早期臺(tái)大核子物理實(shí)驗(yàn)室

早期臺(tái)大核子物理實(shí)驗(yàn)室（三）自造重水鄭伯昆淡江大學(xué)物理系E-mail:pktseng@.tw摘要此篇中我們描述光復(fù)初期，臺(tái)大物理系原子核實(shí)驗(yàn)室的成員所做的工作之一，自造重水的經(jīng)過，他們?cè)谖镔|(zhì)條件極端缺乏時(shí)，自立更生的故事。除了日人也試製了重水以外，此事是我國科技史上也需要特記的成就。前言此篇中我們描述許先生的一群人(戴運(yùn)軌(教授)，許雲(yún)基(當(dāng)時(shí)助教)，林松雲(yún)，許玉釧，周木春(此三人是技術(shù)員))自造重水的經(jīng)過。本來在上一篇中有一節(jié)是想描述此事，後來訪問許雲(yún)基林松雲(yún)許玉釗三位先生時(shí)，聽了不少當(dāng)時(shí)辛苦的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)劉遠(yuǎn)中先生看了本人的稿時(shí)，也表示自造重水部分，需要更詳細(xì)地描述，最好是獨(dú)立的一篇文章。他們的工作已有詳細(xì)的報(bào)告在"核子科學(xué)"(1)中，本篇是它的內(nèi)容再加三位前輩所補(bǔ)充的說明而成。1重水的發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)重水的方法及其難處重氫的發(fā)現(xiàn)(2)當(dāng)Aston利用質(zhì)譜儀氫的原子質(zhì)量時(shí)得到1.00778，此值和當(dāng)時(shí)利用化學(xué)傳統(tǒng)的方法定出，且訂為國際公認(rèn)值的值1.00777相符。但在1929發(fā)現(xiàn)O18同位素，如此一來H和含O18同位素的氧形成的H2O的分子量換算氫原子重量就變成1.00756，此值和Aston量的氫原子量不一致(換算值太小)。假如將O16的質(zhì)量由16.000--增大，也把O18量出來的值考慮進(jìn)去，再去換算出來氫的質(zhì)量卻比Aston量出的值大。到1931年這個(gè)迷由Birge及Menzel指出可能是氫有重的同位素。1932年Urey(3)發(fā)現(xiàn)繼續(xù)分溜(fractionalDistillation)至只省很少量的水時(shí)，水的比重會(huì)微量增加，他將此水(變成氣體來放電看它的光譜時(shí)，就看到它的Balmerseries明線光譜中有超微細(xì)構(gòu)造，就是說原來是一條明線光譜實(shí)際上是兩條，由此証明分溜的水中有重氫。如將此同位素原子核設(shè)為氫原子核（質(zhì)子）的兩倍，就是說重氫（氘）的原子核是由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合(因此氘原子核比氫原子核重兩倍)，就可以說明氫和重氫Balmerline的波長有很小的不等而呈現(xiàn)兩條線。由兩條線的發(fā)光強(qiáng)度也可推算出氫和重氫的含量，因此也可算出自然水中含重氫的含量(Urey的推算值是0.02%)。這是利用光譜學(xué)証明有同位素的少數(shù)具有”戲劇性的成功”(2)的事例。電解法製造重水後來由Lewis(4)及Washburn(5)發(fā)現(xiàn)，電解也和分溜一樣在所剩的電解水中有濃縮重水的事實(shí)，隨著証實(shí)用重覆的(extensive)電解可製備很純的重水(5)。此法馬上被應(yīng)用到大量生產(chǎn)重水的方法，特別是挪威等水力發(fā)電資源豐富的國家更適合此法。平常濃縮重水時(shí)，多半是找電解(海水產(chǎn)生鹵氣等)或電鍍工廠的癈水當(dāng)起始的水，因?yàn)檫@些工廠的電解槽經(jīng)年不斷地電解，而電解久了槽中的水減少需要補(bǔ)充水時(shí)，槽中的剩水不會(huì)排出，只會(huì)在電解剩下的水上再加電解液繼續(xù)生產(chǎn)，如此累年積月後電解剩下的水中的重水含量會(huì)比自然水大很多。利用此電解剩下的水當(dāng)製造重水起始用的電解水，是很經(jīng)濟(jì)的方法。電解法製造重水的困難(1)使用大量的水由於自然水中重水的含量是0.015%，假定我們有辦法自然水中重水全部提鍊出來，那麼提鍊cc的重水所需的自然水cc是：=40cc或=2.67×105cc實(shí)際上在電解時(shí)除了電離H2O(輕水)的氫原子以外，也以一定的機(jī)率電離D2O的氘原子。因此由電解而濃縮成純重水40cc時(shí)所需的自然水，要比上述的計(jì)算的值(2.67×105cc)多很多，實(shí)際上許先生用了20個(gè)50的電解槽，每槽放約45的電解液，一起電解。因此自然水(加NaOH)共約900,000cc，近1噸的自然水！並且如此的製程只少做了兩次，因此電解了近2噸的自然水，最後只剩20cc。(2)使用大量的直流電：由自然水開始電解時(shí)，第一個(gè)步驟就是將大量的自然水電解到差不多沒有，只剩小量(原來的1/4)的水。