摘要：第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，為應(yīng)對(duì)納粹德國(guó)潛在的核威脅，美國(guó)聯(lián)邦政府在情報(bào)部門和學(xué)術(shù)界的雙重壓力下，與愛(ài)荷華州立大學(xué)在核科學(xué)領(lǐng)域展開(kāi)了合作，并成立了埃姆斯實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)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(xué)領(lǐng)域展開(kāi)了學(xué)術(shù)研究，從而有力地推動(dòng)了美國(guó)核工業(yè)的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：埃姆斯實(shí)驗(yàn)室；曼哈頓工程；核科學(xué)；科研機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：K152文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(guó)在1942年8月至1945年7月期間實(shí)施的絕密計(jì)劃，旨在利用核裂變反應(yīng)研制原子彈。該計(jì)劃云集了當(dāng)時(shí)各大科研機(jī)構(gòu)的頂尖科學(xué)家，并成功制造出了可在實(shí)戰(zhàn)中投入使用的核武器。1945年8月6日、9日，美國(guó)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(jié)束與戰(zhàn)后和平的到來(lái)，也標(biāo)志著人類社會(huì)進(jìn)入了原子時(shí)代［1］。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)于曼哈頓工程中相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的研究主要集中在探討洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）、橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）和漢福德工廠（Hanford Works）等機(jī)構(gòu)的貢獻(xiàn)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(duì)于愛(ài)荷華州立大學(xué)埃姆斯實(shí)驗(yàn)室（Ames Laboratory）的研究卻相對(duì)較少［2］。筆者認(rèn)為，埃姆斯實(shí)驗(yàn)室在曼哈頓工程中同樣具有重要地位。本文以相關(guān)解密檔案與原始文獻(xiàn)為史料依據(jù)，通過(guò)分析埃姆斯實(shí)驗(yàn)室在曼哈頓工程中的貢獻(xiàn)，進(jìn)而揭示該實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)核工業(yè)中的重要作用。

一、美國(guó)政府對(duì)核科學(xué)研究的關(guān)注與埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的成立

1938年底，德國(guó)柏林威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm Institute）的物理學(xué)家?jiàn)W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(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了鈾的裂變過(guò)程。這一革命性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了學(xué)術(shù)界，納粹德國(guó)決定利用這一發(fā)現(xiàn)研制核武器，從而滿足其侵略擴(kuò)張的需要。關(guān)于德國(guó)正在研制原子武器的消息引起了美國(guó)高層對(duì)核科學(xué)研究的高度重視。早在1939年10月，當(dāng)富蘭克林·羅斯福（Franklin Delano Roosevelt，以下簡(jiǎn)稱羅斯福）總統(tǒng)的朋友和私人顧問(wèn)亞歷山大·薩克斯（Alexander Sachs）呼吁羅斯福支持當(dāng)前正在進(jìn)行的核科學(xué)研究時(shí)，美國(guó)政府就表示高度關(guān)注。作為回應(yīng)，羅斯?？偨y(tǒng)隨即成立鈾顧問(wèn)委員會(huì)（Advisory Committee on Uranium）用于了解當(dāng)前核研究的情況。該委員會(huì)由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局、陸軍和海軍的代表組成，通過(guò)與物理學(xué)家和化學(xué)家開(kāi)展不定期會(huì)面的方式來(lái)探討原子能和原子武器的最新發(fā)展趨勢(shì)［3］6-7，預(yù)算為6 000美元［4］20。

1940年4月，當(dāng)鈾顧問(wèn)委員會(huì)得知德國(guó)威廉皇帝研究所正在進(jìn)行一項(xiàng)涉及鈾元素的研究項(xiàng)目時(shí)［3］7，美國(guó)政府進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)本國(guó)核研究的支持。兩個(gè)月后，在鈾顧問(wèn)委員會(huì)的基礎(chǔ)上，美國(guó)成立了國(guó)防研究委員會(huì)（National Defense Research Committee），通過(guò)向一些大學(xué)和研究所提供經(jīng)費(fèi)援助這些研究經(jīng)費(fèi)最開(kāi)始來(lái)自于陸軍和海軍的撥款，后來(lái)改由國(guó)防研究委員會(huì)負(fù)責(zé)提供。的方式，推動(dòng)本國(guó)在核科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)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(huì)共與大學(xué)、私人或公立研究機(jī)構(gòu)簽訂了16份研究合同，總額約為30萬(wàn)美元［3］7。1941年6月，國(guó)防研究委員會(huì)與醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)合并，成立了科學(xué)研究與發(fā)展局（Office of Scientific Research and Development），由羅斯?？偨y(tǒng)的科學(xué)顧問(wèn)萬(wàn)尼瓦爾·布什博士（Vannevar Bush）擔(dān)任局長(zhǎng)，從而加速了美國(guó)政府與科研機(jī)構(gòu)在核科學(xué)研究方面的合作。

