第二节
叩响原子时代之门

全世界最著名的苹果是哪一颗？也许是砸在牛顿头上的那一颗，也许是印在苹果手机上的那一颗。但你知道吗，还有一颗深藏在历史之中的苹果，影响了原子时代。

从苹果核到原子核

人类对原子的认识是漫长和曲折的。

远古的人们存在这样一种观念：只要不断地切割一个苹果，就可以无限地切分下去，最后变得非常小。正如《庄子》有云“ 一尺之捶，日取其半，万世不竭 ”。公元前400年，古希腊哲学家德谟克利特（希腊文：∆ηµóκριτος，英文：Democritus）通过对自然的观察，大胆提出了他的假设：一定会存在一种非常小的微粒，小到无法再被分割。德谟克利特把这种微粒称之为“原子”（在古希腊语中意为“不可切割的”意思），他也成为第一位提出“原子”这一概念的人。

18世纪初期，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）提出了“原子假说”，指出所有物质都是由原子构成的，而且原子在化学反应中不可分割。在接下来的两百多年中，科学家不断地猜想、实验和验证原子学说。人们在想，原子内部是否还能进行分割？

核能的探索发现可以一直追溯到19世纪末物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）发现电子，人类逐渐揭开了原子核的神秘面纱，而这要从一种神秘的射线开始说起。

1855年，德国发明家盖斯勒（Heinrich Geissler）发明了一种“新奇”的玩意儿，这是一支性能优越的真空管。盖斯勒作为一名精于玻璃吹制的手艺人，他制作了许多形状不同、性能优越的科学仪器供当时的科学家们研究使用。

这支玻璃管很快引起了他的朋友、德国波恩大学的物理学教授尤利乌斯·普吕克（Julius Plücker）的兴趣。他和学生约翰·希托夫（Johann Hittorf）做了很多相关的研究后，发现了阴极射线现象。

他们发现，在管中除了气体在发光之外，正对着阴极的玻璃壁也在隐隐地发出黄绿色的荧光，并且当用磁铁在管外晃动时，荧光也在跟着晃动，当时他们只是发现了这一神奇的现象，还并不清楚其中的原理。普吕克在1868年去世后，他的学生希托夫则继续研究放电管，最终发现阴极能发出某种射线。再后来戈尔德施泰因（Eugen Goldstein）也做了类似的实验，并发现电场也会使射线偏转，他把这种阴极发出的神奇射线叫做“阴极射线”。

在阴极射线被发现后，关于它是由什么组成的引起了英国、法国、德国许多科学家的大争论。争论主要分为两派，一些科学家如海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）认为阴极射线是一种电磁波，因为在他们的实验过程中发现它在电场中是不偏转的，即不带电，且能够穿透薄铝片。他们认为粒子是做不到这两点的，但是波可以。另一派的科学家认为阴极射线是一种带电粒子流，在赫兹的实验中它没有发生偏转，原因是阴极射线管的真空度不够，他们认为阴极射线是比原子更小的微粒。

1897年，英国物理学家汤姆逊（Joseph John Thomson）重新设计了由盖斯勒管发展而来的克鲁克斯管（Crookes tube），这种实验装置令阴极射线在电场和磁场中均发生偏转，证明了阴极射线是带电的微粒子流，并且测得了微粒子的速度和比荷（荷质比）之间的关系，同时比荷与电极材料无关，说明这种粒子是由各种物质共同组成的。基于他的实验结果，汤姆逊在英国皇家研究院报告时断定物质内部有比原子小得多的带电粒子存在，其实这就是“电子”。

汤姆逊进一步实验发现，许多现象中都有电子的存在，如正离子轰击产生阴极射线、金属受热产生热电子流、紫外线照射产生光电流、放射性物质产生β射线等。在汤姆逊发现了电子的存在后，人们又进行了多次尝试，以精确确定它的性质。汤姆逊测量了这种基本粒子的比荷，证实了这个比值是唯一的。

许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。电子电荷的精确数值最早是美国科学家密立根（Robert Andrews Millikan）于1917年用实验测得的。密立根在前人工作的基础上，通过密立根油滴实验（oil-drop experiment）进行基本电荷量e的测量，得到了电荷具有量子化的特征，即任何带电物体的电荷量只能是e的整数倍。

