2. 原子核的裂变
小居里夫妇关于人工放射性元素的发现， 为研究原子核 的物理学家打开了新路， 大家都在研究用人工方法制造新的 放射性元素。当这个消息传到意大利罗马时， 物理学家费米 想到用α粒子去轰击原子核并不是最好的办法。因为α粒子 带两个正电荷， 在它 接近原 子核 时， 由 于同 性 电荷 相斥， α 粒子难以射中原子核。他想到中子作为入射 “炮弹” 可能要 比α粒子有效的多。这个 想法 实际 上卢 瑟福 早 在1920 年 就 提出过， 但是当时还没有发现中子； 所以卢瑟福的想法只是 一种愿望。现在， 中子是有了， 但困难是中子不会自发地由 元素放射出来， 还要靠α粒子轰击别的元素才能得到。费米 决心自己动手试一试， 只有实践才能得到第一手资料。
费米带领助手用α粒子轰击铍等元素产生中子， 制成了一个不断发射中子的中子源。然后， 他们按照元素周期表的次序， 依次用中子去轰击各种元素。他的目的显然是要检测中子作为入射“炮弹”是否有效以及在中子轰击下产生放射性元素的可能性。他们一共实验了68 种元素， 其中有47 种产生了放射性产物。费米本来想尽快结束这类实验， 以便仍去做他原来的理论研究。可是没有想到， 实验出现了新的结果。
1934 年4 月， 费米小组用中子轰击当时所知的最重元239素铀( 92 U)， 得到几种半衰期不同的放射性产物。他们测出这些产物的化学性质， 发现至少有一种放射性产物不属于从铅到铀之间的那些重元素。对此， 费米等人认为， 它可能是一种原子序数大于92 的元素， 即所谓超铀元素。不过， 根据还不充分， 费米的论文也只是谈到了这种可能性。可是后来， 欧洲有好几个研究机构， 特别是巴黎的居里实验室和柏林大学的化学研究所都肯定了费米的实验， 甚至还陆续“发现”了94 、95 、96 以及97 号元素。一时超铀元素成了重大发现， 有些教科书还把它作为“新成就”写入。但是， 有一位德国女化学家叫诺达克， 对超铀元素的发现表示了怀疑。她发表文章指出， 用中子轰击重核时， 可能使这个核分裂成几大块， 这些裂片无疑是已知元素的同位素， 而不是这重元素相邻的元素。可惜， 诺达克的意见没有受到重视。但是， 少数人的意见并不一定是错误的。4 年以后， 证明费米实际上已经实现了重核裂， 只是由于解释的错误而没能认识到它。
1934 年10 月， 费米小组又发现了一个新的实验现象。
他们在实验中， 让中子先通过石腊或水以后， 再去轰击原子核， 所产生的放射性要比用中子直接轰击原子核强几百倍。
费米对这一现象的解释是， 由于石腊和水中含有大量的氢原子， 而氢原子核( 即质子) 的质量与中子的质量相差不多；当中子通过石腊时， 与质子发生碰撞而使它自身的运动速度大大减慢； 中子速度降低， 被原子核俘获的机会也就增多了， 产生核反应的机会也随之增大。这就是慢中子的发现。
后来利用其他含有大量氢原子的物质做中子减速的实验， 证实了费米的解释。认识到慢中子的作用具有重大的意义， 它不仅使人工放射性物质代替价格昂贵的天然放射性物质成为可能， 更重要的是它为核能的释放与利用提供了必要的手段。
慢中子的发现算是一个插曲。当时物理学家的注意力还是集中在中子轰击原子核的产物上。1938 年， 小居里夫人和助手南斯拉夫物理学家沙维奇在用中子轰击铀时， 有了新的发现。她们在分析核反应产物时， 分离出一种半衰期为3. 5小时的放射性元素。它的化学性质与原子序数为57 的镧相差不多。这一结果和以前的实验结果有较大的矛盾， 以前的实验结果都是产生原子序数较大的“超铀元素”。对这个矛盾， 小居里夫人也没有办法解释。后来查明， 在她的实验中， 还产生了一种放射性元素钇， 它的半衰期也是3. 5 小时， 而小居里夫人未能将这种放射性元素分离出来， 所以无法作出准确的判断。
小居里夫人和沙维奇的实验结果发表以后， 德国化学家哈恩的第一反应是她们搞错了。于是， 哈思就和助手重复这个实验， 得到了类似的结果， 在铀的生成物中找到一种放射性物质， 它放射性的半衰期为4 小时， 与3. 5 小时接近。可是， 它的化学性质却与镧不同， 而与钡类似。钡的原子序数是56 ， 与镏为一簇。所以， 哈恩想这也许是镭的一种尚未发现的同位素。可是费尽九牛二虎之力， 也无证实。这种结果对哈恩来说是难以理解的， 他只能如实地报告实验结果。在寄出论文的同时， 哈恩把实验结果写信告诉了老同事迈特纳。迈特纳是一位奥地利物理学家， 她曾与哈恩在柏林大学化学研究所长期合作过， 只是由于她的犹太血统， 受种族迫害而被迫离开德国， 逃亡到瑞典。