原子核裂變

20世紀(jì)早期，物理學(xué)家們一直致力于研究當(dāng)原子受到亞原子粒子轟擊后將會(huì)發(fā)生什么樣的變化。一系列的實(shí)驗(yàn)使科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，在某些情況下，這種轟擊能在核反應(yīng)堆中通過(guò)原子核裂變釋放出大量的能量，并可以用來(lái)發(fā)電。到2005年1月，已有439座可控原子核反應(yīng)堆分布在世界各地，核電量已占總發(fā)電量的16%。

1932年，英國(guó)物理學(xué)家約翰·考克勞夫特和愛(ài)爾蘭物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·沃爾頓開(kāi)始在英國(guó)劍橋大學(xué)的粒子加速器中進(jìn)行高能質(zhì)子實(shí)驗(yàn)。1934年，法國(guó)物理學(xué)家伊倫·約里奧·居里和弗雷德瑞克·約里奧·居里發(fā)現(xiàn)質(zhì)子轟擊有時(shí)會(huì)產(chǎn)生靶原子的放射性同位素。兩年后，意大利裔美國(guó)物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米在羅馬發(fā)現(xiàn)用中子——1932年由英國(guó)物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)——在撞擊原子時(shí)，比質(zhì)子更有效。

中子轟擊通常會(huì)通過(guò)中子吸收產(chǎn)生更重的原子。但是，當(dāng)費(fèi)米轟擊一些重元素——尤其是鈾原子時(shí)，他發(fā)現(xiàn)會(huì)有更輕的原子核產(chǎn)生。1939年，德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W托·哈恩和弗里茲·斯特拉斯曼確定軸轟擊后的產(chǎn)物是只有原來(lái)一半質(zhì)量的鈾元素，他們由此證實(shí)了鈾原子核已被打破，原子核裂變已經(jīng)發(fā)生了。

圖為1942年，科學(xué)家在芝加哥大學(xué)觀察原子核反應(yīng)堆中的可控裂變鏈反應(yīng)情況。因?yàn)檩椛涞脑颍瑹o(wú)法拍下當(dāng)時(shí)的情景照，這是一位畫(huà)家描繪的當(dāng)初的情景。

同一年，瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的奧地利女物理學(xué)家賴斯·梅特納（1878～1968年）和她遠(yuǎn)在丹麥哥本哈根大學(xué)（當(dāng)時(shí)與丹麥物理學(xué)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(wèn)題——鈾原子核吸收了一個(gè)中子后發(fā)生劇烈擺動(dòng)，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(lái)發(fā)現(xiàn)，除了產(chǎn)生大量能量之外，鈾原子核裂變釋放的中子會(huì)引發(fā)其他鈾原子核裂變，由此引起的可能的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將會(huì)釋放出異常巨大的能量。這一結(jié)論后來(lái)被約里奧·居里夫婦和利奧·西拉德通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了。西拉德（1898～1964年）是匈牙利裔美國(guó)物理學(xué)家，當(dāng)時(shí)和恩里科·費(fèi)米一起研究可控核裂變反應(yīng)，后來(lái)進(jìn)入紐約哥倫比亞大學(xué)工作。

鈾會(huì)自然產(chǎn)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(jīng)過(guò)計(jì)算得出鈾-235（235U）比其他兩種同位素更易發(fā)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(shù)。玻爾還指出，如果中子被減慢，核裂變效應(yīng)會(huì)更顯著。西拉德和恩里科·費(fèi)米建議用一種“減速劑”，如重水或石墨物質(zhì)圍繞鈾，用來(lái)減緩中子速度。

這是考克勞夫特1932年在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室粒子加速器（與沃爾頓共同建造）旁的照片。為了表彰他們的杰出研究，1951年考克勞夫特和沃爾頓一起獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1939年第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前兩天，玻爾和美國(guó)理論物理學(xué)家約翰·惠勒發(fā)表了一篇描述整個(gè)核裂變過(guò)程的論文。同樣在1939年，法國(guó)物理學(xué)家弗朗西斯·佩蘭提出，通過(guò)確保釋放出足夠多的中子撞擊其他的鈾核維持一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就需要確定鈾的“臨界質(zhì)量”。佩蘭還認(rèn)為，可以通過(guò)添加一種吸收中子（非減慢中子）的物質(zhì)的方式來(lái)控制裂變的反應(yīng)率。在英國(guó)工作的德裔物理學(xué)家魯?shù)婪颉づ鍫査梗?907～1995年）進(jìn)一步發(fā)展了這些觀點(diǎn)。1942年，恩里科·費(fèi)米在芝加哥大學(xué)設(shè)計(jì)了世界上第一座原子核反應(yīng)堆，12月2日開(kāi)始運(yùn)作。1951年，美國(guó)在愛(ài)達(dá)荷州瀑布附近的國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室建立了一座實(shí)驗(yàn)性增殖反應(yīng)堆，并成為首座發(fā)電的核反應(yīng)堆。

科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到持續(xù)的核裂變反應(yīng)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(jīng)在英國(guó)和美國(guó)悄然進(jìn)行。1942年8月，這兩個(gè)計(jì)劃合并成著名的曼哈頓計(jì)劃。1945年7月16日美國(guó)研制的第一顆原子彈在新墨西哥州試爆成功。

1940年，蘇聯(lián)科學(xué)家也已認(rèn)識(shí)了核裂變?cè)聿⒄J(rèn)識(shí)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可能性。直到1942年，蘇聯(lián)一項(xiàng)由核物理學(xué)家伊格爾·庫(kù)恰托夫領(lǐng)導(dǎo)的原子彈制造計(jì)劃才正式啟動(dòng)。1948年，蘇聯(lián)第一座核反應(yīng)堆開(kāi)始運(yùn)行，1949年8月，蘇聯(lián)第一顆原子彈試爆成功。