令人生畏的核裂变：从恐怖武器到可利用的能源

放射性原子核在发生衰变的时候，原子核就发生了分裂，一般是一分为二，偶尔也有一分为三或者一分为四的情况，在这种分裂变化的过程中就会伴随着放出能量。这种由于原子核变化而释放出来的能量，最早被通俗地称为原子能。因为所谓的原子能是由于原子核发生变化而产生的，因此确切地应该把这种能称为原子核能。经过科学家多年的宣传，现在广大公众已了解原子能实际上是“核”的功劳，于是现在简捷地用“核能”取代了“原子能”；用“核弹”和“核武器”的名称取代了“原子弹”和“原子武器”等。

要真正理解核能的来源，就不得不提及爱因斯坦。他是一个伟大的物理学家，他的出现使得物理学的发展达到了一个新的高度，也正是他的研究，才使得人们真正地有可能走上发现核能的道路。1905年，爱因斯坦提出了一个令人难以置信的理论：物质的质量和能量可以互相转化，即质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量。也就是说，任何具有质量的物体中都是储存着十分巨大的看不见的能量的。为了说明质量和能量之间的对应关系，爱因斯坦还给出了一个著名的方程：

爱因斯坦

式中的E是物体的能量，m是物体的质量，c是光速（30万千米/秒）。

当然，物体的质量和能量之间虽然存在着这样的关系，但是物体的质量并不能轻易地就转化成了能量。在科学家看来，质量是一个“富有而吝啬的守财奴”，它不会轻易地牺牲自己的“体重”而释放能量的。为什么说它“吝啬”呢？我们看看，常规状态下燃烧1吨煤所释放的全部能量，只相当于0.028毫克煤的质量转化而来的能量。0.028毫克仅仅是1吨的2.8/100 000 000 000，就像一个千亿富翁只愿意拿出两块八毛钱来捐款一样，够“吝啬”吧！

也正是质量转化为能量十分“吝啬”，这样的转化才很难被人所觉察。爱因斯坦的质能方程（E=mc2）能把这种细微的转化呈现在我们的面前，使人们找到释放隐藏着的核能的钥匙。

我们知道，原子核是由质子和中子构成的，在对原子核的质量进行测定时，一定会发现：它的质量总是比组成它的质子和中子的质量之和要略小一些。这就是说，几个核子（即中子和质子，被统称为“核子”）结合成原子核后，它们的质量都会产生一个很小的变化，即变轻了。所谓“变轻”，就是它们的质量减小了。按照质能方程，减小的质量转化为能量释放出来，这就是所谓的“核能”。科学家把核子结合前后的质量减少数称为“质量亏损”，而把对应释放的能量称为“结合能”。在结合成一个完整的原子核时，所放出的能量就称为“总结合能”。

当构成一个原子核的核子数越多，这个原子核也就越大，它的总结合能也就越大。但我们常常要知道的并不是这个总的结合能，而是要知道各种不同原子核的坚固程度，那么，总结合能的值就不起多大作用了。为了便于比较各种原子核结合的紧密程度，科学家就引入一个“平均结合能”的概念，以说明总结合能除以原子核中核子的总个数而得到的数值，它也被称为“比结合能”。

“比结合能”的大小可以反映出各种原子核的结合紧密程度。比结合能小的原子核，其结合就松散；比结合能大的原子核，结合就紧密。在所有的原子核中，中等大小的原子核的比结合能都比较大，原子核结合比较紧密；而轻核和重核的比结合能都相对较小，这些原子核结合得比较松散。由此可知，要想改变原子核的结构，使它们重新结合并放出能量，最好从轻核和重核入手。重核的核子内部不太“团结”，核内的质子和中子彼此碰撞，很容易在外来打击下“分崩离析”，发生分裂的同时放出能量。相反，轻核“团结紧密”、有抱成一团的“愿望”，在结合的过程中也会释放出能量。

各种原子核的坚固程度是不一样的，一般来说，中等大小的原子核比较坚固，而比较轻的原子核和比较重的原子核相对来讲就显得比较松散了。具体地说，比较轻的原子核非常容易“合二为一”，比较重的原子核则非常容易“一分为二”，无论是哪一种变化都会伴随着能量的变化，这就产生了两种利用核能的不同途径：核裂变和核聚变。(www.xing528.com)

