釋放核能（上）

張開(kāi)遜

20世紀(jì)40年代，人們開(kāi)始向原子核索取能量。這項(xiàng)發(fā)明有可能讓人類(lèi)在未來(lái)獲得永不枯竭的能源。但與此同時(shí)，世界亦蒙上了核戰(zhàn)爭(zhēng)的陰影。

能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的動(dòng)力，人類(lèi)生存發(fā)展的重要基礎(chǔ)。直到18世紀(jì)前，人類(lèi)和其他生靈利用的一切能源幾乎都來(lái)自太陽(yáng)，太陽(yáng)的光和熱使地球充滿生機(jī)。在太陽(yáng)的照耀下，綠色植物的光合作用造就了地球上的食物鏈，為一切生命提供了必需的保障。由于太陽(yáng)的熱輻射，地球上的水和大氣時(shí)刻不停地運(yùn)動(dòng)，造就了奔騰的江河、呼嘯的海洋，以及無(wú)處不在的風(fēng)，它們成為人類(lèi)最早利用的自然力。太陽(yáng)還造就了深藏地下的煤和石油，17世紀(jì)以后，它們開(kāi)始成為機(jī)器的能源，為產(chǎn)業(yè)革命提供最重要的物質(zhì)保障，直到今天，它們?nèi)匀痪S系著人類(lèi)的繁榮。

無(wú)論是植物的光合作用、人和動(dòng)物的消化過(guò)程，或是木柴、煤和石油的燃燒，這些都是化學(xué)反應(yīng)，相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換都發(fā)生在原子的外層電子中，而原子核并未參與這種提供能量的過(guò)程。在一次偶然的事件中，科學(xué)家注意到，有些物質(zhì)在沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的條件下，仍不斷地向外部世界釋放能量。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人類(lèi)探究原子內(nèi)部奧秘的熱情。

1896年初，德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)x射線的消息傳到巴黎，數(shù)學(xué)家龐伽萊（1854-1912）在1896年1月20日法國(guó)科學(xué)院舉行的例會(huì)上介紹了倫琴的發(fā)現(xiàn)，并展示了一張x射線的照片。他建議當(dāng)時(shí)參加會(huì)議的另一位科學(xué)家貝克勒爾（1852-1908）研究x射線是從哪里發(fā)出的。

作為己有三代人研究熒光的貝克勒爾家族的成員，貝克勒爾熟知：很多種礦物經(jīng)太陽(yáng)光照射后，會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)發(fā)出一種微弱的光，就像黑暗中螢火蟲(chóng)發(fā)出的光，人們稱(chēng)之為熒光。因此他猜測(cè)：x射線可能是從能發(fā)熒光的物質(zhì)里發(fā)出來(lái)的。為了證實(shí)這一點(diǎn)，他將照相底片用厚厚的黑紙包住，與一些能產(chǎn)生熒光的含鈾化合物一起放在太陽(yáng)光下曝曬。黑紙可以完全阻擋太陽(yáng)光，如果太陽(yáng)光激發(fā)的熒光里有x射線，它就會(huì)透過(guò)黑紙使底片感光。為了防止含鈾化合物同底片接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)避免樣品發(fā)熱對(duì)底片產(chǎn)生影響，他還在底片和含鈾化合物之間放置了一塊玻璃板。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的太陽(yáng)光照射，顯影后的底片果然出現(xiàn)了感光的黑斑，這似乎證實(shí)了貝克勒爾的想法。

