論埃姆斯實驗室對美國曼哈頓工程的貢獻

摘要：第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，為應對納粹德國潛在的核威脅，美國聯(lián)邦政府在情報部門和學術界的雙重壓力下，與愛荷華州立大學在核科學領域展開了合作，并成立了埃姆斯實驗室。該實驗室不僅為曼哈頓工程提供了包括高純度金屬和稀土元素在內(nèi)的大量工業(yè)產(chǎn)品，也在核科學領域展開了學術研究，從而有力地推動了美國核工業(yè)的進步。

關鍵詞：埃姆斯實驗室；曼哈頓工程；核科學；科研機構

中圖分類號：K152文獻標識碼：A文章編號：2095-6916（2024）11-0095-04

On the Contribution of the Ames Laboratory to the Manhattan Project

in the United States

Yang Haonan

（College of History and Culture， Harbin Normal University， Harbin 150025）

Abstract： After the outbreak of World War II， in response to the potential nuclear threat posed by Nazi Germany， the US federal government cooperated with Iowa State University in the field of nuclear science under dual pressure from intelligence agencies and academia， and established the Ames Laboratory. This laboratory not only provides a large number of industrial products， including high-purity metals and rare earth elements， for the Manhattan Project， but also conducts academic research in the field of nuclear science， thereby effectively promoting the progress of the US nuclear industry.

Keywords： the Ames Laboratory; the Manhattan Project; nuclear science; scientific research institution

曼哈頓工程（Manhattan Project）是美國在1942年8月至1945年7月期間實施的絕密計劃，旨在利用核裂變反應研制原子彈。該計劃云集了當時各大科研機構的頂尖科學家，并成功制造出了可在實戰(zhàn)中投入使用的核武器。1945年8月6日、9日，美國向日本本土投放了原子彈，這不僅加速了第二次世界大戰(zhàn)的結束與戰(zhàn)后和平的到來，也標志著人類社會進入了原子時代［1］。目前，學術界對于曼哈頓工程中相關科研機構的研究主要集中在探討洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）、橡樹嶺實驗室（Oak Ridge National Laboratory）和漢福德工廠（Hanford Works）等機構的貢獻Leslie R.Groves， Now It can be Told： The Story of the Manhattan Project（New York：Harper&Row Publishers，1962）；Sue Vander Hook， The Manhattan Project（Edina：ABDO Publishing Company，2011）；Doreen Gonzales， The Secret of the Manhattan Project（Berkeley Heights，NJ：Enslow Publishers，Inc.，2012）。，對于愛荷華州立大學埃姆斯實驗室（Ames Laboratory）的研究卻相對較少［2］。筆者認為，埃姆斯實驗室在曼哈頓工程中同樣具有重要地位。本文以相關解密檔案與原始文獻為史料依據(jù)，通過分析埃姆斯實驗室在曼哈頓工程中的貢獻，進而揭示該實驗室在美國核工業(yè)中的重要作用。

一、美國政府對核科學研究的關注與埃姆斯實驗室的成立

1938年底，德國柏林威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm Institute）的物理學家奧托·哈恩（Otto Hahn）和他的助手弗利茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）在用中子轟擊鈾原子核的實驗中首次發(fā)現(xiàn)了鈾的裂變過程。這一革命性的科學發(fā)現(xiàn)轟動了學術界，納粹德國決定利用這一發(fā)現(xiàn)研制核武器，從而滿足其侵略擴張的需要。關于德國正在研制原子武器的消息引起了美國高層對核科學研究的高度重視。早在1939年10月，當富蘭克林·羅斯福（Franklin Delano Roosevelt，以下簡稱羅斯福）總統(tǒng)的朋友和私人顧問亞歷山大·薩克斯（Alexander Sachs）呼吁羅斯福支持當前正在進行的核科學研究時，美國政府就表示高度關注。作為回應，羅斯?？偨y(tǒng)隨即成立鈾顧問委員會（Advisory Committee on Uranium）用于了解當前核研究的情況。該委員會由國家標準局、陸軍和海軍的代表組成，通過與物理學家和化學家開展不定期會面的方式來探討原子能和原子武器的最新發(fā)展趨勢［3］6-7，預算為6 000美元［4］20。

