量子能量实验

原子能的发现

人只有为自己同时代人的完善，为他们的幸福而工作，他才能达到自身的完善。

——马克思

人们从贝克勒尔和居里夫妇发现镭的天然放射性以来，就知道放射性元素能够释放出具有能量的射线。但是放射性元素能释放出能量的原因，其他元素能否放出能量，如何人工控制释放能量，成为当时科学家急需解决的问题。

1902年，居里夫妇在实验中发现：新提炼出来的镭不仅发出辐射，还能发出热和光。据测量，每克镭每小时大约可以放出140卡的热，而光的亮度足以用来看书。居里教授把手放在不可见的镭射线中几小时，结果手上就出现了溃疡，像灼伤一样。若不是亲眼所见，居里夫妇都不会相信有一种元素会不间断的地发出光和热，这些能量从哪里来的呢？莫非在整个宇宙起作用的能量守恒定律，到了巴黎化学院这间矮小、破旧的板屋里就失灵了？

1903年夏天，卢瑟福拜去拜访居里夫妇。在夜晚，居里拿出一个部分涂了硫化锌的玻璃管，里面装有含着许多镭的液体，黑暗中管子的光辉显得灿烂夺目。卢瑟福看得着了迷，他在感叹造物主的伟大的同时，也不由自主地问自己：这能量从哪里来呢？

麦吉尔大学

卢瑟福回到麦吉尔大学后，立即和索迪研究放射性衰变所释放的能量。经测量，1克镭在蜕变时放出的能量也许会在10⁹～10¹⁰卡，而氢和氧化合成1克水大约释放出4000卡能量。由此可推断，辐射变化的能量比任何分子变化的能量都至少大2万倍，甚至100万倍。卢瑟福开玩笑说，假如能找到一种合适的起爆物，可以设想在物质中触发一个原子蜕变波，这将使这个旧世界消失在烟雾中。后来索迪在《镭的阐述》一书中提到：若能把潜伏并束缚在原子结构中的巨大能量引出来加以控制，它将是一种改变世界命运的动力！吝啬的自然用一个杠杆小心地控制着所蓄能量的输出。那个能抓住这个杠杆的人将拥有一件武器。如果他愿意，就可以用它毁灭地球。

能量的贮藏地

原子核是能量的聚集地，它的比重极大。如果将1立方厘米的纯粹的原子核物质（即质子和中子）集中在一起，那么重量将达到1亿多吨。

质谱仪

核聚变

1918年，汤姆生的学生阿斯顿（1922年诺贝尔化学奖获得者）制究成功了可以准确地测量原子核质量的质谱仪。他发现几乎所有的原子重量都十分接近整数，而且它们之间存在着近似倍数关系。如氢为1．008，由4个氢集中在一起的氦为4．002。令人奇怪的是，氦为什么不是4．0032呢？氧不是16，而是15．994。这同整数的微小差别意味着什么呢？阿斯顿经过一系列研究认为：在原子核里，质子和质子之间有电的排斥力。但实验表明，原子核里的质子不但没有彼此分离，而且还和中子紧紧地“抱”成一团。原来，在核子之间还有一种很强的作用力，这种作用力就是核力。就是这种核力，将质子和中子“捆”在一起。现在，人们称核力为结合能。核力有点像“胶”，只在非常小的距离内起作用，一般每一个核子只与相邻的核子有核力作用，距离再大一点就不起作用了。尽管如此，核力作用仍然十分强大。据测算，如果一张纸纯粹是由原子核做成的话，则需要200辆火车头的拉力才能把它撕破。可见，“核力”是非常强大，原子核内蕴含的巨大能量也是非常惊人的。原子重量同整数的微小差别，根据阿斯顿在20世纪20年代进行的研究表明，中等大小的原子核结合得最紧密，周期表两端的原子核变成中等大小的原子核时，会放出能量。小的原子核变成中等大小的原子核，这个过程叫做核聚变。在这个过程中，有质量亏损现象。根据现已由实验证明了爱因斯坦（1921年诺贝尔物理奖获得者）质能关系式：即ΔE＝Δmc²（式中E为释放的能量，M为减少或增加的质量，C为光速），可以算出损失的质量会转化成多少能量。一克铀所具有的能量，足够一盏1000瓦的电灯点燃2850年，或者相当于燃烧2000吨汽油的能量。

