2. 原子核的裂變
小居裏夫婦關於人工放射性元素的發現， 為研究原子核 的物理學家打開了新路， 大家都在研究用人工方法製造新的 放射性元素。當這個消息傳到意大利羅馬時， 物理學家費米 想到用α粒子去轟擊原子核並不是最好的辦法。因為α粒子 帶兩個正電荷， 在它 接近原 子核 時， 由 於同 性 電荷 相斥， α 粒子難以射中原子核。他想到中子作為入射 “炮彈” 可能要 比α粒子有效的多。這個 想法 實際 上盧 瑟福 早 在1920 年 就 提出過， 但是當時還沒有發現中子； 所以盧瑟福的想法隻是 一種願望。現在， 中子是有了， 但困難是中子不會自發地由 元素放射出來， 還要靠α粒子轟擊別的元素才能得到。費米 決心自己動手試一試， 隻有實踐才能得到第一手資料。
費米帶領助手用α粒子轟擊鈹等元素產生中子， 製成了一個不斷發射中子的中子源。然後， 他們按照元素周期表的次序， 依次用中子去轟擊各種元素。他的目的顯然是要檢測中子作為入射“炮彈”是否有效以及在中子轟擊下產生放射性元素的可能性。他們一共實驗了68 種元素， 其中有47 種產生了放射性產物。費米本來想盡快結束這類實驗， 以便仍去做他原來的理論研究。可是沒有想到， 實驗出現了新的結果。
1934 年4 月， 費米小組用中子轟擊當時所知的最重元239素鈾( 92 U)， 得到幾種半衰期不同的放射性產物。他們測出這些產物的化學性質， 發現至少有一種放射性產物不屬於從鉛到鈾之間的那些重元素。對此， 費米等人認為， 它可能是一種原子序數大於92 的元素， 即所謂超鈾元素。不過， 根據還不充分， 費米的論文也隻是談到了這種可能性。可是後來， 歐洲有好幾個研究機構， 特別是巴黎的居裏實驗室和柏林大學的化學研究所都肯定了費米的實驗， 甚至還陸續“發現”了94 、95 、96 以及97 號元素。一時超鈾元素成了重大發現， 有些教科書還把它作為“新成就”寫入。但是， 有一位德國女化學家叫諾達克， 對超鈾元素的發現表示了懷疑。她發表文章指出， 用中子轟擊重核時， 可能使這個核分裂成幾大塊， 這些裂片無疑是已知元素的同位素， 而不是這重元素相鄰的元素。可惜， 諾達克的意見沒有受到重視。但是， 少數人的意見並不一定是錯誤的。4 年以後， 證明費米實際上已經實現了重核裂， 隻是由於解釋的錯誤而沒能認識到它。
1934 年10 月， 費米小組又發現了一個新的實驗現象。
他們在實驗中， 讓中子先通過石臘或水以後， 再去轟擊原子核， 所產生的放射性要比用中子直接轟擊原子核強幾百倍。
費米對這一現象的解釋是， 由於石臘和水中含有大量的氫原子， 而氫原子核( 即質子) 的質量與中子的質量相差不多；當中子通過石臘時， 與質子發生碰撞而使它自身的運動速度大大減慢； 中子速度降低， 被原子核俘獲的機會也就增多了， 產生核反應的機會也隨之增大。這就是慢中子的發現。
後來利用其他含有大量氫原子的物質做中子減速的實驗， 證實了費米的解釋。認識到慢中子的作用具有重大的意義， 它不僅使人工放射性物質代替價格昂貴的天然放射性物質成為可能， 更重要的是它為核能的釋放與利用提供了必要的手段。
