核的裂变和聚变

既然原子核是由质子和中子组成的，原子核的质量似乎应该等于组成它的核子（质子和中子）之质量的总和。然而事实并非如此，原子核的质量总是小于其组分核子之质量和。例如氘核由一个质子和一个中子组成，它的质量并不等于质子和中子的质量和，而是小于两者之和，质量减少的数量为3.96510-30千克。

核子组成原子核时的这种质量减少叫做“质量亏损”。按爱因斯坦1905年从狭义相对论推出的质能等当定律，核子在结合成原子核时要释放能量，这部分能量叫“结合能”。结合能的大小由爱因斯坦的著名质能关系式E=MC2来计算，E是能量，M是质量，C是光速。由于光速是一个非常巨大的数值，每秒30万公里，所以非常微小的质量就对应非常大的能量。一个指甲盖的质量如果完全转化成能量，就足以供应一座城市一天的消耗。按这个公式计算，氘的结合能为2.23兆电子伏特。这个能量是很可观的一个数量，所以可以认为原子核种蕴藏着巨大的能量。

不同的原子核的结合能是不同的。氘核的结合能最小，为2.23兆电子伏特；铋核的结合能最大，为1640兆电子伏特；其他原子核的结合能在两者之间。原子核的结合能除以其组成核子数的比值叫做“比结合能”。比结合能是原子核稳定程度的标志，比结合能大的原子核相对比结合能小的原子核要稳定。质量较轻的原子核和质量较重的原子核之比结合能都是比较小的，而中等质量的原子核之比结合能是比较大的。因而把轻核聚合成较重的核，和把重核分裂成中等质量的核，这两种过程都将释放出相应的能量，前者叫做轻核聚变而后者叫做重核裂变，它们是人类利用核能的两种基本途径。为利用它们原子科学家们发明了控制核反应过程的技术——核反应堆。这一切都是经过了科学家们的艰辛努力才实现的。

●人工核反应

中子很快成为物理学家探察原子内部的新武器。早在1919年，卢瑟福用高速α粒子锤子轰击氮原子核，就使氮原子放出了质子，实现了原子核的人工蜕变。1934年1月，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝，得到了一种自然界中不存在的放射性元素——磷的一种同位素，表明在放射性元素和普通元素之间并无截然的界限。即使稳定元素，也可以有放射性同位素。意大利物理学家费米（Enrico Fermi，1901—1954）考虑用中子代替α粒子，会实现更多的核反应，因为中子不带电，可以不受电磁力作用，易于接近原子序数较大的原子核。费米和他的助手按照原子序数逐一用中子轰击当时已知的92种元素。就像一个得到了新玩具的孩子，迫不及待地要玩遍它所有的功能。在几个月内，他们就得到了37种不同元素的放射性同位素。

总的来说，一个轻原子核，被中子轰击后，经常会发出一个α粒子，变成一个少一些电量的核。而一个重核则把中子吸收，变成原来元素的一个重同位素。对于第92号元素铀，费米认为它也会吸收一个中子。但实验得到的产物却让费米困惑，不是铀的同位素而似乎是一种原子序数大于92的元素，也就是说他认为它可能是一种新元素，第93号元素。这件事在1934年5月发表后，被意大利官方新闻界宣扬为法西斯主义在文化领域中的胜利。费米不得不向新闻界正式声明，第93号元素尚未得到确证。4年后他们终于明白，费米所发现的并不是什么新元素，而是铀裂变的产物，即铀不但没有吸收中子反而被中子打得裂开了。不管怎么说，费米的这项工作毕竟把原子科学家们领到了核裂变的大门口。

1934年10月费米发现，中子通过石蜡之后再轰击原子核，比直接轰击所能产生的核反应要强数百倍。费米认为这是由于中子与石蜡中质子发生碰撞而大大减速，因而延长了经过原子核附近的时间，更容易被原子核俘获。慢的炮弹竟然比快的炮弹更好使，这看起来有些不可思议。但慢中子的确比快中子更有效，各国物理学家很快掌握了这一法宝。