迈特纳接到哈恩的信时， 正巧赶上她的侄子弗里施从丹麦玻尔研究所来看她， 迈特纳就和弗里施一起讨论了哈恩的实验结果。经过几天激烈的讨论之后， 她们做出了一个重要的解释。她们认为， 由于核力的作用范围很小， 在重元素的原子核里， 有些质子之间的静电斥力有时会超过核力， 尽管这种机会不多。当一个外来的中子闯进这个重核时， 这种扰动的结果会使原子核剧烈振荡， 从而造成核的变形， 由圆形变成椭圆形。一旦在椭圆形的两端形成正电荷中心， 静电斥力就更加把核向两个相反的方向排斥。其结果是核变长， 中间变窄， 最后裂开， 分裂成两块质量大致相同的碎块。这种情况与生物细胞的分裂繁殖过程有些类似， 因此他们把这个现象称之为原子核的裂变。
迈特纳和弗里施还指出一个铀原子核裂变时将释放出来巨大的能量， 并估算出这个能量要比煤燃烧时一个碳原子氧化成一个二氧化碳分子所产生的能量大几千万倍。
弗里施回到丹麦哥本哈根， 把这一切都告诉了玻尔。玻尔听了以后十分高兴， 并把这一进展向在美国华盛顿召开的第五次理论物理会议作了报告。正好， 费米也参加了这个会议； 他建议用物理实验加以验证。一些物理学家急忙通知自己的实验室， 以最快的速度进行实验。在会议结束之前， 就从美国4 所大学的物理实验室传来证实的消息。3 个月内， 美国、英国、丹麦、法国和德的一些也都对铀核裂变现象得出一致的结论： 铀核分裂成了质量大致相等的两个碎片。从而证实了迈特纳和弗里施的解释。
原子核裂变现象的发现， 使人类找到了一把打开核能宝库的金钥匙。人们平常说的原子能就是核能， 而原子能这个名称并不十分确切。那是因为起这个名字的时候， 对于这种新能源究竟在原子里的什么地方还不清楚， 只能说是存在于“原子内部”。我们日常接触到的像石油、煤炭、木材等燃烧的化学过程， 是涉及原子的作用。这个过程释放的是“原子能”。而通常的原子能显然不是指的这种化学过程放出的能量， 实际上指的是由于原子核的变化放出的能量。那么， 确切的名称应是原子核能， 简称核能。
1905 年， 爱因斯坦建立了举世闻名的相对论。在相对论理论中， 有一个重要的质能关系式： E = mC2 E 表示能量m 表示质量C 表示光速它揭示了物质的质量和能量的关系。根据这个公式来计算，1 克23592U分裂成差不多相等的两块时， 放出的能量如果的储量是相当有限的。因此， 开发和利用核能将是人类解决能源危机的主要途径。
都转化成电能， 相当于23000 度电。随着生产的发展和生活水平的提高， 人类对能量的需求不断增长， 而地球上的常规能源， 比如， 石油、煤炭等。
费米带领助手用α粒子轰击铍等元素产生中子， 制成了一个不断发射中子的中子源。然后， 他们按照元素周期表的次序， 依次用中子去轰击各种元素。他的目的显然是要检测中子作为入射“炮弹”是否有效以及在中子轰击下产生放射性元素的可能性。他们一共实验了68 种元素， 其中有47 种产生了放射性产物。费米本来想尽快结束这类实验， 以便仍去做他原来的理论研究。可是没有想到， 实验出现了新的结果。
1934 年4 月， 费米小组用中子轰击当时所知的最重元239素铀( 92 U)， 得到几种半衰期不同的放射性产物。他们测出这些产物的化学性质， 发现至少有一种放射性产物不属于从铅到铀之间的那些重元素。对此， 费米等人认为， 它可能是一种原子序数大于92 的元素， 即所谓超铀元素。不过， 根据还不充分， 费米的论文也只是谈到了这种可能性。可是后来， 欧洲有好几个研究机构， 特别是巴黎的居里实验室和柏林大学的化学研究所都肯定了费米的实验， 甚至还陆续“发现”了94 、95 、96 以及97 号元素。一时超铀元素成了重大发现， 有些教科书还把它作为“新成就”写入。但是， 有一位德国女化学家叫诺达克， 对超铀元素的发现表示了怀疑。她发表文章指出， 用中子轰击重核时， 可能使这个核分裂成几大块， 这些裂片无疑是已知元素的同位素， 而不是这重元素相邻的元素。可惜， 诺达克的意见没有受到重视。但是， 少数人的意见并不一定是错误的。4 年以后， 证明费米实际上已经实现了重核裂， 只是由于解释的错误而没能认识到它。
1934 年10 月， 费米小组又发现了一个新的实验现象。
他们在实验中， 让中子先通过石腊或水以后， 再去轰击原子核， 所产生的放射性要比用中子直接轰击原子核强几百倍。