慢中子的發現算是一個插曲。當時物理學家的注意力還是集中在中子轟擊原子核的產物上。1938 年， 小居裏夫人和助手南斯拉夫物理學家沙維奇在用中子轟擊鈾時， 有了新的發現。她們在分析核反應產物時， 分離出一種半衰期為3. 5小時的放射性元素。它的化學性質與原子序數為57 的鑭相差不多。這一結果和以前的實驗結果有較大的矛盾， 以前的實驗結果都是產生原子序數較大的“超鈾元素”。對這個矛盾， 小居裏夫人也沒有辦法解釋。後來查明， 在她的實驗中， 還產生了一種放射性元素釔， 它的半衰期也是3. 5 小時， 而小居裏夫人未能將這種放射性元素分離出來， 所以無法作出準確的判斷。
小居裏夫人和沙維奇的實驗結果發表以後， 德國化學家哈恩的第一反應是她們搞錯了。於是， 哈思就和助手重複這個實驗， 得到了類似的結果， 在鈾的生成物中找到一種放射性物質， 它放射性的半衰期為4 小時， 與3. 5 小時接近。可是， 它的化學性質卻與鑭不同， 而與鋇類似。鋇的原子序數是56 ， 與鎦為一簇。所以， 哈恩想這也許是鐳的一種尚未發現的同位素。可是費盡九牛二虎之力， 也無證實。這種結果對哈恩來說是難以理解的， 他隻能如實地報告實驗結果。在寄出論文的同時， 哈恩把實驗結果寫信告訴了老同事邁特納。邁特納是一位奧地利物理學家， 她曾與哈恩在柏林大學化學研究所長期合作過， 隻是由於她的猶太血統， 受種族迫害而被迫離開德國， 逃亡到瑞典。邁特納接到哈恩的信時， 正巧趕上她的侄子弗裏施從丹麥玻爾研究所來看她， 邁特納就和弗裏施一起討論了哈恩的實驗結果。經過幾天激烈的討論之後， 她們做出了一個重要的解釋。她們認為， 由於核力的作用範圍很小， 在重元素的原子核裏， 有些質子之間的靜電斥力有時會超過核力， 盡管這種機會不多。當一個外來的中子闖進這個重核時， 這種擾動的結果會使原子核劇烈振蕩， 從而造成核的變形， 由圓形變成橢圓形。一旦在橢圓形的兩端形成正電荷中心， 靜電斥力就更加把核向兩個相反的方向排斥。其結果是核變長， 中間變窄， 最後裂開， 分裂成兩塊質量大致相同的碎塊。這種情況與生物細胞的分裂繁殖過程有些類似， 因此他們把這個現象稱之為原子核的裂變。
邁特納和弗裏施還指出一個鈾原子核裂變時將釋放出來巨大的能量， 並估算出這個能量要比煤燃燒時一個碳原子氧化成一個二氧化碳分子所產生的能量大幾千萬倍。
弗裏施回到丹麥哥本哈根， 把這一切都告訴了玻爾。玻爾聽了以後十分高興， 並把這一進展向在美國華盛頓召開的第五次理論物理會議作了報告。正好， 費米也參加了這個會議； 他建議用物理實驗加以驗證。一些物理學家急忙通知自己的實驗室， 以最快的速度進行實驗。在會議結束之前， 就從美國4 所大學的物理實驗室傳來證實的消息。3 個月內， 美國、英國、丹麥、法國和德的一些也都對鈾核裂變現象得出一致的結論： 鈾核分裂成了質量大致相等的兩個碎片。從而證實了邁特納和弗裏施的解釋。
原子核裂變現象的發現， 使人類找到了一把打開核能寶庫的金鑰匙。人們平常說的原子能就是核能， 而原子能這個名稱並不十分確切。那是因為起這個名字的時候， 對於這種新能源究竟在原子裏的什麽地方還不清楚， 隻能說是存在於“原子內部”。我們日常接觸到的像石油、煤炭、木材等燃燒的化學過程， 是涉及原子的作用。這個過程釋放的是“原子能”。而通常的原子能顯然不是指的這種化學過程放出的能量， 實際上指的是由於原子核的變化放出的能量。那麽， 確切的名稱應是原子核能， 簡稱核能。