铝变磷

1933年10月，比利时首都布鲁塞尔举行了世界上第一次讨论核物理的盛会。在会上，约里奥即玛丽·居里的女婿提交了一份报告，他们发现，如果用钋产生的α粒子来轰击中等重量的元素，被击中的靶子将放射出质子。当用α粒子轰击某些较轻的元素，如铝和硼，有时不是放射出一粒质子，而是先放射出一粒中子，然后再放射出一粒正电子，这似乎证明质子是中子和正电子的复合体。这个结论遭到许多与会科学家的怀疑甚至反对。但玻尔却认为他的实验结果很重要。约里奥夫妇回到巴黎，下决心彻底解决这个问题。在实验中，约里奥夫妇用钋放射源来辐射铝片制成的靶子，即用钋放射出的α粒子作“炮弹”，向铝板“开火”，结果可以听到盖革计数器（一种检测辐射粒子的仪器）嘀嘀的响声。当他们把放射源拿开时，中子的放射完全停止了，本来盖革计数器的响声也应该停止，但实际上响声仍然在继续。经实验检测，原来正电子的放射仍在继续进行，像天然放射性元素的放射性那样，在一段时间内逐渐减少，在大约3分钟内衰减到它开始时强度的一半。约里奥夫妇以为盖革计数器出了问题，便请来了有关专家检查，结果证明盖革计数器处于良好的工作状态。约里奥夫妇现在肯定自己发现了用人工方法使物质具有放射性的途径，他们计算了可能发生的变化：

约里奥夫妇

铝（13个质子、14个中子）＋α粒子（2个质子、2个中子）→磷（15个质子、15个中子）＋1个中子

由于这种结构的磷不稳定，会继续嬗变：

磷（15个质子、15个中子）→硅（14个质子、16个中子）＋1个正电子

这个实现表明，不但可以像卢瑟福那样将原来的原子核撞下一部分来，而且可能用人工方法使核在放射性衰变中释放出部分能量。约里奥于1935年获得诺贝尔奖，当时他曾经预言：“我们有理由相信，科学家可以随心所欲的聚合或分裂元素，从而使爆炸形式的嬗变成为事实。如果这种嬗变一旦能成功地在物质中蔓延开来，我们可以看到巨大的、可利用的能量将会被释放出来。”

伟人的失误

人工方法产生的放射性同位素

人工放射性的发现使整个科学界躁动不安，匈牙利裔物理学家西拉德也大吃一惊。他出身于匈牙利一个知识分子家庭。小时候身体不好，10岁才开始上学。学习期间曾多次获奖，为人诚实正直。18岁毕业时，他获得全国数学奖，表现出一个科学家的潜在素质。1919年，西拉德前往德国学习物理学，结识了爱因斯坦，深受爱因斯坦的赏识。24岁时，西拉德获柏林大学博士学位。1933年，为逃避纳粹对犹太人的迫害，他来到英国。

柏林

1933年9月12日，《泰晤士报》刊出一篇名为《元素的转变》的文章。文中对卢瑟福的观点进行了如下综述：将来也许不需要几百万伏的高压加速轰出粒子，几万伏也许就能造成转变。在这个转变中放出能量，但不能指望用这种方法获得能量。任何人希望从原子的转变过程中获得能源都是在幻想。众所周知，卢瑟福一向治学严谨，非常有先见之明，他那非凡的直觉也一贯是正确的。

1920年卢瑟福推测出可能存在原子量为2的氢的同位素（氘）。1932年，他的关门弟子奥利芬特使用一台首批制造的加速器做实验，发现了氘和氘反应产生某些粒子，但是搞不清这些粒子的性质。后来在卢瑟福的推论下奥里芬特通过实验证实了那些粒子是氦。

卢瑟福的结论在一定程度上被人们认为是真理了，所以对他的结论或预测提出异议的科学家很少。不过，他关于原子能利用的推测却令物理学家西拉德非常不满。西拉德认为卢瑟福的结论下得太早了，而且很可能是错的。小居里夫妇的发现为人工释放原子能开辟了一条新的道路。