在這一背景下，負(fù)責(zé)核研究的芝加哥大學(xué)物理系教授阿瑟·康普頓博士（Arthur Holly Compton）于1942年2月邀請(qǐng)愛(ài)荷華州立大學(xué)化學(xué)家弗蘭克·斯佩丁博士（Frank H. Spedding）前來(lái)芝加哥，共同商討建立一個(gè)化學(xué)研究所的可能性。經(jīng)過(guò)討論，雙方?jīng)Q定在愛(ài)荷華州立大學(xué)設(shè)立一個(gè)小型研究項(xiàng)目，埃姆斯實(shí)驗(yàn)室由此誕生，這一決定也很快得到了愛(ài)荷華州立大學(xué)校長(zhǎng)查爾斯·弗里利（Charles E. Friley）的大力支持同上。。

二、美國(guó)成立埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的原因

第一，美國(guó)在核化學(xué)領(lǐng)域的研究尚不充分。1940年代初，美國(guó)在核武器的研究與開(kāi)發(fā)方面基本停滯在理論層面，其主要原因之一是美國(guó)化學(xué)界在放射性元素研究方面存在不足，冶金工廠無(wú)法提供足夠多的元素樣品供科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。這些不足導(dǎo)致美國(guó)在研制核武器的過(guò)程中，科研人員幾乎無(wú)法通過(guò)已有的參考文獻(xiàn)來(lái)獲取急需分析的稀有元素樣品的關(guān)鍵資料。實(shí)際上，由于這些待分析的稀有元素嚴(yán)重限制著相關(guān)研究的進(jìn)展，科研人員必須額外開(kāi)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(jìn)），以便對(duì)這些元素進(jìn)行研究同上。。鑒于此，為減輕其他科研機(jī)構(gòu)的工作負(fù)擔(dān)，美國(guó)政府有意在化學(xué)實(shí)力較強(qiáng)的愛(ài)荷華州立大學(xué)設(shè)立埃姆斯實(shí)驗(yàn)室。

第二，愛(ài)荷華州立大學(xué)有能力召集眾多高水平的科學(xué)工作者。在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期集結(jié)一眾科研人員共同參與一項(xiàng)高度保密的核工程絕非易事。埃姆斯實(shí)驗(yàn)室成立后，為確保后續(xù)研究的順利進(jìn)行，愛(ài)荷華州立大學(xué)在人員配置方面對(duì)其進(jìn)行了援助。除著名稀土化學(xué)家弗蘭克·斯佩丁博士親自擔(dān)任埃姆斯實(shí)驗(yàn)室主任以外，該實(shí)驗(yàn)室在愛(ài)荷華州立大學(xué)的幫助下，共計(jì)招募到121位科學(xué)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(xué)家與物理學(xué)家同上。。這些科研人員代表各自研究領(lǐng)域的專業(yè)力量，展示了愛(ài)荷華州立大學(xué)在科研方面的卓越實(shí)力，突顯了該大學(xué)在人員協(xié)調(diào)與組織方面的出色能力。這也是美國(guó)政府選擇與愛(ài)荷華州立大學(xué)合作并成立埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的重要原因之一。