照Farady定律可算出將1噸的自然水完全電解，變成氫和氧所需的電量；Farady=(電解1mole電解物質(zhì)(水)所需的電量)=96,500Coulomb/Mole=96,500Amp-sec/Mole=(96,500/3,600)Amp-Hour/Mole1,000,000g的水=(1,000,000/18)mole電解每克分子量的水需要2個(gè)Farady的電量電解1,000,000g的水所需的電量={(1,000,000/18)Mole}×2×{(96,500/3,600)Amp-Hour/Mole}=約3,000,000Amp-Hour事實(shí)上20個(gè)電解槽串聯(lián)通電，因此只要1/20因此150,000Amp-Hour(3)當(dāng)時(shí)將交流整流的手段有限：電力公司的交流電可隨時(shí)可接來使用，電費(fèi)也是學(xué)校付，但需要將供來交流改為直流(整流)才能進(jìn)行電解。當(dāng)時(shí)尚無矽為材料的整流子只有靠交流馬達(dá)推動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)，以及大型的水銀整流管。還好當(dāng)時(shí)找到最大的整流器有，75A的交流馬達(dá)推動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)，還有只能小電流整流的硒整流器等，為了得到更大的直流電源，他們自製了可以通150Amp的水銀整流管。還好電解所需的電壓--兩電極間的電位降落V--可以低(~4volt)，串聯(lián)幾(n)個(gè)電解槽時(shí)，所需的電壓nV不超過可供的直流電壓E，就可以串聯(lián)電解槽來同時(shí)電解，因此可大大地減少所需的工作時(shí)間。許先生在第一階段的無回收電解時(shí)，用了20個(gè)50公升的電解槽串聯(lián)通電流(約150,000Amp-Hour)。(4)無回收電解和回收電解：生產(chǎn)重水的實(shí)用的步驟是：將電解液電解至體積小到1/4程度時(shí)停止，將幾個(gè)同一階段的剩液，放在一起再做另一階段的電解。電解時(shí)產(chǎn)生的氫氣中所含的重氫比電解液的濃度低很多，且電解所產(chǎn)生的氫氣會(huì)混合氧氣後會(huì)容易爆炸，因此需要急速排放掉到大氣。由第一階段直到前幾個(gè)階段，電解排出的氫氣中重氫的含量比自然氫氣少或差不多，因此將它排出了就好，這些階段的電解稱謂無回收電解。但電解階段的呈次越高，重氫的含量比自然氫會(huì)變高很多，因此電解排出的氫氣中重氫的含量也比自然氫氣多很多。此時(shí)我們需要將電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣，再化合成水，回收成另一階段電解用的液體，這些階段的電解稱謂回收電解。(5)電解時(shí)因產(chǎn)生氫氣而爆炸的危險(xiǎn)及煩多的預(yù)備實(shí)驗(yàn)：回收電解時(shí)所產(chǎn)生的氫氣及氧氣，需要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)變成水回收，此時(shí)需要避免氫氣和氧氣混合時(shí)引起爆炸的危險(xiǎn)。此方面許先生做了預(yù)備實(shí)驗(yàn)，以決定各階段電解所需的實(shí)驗(yàn)條件，據(jù)許先最近的電話訪問時(shí)，告知本人時(shí)稱，剛開始曾用過將電極產(chǎn)生的氫氣及氧氣混合後燃燒。但此法容易引起爆炸，經(jīng)過了一段驚險(xiǎn)的試行錯(cuò)誤後，利用催化劑的合成法才得成功。譬如將電解出來的氫氣和氧氣通到氧化銅催化劑（許先最近的電話訪問時(shí)也曾提過用Platinum-Black（它是很小粿?！蚊准?jí)的—的白金，催化的能力很強(qiáng)且待久，現(xiàn)代的催化劑差不多是利用此特性）以當(dāng)時(shí)的情況要相當(dāng)數(shù)量的Platinum-Black必有困難，也許是開始用過但無法得到適當(dāng)量做有規(guī)模的實(shí)驗(yàn)後改用銅）中結(jié)合成水，他們需要用實(shí)驗(yàn)來決定氧化銅產(chǎn)生氫氧全部能合成變水時(shí)的最低催化溫度，以確保其安全。(6)漫長而複雜的準(zhǔn)備工作：許先生他們要生產(chǎn)40cc的重水所需做的準(zhǔn)備工作相當(dāng)複雜，且需要很長的工作時(shí)間。他們?cè)谠诿駠?7年5月13日(1948年)測(cè)到Li7(p,)He4的反應(yīng)以後，生產(chǎn)重水應(yīng)該是『當(dāng)時(shí)筆者等的急務(wù)』，因此很可能馬上就開始生產(chǎn)重水的計(jì)劃，而筆者看到在2號(hào)館東北角的製造重水，由水銀整流管所發(fā)出的亮光，是在民國39~41年暑~秋季，因此只少花了2~4年。所需的設(shè)備除了交流電源，一部75Amp的直流發(fā)電機(jī)以外，幾乎是自己由抽象的概念開始設(shè)計(jì)，買材料(可能經(jīng)過試造，失敗，改良等多次循環(huán))自製，或找合適的工廠訂製等等。這硬體的準(zhǔn)備工作包括：只少20套的無回收電解用50公升的電解槽及電極20套。(用在A，B，C階段)(圖4、5)只少9套無回收電解用3公升的電解槽、電極及冷卻槽。(用在D，E階段)(圖4、5)只少2套回收電解用500cc電解槽。(用在F，G階段)(圖8)只少2套回收電解用100cc電解槽。(用在H，I階段)(圖8)只少1套回收氫氣變成水的裝置。(用在F，G，H，I階段)(圖7)以及150Amp水銀整流管等。圖1太田教授所使用的光譜儀，用三個(gè)60度的三稜鏡Tl．T2，T3及一個(gè)30度的三稜鏡TR組合，光由T1-T2-T3至TR反射回來再由T3-T2-T1出去，如此相當(dāng)於7次的60度三稜鏡色散得到所需的色散角。