1905 年， 愛因斯坦建立了舉世聞名的相對論。在相對論理論中， 有一個重要的質能關係式： E = mC2 E 表示能量m 表示質量C 表示光速它揭示了物質的質量和能量的關係。根據這個公式來計算，1 克23592U分裂成差不多相等的兩塊時， 放出的能量如果的儲量是相當有限的。因此， 開發和利用核能將是人類解決能源危機的主要途徑。
都轉化成電能， 相當於23000 度電。隨著生產的發展和生活水平的提高， 人類對能量的需求不斷增長， 而地球上的常規能源， 比如， 石油、煤炭等。
費米帶領助手用α粒子轟擊鈹等元素產生中子， 製成了一個不斷發射中子的中子源。然後， 他們按照元素周期表的次序， 依次用中子去轟擊各種元素。他的目的顯然是要檢測中子作為入射“炮彈”是否有效以及在中子轟擊下產生放射性元素的可能性。他們一共實驗了68 種元素， 其中有47 種產生了放射性產物。費米本來想盡快結束這類實驗， 以便仍去做他原來的理論研究。可是沒有想到， 實驗出現了新的結果。
1934 年4 月， 費米小組用中子轟擊當時所知的最重元239素鈾( 92 U)， 得到幾種半衰期不同的放射性產物。他們測出這些產物的化學性質， 發現至少有一種放射性產物不屬於從鉛到鈾之間的那些重元素。對此， 費米等人認為， 它可能是一種原子序數大於92 的元素， 即所謂超鈾元素。不過， 根據還不充分， 費米的論文也隻是談到了這種可能性。可是後來， 歐洲有好幾個研究機構， 特別是巴黎的居裏實驗室和柏林大學的化學研究所都肯定了費米的實驗， 甚至還陸續“發現”了94 、95 、96 以及97 號元素。一時超鈾元素成了重大發現， 有些教科書還把它作為“新成就”寫入。但是， 有一位德國女化學家叫諾達克， 對超鈾元素的發現表示了懷疑。她發表文章指出， 用中子轟擊重核時， 可能使這個核分裂成幾大塊， 這些裂片無疑是已知元素的同位素， 而不是這重元素相鄰的元素。可惜， 諾達克的意見沒有受到重視。但是， 少數人的意見並不一定是錯誤的。4 年以後， 證明費米實際上已經實現了重核裂， 隻是由於解釋的錯誤而沒能認識到它。
1934 年10 月， 費米小組又發現了一個新的實驗現象。
他們在實驗中， 讓中子先通過石臘或水以後， 再去轟擊原子核， 所產生的放射性要比用中子直接轟擊原子核強幾百倍。
費米對這一現象的解釋是， 由於石臘和水中含有大量的氫原子， 而氫原子核( 即質子) 的質量與中子的質量相差不多；當中子通過石臘時， 與質子發生碰撞而使它自身的運動速度大大減慢； 中子速度降低， 被原子核俘獲的機會也就增多了， 產生核反應的機會也隨之增大。這就是慢中子的發現。
後來利用其他含有大量氫原子的物質做中子減速的實驗， 證實了費米的解釋。認識到慢中子的作用具有重大的意義， 它不僅使人工放射性物質代替價格昂貴的天然放射性物質成為可能， 更重要的是它為核能的釋放與利用提供了必要的手段。
慢中子的發現算是一個插曲。當時物理學家的注意力還是集中在中子轟擊原子核的產物上。1938 年， 小居裏夫人和助手南斯拉夫物理學家沙維奇在用中子轟擊鈾時， 有了新的發現。她們在分析核反應產物時， 分離出一種半衰期為3. 5小時的放射性元素。它的化學性質與原子序數為57 的鑭相差不多。這一結果和以前的實驗結果有較大的矛盾， 以前的實驗結果都是產生原子序數較大的“超鈾元素”。對這個矛盾， 小居裏夫人也沒有辦法解釋。後來查明， 在她的實驗中， 還產生了一種放射性元素釔， 它的半衰期也是3. 5 小時， 而小居裏夫人未能將這種放射性元素分離出來， 所以無法作出準確的判斷。