费米是一个少年天才，1922年在比萨大学获得博士学位的时候，只有21岁。他先后去德国哥丁根大学随马克斯·波恩及荷兰莱顿大学随P·厄仑费斯特工作，于1924年回到意大利。由于费米及其小组的工作，意大利一度成为核物理研究的一处重镇。但是，随着意大利的法西斯统治日益强化，费米的助手们纷纷离去。1938年，37岁的费米因为在核物理方面的贡献获得了这一年度的诺贝尔物理学奖。1938年11月费米带领全家前往斯德哥尔摩，领取了诺贝尔奖之后，他没有回意大利而是去了美国。因为费米的妻子有犹太血统，1939年1月2日费米一家移居美国。是法西斯使美国又多了一位重要的原子物理学家。

●核裂变的发现

费米关于超铀元素的意见发表后，立即遭到德国女化学家依达·诺达克（Ida Noddack，1896-）的反对，她认为很可能是铀在吸收之后分成几块。费米觉得不大可能，虽然慢中子比快中子更有效，但一个在重锤敲击下安然无事的核桃，总不会被手指轻轻一碰就裂成了两半。稍后不久，当时的放射化学权威奥托·哈恩（Otto Hahn，1879-1968）与他的长期合作者、奥地利女物理学家迈特纳（L.Meitner，1878-1968），以及德国物理学家施特拉斯曼（F.Strassmann，1902-）在柏林也得到了与费米类似的结果，奥托同样不相信诺达克的想法。1938年3月，纳粹德国占领奥地利，迈特内于当年7月逃到瑞典，去了斯德哥尔摩的贝尔研究所。伟大的彼埃尔·居里夫妇的女儿也是一位物理学家，她与约里奥结婚后，保持了居里这个伟大的姓氏，称做约里奥—居里夫人。1938年9月，约里奥—居里夫人同她的助手、南斯拉夫物理学家萨维奇做了类似的实验，发现反应后的产物中有一种放射性元素的化学性质接近镧，而镧的原子序数只有57，如果是超铀元素，那么它的化学性质应该接近原子序数是89的锕。约里奥—居里夫人的报告引起了哈恩和斯特拉斯曼的注意，他们立即用约里奥—居里夫人的方法重复了自己从前的实验。经过仔细分析，他们宣布，慢中子轰击铀原子后，最后的产物是镧、钡、铈的同位素，其原子序数分别是56、57、58。结果竟被诺达克言中。这个结果实在是有违常理，哈恩自己也感到难以置信，但他还是公布了这个实验结果。同时，他把这个结果寄给了在瑞典的迈特纳。1938年圣诞节，迈特纳的外甥、流亡在哥本哈根玻尔理论物理研究所的物理学家奥托·弗里希正好到瑞典看望她，正巧她也接到了哈恩的来信，迈特纳相信哈恩是一个优秀的化学家，他的实验报告应该是确切无疑的，他们所需要做的是如何对此作出解释。

根据奥托·弗里希的回忆，他们的大部分讨论是在瑞典一座小镇的滑雪场上进行的。从“大清洗”的苏联中逃出来的物理学家伽莫夫曾提出，原子核更像一个液滴，对此，玻尔表示同意。弗里希他们想到，如果一个液滴被拉长，只要表面张力稍稍被破坏，这液滴就会分成两半。一个真正的液滴的表面张力会阻止液滴分成两半的，但是原子核中质子的静电或许会抵消表面张力。弗里希与迈特纳在树林里开始计算，表明铀核所带的电量完全可以抵消表面张力。铀核就像一个左右摇摆的、不稳定的小液滴，只要一点小小的扰动，比如单个中子的撞击，它就会分裂成两半。但是，分裂后的两个部分会因为相互间的斥力而高速反向运动，这个能量大约有200兆电子伏特，这个能量从何而来？

