釋放核能（上）

張開遜

20世紀40年代，人們開始向原子核索取能量。這項發明有可能讓人類在未來獲得永不枯竭的能源。但與此同時，世界亦蒙上了核戰爭的陰影。

能量是物質運動變化的動力，人類生存發展的重要基礎。直到18世紀前，人類和其他生靈利用的一切能源幾乎都來自太陽，太陽的光和熱使地球充滿生機。在太陽的照耀下，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。由于太陽的熱輻射，地球上的水和大氣時刻不停地運動，造就了奔騰的江河、呼嘯的海洋，以及無處不在的風，它們成為人類最早利用的自然力。太陽還造就了深藏地下的煤和石油，17世紀以后，它們開始成為機器的能源，為產業革命提供最重要的物質保障，直到今天，它們仍然維系著人類的繁榮。

無論是植物的光合作用、人和動物的消化過程，或是木柴、煤和石油的燃燒，這些都是化學反應，相關的能量轉換都發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程。在一次偶然的事件中，科學家注意到，有些物質在沒有發生化學反應的條件下，仍不斷地向外部世界釋放能量。這一發現激發了人類探究原子內部奧秘的熱情。

1896年初，德國物理學家倫琴發現x射線的消息傳到巴黎，數學家龐伽萊（1854-1912）在1896年1月20日法國科學院舉行的例會上介紹了倫琴的發現，并展示了一張x射線的照片。他建議當時參加會議的另一位科學家貝克勒爾（1852-1908）研究x射線是從哪里發出的。

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：很多種礦物經太陽光照射后，會在一定的時間內發出一種微弱的光，就像黑暗中螢火蟲發出的光，人們稱之為熒光。因此他猜測：x射線可能是從能發熒光的物質里發出來的。為了證實這一點，他將照相底片用厚厚的黑紙包住，與一些能產生熒光的含鈾化合物一起放在太陽光下曝曬。黑紙可以完全阻擋太陽光，如果太陽光激發的熒光里有x射線，它就會透過黑紙使底片感光。為了防止含鈾化合物同底片接觸發生化學反應，同時避免樣品發熱對底片產生影響，他還在底片和含鈾化合物之間放置了一塊玻璃板。經過一段時間的太陽光照射，顯影后的底片果然出現了感光的黑斑，這似乎證實了貝克勒爾的想法。

貝克勒爾決定用新的底片繼續做試驗。然而，天公不作美，接連出現了幾個陰天，他只好把含鈾化合物連同黑紙包著的底片一起放進抽屜，打算待太陽出來后再做試驗。幾天之后，天空放晴，他準備繼續做試驗。作為一位嚴謹的科學家，他在每次試驗之前總要重新檢查底片，以確保底片在存放過程中沒有漏光。令他驚訝的是，這些被包得嚴嚴實實的底片，顯影后仍然出現了濃重的黑斑。而他知道，在與底片接近的時候，用于試驗的含鈾化合物發出的熒光早己消失（它們在太陽光照射之后發出的熒光只能維持100秒鐘左右）。因此，底片上的黑斑只能暗示，這種含鈾化合物發出了另外一種射線，它與熒光無關。經過反復試驗，貝克勒爾發現，所有含鈾的物質無論固體、液體都會發出射線，他稱之為“鈾射線”，后來人們又稱其為“貝克勒爾射線”。當年5月18日，貝克勒爾在寫給法國科學院的報告中說，這是鈾原子自身發出來的一種射線。

居里夫婦對貝克勒爾發表的論文極感興趣，來自波蘭的瑪麗亞·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象。這是一種成分極為復雜的含鈾礦物，通過化學方法可以把其中多種不同的成分分離出來。在研究瀝青鈾礦的時候，他們發現化學元素釷也能夠發出射線。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，這種元素發出的射線比相同質量的鈾強幾百倍。居里夫人建議以她的祖國波蘭命名這種元素，人們采納了她的建議，將其命名為釙（Polonium）。在拉丁語中“釙”是波蘭的諧音。6個月之后，他們又在瀝青鈾礦中發現了另一種射線強度更高的元素。經過四年奮斗，他們從8噸瀝青鈾礦中提煉出0.1克不含其他雜質的這種元素的純凈化合物，它們的射線強度比鈾高幾十萬倍。

