原子核裂變

20世紀早期，物理學家們一直致力于研究當原子受到亞原子粒子轟擊后將會發生什么樣的變化。一系列的實驗使科學家認識到，在某些情況下，這種轟擊能在核反應堆中通過原子核裂變釋放出大量的能量，并可以用來發電。到2005年1月，已有439座可控原子核反應堆分布在世界各地，核電量已占總發電量的16%。

1932年，英國物理學家約翰·考克勞夫特和愛爾蘭物理學家歐內斯特·沃爾頓開始在英國劍橋大學的粒子加速器中進行高能質子實驗。1934年，法國物理學家伊倫·約里奧·居里和弗雷德瑞克·約里奧·居里發現質子轟擊有時會產生靶原子的放射性同位素。兩年后，意大利裔美國物理學家恩里科·費米在羅馬發現用中子——1932年由英國物理學家查德威克發現——在撞擊原子時，比質子更有效。

中子轟擊通常會通過中子吸收產生更重的原子。但是，當費米轟擊一些重元素——尤其是鈾原子時，他發現會有更輕的原子核產生。1939年，德國物理學家奧托·哈恩和弗里茲·斯特拉斯曼確定軸轟擊后的產物是只有原來一半質量的鈾元素，他們由此證實了鈾原子核已被打破，原子核裂變已經發生了。

同一年，瑞典斯德哥爾摩大學的奧地利女物理學家賴斯·梅特納（1878～1968年）和她遠在丹麥哥本哈根大學（當時與丹麥物理學家玻爾一起工作）的侄子奧托·弗瑞士（1904～1979年）共同解釋了原子核裂變問題——鈾原子核吸收了一個中子后發生劇烈擺動，然后分裂成兩部分并釋放出2×108電子伏（3.204×10-11焦耳）的能量。哈恩和斯特拉斯曼后來發現，除了產生大量能量之外，鈾原子核裂變釋放的中子會引發其他鈾原子核裂變，由此引起的可能的鏈式反應將會釋放出異常巨大的能量。這一結論后來被約里奧·居里夫婦和利奧·西拉德通過實驗證明了。西拉德（1898～1964年）是匈牙利裔美國物理學家，當時和恩里科·費米一起研究可控核裂變反應，后來進入紐約哥倫比亞大學工作。

鈾會自然產生3種同位素，并且總是占相同的比例：鈾-238（238U）占99.28%，鈾-235占0.71%，鈾-234占0.006%。玻爾經過計算得出鈾-235（235U）比其他兩種同位素更易發生核裂變。這就意味著必須用一種方法分離出鈾-235（235U）同位素，這種方法就是如今所知的“鈾濃縮”技術。玻爾還指出，如果中子被減慢，核裂變效應會更顯著。西拉德和恩里科·費米建議用一種“減速劑”，如重水或石墨物質圍繞鈾，用來減緩中子速度。

1939年第二次世界大戰爆發前兩天，玻爾和美國理論物理學家約翰·惠勒發表了一篇描述整個核裂變過程的論文。同樣在1939年，法國物理學家弗朗西斯·佩蘭提出，通過確保釋放出足夠多的中子撞擊其他的鈾核維持一個鏈式反應，就需要確定鈾的“臨界質量”。佩蘭還認為，可以通過添加一種吸收中子（非減慢中子）的物質的方式來控制裂變的反應率。在英國工作的德裔物理學家魯道夫·佩爾斯（1907～1995年）進一步發展了這些觀點。1942年，恩里科·費米在芝加哥大學設計了世界上第一座原子核反應堆，12月2日開始運作。1951年，美國在愛達荷州瀑布附近的國家工程實驗室建立了一座實驗性增殖反應堆，并成為首座發電的核反應堆。

科學家已經意識到持續的核裂變反應可用于制造擁有巨大能量的炸彈。研制這種原子彈的工作已經在英國和美國悄然進行。1942年8月，這兩個計劃合并成著名的曼哈頓計劃。1945年7月16日美國研制的第一顆原子彈在新墨西哥州試爆成功。

1940年，蘇聯科學家也已認識了核裂變原理并認識到鏈式反應的可能性。直到1942年，蘇聯一項由核物理學家伊格爾·庫恰托夫領導的原子彈制造計劃才正式啟動。1948年，蘇聯第一座核反應堆開始運行，1949年8月，蘇聯第一顆原子彈試爆成功。