在电子被发现前，当时人们知道的最小带电粒子是氢离子。汤姆逊在原子的小小身躯上切开了第一刀，打破了原子不可再分的传统观念，标志着人类对微观世界的探索进入了更深的层次，同时，人类对核能的研究发展终于跨出了至关重要的第一步！由汤姆逊和卢瑟福（Ernest Rutherford）分别建立和验证的原子微观模型，奠定了现代原子物理学的根基。

卢瑟福在验证汤姆逊模型时发现原子并不是一个整体。1898—1906年期间，卢瑟福通过在磁场中研究铀的放射线偏转，发现了带有两种不同电荷（正、负）的射线，分别命名为α射线和β射线。通过这一研究，他聚焦于原子内部的结构，发现原子是由原子核和它周围的电子构成的，确认了放射性是原子内部的变化导致的，放射性能使一种原子变成另一种原子，这是一般化学变化所达不到的。

从古代朴素的原子论开始，到道尔顿的近代原子论，再到卢瑟福的有核原子模型、波尔的氢原子理论，直到现代原子模型的精确描述……芥子之小，须弥之大，人类对微观世界的探索从未停止。

如果说电子的发现，标志着人类敲开了原子时代的大门。那么伴随着可以继续分割下去的“苹果核”，幽幽荧光所散发的神秘能量……这些人们在时代大门之后所看到的万千景象，就让人们坚信，崭新时代的秘密隐匿在原子核的“内部”。

“内部”能量报告
——裂变与聚变

在人类刚刚迈入原子时代的时刻，就已经发现原子核中蕴藏的能量远超任何一种化学反应所能释放的能量。这个看似永不“熄灭”的能量之火，来源何处？这让人们不禁对能量守恒的信念产生了动摇。关于“内部”能量的故事，就从这个疑问开始。

今天，我们已经知道， 核裂变 是由一个重原子核分裂成两个或多个比较小的原子， 核聚变 则是由两个轻原子核合成一个比较重的原子。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量，分别称为核聚变能和核裂变能，它们的统称就是“核能”。讲述核能，就不得不提到一位科学巨匠——爱因斯坦（Albert Einstein）。在发现核裂变与核聚变会产生巨大能量之前，爱因斯坦以其天马行空的想象，提出了质能转换方程：

E = mc ²

其中， E 表示能量，单位为焦耳（J）； m 代表质量，单位为千克（kg）； c 表示真空中的光速，作为一个常量，数值为299 792 458米/秒。这一方程将质量与能量这一对经典物理学中两个完全不同的概念建立了联系。而其衍生公式：

∆ E = ∆ mc ²

则用来解释核反应中的质量亏损和能量产生，成为核电领域的根本遵循。

核裂变的发现者是几位德国柏林威廉皇帝研究所的研究员。莉泽·迈特纳（Lise Meitner）和奥多·哈恩（Otto Hahn）通过一系列实验发现，质子的增加会使得铀原子核变得很不稳定，从而发生分裂。于是他们在1938年设计了一个新的实验，使用游离的质子轰击放射性铀，每个铀原子都分裂成了两部分，生成了钡和氪，这个过程还释放出巨大的能量，由此迈特纳发现了核裂变的过程。

4年之后，1942年12月2日下午2时20分，费米扳动开关，几百个吸收中子的镉控制棒从石墨块和数吨氧化铀小球垒成的反应堆中抽出。在芝加哥大学斯塔格球场（Stagg Field）西看台下，一个废弃网球场内堆放的4.2万个石墨块，正是世界上第一个核反应堆，更是迈特纳发现的产物。关于这些石墨块和氧化铀小球的精彩故事，且听后文娓娓道来。

核聚变则是于1932年由澳大利亚科学家马克·欧力峰（Mark Oliphant）所发现的。在1939年，美国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）通过实验证实了核聚变反应，他把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，会使两个原子核发生融合，形成一个新的氦原子核和一个自由中子，并且过程中释放出了17.6MeV（兆电子伏）的能量。

