“核能”等１４則

科學(xué)的研究遙無(wú)止境，科學(xué)家對(duì)物質(zhì)的基本組成著了迷。原子、離子、電子、中子……人們對(duì)物質(zhì)的理解也越發(fā)深刻。然而，科學(xué)也許的確存在著兩面性，當(dāng)人們?cè)跒榱私馐澜缍d奮不已時(shí)，原子彈的爆炸卻在極短的時(shí)間內(nèi)奪去幾十萬(wàn)人的生命。

量子論

普朗克(1858～1947年)，愛(ài)因斯坦(1879～1955年)

普朗克是一位優(yōu)秀的音樂(lè)家，愛(ài)因斯坦經(jīng)常為他進(jìn)行小提琴伴奏。也正是他們，提出了量子理論。

量子理論誕生于熱箱。1900年，普朗克試圖解開(kāi)火鉗之類(lèi)的熱物體為何呈現(xiàn)紅或白等不同的顏色，以及具體的顏色和不同波長(zhǎng)的光之間的聯(lián)系等一系列疑團(tuán)。憑借普通經(jīng)典物理學(xué)知識(shí)，普朗克基本可以解釋帶有小孔的黑色箱子里發(fā)出光的原因。實(shí)驗(yàn)表明波長(zhǎng)的輻射比普朗克方程預(yù)測(cè)的輻射大得多。為彌補(bǔ)這一不足，他做了一個(gè)特別的假設(shè)：能量不是連續(xù)地離開(kāi)箱子，而是以一份一份的或“量子”的形式離開(kāi)的。

1900年12月14日，當(dāng)他正式發(fā)表這一觀點(diǎn)時(shí)，普朗克還拿不準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)這些能量量子的意義。1905年，愛(ài)因斯坦證實(shí)光確實(shí)以一份份的形式傳播，即今天的光子。

愛(ài)因斯坦用這一理論解釋電子被光線從金屬表面擊落出原因。1902年，菲利浦·勒納發(fā)現(xiàn)電子的能量不取決于光線的強(qiáng)度，如果光線柔和發(fā)出普通波長(zhǎng)，那么亮光表示存在更多有活力的電子。但是愛(ài)因斯坦認(rèn)為假如一個(gè)電子被一個(gè)光子從金屬表面擊中的話，它很可能被附近所有的光子擊中。

雖然光量子多年以后才被接受，但最終量子理論統(tǒng)治了世界。物理學(xué)家們堅(jiān)信任何物質(zhì)都來(lái)自不能縮小的量子——不僅是能量，而且還包括電荷、動(dòng)量、自旋甚至是空間和時(shí)間。

原子模型

盧瑟福(1871～1937年)，玻爾(1885～1962年)

“就像你對(duì)著薄紙射出一發(fā)15英寸的子彈，結(jié)果子彈反射回來(lái)，自己反被它擊中。”歐內(nèi)斯特·盧瑟福這樣描述他發(fā)現(xiàn)原子核模型的過(guò)程。

1907年，盧瑟福的一位學(xué)生對(duì)著金箔紙發(fā)出一束α粒子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分α粒子都穿過(guò)了柔軟的箔紙，但是有一些卻反彈回來(lái)。按照以前的解釋?zhuān)@不過(guò)是由于箔紙上帶正電荷的輕電子擴(kuò)散引起的。盧瑟福卻認(rèn)為每個(gè)原子中心的原子核都帶有正電荷。大多數(shù)α粒子會(huì)穿過(guò)這些原子核，只有極少數(shù)會(huì)碰到原子核并反彈回來(lái)。盧瑟福根據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)建立了原子模型，模型中心是微小密集的原子核，周?chē)潜姸嘌刂壍肋\(yùn)行的更小的電子。

這不是簡(jiǎn)單的重新繪制原子圖。1913年，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾，將盧瑟福的觀點(diǎn)與新量子理論綜合在一起，提出新的量子理論。在玻爾的模型中，電子圍繞具有固定能量的原子核運(yùn)行，由于一部分電子不會(huì)失去所有的能量，因此原子是固定不變的，它們只能進(jìn)入所謂的基態(tài)。

這些固定電子軌道還可以解釋原子為什么發(fā)出單色、刺目的光譜線：當(dāng)電子從能量高的軌道移到能量低的軌道時(shí)，多余的能量會(huì)變成光子釋放出來(lái)，從而生成一種顏色。

中子

詹姆士·查德威克(1891～1974年)