1940年4月，當鈾顧問委員會得知德國威廉皇帝研究所正在進行一項涉及鈾元素的研究項目時［3］7，美國政府進一步加強了對本國核研究的支持。兩個月后，在鈾顧問委員會的基礎上，美國成立了國防研究委員會（National Defense Research Committee），通過向一些大學和研究所提供經(jīng)費援助這些研究經(jīng)費最開始來自于陸軍和海軍的撥款，后來改由國防研究委員會負責提供。的方式，推動本國在核科學領域的進步“ProQuest： History Vault. Nuclear research conducted at Iowa State College in support of the Manhattan Project， March 29， 1976， Manhattan Project： Official History and Documents，”Download September 10， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/003236/003236_002_0053/003236_002_0053_From_1_to_97.pdf.。截至1941年11月，該委員會共與大學、私人或公立研究機構簽訂了16份研究合同，總額約為30萬美元［3］7。1941年6月，國防研究委員會與醫(yī)學研究委員會合并，成立了科學研究與發(fā)展局（Office of Scientific Research and Development），由羅斯福總統(tǒng)的科學顧問萬尼瓦爾·布什博士（Vannevar Bush）擔任局長，從而加速了美國政府與科研機構在核科學研究方面的合作。

在這一背景下，負責核研究的芝加哥大學物理系教授阿瑟·康普頓博士（Arthur Holly Compton）于1942年2月邀請愛荷華州立大學化學家弗蘭克·斯佩丁博士（Frank H. Spedding）前來芝加哥，共同商討建立一個化學研究所的可能性。經(jīng)過討論，雙方?jīng)Q定在愛荷華州立大學設立一個小型研究項目，埃姆斯實驗室由此誕生，這一決定也很快得到了愛荷華州立大學校長查爾斯·弗里利（Charles E. Friley）的大力支持同上。。

二、美國成立埃姆斯實驗室的原因

第一，美國在核化學領域的研究尚不充分。1940年代初，美國在核武器的研究與開發(fā)方面基本停滯在理論層面，其主要原因之一是美國化學界在放射性元素研究方面存在不足，冶金工廠無法提供足夠多的元素樣品供科研機構進行分析。這些不足導致美國在研制核武器的過程中，科研人員幾乎無法通過已有的參考文獻來獲取急需分析的稀有元素樣品的關鍵資料。實際上，由于這些待分析的稀有元素嚴重限制著相關研究的進展，科研人員必須額外開發(fā)數(shù)百種分析方法（甚至已有的分析方法也需加以改進），以便對這些元素進行研究同上。。鑒于此，為減輕其他科研機構的工作負擔，美國政府有意在化學實力較強的愛荷華州立大學設立埃姆斯實驗室。

第二，愛荷華州立大學有能力召集眾多高水平的科學工作者。在戰(zhàn)爭時期集結一眾科研人員共同參與一項高度保密的核工程絕非易事。埃姆斯實驗室成立后，為確保后續(xù)研究的順利進行，愛荷華州立大學在人員配置方面對其進行了援助。除著名稀土化學家弗蘭克·斯佩丁博士親自擔任埃姆斯實驗室主任以外，該實驗室在愛荷華州立大學的幫助下，共計招募到121位科學工作者，其中包括薩姆·萊格沃爾德（Sam Legvold）、約翰·卡爾森（John F. Carlson）等有較高名望的化學家與物理學家同上。。這些科研人員代表各自研究領域的專業(yè)力量，展示了愛荷華州立大學在科研方面的卓越實力，突顯了該大學在人員協(xié)調(diào)與組織方面的出色能力。這也是美國政府選擇與愛荷華州立大學合作并成立埃姆斯實驗室的重要原因之一。

