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原子彈的發明原理,從一個被說荒謬的假設開始(下)——《科學大師的失誤》

時報出版_96
・2021/05/02 ・2501字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 480 ・五年級
  • 作者 / 楊建鄴

本文接續上一篇:原子彈的發明原理,從一個被說荒謬的假設開始(上)——《科學大師的失誤》

上一篇文章中,雖然諾達克與伊雷娜皆提出 93 號元素可分裂的假設,但當時的分析化學權威哈恩與大部分的科學家都認為,費米真的發現新元素,可再分裂是個「謬論」。哈恩更以私人名義寫了一封信給伊雷娜,但伊雷娜沒有聽他的勸告,讓哈恩氣說再也不會閱讀伊雷娜的文章。

哈恩的話說過了頭,因為幾個月以後,他不得不仔細讀這位「法國太太」的文章。

過了幾個月,秋天來了。這時,哈恩的親密夥伴邁特納女士逃出了德國,因為她是一個猶太人。當希特勒開始迫害猶太人時,邁特納因為是奧地利人,所以一時還不會受到迫害。但到 1938 年希特勒吞併了奧地利以後,邁特納馬上陷入了危險之中,她甚至連一份出國簽證都弄不到。幸虧同事想辦法,她才裝扮成外國的旅行者逃到丹麥。

邁特納在同事的幫忙下才裝扮成外國的旅行者逃到丹麥。圖/Pexels

邁特納一走,哈恩失去了一個有力的幫手,心中非常煩惱,脾氣也大了許多。有一天,哈恩正在辦公室抽雪茄,忽然斯特拉斯曼激動地跑進辦公室,對哈恩大聲說:「你一定要讀這篇報告。」

哈恩一時給弄糊塗了:「什麼報告呀?」

斯特拉斯曼把一份刊物遞給哈恩:「伊雷娜教授又發表了第三篇文章,肯定了她前兩篇文章的結果……」

哈恩不耐煩地打斷斯特拉斯曼的話:「我對這位法國太太最近寫的東西,一點兒也不感興趣!」

斯特拉斯曼毫不退讓,說:「我可以肯定,她沒有犯任何錯誤,是我們錯啦!」

「不可能的!」哈恩生氣地大聲說。

「你耐心點,聽我講;如果你聽完了再發脾氣,我就不作聲了,行吧?」

哈恩只好耐著性子聽。聽著聽著,哈恩震驚了。斯特拉斯曼說對了,伊雷娜沒錯,是自己堅持錯誤好幾年!

哈恩拉發現伊倫娜沒錯,是自己堅持錯誤好幾年!圖/GIPHY

斯特拉斯曼還沒說完,哈恩大叫一聲:「走,快到實驗室去!」

雖然這消息對哈恩猶如晴天霹靂,但哈恩終於不愧是優秀的科學家,他一旦明白自己錯了,就會馬上承認,並盡一切力量弄明白自己為什麼錯了。這就是一個偉大科學家所應該具備的品質。也正是由於他承認了錯誤,才接著取得了偉大的成就。

經過幾天艱苦的實驗,哈恩不得不承認,伊雷娜的實驗報告完全正確,用中子轟擊鈾以後,在反應產物中的確多了一種比鈾輕得多的元素。但到底是什麼元素呢?伊雷娜沒有最終確定,只是說大概是什麼。哈恩決心弄個一清二楚,他是歐洲最有名氣的化學分析能手,這個艱巨的任務,真是非他莫屬了!

哈恩到底是真正的權威,他很快就明確指出,伊雷娜沒弄清楚的神祕產物是鋇 (Ba)。鋇的原子量是 137 多一點,而鈾的原子量是 238 多一點,這就是說鋇的原子量只是鈾的一半左右。鈾原子核真的被中子撞得「分裂」了!這真是讓人們無法想像的事情。哈恩不禁非常慚愧,諾達克幾年前提出過這種設想,而自己一口否定,還嘲笑過她!

哈恩完全相信,在化學分析上他絕對不會錯,可是在物理解釋上,他可是一點把握都沒有。如果邁特納沒有走,那就馬上可以問她,可惜她走了。儘管如此,哈恩知道他們做出了偉大發現,必須一方面寫信徵求邁特納的意見,一方面儘快把自己的發現發表出去。他急忙告訴《自然》雜誌的主編,請他務必留一個空白版面,「我有重要發現要發表」。主編同意,但「12 月 22 日以前必須將稿件寄來」。

12 月 22 日,哈恩終於把文章寫好,寄給了《自然》。寄走之後,哈恩又有點後悔,邁特納還沒回信,還不知道物理上能否說得過去。如果物理上毫無可能實現這種「分裂反應」,那怎麼辦?也許……後來,哈恩曾對人說:當文章送往郵局之後,我又覺得分裂反應完全不可能,以致想把文章從信箱裡取回來。

再說邁特納。她收到哈恩的信以後,開始她也不相信。她還記得前幾年諾達克的假設,當時她也堅決拒絕接受諾達克的假設,並勸人們把這種「荒謬的假設扔到廢紙簍裡去」。現在,哈恩卻不可置疑地證明了諾達克的假設是對的,這怎麼不使她感到震驚和不解呢?但她相信哈恩一定不會錯。

經過緊張的思考和計算,她終於發現,對於很重的原子核(例如鈾),中子是可以把它們撞成兩半,分裂開來。邁特納是怎樣思考和計算的呢?這兒不多講,她只是很快計算得出這一反應完全符合愛因斯坦的質能守恆方程式 E=mc2。這就足夠了!

邁特納計算得出這一反應完全符合愛因斯坦的質能守恆方程式 E=mc2。圖/Pexels

邁特納很快回信給哈恩,信上寫道:我們已經詳細地讀過你的大作,並認為從能量角度上看,像鈾這樣的重核是有可能分裂的。

偉大的波耳不久也知道了邁特納的證明,他立即用手敲他自己前額,喊叫道:「啊,我們過去都是一群笨蛋!肯定是這樣,真是太妙了!」

不久,哈恩的偉大發現震動了全世界。當時正值希特勒發動第二次世界大戰的時期,科學家馬上意識到,哈恩的發現可以使希特勒生產一種威力極為巨大的爆炸武器──原子彈。如果這個戰爭瘋子有了原子彈,那整個世界就會陷入毀滅性災難!於是一群由德國、奧地利、義大利等歐洲國家逃亡到美國的科學家,積極呼籲:「美國必須搶先研製出原子彈,否則希特勒會讓原子彈在美國爆炸。」

羅斯福總統接受了製造原子彈的建議。經過 3 年多的努力,原子彈終於在美國製造出來。1945 年 8 月 6 日,人類製出的第一顆原子彈,在日本廣島上空爆炸。

——本文摘自《科學大師的失誤》,2021年4月,時報出版。

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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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