小居裏夫人和沙維奇的實驗結果發表以後， 德國化學家哈恩的第一反應是她們搞錯了。於是， 哈思就和助手重複這個實驗， 得到了類似的結果， 在鈾的生成物中找到一種放射性物質， 它放射性的半衰期為4 小時， 與3. 5 小時接近。可是， 它的化學性質卻與鑭不同， 而與鋇類似。鋇的原子序數是56 ， 與鎦為一簇。所以， 哈恩想這也許是鐳的一種尚未發現的同位素。可是費盡九牛二虎之力， 也無證實。這種結果對哈恩來說是難以理解的， 他隻能如實地報告實驗結果。在寄出論文的同時， 哈恩把實驗結果寫信告訴了老同事邁特納。邁特納是一位奧地利物理學家， 她曾與哈恩在柏林大學化學研究所長期合作過， 隻是由於她的猶太血統， 受種族迫害而被迫離開德國， 逃亡到瑞典。邁特納接到哈恩的信時， 正巧趕上她的侄子弗裏施從丹麥玻爾研究所來看她， 邁特納就和弗裏施一起討論了哈恩的實驗結果。經過幾天激烈的討論之後， 她們做出了一個重要的解釋。她們認為， 由於核力的作用範圍很小， 在重元素的原子核裏， 有些質子之間的靜電斥力有時會超過核力， 盡管這種機會不多。當一個外來的中子闖進這個重核時， 這種擾動的結果會使原子核劇烈振蕩， 從而造成核的變形， 由圓形變成橢圓形。一旦在橢圓形的兩端形成正電荷中心， 靜電斥力就更加把核向兩個相反的方向排斥。其結果是核變長， 中間變窄， 最後裂開， 分裂成兩塊質量大致相同的碎塊。這種情況與生物細胞的分裂繁殖過程有些類似， 因此他們把這個現象稱之為原子核的裂變。
邁特納和弗裏施還指出一個鈾原子核裂變時將釋放出來巨大的能量， 並估算出這個能量要比煤燃燒時一個碳原子氧化成一個二氧化碳分子所產生的能量大幾千萬倍。
弗裏施回到丹麥哥本哈根， 把這一切都告訴了玻爾。玻爾聽了以後十分高興， 並把這一進展向在美國華盛頓召開的第五次理論物理會議作了報告。正好， 費米也參加了這個會議； 他建議用物理實驗加以驗證。一些物理學家急忙通知自己的實驗室， 以最快的速度進行實驗。在會議結束之前， 就從美國4 所大學的物理實驗室傳來證實的消息。3 個月內， 美國、英國、丹麥、法國和德的一些也都對鈾核裂變現象得出一致的結論： 鈾核分裂成了質量大致相等的兩個碎片。從而證實了邁特納和弗裏施的解釋。
原子核裂變現象的發現， 使人類找到了一把打開核能寶庫的金鑰匙。人們平常說的原子能就是核能， 而原子能這個名稱並不十分確切。那是因為起這個名字的時候， 對於這種新能源究竟在原子裏的什麽地方還不清楚， 隻能說是存在於“原子內部”。我們日常接觸到的像石油、煤炭、木材等燃燒的化學過程， 是涉及原子的作用。這個過程釋放的是“原子能”。而通常的原子能顯然不是指的這種化學過程放出的能量， 實際上指的是由於原子核的變化放出的能量。那麽， 確切的名稱應是原子核能， 簡稱核能。
1905 年， 愛因斯坦建立了舉世聞名的相對論。在相對論理論中， 有一個重要的質能關係式： E = mC2 E 表示能量m 表示質量C 表示光速它揭示了物質的質量和能量的關係。根據這個公式來計算，1 克23592U分裂成差不多相等的兩塊時， 放出的能量如果的儲量是相當有限的。因此， 開發和利用核能將是人類解決能源危機的主要途徑。
都轉化成電能， 相當於23000 度電。隨著生產的發展和生活水平的提高， 人類對能量的需求不斷增長， 而地球上的常規能源， 比如， 石油、煤炭等。