早在1897年，发现电子的J.J.汤姆逊就测量过电子的荷质比，到1930年代电量的测量已经达到比较高的精度，物理学家已经能够根据荷质比算出电子、质子、中子等的基本粒子的质量。质子比中子稍微轻一点点，它们比电子要重1836倍。碳12质量的十二分之一被定义为原子的质量单位，一个原子质量单位等于1.6606X10-27克，中子的质量是1.0087个原子单位，质子是1.0073个原子单位。12个核子的质量和比它们所构成的碳12的质量要大，这就意味着，在核子结合成原子核的时候，有一部分质量失去了。这个现象可以用爱因斯坦的质能关系来解释。质能方程解释了元素与构成它们的质子与中子之间微弱的质量差，也解释了当年困惑居里夫妇的镭的能量来源问题。但是，当时没有人想到这种与质量相当的巨大能量能够这么快就被人类所释放出来。

根据迈特纳的记忆，她计算了铀原子核的质量和新生成的两个原子核的质量之和，发现二者之间有一个相当于五分之一质子能量的差值，按照爱因斯坦的质能关系式，这个质量恰好等于200兆电子伏特。这个结论表明，铀原子可以人工分裂，释放出潜藏其中的巨大能量。弗里希不大敢相信这个结论，1939年1月3日他回到哥本哈根，把这告诉了正准备去美国的玻尔。玻尔兴奋地拍着前额说：“就应该是这个样子！”

弗里希与迈特纳通过电话合作这篇论文。弗里希问一位生物学家，怎样称呼细胞的由一个到两个这样的过程，回答是“裂变”。弗里希采用了这个称呼。裂变，一个新生命蓬勃生长。

弗里希在写论文的同时，又把试验重做了一遍。

●裂变的链式反应

1939年1月7日，玻尔乘坐瑞美轮船公司的货轮前往美国，与玻尔同船去美国的除了他的儿子物理学家埃里克·玻尔外，还有比利时物理学家罗森费尔德，他们在船上一直在讨论着有关于裂变的各种问题。玻尔曾对弗里希承诺，在得到他们的文章付印的消息之前不把此事告诉美国同行，但他却忘了把这个诺言告诉罗森费尔德。罗森费尔德把信息透露给美国物理学家惠勒，这消息在普林斯顿物理学家的聚会上引起了的轰动。几天后，哈恩的论文也传到了美国，好几个小组都争着做核裂变试验，其中包括刚刚到达美国哥伦比亚大学的费米。玻尔不能阻止美国同行做这个实验，他只好在每一次同行的会议上强调迈特纳和弗里希的解释，以保住他们的发现的优先权。

每一个核物理学家都知道这意味着什么。按照爱因斯坦的质能等当关系式，原子核内蕴涵着无比巨大的能量将要在人类的控制之下了。许多人自然想到了下一步——链式反应。铀原子核吸收慢中子发生裂变后，裂变的两个碎片都有可能再放出一两个中子，这些中子将有可能被其它铀核吸收，从而发生新的裂变，这个过程不断地进行下去，巨大的能量将会自动爆发出来。物理学家开始研究链式反应的可能性，及其发生的条件，也想到了制造原子弹，并且在流亡在美国的匈牙利科学家西拉德于1939年7月正式建议美国总统制造原子弹。

1939年初，玻尔根据原子核液滴模型，提出具有奇数个中子的铀容易发生裂变，偶数中子的铀同位素则不易发生裂变。在天然铀矿的主要成分是偶数中子的铀238，奇数中子的铀235只占0.7%。铀虽然是奇数中子的铀，似乎它的自然链式反应也不容易发生，因为如果自然链式反应能够发生，天然铀矿也就不可能存在了。但这并不等于经过提纯的铀235不能发生链式反应。原子科学家们想到可能存在一个铀质量的临界值，超过临界质量铀235的链式反应会自发进行，如果小于临界质量，因为铀块的体积不够大，裂变时放出的中子穿过表面逃逸太多而不足以维持链式反应。计算临界质量涉及到众多未知的参数，最初有人估计临界质量可能会有几十吨，不可能用来做炸弹。1940年年初，弗里希与一位从柏林流亡的英国的物理学家鲁道夫·派斯重新计算了铀的临界质量，发现铀235的临界质量只有一两磅，比一个高尔夫球还要小。