圖1太田教授所使用的光譜儀，用三個(gè)60度的三稜鏡Tl．T2，T3及一個(gè)30度的三稜鏡TR組合，光由T1-T2-T3至TR反射回來再由T3-T2-T1出去，如此相當(dāng)於7次的60度三稜鏡色散得到所需的色散角。(6)周密的實(shí)驗(yàn)步驟計(jì)劃：以上的複雜多樣的準(zhǔn)備工作以及生產(chǎn)，必需依賴週詳?shù)挠?jì)劃，並且隨著計(jì)劃的進(jìn)行有更改可能的彈性。特別是回收電解各段中只要有一小段差錯(cuò)，就得由約1噸的自然水無回收電解重新開始做幾個(gè)月。由他們的報(bào)告及造重水的時(shí)間看，似乎看不到任何失敗，以作者長久的研究生涯中難得看到如此執(zhí)行成功的計(jì)劃。2臺(tái)北帝大時(shí)有關(guān)重水的研究臺(tái)北帝大、物理教室的荒勝文策教授，本來的工作是光譜學(xué)，光復(fù)時(shí)在原子核實(shí)驗(yàn)室的東邊最大的房間己是很好的暗房，並且有相當(dāng)好的光譜儀。本人記得在當(dāng)講師時(shí)，還看過底邊長約2~30cm的大三稜鏡在近物實(shí)驗(yàn)室。此事實(shí)表示，荒勝文策教授等人所準(zhǔn)備的光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)室，有能力研究重氫等化合物的同位素效應(yīng)(6)。荒勝文教授已注意到，他建的加速器型能做原子核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的範(fàn)圍有限，必需依靠D(d，n)He3或D(t,n)He4的反應(yīng)產(chǎn)生高能的中子，利用此中子做原子核反應(yīng)的研究。因此極需要自造重水，因此要求太田賴常助教授研究如何製造重水。只少當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)重水不久，用重水等含有重氫的化合物做光譜研究也很時(shí)髦。太田助教授有關(guān)於用電解法生產(chǎn)重水方面的論文(7)中提起自然水中重水含量值隨研究者有不同，因此他想重新量它。當(dāng)時(shí)由太田先生所發(fā)表的論文中有三篇(3)是有關(guān)重水的濃縮，及用光譜學(xué)的方法定量。他利用三個(gè)邊長l3cm，高7．6cm的60度以及一個(gè)同大小的側(cè)面但稜角30度的三稜鏡，串聯(lián)組合成Littrow型光譜儀(如圖1)。同時(shí)作者當(dāng)助教時(shí)也曾利用過此暗室，己沒有光譜儀但暗室中確有幾座類似的水泥臺(tái)，其中相隣的一對(duì)或許是建此光譜儀用的?，F(xiàn)在此暗室己改成其他實(shí)驗(yàn)室，但光譜儀臺(tái)是由地下延伸的水泥塊，地面的部分雖己被清除了，但是地板下的結(jié)構(gòu)應(yīng)沒有被更改，如有必要可以扢地下驗(yàn)證二塊基臺(tái)。根據(jù)林松雲(yún)先生的回憶，太田教授曾帶他到氣象臺(tái)看重水的光譜，因此此臺(tái)Littrow型光譜儀可能不在原子核實(shí)驗(yàn)室。林先生描述說在亮線的傍邊，勉強(qiáng)看到了一支細(xì)線，太田教授告訴他，它就是重氫的明線光譜(如圖2)。又木村毅一教授的“アトムのひひとりごと”(原子的自言自語)(p169)(8)中有；『由英國”Nature”雜誌得悉在cavendish研究所p(Li,He)α實(shí)驗(yàn)成功，至1934年7月25日荒勝文策教授的一群建設(shè)此加速器並追試p(Li,He)α實(shí)驗(yàn)成功的二年間，不止建造加速器，還由北投石抽取Po當(dāng)α線源，也用水的電解濃縮重水。因此利用此重水將d(d,He3)n的實(shí)驗(yàn)做成功』(8)等描述。圖2太田所得的同位素效應(yīng)光譜。

3自造重水的原因1948年5月我國第一臺(tái)加速器建造成功，但是能加速電壓(250KV)有限，只用所加速的質(zhì)子(氫原子核)，能產(chǎn)生的核子反應(yīng)有限，因此必須依賴加速重氫，打到重水產(chǎn)生d(d,He3)n核子反應(yīng)得到~2.5MeV的中子?；蚣铀僦貧浯虻接须?H3)的靶，產(chǎn)生d(t,He4)n核子反應(yīng)得到~14.4MeV的中子。利用這些高能的中子才有可能做原子核實(shí)驗(yàn)。因此重水是他們最需要的實(shí)驗(yàn)用材料，然而當(dāng)時(shí)是第二次世界大戰(zhàn)剛結(jié)束及其後數(shù)年，因?yàn)橹貧涫茄u造原子彈所需的重要物質(zhì)。為了做氫所引起的原子核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，許先生的一群人(2)就決心自己做重水。經(jīng)半年之連續(xù)生產(chǎn)成功地得到20cc97%及2Occ98%濃縮的重水。許先生的原論文(3)中亦有如下描述：『1947年，臺(tái)大物理系計(jì)劃以25OkV的Cockcroft-Walton加速器產(chǎn)生中子源(d，d)反應(yīng)，或(d,t)反應(yīng)時(shí)，因當(dāng)時(shí)無法購得重水，所以造重水為當(dāng)時(shí)筆者等的急務(wù)。』