释放核能（上）

张开逊

20世纪40年代，人们开始向原子核索取能量。这项发明有可能让人类在未来获得永不枯竭的能源。但与此同时，世界亦蒙上了核战争的阴影。

能量是物质运动变化的动力，人类生存发展的重要基础。直到18世纪前，人类和其他生灵利用的一切能源几乎都来自太阳，太阳的光和热使地球充满生机。在太阳的照耀下，绿色植物的光合作用造就了地球上的食物链，为一切生命提供了必需的保障。由于太阳的热辐射，地球上的水和大气时刻不停地运动，造就了奔腾的江河、呼啸的海洋，以及无处不在的风，它们成为人类最早利用的自然力。太阳还造就了深藏地下的煤和石油，17世纪以后，它们开始成为机器的能源，为产业革命提供最重要的物质保障，直到今天，它们仍然维系着人类的繁荣。

无论是植物的光合作用、人和动物的消化过程，或是木柴、煤和石油的燃烧，这些都是化学反应，相关的能量转换都发生在原子的外层电子中，而原子核并未参与这种提供能量的过程。在一次偶然的事件中，科学家注意到，有些物质在没有发生化学反应的条件下，仍不断地向外部世界释放能量。这一发现激发了人类探究原子内部奥秘的热情。

1896年初，德国物理学家伦琴发现x射线的消息传到巴黎，数学家庞伽莱（1854-1912）在1896年1月20日法国科学院举行的例会上介绍了伦琴的发现，并展示了一张x射线的照片。他建议当时参加会议的另一位科学家贝克勒尔（1852-1908）研究x射线是从哪里发出的。

作为己有三代人研究荧光的贝克勒尔家族的成员，贝克勒尔熟知：很多种矿物经太阳光照射后，会在一定的时间内发出一种微弱的光，就像黑暗中萤火虫发出的光，人们称之为荧光。因此他猜测：x射线可能是从能发荧光的物质里发出来的。为了证实这一点，他将照相底片用厚厚的黑纸包住，与一些能产生荧光的含铀化合物一起放在太阳光下曝晒。黑纸可以完全阻挡太阳光，如果太阳光激发的荧光里有x射线，它就会透过黑纸使底片感光。为了防止含铀化合物同底片接触发生化学反应，同时避免样品发热对底片产生影响，他还在底片和含铀化合物之间放置了一块玻璃板。经过一段时间的太阳光照射，显影后的底片果然出现了感光的黑斑，这似乎证实了贝克勒尔的想法。

贝克勒尔决定用新的底片继续做试验。然而，天公不作美，接连出现了几个阴天，他只好把含铀化合物连同黑纸包着的底片一起放进抽屉，打算待太阳出来后再做试验。几天之后，天空放晴，他准备继续做试验。作为一位严谨的科学家，他在每次试验之前总要重新检查底片，以确保底片在存放过程中没有漏光。令他惊讶的是，这些被包得严严实实的底片，显影后仍然出现了浓重的黑斑。而他知道，在与底片接近的时候，用于试验的含铀化合物发出的荧光早己消失（它们在太阳光照射之后发出的荧光只能维持100秒钟左右）。因此，底片上的黑斑只能暗示，这种含铀化合物发出了另外一种射线，它与荧光无关。经过反复试验，贝克勒尔发现，所有含铀的物质无论固体、液体都会发出射线，他称之为“铀射线”，后来人们又称其为“贝克勒尔射线”。当年5月18日，贝克勒尔在写给法国科学院的报告中说，这是铀原子自身发出来的一种射线。

居里夫妇对贝克勒尔发表的论文极感兴趣，来自波兰的玛丽亚·居里（居里夫人，1867-1934）在其丈夫皮埃尔·居里（1859-1906）的建议下，于1897年选择“铀射线”这一课题作为博士论文。

居里夫妇将沥青铀矿作为研究对象。这是一种成分极为复杂的含铀矿物，通过化学方法可以把其中多种不同的成分分离出来。在研究沥青铀矿的时候，他们发现化学元素钍也能够发出射线。1898年7月，他们从沥青铀矿中分离出一种人们尚不知晓的元素，这种元素发出的射线比相同质量的铀强几百倍。居里夫人建议以她的祖国波兰命名这种元素，人们采纳了她的建议，将其命名为钋（Polonium）。在拉丁语中“钋”是波兰的谐音。6个月之后，他们又在沥青铀矿中发现了另一种射线强度更高的元素。经过四年奋斗，他们从8吨沥青铀矿中提炼出0.1克不含其他杂质的这种元素的纯净化合物，它们的射线强度比铀高几十万倍。

