揭开原子能量奥秘，突破能源禁锢，他们仅用十年便点燃了原子之火

　　20世纪是科学技术发展最为辉煌的时代，一系列的重大发现、发明在这个时期接踵而至。尤其是在20世纪初，人类文明划时代的重大发现——＂原子之火＂被成功点燃。
　　这意味着人类的未来将不会再为能源的枯竭而忧虑。
　　原子结构可以说是宇宙最神奇的杰作，它既可以形成上百种元素；又可以组成包括人类在内的生命体；还可以为人类提供取之不尽的能源。
　　从十九世纪开始，道尔顿、卢瑟福、普朗克等科学家就对原子的结构展开了深入的科学研究。
　　电子显微镜下的氢原子
　　今天，我们已经知道＂原子＂是由原子核和绕核运动的电子构成。我们要借助电子显微镜放大几百万倍才能看得到原子的大致模样，而原子核仅仅是原子直径的十万分之一。
　　就是如此微小的原子核，却集中了几乎整个原子的质量，它的裂变、聚变，甚至是衰变，都会释放出巨大的能量。
　　01
　　原子核虽然没有确定的边界和形状，但由于核子的分布具有中间较均匀且边界上有较薄的弥散层，因此我们可以近似地把原子核看成为球形或接近球形。
　　原子核的半径为（1.1 1.3） 10^-15米，在这样狭小的空间之内，却拥挤着许多带正电的质子，根据电磁相互作用原理，它们之间必然要产生很大的相互排斥的静电力。
　　可是，大多数的原子核却是相对稳定的。那么，核内质子和中子能和平地＂相聚一处＂，是因为除了质子间相互排斥的静电力外，核内粒子间还存在着强大的吸引力，这种吸引力通常叫做核力。
　　然而，核力只有在很近的距离（大约1.5 10^-15米）内才会起作用，所以核内的质子或中子只跟它相邻的质子或中子起作用。
　　超过了这个距离，核力就会迅速降低到零。
　　如果在某种条件的促发下，原子核内的质子和中子发生了变化，那么它们之间的核力也会相应地发生改变，并把一部分能量释放出来。
　　那么，无论质子和中子如何变化，都会产生质量亏损，根据爱因斯坦的质能公式:
　　这些丢失的质量会释放出与其相当的能量（核能）。这种能量十分巨大，单个原子便可以释放出大约为2亿电子伏特的能量。
　　这种能量被称为原子核的结合能或原子核能，也就是我们所熟知的核能。
　　核能通常有三种：
　　一种叫核裂变能，例如原子弹的爆炸，就是由铀或钚等容易裂变的重原子核在裂变瞬间释放的巨大能量。核裂变释放的能量相当于燃烧释放的化学反应能量的几百万倍。每千克核 燃料完全裂变可以放出93.6万亿焦的热量，相当于3200吨标准 煤燃烧放出的热量。
　　另一种叫核聚变能，例如太阳的发光发热就是由氢的同位素——氘和氚的原子核发生的聚合反应产生的能量。每千克热核聚变燃料所释放出的热量是核裂变的4倍。
　　还有一种叫核衰变能，就是由原子核自发射出某种粒子而衰变为另一种原子核所释放的能量。1898年，居里夫人在发现镭的同时，就发现了镭在衰变时伴随着能量的释放。1克镭衰变所释放出的热能足以融化42吨冰块。还有2011年3月11日发生的日本9级强震，导致福岛核电站受损泄漏所释放的核辐射也是核衰变能，其能量可穿透人体和建筑物。
　　那么，怎样オ能将蕴藏在原子核内的能量释放出来呢？
　　02
　　起初，科学家们认为原子核的质量应该等于它含有的带正电荷的质子数。可是，一些科学家在研究中却发现，原子核的正电荷数与它的质量居然不相等，也就是说，原子核除去含有带正电荷的质子外，还应该含有其它粒子。
　　那么，这种神秘的＂其它粒子＂究竟是什么呢？
　　伊雷娜·约里奥·居里和她的丈夫弗雷德里克
