核能发展历程：实验揭示原子结构，推动科学进步

核能是人类历史上的一项伟大发明，这离不开早期西方科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。

1.1803年，英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论，提出了世界上第一个原子的理论模型。

①原子都是不能再分的粒子；②同种元素的原子的各种性质和质量都相同；③原子是微小的实心球体。

虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。

2.19世纪末，英国物理学家汤姆逊发现了电子。

德国科学家赫兹当时做了一个实验：他将一块涂有硫化锌的小玻璃片放在阴极射线所经过的路径上，结果硫化锌闪光。这充分说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。遗憾的是，赫兹只简单而错误地得出以下结论：阴极射线是不带电的。许多科学家们知道这个实验，但没有人关注。只有汤姆逊例外。汤姆逊夜以继日地开始实验。经过反复考虑，他决定还是从赫兹那个实验入手。于是，他同样将一块涂有硫化锌的小玻璃片放在阴极射线所经过的路径上，也发现硫化锌闪光。接着，通过实验，他发现在一般情况下，阴极射线是直线行进的，但在射击线管的外面加上电场后，或用蹄形磁铁跨放在射线管的外面，阴极射线将发生偏折。根据其偏折的方向，不难判断出其带电的性质。

“既然这些射线是由带负电的物质粒子构成，那这些粒子到底是什么呢？怎么才能测出它比原子小多少呢？”想到这里，他决定做更精细的实验：首先，单独的电场或磁场都能使带电体偏转，而磁场对粒子施加的力与粒子的速度相关。然后，他对粒子同时施加一个电场和磁场，并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏转互相抵消，让粒子仍做直线运动。这样，从电场和磁场的强度比值就能算出粒子运动速度；速度找到后，靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值。经过多次实验，汤姆逊终于测出粒子电荷与质量的比值，并推测出这种粒子的质量是氢原子质量的二千分之一。几年后，根据著名物理学家斯托尼的提议，科学家们将汤姆逊发现的“粒子”称为电子。

3.1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线。

1895年，在德国中部的巴伐利亚，伦琴博士正在进行有关密封玻璃管里的发光现象的实验：在装有两个电极的真空玻璃管（雷钠管）电极上进行加上高电压的实验。他关上门窗，把房间弄黑，然后给管子接通高压电源，让管子放电，以便检查黑色纸套是否漏光。正当他准备开始正式实验时，突然发现一种奇异的现象：附近的小工作台上有一块涂了氰亚铂酸钡的纸板发出一片明亮的荧光。切断电源，荧光也随之消失了。伦琴发现这一现象后，又仔细观察了产生这种现象的原因，他让一系列放电通过阴极射线管，结果纸板上出现了同样的闪光。他确信，纸板发出的荧光不可能是阴极射线形成的，因为阴极射线的能量连几厘米以上的空气都穿不透，而雷钠管离小工作台有两米多远，阴极射线是无法穿越这样长的距离的。

于是，伦琴又把纸板移开，换上照相胶版，结果胶版感光了。接着，他又在雷钠管和照相底板之间放上几种东西：钥匙、猎枪。令人惊奇的是，就连钥匙和猎枪金属部分的细小之处都清清楚楚地照出来了。

这真是一个惊人的发现。接着，伦琴又让他的夫人把手放在雷钠管和胶版中间，结果，夫人手上的每块骨头以及手上戴的戒指都照出来了。

从那天起，伦琴就住在了实验室，夜以继日地进行着研究实验，终于在1895年12月28日发表了研究报告。1896年1月5日，关于X射线的重大报道在《维也纳日报》上刊出，立即引起全世界的注意。