41947年當(dāng)時(shí)能得的製重水情報(bào)正如許先生所述當(dāng)時(shí)能得的情報(bào)有限但也很充分，他們描述如下:『至於重水之製造，自從二次大戰(zhàn)以來有許多的新研究結(jié)果，但在1932年由Washburn，Urey(2-1)及Lewis，Macdonald(2-2)等人所發(fā)展下來的電解法，因裝置比較簡單，且在筆者等實(shí)驗(yàn)室裡可以配合裝置，終為筆者等所採納。』『通常電解工廠的電解槽液，因其長年定容電解的結(jié)果，其重水濃度此天然水要高2倍至3倍。但在臺(tái)灣境內(nèi)，筆者等連此種電解槽液亦無法到手，只能由最起碼的自來水出發(fā)來製造。重水電解製造法可分為無收回電解過程與有收回電解過程二段階。關(guān)於實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的無收回電解裝置W.D.Harkins(9)及WG、Brown(10)等人已有詳細(xì)的報(bào)告，惟彼等都以電解槽水為原料，所以所用電解槽體積均以不超過3.5公升者為多。反之，筆者等需由天然水出發(fā)，設(shè)若採用彼等的方法，裝置必然變成龐大而複雜。又彼等所使用二電極為鎳但據(jù)B、Topley，H．Eyring(11)之報(bào)告，鐵的電解分離係數(shù)(Electrolyticseparationcoefficient可以高達(dá)6.9-7.6之高。)『綜合上述及諸項(xiàng)的考慮與數(shù)次的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，筆者等得下列諸點(diǎn)為無收回電解裝置的條件，1．儘可能使用一次可電解多量水的電解槽。2．儘可能通以大電解電流。3．需防止槽內(nèi)水分的蒸發(fā)。4．裝置需簡單而且易於操作者。5．電極使用馬囗鐵。於是筆者等所採用的裝置為約50公升的鐵板電解槽，內(nèi)置1%NaOH溶液，以鐵板電極，日間以150A，夜間以75A的電流使其全日電解?！弧褐领妒栈仉娊庋b置初循Taylor(2-16)及Ota(2-17)等人所報(bào)告的方法，因其爆炸氣的噴氣口的大小，控制困難，且又常起爆裂終為筆者所放棄。千谷利三(2-8)使爆炸氣導(dǎo)至加熱的氧化銅上，得收回由氧與氫所化合的水。筆者等將爆炸氣流速控制在100CC/min、以下，且控制氧化銅的溫度在可能起反應(yīng)的最低溫度。得知事質(zhì)上可以防止任何爆炸的可能性?！弧汗P者等將此裝置連續(xù)操作六個(gè)月，得97%的重水20cc，98%的重水20cc，以下逐項(xiàng)分別報(bào)告?！?電解分離係數(shù)利用電解水來生產(chǎn)的方法看起來很簡單，似乎可想像，用一對(duì)電極插到水槽，不斷地通電就好。但其中所遇到很多的物理，其中電解分離係數(shù)就是用電解來濃縮重水的核心。設(shè)從H2Omol，D2Omol的溶液中，在短暫的時(shí)間內(nèi)得電解H2Omol得D2Omol，即電解分離係數(shù)定義如下(19)------------------------(1)在H2Omol加D2Omol時(shí)，產(chǎn)生氫mol和產(chǎn)生氘mol的機(jī)率比是如=時(shí)，此“水”產(chǎn)生氫mol比產(chǎn)生氘mol的機(jī)率高倍。值隨電解槽的型態(tài)、溫度、電解液等條件有所不同，大致在3至6之間。(1)式可積分得(1-2)式---------------------------------(1-2))並設(shè)：電解開始時(shí)之試料mol數(shù)（）

：進(jìn)行電解某時(shí)點(diǎn)的試料mol數(shù)（）

：電解開始時(shí)之重水濃度

：電解終了時(shí)之重水濃度

依此定義或---------------------------------(1-3)同時(shí)=---------------------------(1-4)將(1-3)、(1-4)關(guān)係代入(1-2)式即得將此式整理得----------------------------(1-5)同理---------------------------(1-6)(1-6)/(1-5)得下式結(jié)果

---------------------(2)重水濃度為相當(dāng)?shù)牡蜁r(shí)(；)(；)，即得--------------------------(2-1)---------------------------(2-2)由於自然水之重水濃度為=0.015%，電解後增到數(shù)%時(shí)，尚可做近似且定性的結(jié)論：如很大時(shí)就是說重水不容易被電解，因此只電解輕水，因此(2-2)式可近似成。因?yàn)椋?2-2)式就變成；--------------------(2-3)此式表示此電解液中的重水的量和開始電解時(shí)的重水的量一樣，或重水沒有被電解而減少。假定=3，4，5，6，7等值，即濃縮比()與當(dāng)時(shí)(即體積縮小至之重水濃度(%)之間，有如第3圖之曲線的關(guān)係。由此圖吾人可知電解分離係數(shù)對(duì)濃縮效率影響之鉅。