费米对这一现象的解释是， 由于石腊和水中含有大量的氢原子， 而氢原子核( 即质子) 的质量与中子的质量相差不多；当中子通过石腊时， 与质子发生碰撞而使它自身的运动速度大大减慢； 中子速度降低， 被原子核俘获的机会也就增多了， 产生核反应的机会也随之增大。这就是慢中子的发现。
后来利用其他含有大量氢原子的物质做中子减速的实验， 证实了费米的解释。认识到慢中子的作用具有重大的意义， 它不仅使人工放射性物质代替价格昂贵的天然放射性物质成为可能， 更重要的是它为核能的释放与利用提供了必要的手段。
慢中子的发现算是一个插曲。当时物理学家的注意力还是集中在中子轰击原子核的产物上。1938 年， 小居里夫人和助手南斯拉夫物理学家沙维奇在用中子轰击铀时， 有了新的发现。她们在分析核反应产物时， 分离出一种半衰期为3. 5小时的放射性元素。它的化学性质与原子序数为57 的镧相差不多。这一结果和以前的实验结果有较大的矛盾， 以前的实验结果都是产生原子序数较大的“超铀元素”。对这个矛盾， 小居里夫人也没有办法解释。后来查明， 在她的实验中， 还产生了一种放射性元素钇， 它的半衰期也是3. 5 小时， 而小居里夫人未能将这种放射性元素分离出来， 所以无法作出准确的判断。
小居里夫人和沙维奇的实验结果发表以后， 德国化学家哈恩的第一反应是她们搞错了。于是， 哈思就和助手重复这个实验， 得到了类似的结果， 在铀的生成物中找到一种放射性物质， 它放射性的半衰期为4 小时， 与3. 5 小时接近。可是， 它的化学性质却与镧不同， 而与钡类似。钡的原子序数是56 ， 与镏为一簇。所以， 哈恩想这也许是镭的一种尚未发现的同位素。可是费尽九牛二虎之力， 也无证实。这种结果对哈恩来说是难以理解的， 他只能如实地报告实验结果。在寄出论文的同时， 哈恩把实验结果写信告诉了老同事迈特纳。迈特纳是一位奥地利物理学家， 她曾与哈恩在柏林大学化学研究所长期合作过， 只是由于她的犹太血统， 受种族迫害而被迫离开德国， 逃亡到瑞典。迈特纳接到哈恩的信时， 正巧赶上她的侄子弗里施从丹麦玻尔研究所来看她， 迈特纳就和弗里施一起讨论了哈恩的实验结果。经过几天激烈的讨论之后， 她们做出了一个重要的解释。她们认为， 由于核力的作用范围很小， 在重元素的原子核里， 有些质子之间的静电斥力有时会超过核力， 尽管这种机会不多。当一个外来的中子闯进这个重核时， 这种扰动的结果会使原子核剧烈振荡， 从而造成核的变形， 由圆形变成椭圆形。一旦在椭圆形的两端形成正电荷中心， 静电斥力就更加把核向两个相反的方向排斥。其结果是核变长， 中间变窄， 最后裂开， 分裂成两块质量大致相同的碎块。这种情况与生物细胞的分裂繁殖过程有些类似， 因此他们把这个现象称之为原子核的裂变。
迈特纳和弗里施还指出一个铀原子核裂变时将释放出来巨大的能量， 并估算出这个能量要比煤燃烧时一个碳原子氧化成一个二氧化碳分子所产生的能量大几千万倍。
弗里施回到丹麦哥本哈根， 把这一切都告诉了玻尔。玻尔听了以后十分高兴， 并把这一进展向在美国华盛顿召开的第五次理论物理会议作了报告。正好， 费米也参加了这个会议； 他建议用物理实验加以验证。一些物理学家急忙通知自己的实验室， 以最快的速度进行实验。在会议结束之前， 就从美国4 所大学的物理实验室传来证实的消息。3 个月内， 美国、英国、丹麦、法国和德的一些也都对铀核裂变现象得出一致的结论： 铀核分裂成了质量大致相等的两个碎片。从而证实了迈特纳和弗里施的解释。
原子核裂变现象的发现， 使人类找到了一把打开核能宝库的金钥匙。人们平常说的原子能就是核能， 而原子能这个名称并不十分确切。那是因为起这个名字的时候， 对于这种新能源究竟在原子里的什么地方还不清楚， 只能说是存在于“原子内部”。我们日常接触到的像石油、煤炭、木材等燃烧的化学过程， 是涉及原子的作用。这个过程释放的是“原子能”。而通常的原子能显然不是指的这种化学过程放出的能量， 实际上指的是由于原子核的变化放出的能量。那么， 确切的名称应是原子核能， 简称核能。
1905 年， 爱因斯坦建立了举世闻名的相对论。在相对论理论中， 有一个重要的质能关系式： E = mC2 E 表示能量m 表示质量C 表示光速它揭示了物质的质量和能量的关系。根据这个公式来计算，1 克23592U分裂成差不多相等的两块时， 放出的能量如果的储量是相当有限的。因此， 开发和利用核能将是人类解决能源危机的主要途径。
都转化成电能， 相当于23000 度电。随着生产的发展和生活水平的提高， 人类对能量的需求不断增长， 而地球上的常规能源， 比如， 石油、煤炭等。