柳暗花明又一村

1934年9月，西拉德提出了用中子轰击原子核比用α粒子更有效。他找到了人工放射性的另一种方法。但他的想法远远超出了人工放射性的范围。他回忆起曾经读过的《获得自由的世界》，想起了书中预言的原子能的释放、原子能及世界政府。他长期致力于找出一种元素或几种元素，它们在捕获一个中子后，会放出两个或两个以上的中子来，从而引发链式反应。链式反应是西拉德首次提出来的。所谓链式反应，指的是用一个中子轰击原子核时，不仅使这个核分裂，而且还放出2～3颗轰击其他核的“中子炮弹”，再使2～3个核分裂，放出4～9个中子，这些中子又引发别的核分裂……这样不断的持续下去产生的中子越来越多，被分裂的铀核也越来越多，因此在极短的时间内（1%秒）就有大量的核发生裂变，并释放出惊人的能量。

西拉德深入研究分析后发现，最合理的办法是系统地审查全部元素，但非常可惜他没有这个条件。没有资金，没有可以帮助他的助手，也没有做这种实验的实验室。因此，西拉德失去了用中子轰击来系统地探索全部元素，从而取得惊人发现的机会。只好将这个良好的机会让给了意大利的费米。

费米的研究与发现

费米，E．（Enrico Fermi 1901～1954年）美籍意大利物理学家。1901年9月29日出生于罗马。1918年进入比萨大学，1922年获得博士学位。继而去德国哥廷根大学随玻尔工作，后又去荷兰莱顿大学随厄任费斯脱工作。1924年回到意大利，在罗马大学任教，1925年到佛罗伦萨大学任讲师。1927年回罗马在帕尼斯佩纳大道的物理研究所工作，并在罗马大学担任第一任理论物理讲座。1938年意大利颁布了法西斯的种族歧视法，由于费米的妻子是犹太血统，他于1938年11月利用去瑞典接受诺贝尔奖的机会，携带家眷离开意大利去美国，先在纽约哥伦比亚大学后在芝加哥大学任教。费米于1929年被选为意大利皇家学会会员，1950年被选为英国皇家学会国外会员。为了纪念他所做出的贡献，原子序数为100的元素以他的姓氏命名为镄（ferium）。美国原子能委员会设立了费米奖金，1954年首次奖金授予他本人。20世纪以来，物理学研究领域的广度和深度都发展得很快；很少有人能在几个领域都做出重要的贡献。可是费米对理论物理和实验物理都做出了重要的贡献，有些还是开创性的成就，这在20世纪是罕见的。1954年11月29日费米病逝于芝加哥，终年53岁。

费米

费米根据泡利不相容原理，于1925～1926年与英国物理学家狄拉克各自导出量子统计中的“费米—狄拉克统计”。1934年，费米开始了史无前例的关于中子引起的核反应的研究，提出热中子的扩散理论。他在用中子轰击铀原子的核反应实验中，得到了一种“新元素”。当时他把这种元素起名为“超铀”元素，首创了β衰变的定量理论，为原子能研究奠定了重要的理论基础。

狄拉克

在一开始用中子轰击原子核实验时，费米自己动手制成了粗糙的盖革计数器，然后叫人准备了一个以钋蒸发入铍这种形式的中子放射源，但是由于放射出的中子较少，该实验未取得进展。于是，费米改用氡气作中子源。经计算，这个放射源每秒钟可以提供10万个中子。他打算把周期表上绝大部分元素都辐照一遍。他从最轻的元素依次开始实验。他独自一个人先辐照水，这样就同时试验了氢和氧，然后又试验了锂、铍、硼和碳，但未能使它们具有放射性。但费米并不气馁，他又试验了氟化钙。经过几分钟的辐射后，他立即将氟化钙移到计数器附近，计数器刚开始跳动加快，以后很快慢了下来，约到10秒钟时减到一半。不久，他又试验了铝，同样取得了成功，不过测得的半衰期为12分钟，与约里奥夫妇的发现（半衰期约为3分钟）不一致。为了将实验工作继续下去，他找了几个助手帮忙，最后基本上把周期表上所有的元素都试了一遍。费米对观察的结果进行了总结，发现氢元素一般放出一个质子或一个α粒子而嬗变为更轻的元素。如铁经中子轰击后变成了具有放射性的锰。但是原子核四周的电屏障既阻碍粒子的进入，又阻碍它的排出，而且这道屏障随着原子序数的增大而强度加大。因此，重元素不是变轻而是变得更重：它们捕获了轰击它们的中子，放射出γ射线以去掉中子的结合能，这样由于增加了质量而未增加或减少电荷，就成为比它们自己更重一点的同位素。经过一段延缓时间，这种同位素放射出β射线而衰变为一种新元素，其在元素周期表上的位置比不放射β射线时的位置后移了一位，因为原子核中增加了一个正电荷，现在的原子序数为原来的原子序数加一。