貝克勒爾決定用新的底片繼續(xù)做試驗(yàn)。然而，天公不作美，接連出現(xiàn)了幾個(gè)陰天，他只好把含鈾化合物連同黑紙包著的底片一起放進(jìn)抽屜，打算待太陽(yáng)出來(lái)后再做試驗(yàn)。幾天之后，天空放晴，他準(zhǔn)備繼續(xù)做試驗(yàn)。作為一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家，他在每次試驗(yàn)之前總要重新檢查底片，以確保底片在存放過(guò)程中沒(méi)有漏光。令他驚訝的是，這些被包得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的底片，顯影后仍然出現(xiàn)了濃重的黑斑。而他知道，在與底片接近的時(shí)候，用于試驗(yàn)的含鈾化合物發(fā)出的熒光早己消失（它們?cè)谔?yáng)光照射之后發(fā)出的熒光只能維持100秒鐘左右）。因此，底片上的黑斑只能暗示，這種含鈾化合物發(fā)出了另外一種射線，它與熒光無(wú)關(guān)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，所有含鈾的物質(zhì)無(wú)論固體、液體都會(huì)發(fā)出射線，他稱(chēng)之為“鈾射線”，后來(lái)人們又稱(chēng)其為“貝克勒爾射線”。當(dāng)年5月18日，貝克勒爾在寫(xiě)給法國(guó)科學(xué)院的報(bào)告中說(shuō)，這是鈾原子自身發(fā)出來(lái)的一種射線。

居里夫婦對(duì)貝克勒爾發(fā)表的論文極感興趣，來(lái)自波蘭的瑪麗亞·居里（居里夫人，1867-1934）在其丈夫皮埃爾·居里（1859-1906）的建議下，于1897年選擇“鈾射線”這一課題作為博士論文。

居里夫婦將瀝青鈾礦作為研究對(duì)象。這是一種成分極為復(fù)雜的含鈾礦物，通過(guò)化學(xué)方法可以把其中多種不同的成分分離出來(lái)。在研究瀝青鈾礦的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素釷也能夠發(fā)出射線。1898年7月，他們從瀝青鈾礦中分離出一種人們尚不知曉的元素，這種元素發(fā)出的射線比相同質(zhì)量的鈾強(qiáng)幾百倍。居里夫人建議以她的祖國(guó)波蘭命名這種元素，人們采納了她的建議，將其命名為釙（Polonium）。在拉丁語(yǔ)中“釙”是波蘭的諧音。6個(gè)月之后，他們又在瀝青鈾礦中發(fā)現(xiàn)了另一種射線強(qiáng)度更高的元素。經(jīng)過(guò)四年奮斗，他們從8噸瀝青鈾礦中提煉出0.1克不含其他雜質(zhì)的這種元素的純凈化合物，它們的射線強(qiáng)度比鈾高幾十萬(wàn)倍。

由于發(fā)現(xiàn)許多種不同的元素都可發(fā)出射線，居里夫婦提出了“放射性物質(zhì)”的概念，并建議把新發(fā)現(xiàn)的這種具有極強(qiáng)放射性的元素稱(chēng)為“鐳”（Radium），在拉丁語(yǔ)中“鐳”的含義是“放射物”。1900年，他們?cè)诎屠枧e行的國(guó)際物理學(xué)會(huì)議上做了題為《新的放射性物質(zhì)和它們發(fā)出的射線》的報(bào)告，敘述了測(cè)量放射性物質(zhì)的方法、新的放射性元素的化學(xué)性質(zhì)，以及它們發(fā)出的射線具何特點(diǎn)。在報(bào)告中，他們還談到尚不清楚的兩個(gè)問(wèn)題：射線的能量從哪里來(lái)？射線到底是什么？

在發(fā)現(xiàn)釙和鐳的過(guò)程中，居里夫婦付出了生命的代價(jià)。1906年，皮埃爾·居里在去實(shí)驗(yàn)室的路上不幸被馬車(chē)撞死。居里夫人堅(jiān)忍執(zhí)著地繼續(xù)從事放射性研究。由于當(dāng)時(shí)人們不清楚放射性物質(zhì)對(duì)人體的危害，居里夫人的健康被嚴(yán)重?fù)p害，她在67歲時(shí)因血癌去世。50年后，居里夫人的女婿約里奧·居里（1900-1958）曾用探測(cè)儀器檢查居里夫人當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)記錄本和她在廚房使用過(guò)的菜譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些物件仍然帶有很強(qiáng)的放射性。