由電解分離系數(shù)的定義，對(duì)濃度=0.015%之試料加以電解時(shí)，(因?yàn)橛?1)式電解時(shí)所產(chǎn)生之氫氣中，重氫為，氫為)，共所產(chǎn)生之氫氣中之重氫濃度為------------------(3-1)但因此----------------------(3-2)由(1)式(3-1)式可寫成由於因此---------------------(3)圖3各種電解分離係數(shù)下重水濃度和濃縮比之關(guān)係(3)式的意義是：用重氫濃度開始電解，開始當(dāng)時(shí)電離出來的氫氣的重氫濃度比當(dāng)時(shí)的電解液的重氫濃度小。當(dāng)我們由自然水開始電解時(shí)(==0.015%=0.00015)，由(1)式及可能的值下，電解所排放的氫氣中所含的重氫濃度會(huì)比自然水的重氫濃度小。因此重氫濃度很低的電解液所排放的氫氣，沒有回收製成水再去電解的價(jià)值。這一段電解稱無回收電解。當(dāng)電解越久電解液的重氫濃度會(huì)提高，隨著電解所排放的氫氣中所含的重氫濃度會(huì)越來越濃，使電解所排放的氫氣中所含的重氫濃度會(huì)比自然水的重氫濃度(=0.015%=0.00015)高，因此電解所排放的氫氣有必要回收，製成水後再電解，並稱回收電解。由(3)式知，此時(shí)的電解液重氫濃度是：=(3~6)×0.000150.0005~0.001(0.1%~0.05%)許先生採用3~10%當(dāng)此回收電解無回收電解的界限值。『電解分離係數(shù)視電極的質(zhì)料與其表面狀態(tài)，電解質(zhì)及其密度，電流密度，以及溫度等的條件而定。尤其如本實(shí)驗(yàn)的減容電解，其系數(shù)皆隨時(shí)刻而變化。同時(shí)由蒸發(fā)所產(chǎn)生的誤差，亦不能忽視。在本實(shí)驗(yàn)中，只能假定在同一情況下試行電解，所以由體積關(guān)係所定義的α，應(yīng)採為電解分離係數(shù)?！?自造大電流的水銀整流管據(jù)說當(dāng)時(shí)無法得到大電流(200Amp)的整流管(當(dāng)時(shí)還沒可靠的半導(dǎo)體整流子)因此只好自己做水銀整流管，他們利用中廣用壞了的高功率(發(fā)射電波用)真空管電極，並利用Pyrex燒柸做成如圖4的水銀整流管(我們稱它是章魚)。其中所有的玻璃工作就由許玉釗先生製作(由於同一研究室中有兩位姓許，因此稱許玉釗先生為“玻璃許”，最近“玻璃許”先生還回憶起當(dāng)時(shí)，當(dāng)他第一次和大家試驗(yàn)成功水銀整流管----就像現(xiàn)在的高壓水銀燈開始發(fā)亮(根據(jù)其設(shè)計(jì)規(guī)格，其功率相當(dāng)於十五支lKW水銀燈)----時(shí)的莫名感動(dòng)至今尚記憶猶新。他們的論文(1)中有如下描述：圖4電解水製造重水所用的自製大電流整流管『筆者等為了本實(shí)驗(yàn)，幾乎動(dòng)用臺(tái)大物理系所有的三種直流電源。所用的為160V，94A直流發(fā)電機(jī)1具，30V，130A硒質(zhì)整流器(Seleniumrectifier)以及18V，30A硒質(zhì)整流器各1具。然而直流電源尚覺不足。為了補(bǔ)救計(jì)筆者等遂自行設(shè)計(jì)製作，如圖4所示的水銀整流器一具?！弧豪鋮s筒(A)系由800cc．派勒克斯(Pyrex)燒杯四個(gè)所連接製成者。B1，B2，B3為杯狀石墨電極，係利用二極水銀蒸氣整流管QC-702-C的舊板極所製成者。在自製此種水銀整流器的技術(shù)上，以封閉電極感覺最難。在Bl，B2，B3電極，將直徑3mm的鎢糸，在C電極將直徑5mm．的鎢糸，分別封入派勒克斯玻璃內(nèi)，然後利用第5圖所示之溫度曲線加以燒鈍(Annealing)以防破裂?！弧簽榱朔乐鼓婊?Backfire)的發(fā)生，使腳端「特別伸長。起動(dòng)時(shí)利用磁石M將鐵片吸上，使電極S與陰極(水銀面)離開，在激發(fā)電極(Exciting-electrode)E1，E2，C間，發(fā)生弧光放電即可。整流器內(nèi)需常保持相當(dāng)?shù)恼婵?，因此隨時(shí)用水銀擴(kuò)散唧筒保持其所要壓力。在水銀整流器時(shí)，壓力為4mmHg。結(jié)果，能夠輸出的直流為100V，l50A?！箞D5鎢糸的燒鈍曲線水銀整流管的冷卻:『至於散熱問題，將整個(gè)整流器侵入變壓器絕緣油中，再引導(dǎo)通有冷水的銅管於油中而使之冷卻。同時(shí)用Gear-pump使絕緣油發(fā)生對(duì)流，以謀散熱的完全。如在本文中的描述，此水銀整流管的功率很大因此本身的發(fā)熱需要充分地冷卻，他們由電力公司松山修護(hù)廠要到大油桶，將此水銀整流管侵入裝滿絕緣油的桶內(nèi)，同時(shí)也侵入線圈狀銅管，銅管中通水以便取走傳到絕緣油的整流管熱?！凰y整流管的原理：以水銀為陰極時(shí)，如陰陽兩極間低壓的水銀蒸氣產(chǎn)生弧光放電時(shí)，水銀液面上形成局部且移動(dòng)的高溫(2000?C)點(diǎn)，由此點(diǎn)放出高密度的電子(4000A/cm2)，我們稱為陰極點(diǎn)，此點(diǎn)會(huì)在水銀液面上浮動(dòng)同時(shí)放出豐富的電子，因此可維持弧光放電。水銀整流管的點(diǎn)弧:『起動(dòng)時(shí)利用磁鐵M將鐵片吸上，使電極S與陰極(水銀面)離開，在激發(fā)電極(Excitingelectrode)E1,2,C間，發(fā)生弧光放電即可?！弧核y整流管另一個(gè)難題是如何開始弧光放電使水銀面形成陰極點(diǎn)，我們稱為點(diǎn)弧，因此另設(shè)點(diǎn)弧極。