偶数中子的铀238也并非无用。1940年，美国物理学家麦克米伦发现铀238俘获中子后变成镎239，核化学家西伯格发现镎239经过β衰变成为钚239。而钚239这种奇数中子的放射性元素与铀235类似，也能在慢中子的作用下发生生裂变。这样就可以用铀238作为生产钚239的原料了。于是铀同位素的利用就有了两个途径，一是从天然铀矿中提取铀235，另一是用铀238生产钚239。详细计算临界质量的结果是，铀235的临界质量约为15公斤，钚239的临界质量则只约为5公斤。所以很显然，制造原子弹由从两方面下手，一面提纯铀235，一面生产钚239。

同位素的分离只能用物理的方法，因为同位素的化学性质相同。同位素分离的物理方法是根据元素之间的质量不同，用气体扩散法或者电磁法把它们分离开。但是这种物理方法的分离效率并不高，玻尔曾夸张地说，要想把铀235分离出来除非把全国变成一个分离工厂。原子弹的可能性已经具有了现实性。科学共同体内的科学家相互了解彼此的工作，交战双方各国的科学家都有了相似的结论。所以，从1940年开始，核武器的竞赛就已经开始了。

1942年10月费米在芝加哥大学设计建造了一座核反应装置，用以研究链式反应的细节和把铀238变成钚239。它是由石墨和铀逐层叠放而成的，故名反应堆。这里石墨的作用是使快中子变成慢中子的减速剂，这也是一项新发明。1935年的时候费米曾用水作减速剂，但水中的氢原子也会吸收一个中子而成为重水，因而损失了用以轰击铀的中子。要减少中子的损失，一个自然的想法就是直接用重水作减速剂，因为重水已经不可能再吸收中子了。“重水”之名要追溯到1932年美国科学家H.C.尤里、F.G.布里克和G.M.墨菲发现了质量数为2的氢同位素，它在常态氢中只占五千分之一，被命名为氘。氘与氧的化合物所具有的化学性质与水相同，因为他的比重比水大而名之为重水。重水的特殊物理性质使其中不能生存任何生命，但却可以用作核裂变的减速剂。1940年德国从它的占领地挪威诺尔斯克电气化工厂大规模地搬运重水，这一点使同盟国的科学家更加相信希特勒的确是在进行原子弹的研究，为了不让希特勒抢先造出原子弹，只好派一个小分队把这个重水工厂给炸了。而当时盟国中提炼重水的技术还不成熟，因没有没有重水，费米才选用了石墨做减速剂。

费米这个反应堆有6米高，石墨作为减速剂用以把快中子变成慢中子，为了控制核反应的程度还把一些能够吸收中子的镉棒插在堆中，调整镉棒插入的深度就可以控制核反应的强度。1942年12月10日，这个反应堆开始运行。最初，这个反应堆的功率只有0.5瓦，10天后上升到200瓦。1943年，又建造了一座1000多瓦的反应堆，每天可生产1克钚239，但以这个速度生产要达到临界质量的5公斤钚239需要10多年。为加快制造原子弹不得不建造专门生产钚239的工厂——汉福德工厂。

利用核聚变原理的氢弹之设想并不晚于原子弹的设想。根据对各原子和基本粒子质量的测量，各种核聚变所放出的能量可以精确地计算出来。一克氢原子核聚变成氦核，将释放6300亿焦耳的能量，这是燃烧相同质量煤的能量的2000万倍，是同样质量铀裂变释放能量的10倍。1938年美国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）和德国的卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克（Carl Friedrich von Weizsacker）就已用聚变来解释太阳以及恒星所拥有的巨大能量，而聚变也只能在太阳这样的高温高压的条件下才能发生，所以聚变被称为热核反应。聚变虽然能够释放出巨大的能量，但是在地球上人类似乎难以获得满足热核反应的条件。

1942年特勒就产生了一个实现核聚变想法，就是利用原子弹爆炸瞬间产生的巨大温度和压力。经过估算特勒确认这个温度和压力能够满足聚变发生的条件，也就是说用原子弹点燃氢弹是可能的。于是在洛斯·阿拉莫斯的美国物理学家们，在研制原子弹的同时又开始了对氢弹的理论探讨。