居里夫婦提出的問(wèn)題很快有了答案，幾年之后，人們弄清了放射性現(xiàn)象的本質(zhì)。早在貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“鈾射線”的第二年，新西蘭物理學(xué)家盧瑟福（1871-1937）便開(kāi)始研究這種射線和x射線的區(qū)別。他用許多層鋁箔把具有放射性的含鈾化合物包起，然后逐層拆開(kāi)測(cè)量放射性強(qiáng)度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：有兩種射線，一種穿透性弱，另一種穿透性比較強(qiáng)；它們都能在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，一種向左轉(zhuǎn)，另一種向右轉(zhuǎn)；穿透性弱的一種帶正電，另一種帶負(fù)電，他分別稱(chēng)之為α射線和β射線。1900年，法國(guó)物理學(xué)家維納爾德（1860-1934）發(fā)現(xiàn)了放射性物質(zhì)發(fā)出的穿透力極強(qiáng)而不帶電的射線，盧瑟福稱(chēng)之為γ射線。α、β和γ，是希臘字母表中的頭三個(gè)符號(hào)。盧瑟福認(rèn)為從原子中發(fā)出的射線只有這三種，其中α射線是電離后帶正電的氦離子，β射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子，γ射線是比倫琴發(fā)現(xiàn)的x射線穿透性更強(qiáng)的不帶電的射線。

后來(lái)，盧瑟福發(fā)現(xiàn)，原子釋放的射線隨時(shí)間推移越來(lái)越弱，呈現(xiàn)出一種有趣的規(guī)律：每過(guò)一定的時(shí)間，強(qiáng)度會(huì)衰變?yōu)樵瓉?lái)的一半。例如，經(jīng)過(guò)一天其衰變?yōu)樵袕?qiáng)度的1/2，經(jīng)過(guò)兩天變?yōu)?/4，經(jīng)過(guò)三天變?yōu)?/8……而且，原子在發(fā)出射線的時(shí)候，放射性物質(zhì)不斷地變成另一種新的元素。

自1909年，盧瑟福開(kāi)始用放射性物質(zhì)發(fā)射的α射線轟擊金屬箔和鉛箔。他發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)α粒子沿直線穿箔而去，少量與金屬箔相遇之后改變方向，還有極少量反彈回來(lái)。1911年，他提出一種理論對(duì)此進(jìn)行解釋?zhuān)骸霸硬⒎侨藗兿胂蟮哪菢邮氰偳峨娮拥膶?shí)心球。它有一個(gè)小小的內(nèi)核，核帶正電，原子的全部質(zhì)量差不多都集中在核內(nèi)，電子則在外面圍繞核旋轉(zhuǎn)，就像一個(gè)縮微的太陽(yáng)系，眾多行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。在核與電子軌道之間空空蕩蕩，一無(wú)所有?！被谶@種假設(shè)，盧瑟福從理論上計(jì)算出α粒子反彈后在不同角度上的分布，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合。從此，人們對(duì)原子的結(jié)構(gòu)才有了正確的理解，產(chǎn)生了“原子核”的概念。測(cè)量表明，氫原子核的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的1840倍。如果把原子放大到地球那么大，原子核的大小相當(dāng)于一個(gè)蘋(píng)果。

隨后，人們開(kāi)始用α射線轟擊多種元素，看它們究竟能變成什么物質(zhì)。1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)，α粒子轟擊氮原子的時(shí)候，產(chǎn)生了氧原子，同時(shí)釋放一個(gè)氫離子。他認(rèn)為氫離子是原子核中最小的帶正電的粒子，他稱(chēng)其為質(zhì)子，而且斷言原子核是由質(zhì)子構(gòu)成的。1921年，他又發(fā)現(xiàn)，在α粒子轟擊下，硼、氟、鈉、鋁和磷都可以變成另外的元素。