第三，美國(guó)國(guó)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(bào)部門曾向美國(guó)高層提交了一份關(guān)于德國(guó)核研究情況的報(bào)告。該報(bào)告明確指出：由于德國(guó)方面在美國(guó)參戰(zhàn)前就已經(jīng)在原子能領(lǐng)域展開(kāi)大規(guī)模研究活動(dòng)，核武器成為德國(guó)所吹噓的秘密武器這一說(shuō)法是有據(jù)可循的。德國(guó)進(jìn)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(zhì)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(ài)因斯坦（Albert Einstein）、萊奧·西拉德（Leo Szilard）和愛(ài)德華·泰勒（Edward Teller）等物理學(xué)家作為二十世紀(jì)最著名的學(xué)術(shù)巨擘，他們的意見(jiàn)對(duì)于美國(guó)決策者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在那封由著名核物理學(xué)家西拉德起草，由愛(ài)因斯坦親筆簽名、寫(xiě)給羅斯?？偨y(tǒng)的信中［5］，這些科學(xué)家們表達(dá)了對(duì)德國(guó)開(kāi)采鈾礦石的擔(dān)憂，直言不諱地要求美國(guó)政府應(yīng)盡快采取措施來(lái)推動(dòng)國(guó)內(nèi)核工業(yè)的發(fā)展：“鈾元素在不久的未來(lái)將會(huì)成為一種重要的新型能源，由大量鈾所構(gòu)成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也將產(chǎn)生巨大的能量……德國(guó)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(yīng)當(dāng)對(duì)此高度關(guān)注并迅速采取行動(dòng)，在保證鈾礦石供應(yīng)充足的同時(shí)，資助那些缺少預(yù)算資金的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以幫助它們順利完成實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。同時(shí)也應(yīng)與那些愿意在核事業(yè)奉獻(xiàn)，或是擁有必要研究設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)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(bào)部門和美國(guó)學(xué)界的雙重壓力下，美國(guó)政府逐漸認(rèn)識(shí)到了研發(fā)核武器的重要性，并決定與愛(ài)荷華州立大學(xué)在核科學(xué)領(lǐng)域展開(kāi)合作。

三、埃姆斯實(shí)驗(yàn)室對(duì)曼哈頓工程的貢獻(xiàn)

1942年8月，在參加“二戰(zhàn)”的8個(gè)月后，美國(guó)政府啟動(dòng)了曼哈頓工程，由美國(guó)陸軍將軍萊斯利·格羅夫斯（Leslie Richard Groves）負(fù)責(zé)［4］24。這項(xiàng)工程作為美國(guó)科學(xué)界的練兵場(chǎng)，會(huì)集了包括羅伯特·奧本海默（Julius Robert Oppenheimer）、恩利克·費(fèi)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(xué)家，美國(guó)由此正式展開(kāi)了研制原子彈的工作。

鑒于美國(guó)政府和軍方對(duì)曼哈頓工程安全性的高度重視，相關(guān)核研發(fā)任務(wù)主要被分散在三個(gè)地區(qū)進(jìn)行。其一是位于美國(guó)新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，代號(hào)為“Y站點(diǎn)”。該實(shí)驗(yàn)室作為曼哈頓工程的核心機(jī)構(gòu)，全面負(fù)責(zé)美國(guó)核計(jì)劃的統(tǒng)籌規(guī)劃工作，并承擔(dān)原子彈的最后組裝任務(wù)。其二是位于田納西州的橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)濃縮鈾元素的相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作，從而為整個(gè)核計(jì)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(lái)冷卻高耗能的核反應(yīng)堆，故該工廠主要承擔(dān)钚生產(chǎn)方面的相關(guān)研究。此外，還有多個(gè)科研院所分擔(dān)了曼哈頓工程的部分核研究任務(wù)。上述各個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)和工廠設(shè)施之間分工明確、協(xié)調(diào)統(tǒng)一并互為補(bǔ)充。同時(shí)，美國(guó)政府持續(xù)加大對(duì)曼哈頓工程的資金援助，并密集出臺(tái)多項(xiàng)有助于開(kāi)展核研究的政策和條款，為取得對(duì)德核競(jìng)賽的優(yōu)勢(shì)、建立本國(guó)核工業(yè)體系提供了良好的支撐。

然而研發(fā)過(guò)程并非完全順利，雖然科學(xué)家們?cè)诶碚摲矫娴难芯咳遮叧墒?，并且建造了一系列試?yàn)場(chǎng)地，但是最大的難題在于無(wú)法生產(chǎn)出足夠多的燃料以供實(shí)驗(yàn)。一方面，鈾和钚作為唯一已知的核燃料來(lái)源，二者在自然界中的儲(chǔ)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(chǔ)量還不到普通鈾（U-238）儲(chǔ)量的1%［6］。