　　1931年，法国物理学家居里夫人的女儿伊雷娜·约里奥·居里和她的丈夫弗雷德里克用α粒子（天然放射性物质衰变时释放出来的粒子）轰击铍，并用石蜡来吸收辐射，他们惊奇地发现辐射并未被吸收，反而加强了。通过粒子鉴别，他们认定从石蜡里飞出的是某种＂质子＂。
　　英国物理学家詹姆斯·查德威克
　　可是，英国物理学家詹姆斯·查德威克却否定了他们的结论，查德威克认为这种＂质子＂很可能是由中性粒子所组成。
　　1932年，查德威克立刻着手研究约里奥·居里夫妇做过的实验，并用云室测定这种粒子的质量。结果发现，这种粒子的质量和质子一样，但不带电荷。查德威克将这种粒子称为＂中子＂。
　　中子的发现，为物理学家们寻找到了轰击原子核的＂炮弹＂，被视为是揭开原子核内秘密的一把钥匙。
　　这是因为，由于中子不带电荷，原子核内的电子对入射的中子几乎没有任何减速作用，所以中子的穿透能力要比天然放射性的 α射线 和 β射线 强的多，因此是轰击原子核的最佳利器。
　　1934年，又是伊雷娜·约里奥·居里夫妇，他们发现用钋产生的α粒子轰击铝箔时，若将放射源拿走，铝箔继续保持放射性，并且其辐射像一般放射性元素那样以指数律衰减。之后，他们用同样的方法制造出了多种放射性同位素。
　　＂人工放射性物质＂的制备，被誉为是20世纪最重要的发现之一，它对之后的工业、农业、商业和国防业，以及化学、生物学和医学都产生了极大的影响和推动，约里奥·居里夫妇因此获得了1935年度的诺贝尔化学奖。
　　美籍意大利物理学家恩利克·费米
　　人工放射性物质的发现，引起了美籍意大利物理学家恩利克·费米的注意，随后费米想到用中子作＂炮弹＂来逐个轰击元素周期表上各种元素的原子核，看能否产生新的放射性物质。
　　开始，费米小组用钋和镀作中子源辐照各种元素，因为中子源太弱，效果都不理想。后来，费米小组改用镭和镀作中子源，从最轻的元素氢开始，按元素周期表的顺序对各种元素进行辐照。当实验到第9号元素氟时，终于得到了新的放射性元素。这就验证了约里奥．居里夫妇的发现。
　　但当费米用中子辐照到当时所知的最重元素铀时，得到的放射性产物与他们猜想应该得到一种原子序数为93的超铀元素的半衰期和化学性质并不相同。遗憾的是，他们对这一异常未作进一步地探究。
　　这让费米与＂核裂变＂的发现擦肩而过。
　　应该说，在用中子辐照铀时出现的异常情况，正是重核裂变的最早证据。可惜，费米在这个问题上作出了错误的判断。他们哪里会想到这是重核在中子的轰击下分裂成了几大块，每块相当于一种新的放射性物质，是原子序数比铀小得多的某种元素的同位素。
　　但是，费米还是意外地发现，在中子源与被轰击的银之间放一块石蜡后，核反应会变得更为强烈。
　　也就是说，中子在经过减速后，引发核反应的能力更强。
　　这一发现，被认为是原子时代的＂真正起点＂，费米因此获得1938年诺贝尔物理学奖。
　　03
　　奥托·哈恩
　　1938年，在德国威廉皇帝科学研究院从事中子研究工作的物理学家奥托·哈恩，也对居里夫妇的实验结果产生了浓厚兴趣。
　　哈恩尝试用慢中子来轰击铀核，他们在铀的生成物中找到一种放射性物质，其放射性的半衰期接近3.5小时与镧（天然放射性物质）相似，不过，这种新的放射性物质的化学性质却与镧不同，而与钡类似。
　　但是，钡的原子序数是56，处于元素周期表的中间位置，而铀的原子序数是92。
　　哈恩怀疑这又是一次失败的实验。因为他对这一异乎寻常的情况还无法做出正确解释：
　　慢中子轰击铀核，反应不仅迅速强烈，还释放出很高的能量，而且铀核分裂成为原子序数小得多，且更轻的物质成分。
　　哈恩和奥地利女物理学家丽丝·迈特纳