1928年，德國(guó)物理學(xué)家博特（1891-1957）用α粒子轟擊鈹，產(chǎn)生了一種穿透性很強(qiáng)的射線，它的能量比γ射線大得多，甚至比入射的α射線能量還要大，被稱(chēng)為“博特γ射線”。1932年1月18日，居里夫人的女兒伊雷娜·居里（1897-1956）和女婿約里奧·居里用實(shí)驗(yàn)室里很強(qiáng)的釙放射源產(chǎn)生的α粒子轟擊鈹，產(chǎn)生“博特γ射線”，再用這種射線轟擊石蠟，產(chǎn)生了氫離子。他們感到非常奇怪，沒(méi)有質(zhì)量的γ射線居然會(huì)打出比電子重1840倍的質(zhì)子！在無(wú)法解釋的情況下，他們發(fā)表了自己的報(bào)告。

英國(guó)物理學(xué)家查德威克（1891-1974）重復(fù)了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了更多的研究。他發(fā)現(xiàn)用“博特γ射線”照射氫的時(shí)候可以打出質(zhì)子，而且這種射線會(huì)反彈回來(lái)；他發(fā)現(xiàn)所謂“博特γ射線”并不是真正的γ射線，而是一種不帶電的粒子流，這種粒子的質(zhì)量與質(zhì)子差不多，他稱(chēng)其為中子。1932年2月17日，查德威克寫(xiě)信給英國(guó)《自然》雜志，發(fā)表了這一研究結(jié)果。從此，人們對(duì)原子核的了解又前進(jìn)了一步，知道它是由質(zhì)子和中子共同組成的。中子不帶電，不像α粒子那樣會(huì)受到原子核正電荷的排斥，自由飛行的中子很容易進(jìn)入原子核內(nèi)部引起核反應(yīng)，從而改變?cè)雍说慕Y(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)中子，使人們找到了開(kāi)啟核能之門(mén)的鑰匙。

用α射線轟擊鈹，可以輕而易舉得到中子。從1934年開(kāi)始，意大利物理學(xué)家費(fèi)米（1901-1954）用中子轟擊氫、鋰、硼、氮和氧的原子，希望它們能夠變成另外的元素，產(chǎn)生新的放射性物質(zhì)，然而沒(méi)有得到預(yù)期的結(jié)果。1934年秋天，他在無(wú)意中發(fā)現(xiàn)，在中子源和被轟擊的樣品之間放上石蠟，中子經(jīng)過(guò)石蠟之后，轟擊樣品發(fā)生的核反應(yīng)大大增加。既長(zhǎng)于實(shí)驗(yàn)又精通理論的費(fèi)米對(duì)此迅速作出解釋?zhuān)菏灉p緩了中子運(yùn)動(dòng)的速度，慢中子更容易引起核反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了費(fèi)米的看法，短短幾個(gè)月，費(fèi)米的研究小組按照元素周期表的順序，從氫開(kāi)始，依次用減速后的慢中子轟擊63種不同的元素，產(chǎn)生了37種新的放射性同位素。當(dāng)時(shí)，費(fèi)米最感興趣的是用中子轟擊鈾，鈾在元素周期表中排序?yàn)?2，是自然界中排序最高的元素，他希望能產(chǎn)生從來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)的93號(hào)元素。