由于發現許多種不同的元素都可發出射線，居里夫婦提出了“放射性物質”的概念，并建議把新發現的這種具有極強放射性的元素稱為“鐳”（Radium），在拉丁語中“鐳”的含義是“放射物”。1900年，他們在巴黎舉行的國際物理學會議上做了題為《新的放射性物質和它們發出的射線》的報告，敘述了測量放射性物質的方法、新的放射性元素的化學性質，以及它們發出的射線具何特點。在報告中，他們還談到尚不清楚的兩個問題：射線的能量從哪里來？射線到底是什么？

在發現釙和鐳的過程中，居里夫婦付出了生命的代價。1906年，皮埃爾·居里在去實驗室的路上不幸被馬車撞死。居里夫人堅忍執著地繼續從事放射性研究。由于當時人們不清楚放射性物質對人體的危害，居里夫人的健康被嚴重損害，她在67歲時因血癌去世。50年后，居里夫人的女婿約里奧·居里（1900-1958）曾用探測儀器檢查居里夫人當年的實驗記錄本和她在廚房使用過的菜譜，結果發現這些物件仍然帶有很強的放射性。

居里夫婦提出的問題很快有了答案，幾年之后，人們弄清了放射性現象的本質。早在貝克勒爾發現“鈾射線”的第二年，新西蘭物理學家盧瑟福（1871-1937）便開始研究這種射線和x射線的區別。他用許多層鋁箔把具有放射性的含鈾化合物包起，然后逐層拆開測量放射性強度的變化，結果發現：有兩種射線，一種穿透性弱，另一種穿透性比較強；它們都能在磁場中偏轉，一種向左轉，另一種向右轉；穿透性弱的一種帶正電，另一種帶負電，他分別稱之為α射線和β射線。1900年，法國物理學家維納爾德（1860-1934）發現了放射性物質發出的穿透力極強而不帶電的射線，盧瑟福稱之為γ射線。α、β和γ，是希臘字母表中的頭三個符號。盧瑟福認為從原子中發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射線是高速運動的電子，γ射線是比倫琴發現的x射線穿透性更強的不帶電的射線。

后來，盧瑟福發現，原子釋放的射線隨時間推移越來越弱，呈現出一種有趣的規律：每過一定的時間，強度會衰變為原來的一半。例如，經過一天其衰變為原有強度的1/2，經過兩天變為1/4，經過三天變為1/8……而且，原子在發出射線的時候，放射性物質不斷地變成另一種新的元素。

自1909年，盧瑟福開始用放射性物質發射的α射線轟擊金屬箔和鉛箔。他發現，絕大多數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。1911年，他提出一種理論對此進行解釋：“原子并非人們想象的那樣是鑲嵌電子的實心球。它有一個小小的內核，核帶正電，原子的全部質量差不多都集中在核內，電子則在外面圍繞核旋轉，就像一個縮微的太陽系，眾多行星圍繞太陽旋轉。在核與電子軌道之間空空蕩蕩，一無所有。”基于這種假設，盧瑟福從理論上計算出α粒子反彈后在不同角度上的分布，與實驗結果完全符合。從此，人們對原子的結構才有了正確的理解，產生了“原子核”的概念。測量表明，氫原子核的質量大約是電子質量的1840倍。如果把原子放大到地球那么大，原子核的大小相當于一個蘋果。

隨后，人們開始用α射線轟擊多種元素，看它們究竟能變成什么物質。1919年，盧瑟福發現，α粒子轟擊氮原子的時候，產生了氧原子，同時釋放一個氫離子。他認為氫離子是原子核中最小的帶正電的粒子，他稱其為質子，而且斷言原子核是由質子構成的。1921年，他又發現，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，德國物理學家博特（1891-1957）用α粒子轟擊鈹，產生了一種穿透性很強的射線，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·居里用實驗室里很強的釙放射源產生的α粒子轟擊鈹，產生“博特γ射線”，再用這種射線轟擊石蠟，產生了氫離子。他們感到非常奇怪，沒有質量的γ射線居然會打出比電子重1840倍的質子！在無法解釋的情況下，他們發表了自己的報告。

英國物理學家查德威克（1891-1974）重復了這項實驗，并進行了更多的研究。他發現用“博特γ射線”照射氫的時候可以打出質子，而且這種射線會反彈回來；他發現所謂“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，這種粒子的質量與質子差不多，他稱其為中子。1932年2月17日，查德威克寫信給英國《自然》雜志，發表了這一研究結果。從此，人們對原子核的了解又前進了一步，知道它是由質子和中子共同組成的。中子不帶電，不像α粒子那樣會受到原子核正電荷的排斥，自由飛行的中子很容易進入原子核內部引起核反應，從而改變原子核的結構。發現中子，使人們找到了開啟核能之門的鑰匙。