小的只有一條整流電路(單相)的水銀整流管，即將整流管瞬間傾斜，使它的點(diǎn)弧極和陰極利用封入在管內(nèi)的水銀短路、當(dāng)它恢復(fù)直立使點(diǎn)弧極和陰極間斷路而產(chǎn)生火花時(shí)產(chǎn)生陰極點(diǎn)、引起陽陰極間弧光放電(點(diǎn)弧)。有多支陽極的(多相)水銀整流管就不能用此法起動(dòng)整流，此時(shí)即由外面用磁鐵移動(dòng)電極R來點(diǎn)弧，許先生所做的三相水銀整流管(圖2就是用此方式。圖4的E1,E2為點(diǎn)弧極，尚有一條金屬線(R極)由R處釣住，長度剛好在S處通到水銀陰極面，且可以利用磁鐵M由外面操作，點(diǎn)弧時(shí)將此金屬線端由水銀面S離開，離開時(shí)R端和水銀面S間產(chǎn)生火花，因此點(diǎn)弧，引起激發(fā)極和陰極面產(chǎn)生弧光放電。』據(jù)說當(dāng)時(shí)資訊缺泛時(shí)，許先生就回憶他在日本京都蹴上發(fā)電廠內(nèi)看過，供京都的電車直流用的大水銀整流管的點(diǎn)弧方法，加以更改設(shè)計(jì)出的方式。7製重水的步驟低濃度大容量電解製造重水時(shí)要由900,000cc的水電解到只剩20cc，為了提高效率，分成好幾段，主要的原則是濃縮到1/4程度時(shí)，就將4個(gè)電解槽的剩液倒在一起，進(jìn)行另一階段的電解，有時(shí)要改用多數(shù)個(gè)較小的電解槽。開始第1(A)階段用20個(gè)50L的電解槽，第2(B)階段用5個(gè)50L的，第3(C)階段應(yīng)該用2(1.25)個(gè)50L的，但改用9個(gè)3L的以應(yīng)付濃縮成更小體積時(shí)（由第3(C)階段至第5(E)階段）容易操作。所用的容器大，電極也需要大，但是不回收電解，電解槽的構(gòu)造簡單。在此過程中，許先生等使用如圖6所示之50L型與3L型的兩種電解槽。圖7有這兩種電解槽所用的電極的示意圖。附隨50L型電解槽之冷卻槽為大型的舊電池槽，3L型電解槽的冷卻槽為如圖6所示的水泥槽。50L型的電極加第7圖所示由0．5mm厚的，馬囗鐵板9張，用硬橡皮(Ebonite)固定而成。其中4張為正極，其他的5張為負(fù)極。據(jù)說其中的水泥槽都自己生產(chǎn)的，它們還有一部分睡在二號(hào)館一樓走廊的地下。圖6,5OL及3L冷卻槽3L電解槽用的電極亦一樣，電極面大小要合電解槽外，亦用多張的電極板亦用硬橡皮板隔離，同時(shí)為了電解液循環(huán)均勻，電極板上挖很多洞。電極可用鐵是自造重水成功的條件之一，他們選加工容易並且最常使用的馬囗鐵一…臺(tái)語俗稱的亞鉛板(表面鍍鋅的薄鐵皮)。如此決定省了不少經(jīng)費(fèi)及加工的麻煩。圖750L電解槽及3電極圖無回收電解(低濃度濃縮電解)以圖3的曲線來說它是在logD和的二次元空間中，成線性關(guān)係的領(lǐng)域。在此領(lǐng)域（下述的A、B、C、及D階段）所電解而產(chǎn)生的氫氣中含重氫的量比小因此不值得回收。A階段:『如第8圖所示，將1%NaOH溶液900L．分裝於20個(gè)50L型電解槽，各槽約45L，日間以lmA(由水銀整流器，共給)，夜間以75A的電流(由直流發(fā)電機(jī)供給)加以電解。在A階段電解後，當(dāng)溶液只剩1/4體積時(shí)。濃縮此則成為V0/V=4而液中的NaOH之濃度則變成4%。將這些剩餘溶液移入B階段，A階段則補(bǔ)充以新電解液，然後將A，B二階段串聯(lián)繼續(xù)電解。在A階段的50L電解槽內(nèi)達(dá)成1/4體積的時(shí)間約需45日，為防止蒸發(fā)起見在各電解槽上作了玻璃蓋。由Farady的電解定律校正的結(jié)果，得知由蒸發(fā)作用而生的蒸發(fā)並不甚嚴(yán)重。正常狀況下每一電解槽的電極間電壓約4V。如發(fā)生接觸不良，電極被腐蝕等故障時(shí)，電解槽的極間電壓立刻上昇。因此極間電壓為良好的故障指示量。又電解進(jìn)行中電解液的溫度雖然隨冷卻水而變，且從未超出400C。』自然水中含有0．015%的重水，將900L的自然水(含純重水135cc)(裝入20個(gè)50L的電解槽電解(不回收電解，白天(可能是早上8:00至晚上I0:00)用150A水銀整流管，晚上(半夜可能是晚上I0:00至早上8:00)即用直流發(fā)電機(jī)75A電解共45天)45x(l4x150+l0x75)=12825OAmpHour12825OAmpHour才能將原來的體積的自然水電解使剩餘的電解水為原來體積的1/4。由圖3看出濃縮的結(jié)果(Vo/V=4)重水濃度由0.015%升到0.04(純重水9Occ)至0.06%(純重水135cc)之間(因此排出的氫氣中含重氫量比自然水的含重氫量小，不值得回收)。B階段:『在B階段裡，當(dāng)電解液祇剩1/4時(shí)，NaOH的濃度達(dá)到相當(dāng)高的濃度(約16%)，因此通以CO2將溶液中和，成Na2CO3後再行蒸餾，這樣可將NaOH中之重氫歸還D2O而收回之?！籄階段的產(chǎn)品(900L/4=225L)裝入5個(gè)50L的電解槽做不回收電解，也電解共45天使剩餘的電解水為原來體積的1/4。AB階段的電解槽共25個(gè)的電解槽的電極是串連，因此正常的狀況下每一水槽正負(fù)電極的電壓是4V。由圖1看出濃縮的結(jié)果(Vo/V=I6)重水濃度由0.04~6%升到0.1(純重水56.2cc)至0.2%(純重水1l2cc)之間。