制造93號(hào)元素的努力差不多持續(xù)了四年仍無(wú)結(jié)果。1938年，參加這項(xiàng)工作的德國(guó)物理學(xué)家哈恩（1897-1968）和斯特拉斯曼（1902-1980）分析了中子轟擊鈾的產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)它不是原子序數(shù)92附近的元素，而是原子序數(shù)為56的鋇元素。哈恩把這一結(jié)果寫(xiě)信告訴因躲避納粹德國(guó)迫害逃亡的奧地利女物理學(xué)家邁特納（1878-1968），她和同是物理學(xué)家的侄子弗里什（1904-1979）認(rèn)真討論這封信后恍然大悟：在中子轟擊下，鈾原子核已經(jīng)分裂成兩個(gè)碎片，碎片的質(zhì)量大約是鈾原子核的一半。她把這種現(xiàn)象稱(chēng)為“原子核裂變”。后來(lái)，中國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)（1913-1992）、何澤慧（1914-2011）夫婦，在法國(guó)居里實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了鈾235在慢中子轟擊下可以分裂成三個(gè)或四個(gè)碎片，稱(chēng)為“三分裂”或“四分裂”。

發(fā)現(xiàn)核裂變具有重大意義。在實(shí)驗(yàn)中人們注意到，鈾原子核分裂時(shí)產(chǎn)生的所有碎片，其質(zhì)量加在一起比鈾原子核原來(lái)的質(zhì)量小，有一部分質(zhì)量神秘地失蹤了。1905年9月，愛(ài)因斯坦（1879-1955）在關(guān)于“相對(duì)論”的第二篇論文中，曾經(jīng)提出一個(gè)重要的論斷：質(zhì)量與能量可以相互轉(zhuǎn)化，消失的質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為物體的動(dòng)能或電磁波；并且推導(dǎo)出它們之間相互轉(zhuǎn)化的公式，能量等于消失的質(zhì)量乘以光速的平方。精確測(cè)量核反應(yīng)前、后質(zhì)量的變化，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，人們大為驚訝地發(fā)現(xiàn)：一個(gè)鈾原子核裂變時(shí)釋放的能量，比一個(gè)碳原子氧化（例如煤燃燒）時(shí)產(chǎn)生的能量大5000萬(wàn)倍！1939年1月，弗里什拆除了實(shí)驗(yàn)中包裹鈾樣品的金屬箔，通過(guò)真空三極管做成的電子學(xué)裝置，觀測(cè)到鈾在核裂變時(shí)發(fā)出的強(qiáng)電磁波信號(hào)，結(jié)果證實(shí)鈾核裂變確實(shí)釋放能量。

幾個(gè)鈾原子核裂變釋放的能量可能沒(méi)有什么價(jià)值，然而這種反應(yīng)如果能夠連續(xù)進(jìn)行下去，有大量的鈾核參與反應(yīng)，就有可能產(chǎn)生難以估計(jì)的巨大能量?？茖W(xué)家注意到重原子核（例如鈾）里中子數(shù)目總是比質(zhì)子多，比較輕的原子核（例如鋇）里中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)大體相等。當(dāng)鈾核裂變成為碎片時(shí)，必定會(huì)有多余的中子釋放出來(lái)，這些中子又可能引起下一級(jí)裂變反應(yīng)。如果一個(gè)中子轟擊鈾核能夠產(chǎn)生兩個(gè)以上中子，裂變反應(yīng)一旦發(fā)生，就會(huì)數(shù)量翻番一級(jí)一級(jí)傳遞下去，這種反應(yīng)可能像雪崩一樣在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)展成為很大的規(guī)模。約里奧·居里、費(fèi)米和匈牙利物理學(xué)家西拉德（1898-1964），分別在各自的實(shí)驗(yàn)室里觀察到了這種連續(xù)發(fā)生的鈾核裂變過(guò)程，每個(gè)鈾235原子核裂變時(shí)可以釋放2～3個(gè)中子，這種核反應(yīng)傳遞到下一級(jí)的時(shí)間非常短，大約一億分之一秒。人們把這種連續(xù)發(fā)生的核反應(yīng)稱(chēng)為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

通過(guò)計(jì)算，科學(xué)家知道1千克鈾235發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放的能量，相當(dāng)于2萬(wàn)噸TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的能量。如果用它做成炸彈，威力將比同等重量的普通炸藥大數(shù)千萬(wàn)倍，成為前所未有的毀滅性殺傷武器。（未完待續(xù)）