20世紀(jì)20年代，物理學(xué)家們認(rèn)為任何物體都由兩部分構(gòu)成：電子和質(zhì)子。當(dāng)時(shí)比較流行的看法是，在原子中，較輕的帶負(fù)電的電子圍繞密度較大而體積很小的原子核高速運(yùn)動(dòng)，而原子核是由較重的帶正電的質(zhì)子和數(shù)量更多的電子構(gòu)成。

20世紀(jì)30年代，人們有了意想不到的發(fā)現(xiàn)。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)α粒子輻射可以激發(fā)鈹元素樣本釋放出另一種輻射——這種輻射擅長(zhǎng)將質(zhì)子從其他元素中撞擊出去。1932年，劍橋大學(xué)的英國(guó)物理學(xué)家詹姆士·查德威克進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)如果α粒子將其他粒子（這些粒子質(zhì)量接近質(zhì)子，但不帶電）撞擊出鈹原子核。

查德威克一度認(rèn)為這種“中子”并非基本粒子，而是一種受到緊緊束縛的電子或質(zhì)子，然而到了1934年，測(cè)算證明“中子”比電子或質(zhì)子的質(zhì)量略大。物理學(xué)家們不得不接受這種新的基本粒子。原子核實(shí)際上是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，而非以前所認(rèn)為的由質(zhì)子和電子所構(gòu)成。具有同樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但質(zhì)量不同的一種元素的各種同位素（或不同的形式）都包含著數(shù)目相同的質(zhì)子，但中子的數(shù)目則不同。

這種發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了核物理學(xué)在20世紀(jì)30年代的飛速發(fā)展。在核連鎖反應(yīng)中，中子起到至關(guān)重要的作用，而正是這些核反應(yīng)使得核電站運(yùn)行，原子彈爆炸：原子核分裂時(shí)，中子就像榴霰彈一樣飛射而出，撞擊其他原子核，使其分裂。

核能

奧托·哈恩(1879～1968年)，弗里茲·斯特拉斯曼(1902～1980年)，里斯·邁特納(1878～1968年)，奧托·羅伯特·弗里希(1904～1979年)，恩瑞克·費(fèi)米(1901～1954年)

二戰(zhàn)爆發(fā)前幾個(gè)月，物理學(xué)家們找到了一種將原子核的能量釋放出來(lái)的方法。德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W托·哈恩和弗里茲·斯特拉斯曼用中子轟擊鈾，結(jié)果獲得了一些新的原子，看起來(lái)是鋇（一種比鈾輕得多的元素）。1939年初，里斯·邁特納和奧托·弗里希意識(shí)到原子核分裂成了兩部分。根據(jù)他們的測(cè)算，這種核裂變釋出的能量是巨大的。

然而裂變過(guò)程中某種物質(zhì)逃逸了。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)裂變的鈾原子核將兩三個(gè)中子排斥出去，而中子的逃逸又引起其他鈾原子的核裂變，導(dǎo)致更多中子的逃逸。在這種連鎖反應(yīng)中，整塊整塊的鈾將內(nèi)部的能量釋放出來(lái)。

二戰(zhàn)期間，同盟國(guó)方面擔(dān)心希特勒統(tǒng)治下的德國(guó)可能會(huì)利用核裂變制造出毀滅性武器，因而投入巨大的人力物力，以便搶在德國(guó)之前研制成功。1942年12月2日，芝加哥大學(xué)的恩瑞克·費(fèi)米和他的研究小組率先成功地進(jìn)行了獨(dú)立的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。費(fèi)米設(shè)計(jì)核反應(yīng)堆的目的在于獲得钚（一種裂變的人造元素）。

第一顆原子彈所用的主要原料就是钚，1945年7月16日在新墨西哥的特里尼蒂試爆成功，爆炸當(dāng)量為18 000噸TNT。而后來(lái)的兩顆，即“小男孩”和“大胖子”，在同年8月份被分別投在了廣島和長(zhǎng)崎，奪去了幾十萬(wàn)人的生命。

如今全球電力供應(yīng)大約有1/5來(lái)自核裂變反應(yīng)堆。但出于對(duì)其安全性的顧慮，1986年的切爾諾貝利核電站事故依然讓人們心有余悸，加上核廢料處置費(fèi)用較高，絕大多數(shù)國(guó)家在電力供應(yīng)方面對(duì)核反應(yīng)堆都不敢過(guò)分依賴(lài)。