C階段:在C階段，將56.2L．的溶液分兩次，用9槽的3L型電解槽，各電解至1/5體積為止。B階段的產(chǎn)品((90OL/4)/4=(225/4=56.2L)裝入9個(gè)3L的電解槽，各電解至l/5，以75A進(jìn)行電解，電源為Seleniuum整流器。由圖l看出濃縮的結(jié)果W。W=90)重水濃度升到0.3(純重水33.6cc)至0.9%(純重水lOOcc)之間。圖8濃縮重水的步驟A至步驟E的流程圖。圖8濃縮重水的步驟A至步驟E的流程圖。D階段:C階段的產(chǎn)品(((900L/4)/4=(225/4=56.2L)5=56.2/5=11.2L)裝入4個(gè)3L的電解槽，各電解至l/5，以75A進(jìn)行電解，電源為Selenium整流器。由圖3看出濃縮V0/V=400)的結(jié)果重水濃度升到O.8純重水17.9cc)至3%(純重水67.2cc)之間。E階段：D階段的產(chǎn)品((((900/4)/4=(225/4=56.2)/5)/5=11.2/5=2.2L)裝入1個(gè)3L的電解槽，各電解至1/5，以75A的電流進(jìn)行電解，電源為整流器。由圖3看出濃縮V0/V=2,000)的結(jié)果重水濃度升到2.5(純重水1l.2cc)至10%(純重水44.8cc)之間。此時(shí)實(shí)測(cè)的結(jié)果是得到有3.5%濃度的重水約440cc(純重水15．4cc)。左A，B，C，D等的各階段裡，因?yàn)棣甚為微少，因此比重測(cè)定的精確度相當(dāng)有問題。普通用光學(xué)，或熱學(xué)方法。在筆者等的實(shí)驗(yàn)室，無法作此種測(cè)定，因此在E階段始作比重測(cè)定。作比重測(cè)定須將雜物去盡，然後作數(shù)次蒸餾，以期完全。至於電解分離係數(shù)，經(jīng)過A,B,C,D,E等的各階段的電解後，約到5%左右。回收電解(中濃度濃縮電解)電解槽連到回收的裝置：到了需要回收電解時(shí)，電解槽需封閉而連到回收的裝置，他們分別是500cc（由第6(F)階段至第7(G)階段），100cc（由第8(H)階段至第9(I)階段），(圖9及12)。電解回收的裝置：.圖9回收裝置『在收回電解階段中，使氫氧混合變成水的步驟，容易誘起爆炸，不旦危險(xiǎn)且會(huì)損失長期所製造的貴重試料。因而須極力避免其爆炸的發(fā)生，如果氧化銅的溫度與觸媒反應(yīng)的溫度相同則不會(huì)引起爆炸?？墒怯伸抖嘀氐谋庠谟|媒劑表面起反應(yīng)的關(guān)係，引起溫度再度上昇，因而發(fā)生氣相的爆炸。如第9圖所示，由電解槽送來的爆炸氣經(jīng)由T1防泡沫管，T2防炸管以及T3防沫管，然後進(jìn)入加熱的氧化銅中。所謂氧化銅就是將銅網(wǎng)捲緊，裝在派勒克斯玻璃管所製成的反應(yīng)器內(nèi)，然後由加熱而成者。在氧化銅中插入如圖9所示的T字型銅棒A，以水冷卻其周圍，避免因反應(yīng)而產(chǎn)生過熱。圖中M為雲(yún)母薄片，為了萬一，發(fā)生爆炸時(shí)，可以防止本裝置的破損所添設(shè)的。氧化銅溫度昇高到B管中的氣泡消失為止。至於爆炸氣流速，根據(jù)長期的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，得知在上述情形的操作下，流速100cc.min左右就可以避免爆炸。第12圖為本實(shí)驗(yàn)所用的電解槽的構(gòu)造，全部由派勒克斯玻璃所製成，電極材料以鐵板為主?！籉階段：E階段的產(chǎn)品1L裝入2個(gè)500cc的電解槽，各電解至1/5(共200cc)，以10A的電流進(jìn)行電解，電源為硒整流器。並回收800cc的重水濃度較稀的水。結(jié)果得到重水濃度13%的重水200cc(純重水26cc)。(V0/V=(900,000/200)=4,500C=4.5~25%)G階段：F階段的產(chǎn)品200cc裝入l個(gè)500cc的電解槽電解至1/2(100cc)得到22%濃度的重水(純重水22cc)，並回收100cc的重水濃度較稀的水。(V0/V=9,000C=6~4.5%)圖10中濃度回收電解流程圖。

高濃度濃縮電解『如果將在G-階段所得的100cc試料再加以電解至濃度90%以上，則因體積縮小到數(shù)cc程度，附著於器壁或電極的試料，將構(gòu)成重大損失。所以需利用如圖10所示之高濃度濃縮階段。在G-階段分作兩次的結(jié)果，在進(jìn)行H-階段各電解成50cc後，最後在I-階段以5A的電解電流變成15cc?！籋階段：『G階段的產(chǎn)品200cc裝入2個(gè)100cc的電解槽，各電解至1/2得到38%濃度的重水(純重水38cc)共100cc，並回收100cc的重水濃度較稀的水。(V0/V=I8,000C=10~70%)(需要生產(chǎn)兩次A至G階段的產(chǎn)品才有200cc)。』I階段：『H階段的產(chǎn)品100cc裝入l個(gè)100cc的電解槽，各電解至15cc得到98%濃度的重水(純重水14.7cc)，並回收80cc的重水濃度較稀(80cc內(nèi)含純重水13.3cc)。(V0/V=(l8,000*(l00/l5))=1.2*105C=65~99%)以上的計(jì)算值C是設(shè)α在3至7間，且參考圖3的曲線群得到的。』圖11高濃度回收電解流程圖。圖12500cc型及100cc型電解槽以上的描述是由許雲(yún)基先生在『核子科學(xué)』月刊上的原文（，由於此雜誌很難找到）大部分文章及圖表轉(zhuǎn)載過來。