核能

核能时代的召唤

1895年11月8日，来自原子核内部的能量信息开启了核能时代的大门—德国维尔茨堡大学物理学的教授伦琴（W.K.Röntgen）在进行一次阴极射线的实验时，第一次注意到了放在射线管附件的荧光物质发光。他用纸板把射线管挡住，仍然可以看到荧光物质发光，而当用手挡住射线管时，在屏幕上看到了人手的骨骼。经过几天的研究，伦琴确认这种发光是由一种未知的辐射引起的，因此他将这种未知辐射称为“X射线”，这一发现轰动了世界，“是原子物理学诞生的标志之一”①，伦琴也因为这一发现获得了1901年诺贝尔物理学奖，成为第一个获此殊荣的物理学家。进一步研究表明，X射线是一中高频率的电磁波，它能够使荧光物质发光，能使照相底片感光，穿透能力很强。物理学家们随即猜测，是不是所有的荧光物质发光都与X射线有关呢？1896年，出身于物理学世家的法国物理学家贝克勒尔（A. H. Becquerel）在研究荧光与X射线的关系时，将一种荧光物质硫酸钾铀和密封的照相底片一起放在阳光下照射。有一次，因为连续的阴天，贝克勒尔从暗室中拿出底片冲洗，意外发现底片感光了，这说明底片感光与荧光无关。他随即意识到铀盐中可能存在一种穿透能力很强的射线，随后的实验也验证了这个猜想，贝克勒尔最终证明了这种射线是从铀中产生的。当时，这种射线被称为贝克勒尔射线，后来随着钋和镭的发现，贝克勒尔射线的现象被命名为放射性。进一步的研究表明，铀的放射性射线是由α、β、γ三种射线组成的。英国物理化学家卢瑟福（E. Rutherford）在研究了α射线的能量后指出：“潜藏在原子里面的能量必是巨大无比的。”所以至今很多人仍然把这种放射能称为原子能，实际上就是原子核能，只是当时还没有发现原子核。到了1897年，长期从事阴极射线研究的英国科学家汤姆逊（J. J. Thomson）发现了电子，电子成为人类所认识的第一种稳定的基本粒子，它的发现成为粒子物理学诞生的萌芽，汤姆逊也因此获得1906年的诺贝尔物理学奖。在贝克勒尔发现铀的放射性之后，居里夫人（M. Curie）立即投入了放射性的研究，她发现了沥青铀矿的放射性要比铀盐强几倍，因此在沥青铀矿中必然存在一种放射性更强的元素。她的丈夫居里（P. Curie）也放下了自己的专业，与她一起投入研究，终于在1898年他们在简陋的实验室中提炼发现了放射性元素钋和镭，这标志着放射化学的诞生。钋和镭的发现与放射性现象的发现，使得居里夫

①《影响人类历史发展进程的100位科学家》，于松编，中国致公出版社2010年版。

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妇和贝克勒尔共同获得了1903年的诺贝尔物理学奖。后来居里夫人提炼出纯镭，获得了1911年的诺贝尔化学奖，成为了首位两次获得诺贝尔奖的科学家。

19世纪的末叶，经典物理学陷入了危机，X射线、放射性、电子、钋和镭这四大发现开启了原子物理、核物理、粒子物理、放射化学研究的新纪元，拉开了核能科学的序幕，为核能科学的诞生打下了基础。

进入20世纪之后，核能科学缓慢发展。1911年，卢瑟福通过α散射实验发现了原子核。但是当时人们对于原子核的了解只限于一些整体的特性，对于其内部构造一无所知，所以，探索原子核内部结构成为了当时物理学研究的热门课题。由于第一次世界大战的爆发，许多科学研究被迫中断，卢瑟福也参加了英国海军追踪潜艇的研究项目，战争结束之后，他才回到了自己的实验室。1919年，卢瑟福用α粒子轰击干燥的氮气，击中了氮的原子核，使得氮转化为氧，并释放出一个质子，实现了人类历史以来第一次人工核反应。但是，当时的α粒子是利用镭的自然衰变产生的，能量不高，因此带两个正电荷的α粒子就很难克服库仑斥力而接近进而击碎原子核。后来英国人与美国人发明了加速器，但是由于加速器的能量不高，轰击原子核的尝试并没有取得很大进展，原子核的大门仍然半遮掩着。

为了解释原子核内部质子间有很强的库仑斥力而仍能稳定存在，卢瑟福于1920年预言在原子核的内部可能存在一种质量与质子相近的中性粒子。1932年，卢瑟福的学生查德威克（J. Chadwick）发现了中子②，证实了他的预言。中子的发现，为打开原子核世界禁锢的大门提供了钥匙，同时也为核能的开发应用创造了条件，预示着核能时代的即将来临，而查德威克也凭借这一发现摘走了1935年的诺贝尔物理学奖。中子发现后不久，原子核由质子和中子构成的理论假设被普遍接受。中子不带电荷，很容易接近原子核并被吸收，因此，核物理学家们开始使用中子作为轰击各种元素原子核的炮弹，从此一系列的重要发现接踵而来，20世纪30年代也被誉为核物理学发展的黄金时代。