4.1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。

提起放射性，人们自然想到居里夫妇。其实，最早发现它的是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔是法国人，1852年出生，他的父亲和祖父都是物理学家，这使他从小就受到良好的教育，25岁就取得工程师资格。1892年，44岁的贝克勒尔对物理学已很有研究了。这一年的1月20日，法国科学院举行了一次重要学术讨论会。会上，来自全国各地的科学家聚精会神地听大名鼎鼎的数学家和物理学家、天文学家彭加勒做学术报告。彭加勒给与会者展示了伦琴刚刚寄给他的X射线照片，引起学者们的极大兴趣。这时，一位中年物理学家站起来请教主讲人X射线发射区精确地讲应该是哪一部分。彭加勒说是阴极射线照射的玻璃冻壁，贝克勒尔当即表示不同意这种看法，并当场提出阴极射线会使整个玻璃体产生荧光，在阴极射线的照射下，可能还有其他物也会发出同X射线类似的射线。为了验证自己的设想，他立即进行实验。贝克勒尔选择氧化铀作为主攻对象，他精心设计了研究方案，用一张黑纸包好一张感光底片，在底片上放置两小块铀盐和钾盐的混合物。在其中一块和底片之间放了一枚银圆，然后把这些东西放在阳光下放置几小时，让底片略微有些感光，虽不太清晰，但还可以分解银圆的影像。可是凑巧碰上连阴雨，他只好把实验的东西原封不动地锁进抽屉。5天后，天放晴，继续中断的试验。他是个细心过人的人，在实验前，他重新检查一遍实验品。使他吃惊的是，在没有阳光的情况下，底片上竟然出现明显的感光现象。这说明铀本身在发光！第二天，他在科学院的学术报告上公布这一新发现。他又用验电器对这种射线进行了定量研究，终于揭示了放射性的奥妙。

5.1902年，居里夫人经过4年的艰苦努力，又发现了放射性元素镭。

镭，是一种化学元素。它能放射出人们看不见的射线，不用借助外力，就能自然发光发热，含有很大的能量。镭的发现，引起科学和哲学的巨大变革，为人类探索原子世界的奥秘打开了大门。由于镭能用来治疗难以治愈的癌症，也给人类的健康带来了福音。所以，镭被誉为“伟大的革命者”。发现镭元素的，是一位杰出的女科学家。她原名叫玛丽·斯可罗多夫斯卡，也就是后来为世人所熟知的居里夫人。

质能公式是1905年著名科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出的一个质能转换方程，该方程主要用来解释核变反应中的质量亏损和计算高能物理中粒子的能量。

质能方程E=mc 2，E表示能量，m代表质量，而c则表示光速（常量，c=299792.458km/s）。这也导致了德布罗意波和波动力学的诞生。(www.xing528.com)

6.1905年，爱因斯坦提出质能转换公式。

7.1914年，英国物理学家卢瑟福通过实验，建立核原子模型，并发现了质子。

卢瑟福提出的原子模型像一个太阳系，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳转的行星。在这个“太阳系”，支配它们的是电磁相互作用力。他解释说，原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上，而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。

如果原子有核，那么原子核是由什么构成的呢？由于原子表现出电中性，它一定是带正电的，其带电量与核外电子所带负电量一样。1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核。（右图为发现质子的第一次实验装置图）卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射线相对的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。

8.1935年，英国物理学家查得威克发现了中子。

1932，法国物理学家约里奥·居里夫妇用钋源中的α粒子轰击铍靶，产生穿透本领强的射线，用这种射线照射石蜡，发现石蜡经撞击后发射出质子来。他们误认为这种射线是γ射线，γ射线有一种新的作用，可以把石蜡中的质子打出来。查德威克以特有的敏感性感到需要重新审查这一实验结果，他发现这种射线的速率只有光速的1/10，不可能是γ射线。

于是，他一方面用弹性碰撞的理论来分析，根据碰撞过程中的能量和动量守恒，确认这种中性射线是质量很大的中性粒子；另一方面用实验测得这种中性粒子的质量和氢核的质量几乎相等。就这样，查德威尔克终于在1932年发现了这种中性粒子，他采纳了美国化学家哈金斯的建议，把这种中性粒子叫作中子。