製造重水時(shí)，大概是筆者臺(tái)大一年級(jí)時(shí)，每次晚間走過二號(hào)館東北側(cè)時(shí)，高壓水銀燈漏出來的閃動(dòng)光是從來沒有看過的亮度，這奇特的景象激起我無限的好奇，以及嚮往實(shí)驗(yàn)物理的衝動(dòng)頓時(shí)湧上心頭，也許就是這光芒引導(dǎo)我一生從事實(shí)驗(yàn)物理。結(jié)語以上所述的是由許雲(yún)基先生的領(lǐng)導(dǎo)，原子核實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)重水的經(jīng)過。此經(jīng)過告訴我們，當(dāng)時(shí)的年青學(xué)者，樣樣都缺泛，只有汪盛的意志。許先生等人為了想做原子核實(shí)驗(yàn)，自建加速器，1948年5月13日第一次利用此加速器做p(Li,He)α反應(yīng)成功，至1950(或1951)年生產(chǎn)重水，接著自造儀器等等，也對(duì)當(dāng)時(shí)的科技界有所貢獻(xiàn)。這些成果並不是只用汪盛的意志就可以做到的，要靠週詳?shù)挠?jì)劃，及細(xì)心地工作，堅(jiān)持對(duì)目標(biāo)努力，以及高超的領(lǐng)導(dǎo)，才能完成現(xiàn)在也有難度的工作。假如以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)，用所發(fā)表的論文來計(jì)算他們的成就，實(shí)在很離譜。有的人也指出，當(dāng)許先生的一群人花了那麼多精神做出40cc重水，沒有多久，重水就可以不很貴的價(jià)格（大致是1cc1到幾十美元的程度買到了。這一次為了寫此文，重新細(xì)讀許先生的大作的結(jié)果，使我覺得他們的努力沒有白費(fèi)，他們給我們做實(shí)驗(yàn)研究工作的板樣。他們並不是只管電解來生產(chǎn)重水。此工作可說是由開始收集資料，計(jì)劃，準(zhǔn)備所需的器材，直到階段式的生產(chǎn)，成為典範(fàn)。後來許先生一群人，在困於小規(guī)模的資源下，仍然做出有意義的原子核實(shí)驗(yàn)，也是經(jīng)過如此自我約束很高的工作經(jīng)驗(yàn)所磨練出來的。最後我們要強(qiáng)調(diào)下面事實(shí)；收集資料及研讀它們?cè)S先生是幾乎獨(dú)立做到；以當(dāng)時(shí)的環(huán)境中，戴運(yùn)軌教授忙於校務(wù)及系務(wù)，我猜沒有時(shí)間去常常和“許助教”討論及指導(dǎo)，而太田副教授曾『提煉』過重水（參照下節(jié)），它的量及濃度只夠用在光譜量測(cè)，同時(shí)在臺(tái)大的時(shí)間不多，或許是給許先有所啟蒙而已。倒是當(dāng)時(shí)的二號(hào)館有一批年青的助教講師等，都在努力研究，尤其是化學(xué)系的年青人，很有可能提供了“回收氫氣變成水的方法”的知識(shí)只少在實(shí)做的技術(shù)上幫助，在此看出學(xué)術(shù)上不同領(lǐng)域交流的可貴，以及當(dāng)時(shí)二號(hào)館優(yōu)越的環(huán)境。並且無中生出來的設(shè)備中複雜的玻璃儀器都是自製的，這一方面“玻璃許（許玉釗先生，參照§6節(jié)）”的功勞是沒有人能替代的。當(dāng)然整群團(tuán)結(jié)合作是此工作的基礎(chǔ)。同時(shí)這最堅(jiān)苦的一段給當(dāng)時(shí)的年輕人的鼓舞是何等地重要。如前一篇所述，很幸運(yùn)的筆者親身目睹其中的部分事件，並得到對(duì)實(shí)驗(yàn)物理的憧憬和決心。在此對(duì)這群前輩致深深的謝意，在此感謝許雲(yún)基，劉遠(yuǎn)中，林松雲(yún)，許玉釗先生的指導(dǎo)及協(xié)助。參考資料：（1）載運(yùn)軌，許雲(yún)基，“利用電解法製造重水"。核子科學(xué)第二卷第三期10~27頁（2）有關(guān)發(fā)現(xiàn)重氫(氘)的描述是根據(jù)RobleyD.Evans“TheAtomicNucleus”P250and256J.BartonHoagandS.A.Korff“ElectronNuclearPhysics“3rdeditionP240的描述整理出來的。（3）H.C.Urey,F.G.Brickwedde,andG.N.Murphy:Phys.Rev.39:164L(1932);40:1(1932)(discoveryofD)H.C.Urey,L.J.Greiff:J.Am.Chem.Soc.,57:321(1935)（4）G.N.LewisandR.T.Macdonald,J.Chem.Phys.,l，341(1933)（5）EW、WashburnandH.C.Urey，Phys.Rev.,44,242(1933)C.M.SlackandL.F.Ehrke,Rev.Sci.Inst.,8,39(1937)(6)荒勝文策教授時(shí)代的光譜儀可能以三稜鏡為色散光學(xué)元件的較多。它的分解率由三稜鏡的底邊長B材料的色散dn/dλ可堆出。

以LightFlintGlass來說4000?=1.657000?=1.63(1/?)或670(1/cm)此為底邊長30cm的三稜鏡的平均分解率。

以氫及重氫的同位素效應(yīng)的大小"同位素效應(yīng)IsotopeEffect氫原子光譜是近代物理中最基本的事實(shí)，如用波數(shù)(WaveNumber)來講

式中(*)

σ