费米到最后用铀做实验。他们用氡放射源照硝酸铀，结果发现其产物有几种不同的“半衰期”：一种是1分钟左右，一种是13分钟左右，还有尚未确切测定的更长的半衰期。所有这几种产物都放射出β粒子。而放射出β粒子的元素的原子序数都应加一。看起来嬗变可沿着周期表向上发展到尚未为人所知的人造元素的新领域中去证实这一惊人的可能性，费米需要用化学分离法来证明中子轰击产生了比铀更重的元素。1分钟半衰期过短，难以进行研究。因此，他集中力量于那半衰期为13分钟的物质。他和助手经过一系列化学试验证明了这种物质不是已知的重元素，如镤（91）（括号内数字表示原子序数，下同）、钍（90）、锕（89）、镭（88）、铋（83），也不是铅（82）。他推测可能得到第93号元素，并把这种可能性报告给《自然》杂志：“由于已经证实这种半衰期为13分钟的物质不是很多种重元素，可以设想这个元素的原子序数或许大于92的可能性。”

费米正在做实验

费米花了四年时间完成了西拉德称之为“令人厌烦”的工作。尽管西拉德取得了世人瞩目的成就，但却没有弄清铀经过氡照射后的产物到底是什么，结果错过了发现核裂变的机会。

核裂变

科学研究中有人错失机会就有人会抓住机遇。费米实验小组在用中子轰击银的实验中发现：他们把银圆柱筒放在实验室中不同的地点则产生不同的放射性。中子源在木桌上辐照银会比在大理石桌上辐照银得到的放射性强得多。费米觉得这是一个值得研究的现象，就决定亲自动手。那一天，费米忽然觉得该试验一下在入射中子前面放入铅会产生什么样的效应。但到开始放的时候，他又改变了主意，将一块石蜡放在原来打算放铅的位置上。结果奇迹出现了，产生的放射性强度剧增。显然，这种强烈的放射性是由于产生放射性的辐射为石蜡所过滤造成的。但如何解释这一现象呢？费米陷入了深深的思索。几个小时后，他想出了答案：是中子同石蜡中的氢核发生碰撞，使中子的速度减慢下来。过去大家一直认为，用速度快的中子轰击原子核更好一些，因为速度快的质子和α粒子一向是更好的，但是这种类推忽略了中子特有的中性。一个带正电荷的粒子需要能量来推动它穿过原子的电屏障，一个中子则不需要。事实是中子减慢，使它在其核附近有更多的时间，这就更易于被核捕获。

又经过一系列实验证实，有些元素，如硅、锌、磷等似乎不受慢中子的影响，而铜、碘、铝等则受其影响。于是费米决定重新做中子轰击每个元素的试验，看看慢中子的轰击是否会产生不同的蜕变产物。1938年，费米由于对中子轰击原子核的研究及发现与此有关的慢中子所致的核反应而获诺贝尔物理奖。

事实上费米得到的并不是“超铀”元素。1939年费米到了美国。当时德国科学家哈恩与斯特拉斯曼用化学方法检验了费米的实验，发现用中子轰击铀原子，只能得到地球上已存在的钡。从费米的错误结论出发，竟然得到一个意想不到的惊人成就。因为钡的重量略高于铀的一半，这是无法用“原子核的‘裂变，”理论解释的。因此，哈恩与斯特拉斯曼便大胆地提出一种新设想，认为铀原子核受到中子的轰击后，不是“衰变”，而是“分裂为大致相等的两个中等质量的原子”。这就是著名的“裂变理论”。

哥伦比亚大学

当费米得知核裂变诞生时，马上从外地返回哥伦比亚大学，一头扎进物理实验室。他用精密细致的实验验证了“裂变理论”的正确性，并致力于研究裂变的“链式反应”，进而建立了一整套“链式反应”的基本概念和基础理论。

费米为人类科学的发展做出了不朽的贡献。铀核反应的实验成功及其基础理论的产生，为后来原子弹的试制成功提供了有力的实验基础和可靠的理论依据。这一重大成果，打开了长期封闭的原子核能宝库的巨锁，为人类找到了取之不尽、用之不竭的新能源宝藏。由于取得如此巨大的成就，费米成为原子能事业的先驱，成为世界上最有声望的科学家之一。