為解決這一技術(shù)難題，埃姆斯實(shí)驗(yàn)室作為專門進(jìn)行金屬與化學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)，不僅承擔(dān)了大部分的冶金任務(wù)，還在基礎(chǔ)化學(xué)方面展開(kāi)研究，并重點(diǎn)關(guān)注那些可能被用于研發(fā)原子能裝置的材料。為進(jìn)一步擴(kuò)大埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模，愛(ài)荷華州立大學(xué)的幾位著名化學(xué)家被任命為科學(xué)顧問(wèn)。此外該實(shí)驗(yàn)室還雇傭了大量科學(xué)工作者和技術(shù)人員，使得在科學(xué)研究進(jìn)入最緊張的階段時(shí)，有超過(guò)500位研究人員參與了該實(shí)驗(yàn)室的科研任務(wù)“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(shí)驗(yàn)室在生產(chǎn)高純度金屬、稀土元素、化學(xué)品和特殊物品方面表現(xiàn)出色，不僅開(kāi)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(shí)還在分析化學(xué)、物理學(xué)和光譜學(xué)等領(lǐng)域展開(kāi)了大量研究。根據(jù)相關(guān)檔案資料統(tǒng)計(jì)，埃姆斯實(shí)驗(yàn)室在曼哈頓工程中的貢獻(xiàn)可以總結(jié)為以下五個(gè)方面。

第一，該實(shí)驗(yàn)室總共生產(chǎn)了大約200萬(wàn)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(shí)驗(yàn)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(xì)絲。

第三，該實(shí)驗(yàn)室提供了純度極高的化學(xué)樣品，如UBr4、UBr3、UF3、UI3、UC、UN、UOCL2、UOBr2、KUF5、KUCL5、RbF、CaO、稀土元素、無(wú)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(chǔ)原料，有效地支持了曼哈頓工程中的核項(xiàng)目。

第四，該實(shí)驗(yàn)室通過(guò)與其他科研機(jī)構(gòu)展開(kāi)合作的方式，對(duì)田納西州橡樹(shù)嶺Y-12工廠中的鉭絲、不銹鋼板和其他受到腐蝕的部件進(jìn)行冶金檢測(cè)和腐蝕研究，同時(shí)對(duì)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(kāi)研究，從而有力地支持了其他科研機(jī)構(gòu)的研究活動(dòng)。

第五，埃姆斯實(shí)驗(yàn)室在完成上述工作任務(wù)的同時(shí)，進(jìn)行了大量的學(xué)術(shù)研究。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)室的科研工作者們共計(jì)提交了357份研究文獻(xiàn)，其中包括234份出版物、105份有關(guān)钚項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)記錄報(bào)告和18份發(fā)表在科學(xué)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(xué)術(shù)研究成果不僅對(duì)曼哈頓工程的順利進(jìn)行起到了不可或缺的推動(dòng)作用，而且極大地促進(jìn)了戰(zhàn)后美國(guó)核科學(xué)的進(jìn)步。

四、結(jié)語(yǔ)

作為“二戰(zhàn)”時(shí)期美國(guó)核研究的重要組成部分，愛(ài)荷華州立大學(xué)的埃姆斯實(shí)驗(yàn)室不僅為曼哈頓工程做出了巨大貢獻(xiàn)，也在一定程度上填補(bǔ)了美國(guó)學(xué)界在核研究領(lǐng)域的空白，同時(shí)有力地推動(dòng)了美國(guó)核工業(yè)的發(fā)展。“二戰(zhàn)”結(jié)束后，憑借其雄厚的科研實(shí)力，埃姆斯實(shí)驗(yàn)室成功躋身于美國(guó)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之列。時(shí)至今日，該實(shí)驗(yàn)室在化學(xué)與材料工程領(lǐng)域的科研實(shí)力依然不可小覷。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)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(xué)歷史文化學(xué)院，研究方向?yàn)槭澜缃F(xiàn)代史、美國(guó)史。

（責(zé)任編輯：朱希良）