第三，美國國內(nèi)要求研發(fā)核武器的呼聲日益高漲。一方面，為突出研制核武器的緊迫性，情報部門曾向美國高層提交了一份關于德國核研究情況的報告。該報告明確指出：由于德國方面在美國參戰(zhàn)前就已經(jīng)在原子能領域展開大規(guī)模研究活動，核武器成為德國所吹噓的秘密武器這一說法是有據(jù)可循的。德國進行核研究的目的是制造核武器，其類型可能是原子彈，也可能是含有放射性物質的核污染劑，或二者兼而有之“ProQuest： History Vault. Investigation of German development of nuclear weapons， March 30， 1976， Manhattan Project： Official History and Documents，”Download September 10， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/003236/003236_005_1107/003236_005_1107_From_1_to_39.pdf.。另一方面，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、萊奧·西拉德（Leo Szilard）和愛德華·泰勒（Edward Teller）等物理學家作為二十世紀最著名的學術巨擘，他們的意見對于美國決策者來說至關重要。在那封由著名核物理學家西拉德起草，由愛因斯坦親筆簽名、寫給羅斯?？偨y(tǒng)的信中［5］，這些科學家們表達了對德國開采鈾礦石的擔憂，直言不諱地要求美國政府應盡快采取措施來推動國內(nèi)核工業(yè)的發(fā)展：“鈾元素在不久的未來將會成為一種重要的新型能源，由大量鈾所構成的鏈式反應也將產(chǎn)生巨大的能量……德國早已禁止捷克斯洛伐克向外出口鈾礦，并接管了那里的礦山。政府部門應當對此高度關注并迅速采取行動，在保證鈾礦石供應充足的同時，資助那些缺少預算資金的大學實驗室，以幫助它們順利完成實驗活動。同時也應與那些愿意在核事業(yè)奉獻，或是擁有必要研究設備的實驗室展開合作”“ProQuest： History Vault. Explanation of Enrico Fermi and Leo Szilards nuclear research， noting it could ‘lead to the construction of bombs， and it is conceivable “though much less certain” that extremely powerful bombs of a new type may thus be constructed and encouraging the president to secure a supply of uranium ore， August 2， 1939， Documentary History of the Franklin D. Roosevelt Presidency，”Download September 12， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/002166/002166_043_0005/002166_043_0005_From_1_to_2.pdf.。在情報部門和美國學界的雙重壓力下，美國政府逐漸認識到了研發(fā)核武器的重要性，并決定與愛荷華州立大學在核科學領域展開合作。

三、埃姆斯實驗室對曼哈頓工程的貢獻

1942年8月，在參加“二戰(zhàn)”的8個月后，美國政府啟動了曼哈頓工程，由美國陸軍將軍萊斯利·格羅夫斯（Leslie Richard Groves）負責［4］24。這項工程作為美國科學界的練兵場，會集了包括羅伯特·奧本海默（Julius Robert Oppenheimer）、恩利克·費米（Enrico Fermi）、尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）和馮·諾依曼（John von Neumann）在內(nèi)的一大批精英科學家，美國由此正式展開了研制原子彈的工作。

鑒于美國政府和軍方對曼哈頓工程安全性的高度重視，相關核研發(fā)任務主要被分散在三個地區(qū)進行。其一是位于美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室，代號為“Y站點”。該實驗室作為曼哈頓工程的核心機構，全面負責美國核計劃的統(tǒng)籌規(guī)劃工作，并承擔原子彈的最后組裝任務。其二是位于田納西州的橡樹嶺實驗室。該實驗室負責濃縮鈾元素的相關實驗工作，從而為整個核計劃提供放射性原材料。其三是位于華盛頓州哥倫比亞河畔的漢福德工廠。由于臨近河流，漢福德工廠得以利用足夠的水資源作為冷卻劑來冷卻高耗能的核反應堆，故該工廠主要承擔钚生產(chǎn)方面的相關研究。此外，還有多個科研院所分擔了曼哈頓工程的部分核研究任務。上述各個實驗機構和工廠設施之間分工明確、協(xié)調(diào)統(tǒng)一并互為補充。同時，美國政府持續(xù)加大對曼哈頓工程的資金援助，并密集出臺多項有助于開展核研究的政策和條款，為取得對德核競賽的優(yōu)勢、建立本國核工業(yè)體系提供了良好的支撐。

然而研發(fā)過程并非完全順利，雖然科學家們在理論方面的研究日趨成熟，并且建造了一系列試驗場地，但是最大的難題在于無法生產(chǎn)出足夠多的燃料以供實驗。一方面，鈾和钚作為唯一已知的核燃料來源，二者在自然界中的儲量十分匱乏。另一方面，制造原子彈需要用到一種名為U-235的特殊鈾，而這種鈾在自然界中的儲量還不到普通鈾（U-238）儲量的1%［6］。

為解決這一技術難題，埃姆斯實驗室作為專門進行金屬與化學研究的科研機構，不僅承擔了大部分的冶金任務，還在基礎化學方面展開研究，并重點關注那些可能被用于研發(fā)原子能裝置的材料。為進一步擴大埃姆斯實驗室的規(guī)模，愛荷華州立大學的幾位著名化學家被任命為科學顧問。此外該實驗室還雇傭了大量科學工作者和技術人員，使得在科學研究進入最緊張的階段時，有超過500位研究人員參與了該實驗室的科研任務“ProQuest： History Vault. Nuclear research conducted at Iowa State College in support of the Manhattan Project， March 29， 1976， Manhattan Project： Official History and Documents，”Download September 10， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/003236/003236_002_0053/003236_002_0053_From_1_to_97.pdf.。

