“核能”等１４則

科學的研究遙無止境，科學家對物質的基本組成著了迷。原子、離子、電子、中子……人們對物質的理解也越發深刻。然而，科學也許的確存在著兩面性，當人們在為了解世界而興奮不已時，原子彈的爆炸卻在極短的時間內奪去幾十萬人的生命。

量子論

普朗克(1858～1947年)，愛因斯坦(1879～1955年)

普朗克是一位優秀的音樂家，愛因斯坦經常為他進行小提琴伴奏。也正是他們，提出了量子理論。

量子理論誕生于熱箱。1900年，普朗克試圖解開火鉗之類的熱物體為何呈現紅或白等不同的顏色，以及具體的顏色和不同波長的光之間的聯系等一系列疑團。憑借普通經典物理學知識，普朗克基本可以解釋帶有小孔的黑色箱子里發出光的原因。實驗表明波長的輻射比普朗克方程預測的輻射大得多。為彌補這一不足，他做了一個特別的假設：能量不是連續地離開箱子，而是以一份一份的或“量子”的形式離開的。

1900年12月14日，當他正式發表這一觀點時，普朗克還拿不準發現這些能量量子的意義。1905年，愛因斯坦證實光確實以一份份的形式傳播，即今天的光子。

愛因斯坦用這一理論解釋電子被光線從金屬表面擊落出原因。1902年，菲利浦·勒納發現電子的能量不取決于光線的強度，如果光線柔和發出普通波長，那么亮光表示存在更多有活力的電子。但是愛因斯坦認為假如一個電子被一個光子從金屬表面擊中的話，它很可能被附近所有的光子擊中。

雖然光量子多年以后才被接受，但最終量子理論統治了世界。物理學家們堅信任何物質都來自不能縮小的量子——不僅是能量，而且還包括電荷、動量、自旋甚至是空間和時間。

原子模型

盧瑟福(1871～1937年)，玻爾(1885～1962年)

“就像你對著薄紙射出一發15英寸的子彈，結果子彈反射回來，自己反被它擊中。”歐內斯特·盧瑟福這樣描述他發現原子核模型的過程。

1907年，盧瑟福的一位學生對著金箔紙發出一束α粒子。結果發現，大部分α粒子都穿過了柔軟的箔紙，但是有一些卻反彈回來。按照以前的解釋，這不過是由于箔紙上帶正電荷的輕電子擴散引起的。盧瑟福卻認為每個原子中心的原子核都帶有正電荷。大多數α粒子會穿過這些原子核，只有極少數會碰到原子核并反彈回來。盧瑟福根據這個發現建立了原子模型，模型中心是微小密集的原子核，周圍是眾多沿著軌道運行的更小的電子。

這不是簡單的重新繪制原子圖。1913年，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾，將盧瑟福的觀點與新量子理論綜合在一起，提出新的量子理論。在玻爾的模型中，電子圍繞具有固定能量的原子核運行，由于一部分電子不會失去所有的能量，因此原子是固定不變的，它們只能進入所謂的基態。

這些固定電子軌道還可以解釋原子為什么發出單色、刺目的光譜線：當電子從能量高的軌道移到能量低的軌道時，多余的能量會變成光子釋放出來，從而生成一種顏色。

中子

詹姆士·查德威克(1891～1974年)

20世紀20年代，物理學家們認為任何物體都由兩部分構成：電子和質子。當時比較流行的看法是，在原子中，較輕的帶負電的電子圍繞密度較大而體積很小的原子核高速運動，而原子核是由較重的帶正電的質子和數量更多的電子構成。

20世紀30年代，人們有了意想不到的發現。物理學家們發現α粒子輻射可以激發鈹元素樣本釋放出另一種輻射——這種輻射擅長將質子從其他元素中撞擊出去。1932年，劍橋大學的英國物理學家詹姆士·查德威克進行了同樣的實驗，結果發現如果α粒子將其他粒子（這些粒子質量接近質子，但不帶電）撞擊出鈹原子核。

查德威克一度認為這種“中子”并非基本粒子，而是一種受到緊緊束縛的電子或質子，然而到了1934年，測算證明“中子”比電子或質子的質量略大。物理學家們不得不接受這種新的基本粒子。原子核實際上是由質子和中子構成的，而非以前所認為的由質子和電子所構成。具有同樣的化學結構，但質量不同的一種元素的各種同位素（或不同的形式）都包含著數目相同的質子，但中子的數目則不同。

這種發現促進了核物理學在20世紀30年代的飛速發展。在核連鎖反應中，中子起到至關重要的作用，而正是這些核反應使得核電站運行，原子彈爆炸：原子核分裂時，中子就像榴霰彈一樣飛射而出，撞擊其他原子核，使其分裂。

核能

奧托·哈恩(1879～1968年)，弗里茲·斯特拉斯曼(1902～1980年)，里斯·邁特納(1878～1968年)，奧托·羅伯特·弗里希(1904～1979年)，恩瑞克·費米(1901～1954年)

二戰爆發前幾個月，物理學家們找到了一種將原子核的能量釋放出來的方法。德國科學家奧托·哈恩和弗里茲·斯特拉斯曼用中子轟擊鈾，結果獲得了一些新的原子，看起來是鋇（一種比鈾輕得多的元素）。1939年初，里斯·邁特納和奧托·弗里希意識到原子核分裂成了兩部分。根據他們的測算，這種核裂變釋出的能量是巨大的。

然而裂變過程中某種物質逃逸了。物理學家們發現裂變的鈾原子核將兩三個中子排斥出去，而中子的逃逸又引起其他鈾原子的核裂變，導致更多中子的逃逸。在這種連鎖反應中，整塊整塊的鈾將內部的能量釋放出來。

二戰期間，同盟國方面擔心希特勒統治下的德國可能會利用核裂變制造出毀滅性武器，因而投入巨大的人力物力，以便搶在德國之前研制成功。1942年12月2日，芝加哥大學的恩瑞克·費米和他的研究小組率先成功地進行了獨立的核反應實驗。費米設計核反應堆的目的在于獲得钚（一種裂變的人造元素）。

第一顆原子彈所用的主要原料就是钚，1945年7月16日在新墨西哥的特里尼蒂試爆成功，爆炸當量為18 000噸TNT。而后來的兩顆，即“小男孩”和“大胖子”，在同年8月份被分別投在了廣島和長崎，奪去了幾十萬人的生命。

如今全球電力供應大約有1/5來自核裂變反應堆。但出于對其安全性的顧慮，1986年的切爾諾貝利核電站事故依然讓人們心有余悸，加上核廢料處置費用較高，絕大多數國家在電力供應方面對核反應堆都不敢過分依賴。