核裂变又称为核分裂，它是将平均结合能比较小的重核设法分裂成两个或多个平均结合能大的中等质量的原子核，同时释放出核能。从产生裂变的原因来看，重核裂变一般有自发裂变和感生裂变两种形式。自发裂变是由于重核自身的不稳定造成的，因此其半衰期都是很长的。例如，纯铀的自发裂变的半衰期居然是大约45亿年，如果要利用这种极其缓慢的自发裂变所释放出的能量，显然是不现实的。100万千克的铀由于自发裂变放出的能量一天还不到1度电的电能。感生裂变则是重核在其他粒子（主要是中子）的轰击下裂变成两块质量略有不同的较轻的核，同时释放出能量和中子。由于这种裂变是人为的，具体的量就可以进行控制，所以核感生裂变释放出的能量才是人们真正可以利用的核能。

核裂变

人类很多先进的技术最早的应用领域往往是在战场上，对于裂变产生的核能的利用同样如此，裂变核能的最早利用就是在原子弹的开发上。也正是原子弹的出现，才使人们真正地见识到核能的可怕。原子弹是人类所生产的最特殊的一件产品，它并非要为人类服务，而是要服从政治上的需要，还有可能摧毁人类的文明。正因为它的威力，有些原子弹生产出来的目的不是使用，而仅仅是作为一件令人望而生畏的陈列品，起着威慑作用。

玻尔

从人类的科学发展来看，人们总是愿意给一些重要的事物找一个第一人，并命名为“某某之父”、“某某之祖”。如果一定要找一个原子弹之父的话，丹麦著名的物理学家尼耳斯·玻尔（1885～1962）毫无疑问是最合适的人选。1913年，玻尔提出了经他修正的原子的核式模型，这还使他获得了1922年的诺贝尔物理学奖。玻尔不仅从科学的角度为原子弹的诞生提供了最基础的理论，也从精神上“关照”这个核物理的“婴儿”，一直关注着原子核理论的成长和发展。在原子弹还没有被研制出之前，玻尔就很认真地指出，如果原子能掌握在世界上爱好和平的人们手中，这种能量就会保障世界的持久和平；如果它被滥用，就会导致文明的毁灭。正是因为他的这种认识和后来在和平利用原子能方面所进行的种种努力，第二次世界大战之后他获得了美国首届和平利用原子能奖。

1939年，玻尔访问美国时，他公开了核裂变的发现。他不仅向美国的物理学家介绍了德国化学家哈恩（1879～1968）和施特拉斯曼的发现，还阐述了奥地利物理学家迈特纳（1878～1938）和弗里施（1904～1979）的解释。哈恩的工作是什么呢？原来就在这个时候，德国和法国的科学家正在进行着用中子轰击铀原子核看会不会产生“超铀元素”。

1938年，伊伦·约里奥—居里（1897～1956，居里夫人的女儿）和南斯拉夫的沙维奇用中子轰击铀，产生了一种半衰期是3.5小时的放射性元素，但是他们没有进行更深入的研究，所以错过了核裂变发现的机会。与此同时，哈恩和迈特纳也正在进行着类似的研究，但是由于条件的限制，他们并没有能够得到理想的结果。正在此时，希特勒吞并了奥地利，作为犹太人的迈特纳，由于奥地利的护照失效了，她害怕受到迫害，就离开了柏林，来到了瑞典。恰恰在这个时候，伊伦·约里奥—居里的文章发表了。这篇文章被哈恩的助手施特拉斯曼看到了，他深受启发，灵感一下子就涌现出来了。他马上开始动手进行实验，在重复几次之后，他们非常精确地分析出，铀被中子轰击后所得到的产物中有钡。哈恩在得到结果之后，就写信告诉了迈特纳，把自己的研究发现告诉了她。迈特纳和她的外甥弗里施认真讨论了哈恩的实验，最终提出一种解释，就是铀在受到轰击之后被一分为二，而钡则是其中的产物之一。其实，这就是所谓的核裂变，也就是说，直到这个时候，核裂变才算是被真正的发现了。

玻尔在美国作报告时，有一位听众印象颇深，这就是后来被称为“美国原子弹之父”的奥本海默（1904～1967），他后来回忆时说：“我当时头脑里就有了关于原子弹的概念。”回到家后，奥本海默又进行了关于爆炸的一些计算。

奥本海默