張開遜

20世紀40年代，人們開始向原子核索取能量。這項發(fā)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(zhàn)爭的陰影。

能量是物質(zhì)運動變化的動力，人類生存發(fā)展的重要基礎(chǔ)。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(fēng)，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(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(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程。在一次偶然的事件中，科學(xué)家注意到，有些物質(zhì)在沒有發(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)了人類探究原子內(nèi)部奧秘的熱情。

1896年初，德國物理學(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日法國科學(xué)院舉行的例會上介紹了倫琴的發(fā)現(xiàn)，并展示了一張x射線的照片。他建議當(dāng)時參加會議的另一位科學(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)太陽光照射后，會在一定的時間內(nèi)發(fā)出一種微弱的光，就像黑暗中螢火蟲發(fā)出的光，人們稱之為熒光。因此他猜測：x射線可能是從能發(fā)熒光的物質(zhì)里發(fā)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(chǎn)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(fā)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時避免樣品發(fā)熱對底片產(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)過一段時間的太陽光照射，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。然而，天公不作美，接連出現(xiàn)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(xù)做試驗。作為一位嚴謹?shù)目茖W(xué)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(xiàn)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(fā)出的熒光早己消失（它們在太陽光照射之后發(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，它與熒光無關(guān)。經(jīng)過反復(fù)試驗，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，所有含鈾的物質(zhì)無論固體、液體都會發(fā)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(dāng)年5月18日，貝克勒爾在寫給法國科學(xué)院的報告中說，這是鈾原子自身發(fā)出來的一種射線。

居里夫婦對貝克勒爾發(fā)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(fù)雜的含鈾礦物，通過化學(xué)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(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(fā)現(xiàn)了另一種射線強度更高的元素。經(jīng)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(zhì)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(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(xué)會議上做了題為《新的放射性物質(zhì)和它們發(fā)出的射線》的報告，敘述了測量放射性物質(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。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(fā)現(xiàn)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(zhí)著地繼續(xù)從事放射性研究。由于當(dāng)時人們不清楚放射性物質(zhì)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(dāng)年的實驗記錄本和她在廚房使用過的菜譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(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，然后逐層拆開測量放射性強度的變化，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；它們都能在磁場中偏轉(zhuǎn)，一種向左轉(zhuǎn)，另一種向右轉(zhuǎn)；穿透性弱的一種帶正電，另一種帶負電，他分別稱之為α射線和β射線。1900年，法國物理學(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(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射線是高速運動的電子，γ射線是比倫琴發(fā)現(xiàn)的x射線穿透性更強的不帶電的射線。

后來，盧瑟福發(fā)現(xiàn)，原子釋放的射線隨時間推移越來越弱，呈現(xiàn)出一種有趣的規(guī)律：每過一定的時間，強度會衰變?yōu)樵瓉淼囊话搿＠?，?jīng)過一天其衰變?yōu)樵袕姸鹊?/2，經(jīng)過兩天變?yōu)?/4，經(jīng)過三天變?yōu)?/8……而且，原子在發(fā)出射線的時候，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。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(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)，就像一個縮微的太陽系，眾多行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。在核與電子軌道之間空空蕩蕩，一無所有?！被谶@種假設(shè)，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(jié)果完全符合。從此，人們對原子的結(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(zhì)。1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)，α粒子轟擊氮原子的時候，產(chǎn)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(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(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，沒有質(zhì)量的γ射線居然會打出比電子重1840倍的質(zhì)子！在無法解釋的情況下，他們發(fā)表了自己的報告。

英國物理學(xué)家查德威克（1891-1974）重復(fù)了這項實驗，并進行了更多的研究。他發(fā)現(xiàn)用“博特γ射線”照射氫的時候可以打出質(zhì)子，而且這種射線會反彈回來；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，他稱其為中子。1932年2月17日，查德威克寫信給英國《自然》雜志，發(fā)表了這一研究結(jié)果。從此，人們對原子核的了解又前進了一步，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(nèi)部引起核反應(yīng)，從而改變原子核的結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)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(xué)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(chǎn)生新的放射性物質(zhì)，然而沒有得到預(yù)期的結(jié)果。1934年秋天，他在無意中發(fā)現(xiàn)，在中子源和被轟擊的樣品之間放上石蠟，中子經(jīng)過石蠟之后，轟擊樣品發(fā)生的核反應(yīng)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(yīng)。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(chǎn)生了37種新的放射性同位素。當(dāng)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(chǎn)生從來沒有發(fā)現(xiàn)過的93號元素。

制造93號元素的努力差不多持續(xù)了四年仍無結(jié)果。1938年，參加這項工作的德國物理學(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)果寫信告訴因躲避納粹德國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)象稱為“原子核裂變”。后來，中國物理學(xué)家錢三強（1913-1992）、何澤慧（1914-2011）夫婦，在法國居里實驗室發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的所有碎片，其質(zhì)量加在一起比鈾原子核原來的質(zhì)量小，有一部分質(zhì)量神秘地失蹤了。1905年9月，愛因斯坦（1879-1955）在關(guān)于“相對論”的第二篇論文中，曾經(jīng)提出一個重要的論斷：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。精確測量核反應(yīng)前、后質(zhì)量的變化，再經(jīng)過簡單的計算，人們大為驚訝地發(fā)現(xiàn)：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(chǎn)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(xué)裝置，觀測到鈾在核裂變時發(fā)出的強電磁波信號，結(jié)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(yīng)如果能夠連續(xù)進行下去，有大量的鈾核參與反應(yīng)，就有可能產(chǎn)生難以估計的巨大能量。科學(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，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(yīng)。如果一個中子轟擊鈾核能夠產(chǎn)生兩個以上中子，裂變反應(yīng)一旦發(fā)生，就會數(shù)量翻番一級一級傳遞下去，這種反應(yīng)可能像雪崩一樣在極短的時間內(nèi)發(fā)展成為很大的規(guī)模。約里奧·居里、費米和匈牙利物理學(xué)家西拉德（1898-1964），分別在各自的實驗室里觀察到了這種連續(xù)發(fā)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(yīng)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(xù)發(fā)生的核反應(yīng)稱為鏈式反應(yīng)。

通過計算，科學(xué)家知道1千克鈾235發(fā)生鏈式反應(yīng)釋放的能量，相當(dāng)于2萬噸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)千萬倍，成為前所未有的毀滅性殺傷武器。（未完待續(xù)）