费米仍然沉湎于它的实验研究，有人认为费米辐照铀时所产生的是镤，而不是新的铀后元素。费米也认为这的确需要做进一步的实验来证实。德国威廉大帝化学研究所的哈恩和梅特涅于1917年发现了镤。他们了解它的化学特性，因此觉得自己有资格重复费米做过的轰击铀的实验。在柏林和巴黎，研究者发现，经过辐照的铀有许多不同的半衰期，这实在令人感到迷惑不解；哈恩认为他比世界上任何人更适合进行这种微妙的放射性化学实验。

1935年，哈恩和梅特涅一同寻找中子轰击铀的所有产物。到1938年初，被他们发现的不少于10种半衰期不同的放射性活动。他们假定这些物质是铀的同位素或铀后元素。哈恩对这些化学变化很感兴趣，没有注意到能量的变化，而梅特涅发现产生这些新元素所放出的能量巨大，而且越来越无法解释。

哥本哈根

1938年7月，梅特涅逃往荷兰避难，后来来到哥本哈根。玻尔接待了他，并安排了他的工作。于是用中子轰击铀的实验只能由哈恩和他的助手斯特拉斯曼来做。哈恩和助手成功地找到了不少于16种不同的放射性物质。他们使用钡作载体将它们进行分离，找到了三种过去从来没有发现而他们相信是镭的同位素的产物，但几乎所有的核物理学家对这种可能都表示怀疑。

1938年12月，哈恩感到非常困惑：“镭的同位素”表现得极为奇特，化学性质和钡一样，无法与钡分离开来。他们采用了各种途径，几乎将所有东西都从钡分离出来了，唯独不能将“镭的同位素”与钡分开。现在他们开始相信所谓“镭的同位素”就是钡。哈恩把这一结论告诉了在丹麦的梅特涅，他非常吃惊，不过他并没有否定这种可能性。

哈恩为了证实“镭的同位素”就是钡，他不停地做实验，从放射性物质的衰变产物中分离出了镧（57号元素）。他是由钡（56号元素）通过β衰变转化来的，这就更加肯定了受中子轰击后铀原子核分裂了，转化成钡和其他物质。1944年，哈恩因发现重原子核而获诺贝尔物理奖。

华盛顿

玻尔得知这一结论后，一下子就领悟了问题的实质：原子核分裂了。1939年1月，玻尔到美国华盛顿参加一个物理学会议。在会上，他宣布了物理学这一最新发现，整个世界为之震惊，许多著名的物理学家对裂变的结论感到不可思议。

哈恩与另一位德国物理学家弗里茨·斯特拉斯曼合作，又开始向新的研究进军。1938年末，当他们用一种慢中子来轰击铀核时，竟出人意料地发生了一种异乎寻常的情况：反应不仅迅速强烈、释放出很高的能量，而且铀核分裂成为一些原子序数小得多的、更轻的物质成分。刚开始哈恩虽然意识到这不是一般的放射性嬗变，但也不敢肯定这就是裂变。他把实验结果和自己的想法写信告诉了梅特涅，却得到了他的有力支持。她在复信中明确指出：“这种现象可能就是我们当初曾设想过的铀核的一种分裂。”后来，哈恩经过多次试验验证，终于肯定了这种反应就是铀－235的裂变。

奥本海默

奥本海默一开始认为这是不可能的，在看过示波器上显示的原子裂变后的能量释放的波形后，他立即改变了看法，不仅确认这是事实，而且还确定在反应中有些中子可能会放射出来，从而可以制造炸弹，产生动力。这一切都是在几分钟之内说出来的，而且都是正确的，可见他的头脑反应特别快。大约一个星期后，在奥本海默办公室的黑板上，就出现了一幅画得很概略的炸弹草图。无独有偶，费米也做了同样的推测。有一天，他望着狭长的曼哈顿岛将手握成一个拳头，自言自语地说，“只要像这样一颗小炸弹，这一切都会消失得无影无踪。”

核裂变意义不仅在于中子可以把一个重核打破，更重要的是在中子打破重核的过程中能释放出能量。核裂变的发现是释放原子能的一声春雷。在此之前，人们对原子核裂变释放能量一直持怀疑态度。而铀核裂变的发现，当时就被认为“以这项发现为基础的科学成就是十分惊人的，那是因为它是在没有任何理论指导的情况下用纯化学的方法取得的。”