埃姆斯實驗室在生產(chǎn)高純度金屬、稀土元素、化學品和特殊物品方面表現(xiàn)出色，不僅開發(fā)了低成本冶煉金屬鈾、鈰和鈹?shù)纳a(chǎn)工藝，也研發(fā)了一種從核廢料中回收金屬鈾的方法，同時還在分析化學、物理學和光譜學等領域展開了大量研究。根據(jù)相關檔案資料統(tǒng)計，埃姆斯實驗室在曼哈頓工程中的貢獻可以總結為以下五個方面。

第一，該實驗室總共生產(chǎn)了大約200萬磅金屬鈾、4 500磅高純度金屬釷、450磅高純度金屬鈰和大量金屬鑭、金屬鈹和其他特殊合金。

第二，該實驗室制造并提供了陶瓷坩堝和高溫限制槽，以及由CaO、MgO、BeO、U2O、UO2、UO、UC、U2C3、UC2、UN、TaN、ZrN、ZrC、ThN、TiN、W2C、WC、TaC、TiC、CbC和MoC等材料制成的桿和細絲。

第三，該實驗室提供了純度極高的化學樣品，如UBr4、UBr3、UF3、UI3、UC、UN、UOCL2、UOBr2、KUF5、KUCL5、RbF、CaO、稀土元素、無水ThCL4、ThO2、ThF4、二乙基鋅、二甲基鋅、二水楊醛乙二胺和α—萘羥肟酸等。這些特殊材料作為核研究的基礎原料，有效地支持了曼哈頓工程中的核項目。

第四，該實驗室通過與其他科研機構展開合作的方式，對田納西州橡樹嶺Y-12工廠中的鉭絲、不銹鋼板和其他受到腐蝕的部件進行冶金檢測和腐蝕研究，同時對金屬鈾在電磁型同位素分離器內(nèi)壁和其他部件中的滲透深度展開研究，從而有力地支持了其他科研機構的研究活動。

第五，埃姆斯實驗室在完成上述工作任務的同時，進行了大量的學術研究。據(jù)統(tǒng)計，該實驗室的科研工作者們共計提交了357份研究文獻，其中包括234份出版物、105份有關钚項目的實驗記錄報告和18份發(fā)表在科學期刊上的論文“ProQuest： History Vault. Nuclear research conducted at Iowa State College in support of the Manhattan Project， March 29， 1976， Manhattan Project： Official History and Documents，”Download September 10， 2023， https：//hv.proquest.com/pdfs/003236/003236_002_0053/003236_002_0053_From_1_to_97.pdf.。這些學術研究成果不僅對曼哈頓工程的順利進行起到了不可或缺的推動作用，而且極大地促進了戰(zhàn)后美國核科學的進步。

四、結語

作為“二戰(zhàn)”時期美國核研究的重要組成部分，愛荷華州立大學的埃姆斯實驗室不僅為曼哈頓工程做出了巨大貢獻，也在一定程度上填補了美國學界在核研究領域的空白，同時有力地推動了美國核工業(yè)的發(fā)展?！岸?zhàn)”結束后，憑借其雄厚的科研實力，埃姆斯實驗室成功躋身于美國國家重點實驗室之列。時至今日，該實驗室在化學與材料工程領域的科研實力依然不可小覷。

參考文獻：

［1］史宏飛.科學家在國會的活動與美國1946年原子能立法進程［J］.歷史教學（下半月刊），2020（1）：49-57.

［2］PAYNE C S.The Ames Project： Administering Classified Research as a Part of the Manhattan Project at Iowa State College， 1942-1945［D］.Ames：Iowa State University，1992.

［3］GROVES L R.Now It can be Told： The Story of the Manhattan Project［M］.New York：Harper & Row Publishers，1962.

［4］HOOK S V.The Manhattan Project［M］.Edina：ABDO Publishing Company，2011.

［5］李工真.文化的流亡：納粹時代歐洲知識難民研究［M］.北京：人民出版社，2010：328.

［6］GONZALES D.The Secret of the Manhattan Project［M］.Berkeley Heights，NJ：Enslow Publishers，Inc.，2012：31.

作者簡介：楊浩南（2000—），男，漢族，內(nèi)蒙古扎蘭屯人，單位為哈爾濱師范大學歷史文化學院，研究方向為世界近現(xiàn)代史、美國史。

（責任編輯：朱希良）