由于发现许多种不同的元素都可发出射线，居里夫妇提出了“放射性物质”的概念，并建议把新发现的这种具有极强放射性的元素称为“镭”（Radium），在拉丁语中“镭”的含义是“放射物”。1900年，他们在巴黎举行的国际物理学会议上做了题为《新的放射性物质和它们发出的射线》的报告，叙述了测量放射性物质的方法、新的放射性元素的化学性质，以及它们发出的射线具何特点。在报告中，他们还谈到尚不清楚的两个问题：射线的能量从哪里来？射线到底是什么？

在发现钋和镭的过程中，居里夫妇付出了生命的代价。1906年，皮埃尔·居里在去实验室的路上不幸被马车撞死。居里夫人坚忍执著地继续从事放射性研究。由于当时人们不清楚放射性物质对人体的危害，居里夫人的健康被严重损害，她在67岁时因血癌去世。50年后，居里夫人的女婿约里奥·居里（1900-1958）曾用探测仪器检查居里夫人当年的实验记录本和她在厨房使用过的菜谱，结果发现这些物件仍然带有很强的放射性。

居里夫妇提出的问题很快有了答案，几年之后，人们弄清了放射性现象的本质。早在贝克勒尔发现“铀射线”的第二年，新西兰物理学家卢瑟福（1871-1937）便开始研究这种射线和x射线的区别。他用许多层铝箔把具有放射性的含铀化合物包起，然后逐层拆开测量放射性强度的变化，结果发现：有两种射线，一种穿透性弱，另一种穿透性比较强；它们都能在磁场中偏转，一种向左转，另一种向右转；穿透性弱的一种带正电，另一种带负电，他分别称之为α射线和β射线。1900年，法国物理学家维纳尔德（1860-1934）发现了放射性物质发出的穿透力极强而不带电的射线，卢瑟福称之为γ射线。α、β和γ，是希腊字母表中的头三个符号。卢瑟福认为从原子中发出的射线只有这三种，其中α射线是电离后带正电的氦离子，β射线是高速运动的电子，γ射线是比伦琴发现的x射线穿透性更强的不带电的射线。

后来，卢瑟福发现，原子释放的射线随时间推移越来越弱，呈现出一种有趣的规律：每过一定的时间，强度会衰变为原来的一半。例如，经过一天其衰变为原有强度的1/2，经过两天变为1/4，经过三天变为1/8……而且，原子在发出射线的时候，放射性物质不断地变成另一种新的元素。

自1909年，卢瑟福开始用放射性物质发射的α射线轰击金属箔和铅箔。他发现，绝大多数α粒子沿直线穿箔而去，少量与金属箔相遇之后改变方向，还有极少量反弹回来。1911年，他提出一种理论对此进行解释：“原子并非人们想象的那样是镶嵌电子的实心球。它有一个小小的内核，核带正电，原子的全部质量差不多都集中在核内，电子则在外面围绕核旋转，就像一个缩微的太阳系，众多行星围绕太阳旋转。在核与电子轨道之间空空荡荡，一无所有。”基于这种假设，卢瑟福从理论上计算出α粒子反弹后在不同角度上的分布，与实验结果完全符合。从此，人们对原子的结构才有了正确的理解，产生了“原子核”的概念。测量表明，氢原子核的质量大约是电子质量的1840倍。如果把原子放大到地球那么大，原子核的大小相当于一个苹果。

随后，人们开始用α射线轰击多种元素，看它们究竟能变成什么物质。1919年，卢瑟福发现，α粒子轰击氮原子的时候，产生了氧原子，同时释放一个氢离子。他认为氢离子是原子核中最小的带正电的粒子，他称其为质子，而且断言原子核是由质子构成的。1921年，他又发现，在α粒子轰击下，硼、氟、钠、铝和磷都可以变成另外的元素。

1928年，德国物理学家博特（1891-1957）用α粒子轰击铍，产生了一种穿透性很强的射线，它的能量比γ射线大得多，甚至比入射的α射线能量还要大，被称为“博特γ射线”。1932年1月18日，居里夫人的女儿伊雷娜·居里（1897-1956）和女婿约里奥·居里用实验室里很强的钋放射源产生的α粒子轰击铍，产生“博特γ射线”，再用这种射线轰击石蜡，产生了氢离子。他们感到非常奇怪，没有质量的γ射线居然会打出比电子重1840倍的质子！在无法解释的情况下，他们发表了自己的报告。

