從未獲得過諾貝爾委員會的認可。她完全被排除在公眾之外，大多數人都不知道她。
戰後，邁特納留在了斯德哥爾摩，成為了瑞典公民。後來，她決定放下過往，與哈恩重新建立了聯繫，兩位八旬老人又恢復了友誼。雖然諾貝爾委員會從來沒有承認自己的錯誤，但在1966年，美國能源部聯合授予了邁特納、哈恩和施特拉斯曼其著名的恩里科·費米獎，以表彰他們通過“對天然放射性的開創性研究和廣泛的實驗研究導致了裂變的發現”，對邁特納的怠慢也在一定程度上得到了緩解。這遲到了20多年的認可來得正是時候。1968年，邁特納與哈恩在幾個月內相繼去世，享年89歲。
撰文：Timothy J. Jorgensen
原文標題為“Lise Meitner – the forgotten woman of nuclear physics who deserved a Nobel Prize”，首發於2019年2月7日的TheConversation。原文鏈接：https://theconversation.com/lise-meitner-the-forgotten-woman-of-nuclear-physics-who-deserved-a-nobel-prize-106220。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
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