用α射線轟擊鈹，可以輕而易舉得到中子。從1934年開始，意大利物理學家費米（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，產生新的放射性物質，然而沒有得到預期的結果。1934年秋天，他在無意中發現，在中子源和被轟擊的樣品之間放上石蠟，中子經過石蠟之后，轟擊樣品發生的核反應大大增加。既長于實驗又精通理論的費米對此迅速作出解釋：石蠟減緩了中子運動的速度，慢中子更容易引起核反應。實驗證實了費米的看法，短短幾個月，費米的研究小組按照元素周期表的順序，從氫開始，依次用減速后的慢中子轟擊63種不同的元素，產生了37種新的放射性同位素。當時，費米最感興趣的是用中子轟擊鈾，鈾在元素周期表中排序為92，是自然界中排序最高的元素，他希望能產生從來沒有發現過的93號元素。

制造93號元素的努力差不多持續了四年仍無結果。1938年，參加這項工作的德國物理學家哈恩（1897-1968）和斯特拉斯曼（1902-1980）分析了中子轟擊鈾的產物，發現它不是原子序數92附近的元素，而是原子序數為56的鋇元素。哈恩把這一結果寫信告訴因躲避納粹德國迫害逃亡的奧地利女物理學家邁特納（1878-1968），她和同是物理學家的侄子弗里什（1904-1979）認真討論這封信后恍然大悟：在中子轟擊下，鈾原子核已經分裂成兩個碎片，碎片的質量大約是鈾原子核的一半。她把這種現象稱為“原子核裂變”。后來，中國物理學家錢三強（1913-1992）、何澤慧（1914-2011）夫婦，在法國居里實驗室發現了鈾235在慢中子轟擊下可以分裂成三個或四個碎片，稱為“三分裂”或“四分裂”。

發現核裂變具有重大意義。在實驗中人們注意到，鈾原子核分裂時產生的所有碎片，其質量加在一起比鈾原子核原來的質量小，有一部分質量神秘地失蹤了。1905年9月，愛因斯坦（1879-1955）在關于“相對論”的第二篇論文中，曾經提出一個重要的論斷：質量與能量可以相互轉化，消失的質量可以轉化為物體的動能或電磁波；并且推導出它們之間相互轉化的公式，能量等于消失的質量乘以光速的平方。精確測量核反應前、后質量的變化，再經過簡單的計算，人們大為驚訝地發現：一個鈾原子核裂變時釋放的能量，比一個碳原子氧化（例如煤燃燒）時產生的能量大5000萬倍！1939年1月，弗里什拆除了實驗中包裹鈾樣品的金屬箔，通過真空三極管做成的電子學裝置，觀測到鈾在核裂變時發出的強電磁波信號，結果證實鈾核裂變確實釋放能量。

幾個鈾原子核裂變釋放的能量可能沒有什么價值，然而這種反應如果能夠連續進行下去，有大量的鈾核參與反應，就有可能產生難以估計的巨大能量。科學家注意到重原子核（例如鈾）里中子數目總是比質子多，比較輕的原子核（例如鋇）里中子數和質子數大體相等。當鈾核裂變成為碎片時，必定會有多余的中子釋放出來，這些中子又可能引起下一級裂變反應。如果一個中子轟擊鈾核能夠產生兩個以上中子，裂變反應一旦發生，就會數量翻番一級一級傳遞下去，這種反應可能像雪崩一樣在極短的時間內發展成為很大的規模。約里奧·居里、費米和匈牙利物理學家西拉德（1898-1964），分別在各自的實驗室里觀察到了這種連續發生的鈾核裂變過程，每個鈾235原子核裂變時可以釋放2～3個中子，這種核反應傳遞到下一級的時間非常短，大約一億分之一秒。人們把這種連續發生的核反應稱為鏈式反應。

通過計算，科學家知道1千克鈾235發生鏈式反應釋放的能量，相當于2萬噸TNT炸藥爆炸產生的能量。如果用它做成炸彈，威力將比同等重量的普通炸藥大數千萬倍，成為前所未有的毀滅性殺傷武器。（未完待續）