在这一系列的发现中，对于核物理学发展起着决定性作用的是核裂变的发现。关于核裂变的发现，要从意大利说起。费米（E. Fermi）是意大利的理论物理学家，1933年他建立了 ②中子的发现是一个曲折而戏剧化的过程，详见《走近核能》，作者不详，科学出版社2000年第1版。

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β衰变理论。1934年，当他得知用α粒子轰击原子核发现了人工放射性之后，敏锐地意识到如果用中子代替α粒子轰击各种元素的原子核，可能会产生更多种类的人工放射性。于是他开始转向实验物理，用自制的中子源轰击多种元素，并获得了惊人的结果。在轰击60多种元素的过程中产生了约40种放射性核素。对此费米和他的小组解释说，稳定的原子核吸收一个中子之后，会变成放射性核素，再通过β衰变转变成原子序数高一位的元素。当他们轰击当时元素周期表的最后一个元素铀时，他们设想会产生超铀元素，但是实验的结果很复杂，测得了几种半衰期不同的放射性核素，他们没有对此作出鉴定，就宣布获得了超铀元素，后来研究表明他们发现的几种半衰期不用的放射性核素是铀核分裂后产生的碎片，但是这拉开了用中子轰击原子核的序幕。在法国，随费米之后，约里奥-居里夫人（J. Joliot-Curie）和她的助手南斯拉夫物理学家萨维奇（P. Savitch）也开展了中子轰击铀的实验。1938年，他们在分析轰击产生的放射性物质时，发现一种半衰期为3.5小时的放射性核素，化学性质与57号元素镧相似，但却在理论上找不到正确的解释。事实上，他们距离发现核裂变只有一步之遥，就像当时发现中子一样。而在德国，放射化学家哈恩（O. Hahn）等人到1937年用中子轰击铀已经测得9种不同β衰变的放射性物质，他们认为这其中有6种是超铀元素。随后经过漫长的研究，他们类比细胞增殖分裂现象首次提出核裂变的概念，轰动了整个世界，哈恩也因此荣获1944年的诺贝尔化学奖③。

1939年1月27日是核物理发展史上重要的一天，在这一天举行的华盛顿第五次国际理论物理讨论会上，丹麦物理学家玻尔（N. H. D. Bohr）宣布了哈恩等人的发现以及迈特纳等人的理论解释。核裂变现象发现以后，各国的核物理学家们意识到，铀原子核吸收中子产生裂变，释放出能量的同时会放出第二代中子，如果第二代中子多于一个，就有可能引起链式核反应，进而引起核爆炸。而后来科学家们进行的深入的研究证明，每次核裂变平均释放出2.4334个中子。此后玻尔的研究成果向实际应用目标更推进了一步，他指出是铀-235而不是铀-238吸收慢中子引起核裂变。到了1939年9月，玻尔与他的学生美国物理学家维勒（J. A. Wheeler）发表长篇论文《核裂变的机制》，深入讨论了铀-235和铀-238的裂变机制，指 ③ 1944年的诺贝尔化学奖只授予哈恩一人以表彰他在研究铀裂变方面的贡献，但核裂变的概念其实是由德国的一位女物理学家迈特纳（L. Meitner）首次提出并解释的。迈特纳是我国核物理学家王淦昌在德留学时的导师，由于二战她被迫退出哈恩的研究组，而她的贡献在她1968年去世之后的30年才得到公认。

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出铀-235更容易吸收慢中子产生核反应。但是，当时玻尔认为，要从铀中提取仅占0.7%的铀-235几乎是不可能的。核裂变的研究正处于第二次世界大战时期，核裂变的现象越来越接近实际应用，如果纳粹德国制造出了核炸弹，那将是全世界的灾难。最先想到链式核反应的匈牙利有台裔物理学家西拉德（L. Szilard）亲自起草并推动曾经与他一起获得发明专利的爱因斯坦（A. Einstein）给美国总统罗斯福写信建议赶在纳粹德国之前研制原子弹，这得到了罗斯福的采纳，这个建议后来发展成著名的“曼哈顿计划”。1942年12月2日，在费米的领导下，在美国芝加哥大学建成了世界上第一座核反应堆，人类历史上首次完成了自持裂变链式核反应实验，实现了可控核能量的释放，正式拉开了核能新时代的序幕！到了1945年，美国研制原子弹的“曼哈顿计划”首批完成了三颗原子弹，除去试验爆炸的一枚，美国将另外两枚分别投于日本广岛和长崎，使得两座城市顷刻变为废墟，加速了日本的投降。而核能首先以破坏性的形象登上人类历史舞台，并对人类此后的发展产生了巨大的影响。之后的历史中，核能没再在战争中出现，而是成为发电产业的新力量，近代科学家们的伟大研究开始造福于人类。而我们发现，其实对于核物理，其历史意义伴随于它的研究历程。直至今天，讨论发展核能的利与弊仍是这个时代的重要课题之一，核能时代半个世纪的召唤永远留在了近现代科学发展史上最光辉的一页。

参考文献：

1.（作者不详）：《走近核能》，2000年，科学出版社。

2.于松：《影响人类历史发展进程的100位科学家》，2010年，中国致公出版社。 3.[美]艾尔文·温伯格：《第一核纪元》（吕应中译），1996年，原子能出版社。. 4.[美]詹姆斯·马哈菲：《原子的觉醒：解读核能的历史和未来》，2011年，上海科学技术文献出版社。

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