　　哈恩对实验结果感到十分迷惑。他将论文的副本寄给奥地利女物理学家丽丝·迈特纳，征询她的看法。迈特纳与哈恩有长达30年卓有成效的合作，作出过多项重大发现，其中包括二人在1917年共同发现了天然放射性元素——镤。
　　迈特纳与当时所有的权威物理学家一样，坚信原子核是稳定的，不可能被分裂。
　　如果异常密集坚实的核子可以被一个中子击破，这多少有点像一个人拿一块小鹅卵石去砸大山上的岩石，这几乎是不可能的事。
　　可是迈特纳的侄子，物理学家奥托·罗伯特·弗利希却给出了一个重要的提示——玻尔在不久前提出的＂液滴核模型＂：
　　在某些情况下，可以把原子核想象成液滴，核子（质子和中子）就像水分子，强相互作用造成的表面张力使原子核平常保持球形。但在某些情况下，液滴可以由于振动而拉长。
　　由此，迈特纳意识到：
　　是中子的增加，使铀核变得极不稳定，从而发生分裂。每个铀核都分裂成了两个较小的核。
　　当哈恩听到这个结论后，猛地用手敲打自己的前额，惊呼：
　　＂啊！我们好笨啊！这真有趣！正应该这样！＂
　　1939年1月27日，在美国春季物理学讨论会上，尼尔斯·玻尔当众宣布了哈恩在实验中的发现，描述了迈特纳和弗利希对此的物理学解释。会场上由一阵骚动演变为一片轰动。一些物理学家匆忙离席，赶在第一时间去验证德国人的实验和奥地利人的解释，没过几小时便在美国的实验室中得到了确认。
　　核裂变的发现震动了当时的科学界。
　　哈恩成为撬开＂核裂变之门＂的第一人，也因此获得了1944年的诺贝尔化学奖。
　　晚年的哈恩和迈特纳
　　尽管迈特纳做出了宝贵的贡献，物理学巨匠尼尔斯·玻尔本人提名迈特纳和哈恩共同获得诺贝尔奖，但遗憾的是，最终只有哈恩一人获得了诺贝尔奖。梅特纳去世后，她的墓碑上刻着一句话:
　　＂莉丝·迈特纳：一位从未失去人性的物理学家。＂
　　04
　　费米在得到核裂变的消息后，当即提出了链式反应的概念。费米用了一个非常生动的比喻来解释链式反应：
　　＂一场原子核的链式反应，可以比作一堆垃圾由于自燃而引起的燃烧。在这样的一场大火中，垃圾堆有几个小部分开始燃烧起来，并依次点燃其他小碎片。当有足够多的这种小部分被加热到燃点时，整个堆便突然腾起火焰。＂
　　费米还预言：当一个重核裂变成两个轻核时，一定会出现多余的中子，这些多余的中子又会引起更多的铀核发生裂变，使核裂变持续不断地发生下去，并释放出更多的能量。只要链式反应一开始，无比巨大的能量就会在极短的时间内爆发出来。
　　1942年，费米领导一批科学家，在美国芝加哥大学体育场西看台底下的一个网球厅内，建造起世界上第一座核反应堆。
　　反应堆采用天然铀作核燃料，石墨作慢化剂。通过5根镀有镉的青铜棒进行控制。其中一根穿过堆体；另一根可以插入堆内任何深度，用来调整反应堆的功率；其余3根是＂安全棒＂，平时放在堆外，必要时可迅速插入堆内，使链式反应立即停止。
　　1942年12月2日下午3点20分，实验人员将镉棒慢慢地从反应堆中吊起，盖革计数器显示反应堆中的中子数直线上升，很快就达到了预定值。费米立即命令将镉棒插回反应堆，中子数在某一个数值上稳定下来，说明堆内已经正常地进行着链式反应。反应过程持续了28分钟。
　　这标志着，人类终于成功点燃了原子之＂火＂！
　　澳洲物理学家马克·奥利芬特
　　至于核聚变，其实早在1934年的一次著名的试验中，澳洲物理学家马克·奥利芬特就实现了氘（氢的同位素，重氢）聚变为氦的反应，并预见到这次试验将会对未来聚变研究产生巨大的影响。
　　事实也是如此，核能已是全世界能源发展的重中之重。随着科技的不断进步，核能在未来必将成为陪伴人类最长久的一种清洁能源。
　　#知识迎虎年，开挂一整年#