核聚变在宇宙中最为常见。东升西落的太阳和夜空中闪闪星光，它们正代表了绝大多数在遥远距离之外发生着剧烈聚变反应的恒星。人类想要掌握铸造星辉的力量，还有很长的路要走。核聚变产生的总能量远超核裂变，却极难控制，而核裂变反应作为现在人类可以掌控的核能，优点和缺点同样显而易见。稳定可控的优点自不必说，缺点则首先表现在核裂变所需的铀在地球上蕴含量相对较少，其开采、加工工艺复杂，过程中容易产生化学和放射性污染，最后核裂变产生的废料也非常难以处理。相对而言，核聚变所产生的放射性废物比核裂变少很多，且其燃料也是取之不尽的。因而，攻克可控核聚变这一历史难题，对人类的发展具有无可估量的意义与作用。

爆炸VS核能，能量超乎你想象

1863年，德国化学家威尔伯兰德（Julius Wilbrand）制成三硝基甲苯，即“黄色炸药”，又称TNT。而此时，人类尚不能真正稳定驾驭爆炸的力量，距离“炸药大王”诺贝尔用硅藻土制成“安全炸药”还有三年。

1千克TNT爆炸可以释放出4.19兆焦的能量，TNT爆炸的能量并不算大，一千克煤燃烧尚且能释放出29.27兆焦的能量，是1千克TNT爆炸产生能量的7倍之多。

1千克铀-235全部裂变时释放的能量约为83.14太焦，1千克钚-239全部裂变时释放的能量约为83.61太焦，都接近2万吨TNT当量，相当于2 700吨煤的能量。1千克氘化锂-6完全聚变释放的能量约为260太焦，相当于约6万吨TNT当量。

在小小原子所蕴藏的巨大能量面前，“TNT当量”也只能充当“背景板”，所以核武器的威力单位采用“TNT当量”，也就是释放相同能量的TNT炸药量来表示。

在了解过自然界中这些奇妙的物理与化学现象之后，20世纪初的科学家们不禁想到，能不能发明一种装置，在安全可控的情况下进行裂变或聚变反应，并且把这些能量收集起来为人所用呢？

现在我们当然知道，这种装置就是今天说到的核反应堆。那么，为什么要把发生核反应的地方叫做“堆”呢？

“堆出”核反应
——“芝加哥一号”反应堆

1934年伊始，年仅33岁的恩里科·费米已是意大利小有名气的物理学家。他26岁成为罗马大学教授，29岁成为意大利科学院院士，研究目光始终关注着小小的原子核。就在不久前，他发现的β衰变理论对理论物理学做出了巨大贡献。

同年，距离罗马不远的法国巴黎，同样30多岁的物理学家约里奥·居里夫妇宣布，他们使用α粒子轰击铝、硼，人工创造了新的放射性元素，但是产生率很低。密切关注着研究动向的恩里科·费米立即行动起来。

1934年3月20日晚上，费米完成了实验前的各项准备工作。第二天早上，他得到了第一个中子源，开始进行中子轰击实验。

与人们口口相传的历史不同，氢并不是第一种中子被轰击的物质，费米的笔记本第18页清晰记录着他的试验经过。第一个是铂，但没有成功，第二个是铝，完全成功。

在接下来对铀的轰击中，费米认为他们得到了一种新的元素。1934年6月他宣布了这个发现，但并没意识到在这个实验中可能引起了铀的裂变。

1934年10月，费米的团队成员发现，在某些情况下，慢中子比快中子可以更有效地引起放射性。正如后来所理解的那样，原子核确实比快中子更容易捕获慢中子。将石蜡或水等其他氢化物质在放置在中子源和待活化样品之间时，可以有效地减缓中子的速度，比如在中子源和银之间放置石蜡，竟能够使银的放射强度增强几百倍之多。

怎样解释这种现象？费米提出慢中子效应：中子轰击含有大量氢的物质时，和质子发生碰撞，速度变慢了，更容易被银原子核所俘获，所以产生的人工放射性更强。按照他的原话，“ 就像一个飞快的高尔夫球可能从球洞跳过去，而一个慢慢滚着的高尔夫球却有更好的机会进入球洞一样 。”