英国物理学家查德威克（1891-1974）重复了这项实验，并进行了更多的研究。他发现用“博特γ射线”照射氢的时候可以打出质子，而且这种射线会反弹回来；他发现所谓“博特γ射线”并不是真正的γ射线，而是一种不带电的粒子流，这种粒子的质量与质子差不多，他称其为中子。1932年2月17日，查德威克写信给英国《自然》杂志，发表了这一研究结果。从此，人们对原子核的了解又前进了一步，知道它是由质子和中子共同组成的。中子不带电，不像α粒子那样会受到原子核正电荷的排斥，自由飞行的中子很容易进入原子核内部引起核反应，从而改变原子核的结构。发现中子，使人们找到了开启核能之门的钥匙。

用α射线轰击铍，可以轻而易举得到中子。从1934年开始，意大利物理学家费米（1901-1954）用中子轰击氢、锂、硼、氮和氧的原子，希望它们能够变成另外的元素，产生新的放射性物质，然而没有得到预期的结果。1934年秋天，他在无意中发现，在中子源和被轰击的样品之间放上石蜡，中子经过石蜡之后，轰击样品发生的核反应大大增加。既长于实验又精通理论的费米对此迅速作出解释：石蜡减缓了中子运动的速度，慢中子更容易引起核反应。实验证实了费米的看法，短短几个月，费米的研究小组按照元素周期表的顺序，从氢开始，依次用减速后的慢中子轰击63种不同的元素，产生了37种新的放射性同位素。当时，费米最感兴趣的是用中子轰击铀，铀在元素周期表中排序为92，是自然界中排序最高的元素，他希望能产生从来没有发现过的93号元素。

制造93号元素的努力差不多持续了四年仍无结果。1938年，参加这项工作的德国物理学家哈恩（1897-1968）和斯特拉斯曼（1902-1980）分析了中子轰击铀的产物，发现它不是原子序数92附近的元素，而是原子序数为56的钡元素。哈恩把这一结果写信告诉因躲避纳粹德国迫害逃亡的奥地利女物理学家迈特纳（1878-1968），她和同是物理学家的侄子弗里什（1904-1979）认真讨论这封信后恍然大悟：在中子轰击下，铀原子核已经分裂成两个碎片，碎片的质量大约是铀原子核的一半。她把这种现象称为“原子核裂变”。后来，中国物理学家钱三强（1913-1992）、何泽慧（1914-2011）夫妇，在法国居里实验室发现了铀235在慢中子轰击下可以分裂成三个或四个碎片，称为“三分裂”或“四分裂”。

发现核裂变具有重大意义。在实验中人们注意到，铀原子核分裂时产生的所有碎片，其质量加在一起比铀原子核原来的质量小，有一部分质量神秘地失踪了。1905年9月，爱因斯坦（1879-1955）在关于“相对论”的第二篇论文中，曾经提出一个重要的论断：质量与能量可以相互转化，消失的质量可以转化为物体的动能或电磁波；并且推导出它们之间相互转化的公式，能量等于消失的质量乘以光速的平方。精确测量核反应前、后质量的变化，再经过简单的计算，人们大为惊讶地发现：一个铀原子核裂变时释放的能量，比一个碳原子氧化（例如煤燃烧）时产生的能量大5000万倍！1939年1月，弗里什拆除了实验中包裹铀样品的金属箔，通过真空三极管做成的电子学装置，观测到铀在核裂变时发出的强电磁波信号，结果证实铀核裂变确实释放能量。

几个铀原子核裂变释放的能量可能没有什么价值，然而这种反应如果能够连续进行下去，有大量的铀核参与反应，就有可能产生难以估计的巨大能量。科学家注意到重原子核（例如铀）里中子数目总是比质子多，比较轻的原子核（例如钡）里中子数和质子数大体相等。当铀核裂变成为碎片时，必定会有多余的中子释放出来，这些中子又可能引起下一级裂变反应。如果一个中子轰击铀核能够产生两个以上中子，裂变反应一旦发生，就会数量翻番一级一级传递下去，这种反应可能像雪崩一样在极短的时间内发展成为很大的规模。约里奥·居里、费米和匈牙利物理学家西拉德（1898-1964），分别在各自的实验室里观察到了这种连续发生的铀核裂变过程，每个铀235原子核裂变时可以释放2～3个中子，这种核反应传递到下一级的时间非常短，大约一亿分之一秒。人们把这种连续发生的核反应称为链式反应。

通过计算，科学家知道1千克铀235发生链式反应释放的能量，相当于2万吨TNT炸药爆炸产生的能量。如果用它做成炸弹，威力将比同等重量的普通炸药大数千万倍，成为前所未有的毁灭性杀伤武器。（未完待续）