9.1938年，德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。

20世纪30年代，哈恩与另一位德国物理学家弗里茨·斯特拉斯曼合作，在1938年末，当他们用一种慢中子来轰击铀核时，竟出人意料地发生了一种异乎寻常的情况：反应不仅迅速强烈、释放出很高的能量，而且铀核分裂成为一些原子序数小得多的、更轻的物质成分。难道这就是核裂变？起初哈恩虽然意识到这不是一般的放射性嬗变，但也不敢肯定这就是裂变。他把实验结果和自己的想法写信告诉了莉泽·迈特纳，却得到了她的有力支持。她在复信中明确指出：“这种现象可能就是我们当初曾设想过的铀核的一种分裂。”后来，哈恩经过多次实验验证，终于肯定了这种反应就是铀235的裂变。核裂变的意义不仅在于中子可以把一个重核打破，关键的是在中子打破重核的过程中同时释放出能量。铀核裂变的发现，当时就被认为“以这项发现为基础的科学成就是十分惊人的，那是因为它是在没有任何理论指导的情况下用纯化学的方法取得的”。

10.1942年12月2日，美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。建立过程：在工厂里，费米设计建造了一座50层高的石墨砖砌成的炉灶，炉灶里插着一根金属棒，灶底放着一个“中子发生器”，外面还有一部“盖革计数器”。这就是原子反应堆。在砖缝中放着轴235和铀238。当最初的铀的原子被中子发生器发生的中子轰击后，分裂出来的中子又对其他铀的原子进行轰击，产生连锁反应，就这样把大量的能量释放出来。在实验中，反应堆里插的那根镉棒，是为了控制原子分裂用的。当费米拉出那根镉棒之后，原子就开始了轰击。在炉台上，两个人手提着装满镉的水桶，还有反应堆四周砌的一道墙，都是为了防止意外。这个实验的成功或失败只能靠计数器来表达，肉眼是看不到的。

11.1945年8月6日和9日，美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。

1945年7月26日，美国、英国和“中华民国”发表了《波茨坦公告》，敦促日本投降。7月28日，日本政府拒绝接受《波茨坦公告》。出于军事和政治的原因，美国政府便按照原定计划，对日本使用原子弹。

1945年8月5日8时16分，原子弹被投出弹舱。这一天，全广岛的钟表都停止在8时16分。原子弹在离地面600米处爆炸。在闪光、声波和蘑菇状烟云之后，火海和浓烟笼罩了全城，在方圆14平方千米内有6万幢房屋被摧毁。

12.1957年，苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站。

中国的核电起步较晚，20世纪80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万kW（电）秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站于1987年开工，于1994年全部并网发电。中国正在加大能源结构调整力度。积极发展核电、风电、水电等清洁优质能源已刻不容缓。中国能源结构仍以煤炭为主体，清洁优质能源的比重偏低。2020年，中国电力总装机容量预计为9亿kW/h，核电的比重将占电力总容量的4%，即中国核电在2020年时将为3600～4000万kW。也就是说，到2020年，中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。

核能是可持续发展的能源。据估计，在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万t和275万t。这些裂变燃料足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂。1L海水能提取30 mg氘，在聚变反应中能产生约等于300L汽油的能量，即“1L海水约等于300L汽油”，地球上海水中有40多万亿t氘，足够人类使用百亿年。地球上的锂储量有2000多亿t，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。况且以目前世界能源消费的水平来计算，地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量，可供人类使用上千亿年。因此，有关能源专家认为，如果解决了核聚变技术，那么人类将从根本上解决能源问题。

核能的利用给人们带来很多好处，但发生事故后也会给人们带来多种危害。日本福岛核事故就给日本和周边国家的人民造成了影响。请根据所学的知识说明日本在核事故抢险过程中用水降温的原因。并指出发生核事故后的一种危害。