1938年12月，在慢中子实验中取得成功的费米，带着家人前往瑞典首都斯德哥尔摩接受诺贝尔奖的颁奖。

但在颁奖典礼结束后，这位37岁的诺贝尔奖得主并没有返回他的故乡意大利，而是选择前往美国哥伦比亚大学。因为当时的意大利正处于墨索里尼独裁统治时期，意大利法西斯政府颁布出一套粗暴对待犹太人的法律，同时秘密组织警察对所有持不同政见的公民进行监视和搜捕，而费米的妻子正是犹太人。虽然费米早年曾被迫加入意大利法西斯党，但本人却是一位坚定的反独裁主义者，这都使得他在意大利的生活和研究变得困难与危险。与此同时，哥伦比亚大学向他抛出了橄榄枝，于是费米便带着家人飞向了大西洋彼岸，在结束了他在哥伦比亚大学的任期之后，他来到了芝加哥大学，在这里他将从事一项足以改变人类命运的秘密任务。

慢中子与快中子

慢中子又称“热中子”，通常指动能约为0.025电子伏特（速度约2.2千米/秒）的自由中子。裂变反应产生的中子与由较轻的元素组成的减速剂发生碰撞，将一部分能量转移给被撞核，中子本身被反弹，同时能量减少。经过几次碰撞后，中子的动能就会减小到与热运动能量相当，从而成为热中子。

回忆一下这样的场景：公交车从远处疾驰而来，直到快靠近站台时才减慢速度，你站在路边，总要等公交车停稳之后才会排队上车。试图跳上一辆在道路上飞驰的汽车，是一件困难的事情。同样的，在一般反应堆中，与铀燃料发生裂变反应的中子就像“飞驰的汽车”，科学家们发现“慢中子”有利于与原子核发生反应。

如果裂变产生的高能中子不经过上述慢化过程，便称之为“快中子”，利用快中子的特性可以研制快中子反应堆。

1939年，一大批物理学家与化学家，从美国的东西海岸汇聚到哥伦比亚大学，开始了自持链式反应的研究，后来这项研究转移到了芝加哥大学的“冶金实验室”（Metallurgical Laboratory）。虽说名字中带有“冶金”，但这个实验室却并不是为了增加钢铁产量，它成立的目的是论证受控核裂变的可行性，同时生产钚，并且尝试建造一个用于支持核反应的模型，这个模型就是“芝加哥一号”。钚是用于生产核武器的重要原料，这个实验室也为日后的曼哈顿计划（Manhattan Project）打下了基础。

“芝加哥一号”被建设在芝加哥大学一个废弃的球场的地下室里（Stagg Field）。选在这地方建造，是因为费米想要把它建在一个隐蔽且安静的地方，这样万一出了事故，对环境的影响也不会很大。

在阴暗的地下室里，工人们在木头底座上一层一层地堆叠石墨块，这也是核反应堆为什么叫反应“堆”的其中一个原因。“芝加哥一号”堆真的是堆出来的，费米曾说过：“ 远远看过去，它就像是一堆木材和黑砖罢了。 ”

石墨是中子慢化剂，用来控制核裂变的反应性。部分石墨块留有空洞，用以安置核燃料。同时，部分核燃料由铀-238制成，来展现能否实现铀到钚的转变（铀-238在中子轰击下转化为钚-239）。镉棒作为控制棒控制反应堆的速率和启停。

整个反应堆在1942年12月1日完工。虽然有了石墨和镉棒可以控制反应性，人们依然还是担心反应堆的安全性，毕竟这是人类历史上首次尝试人工控制的核裂变反应。

费米的学生曾问过费米： “如果反应堆失控怎么办？”

费米悠闲地说道： “我会从容地离开。”

费米之所以这样说，是因为他同时设计了一套应急系统，他安排了几位科学家拿着装有氧化镉的容器全程参与实验，一旦反应失控就把氧化镉倒进反应堆。他还专门找来了诺曼·希尔贝里（Norman Hilberry）教授，让他拿好一把斧子，如果反应堆失去控制，就让他砍断连着控制棒的绳子，绳子割断之后控制棒依靠重力落进反应堆，切断链式反应。希尔贝里教授之后也成为美国阿贡国家实验室的主任。虽然这套应急系统看似非常粗糙和草率，但这套设计逻辑成为后世现代反应堆的设计基础，一直被沿用至今。

1942年12月2日的下午，科学家们汇集一堂进行试验，部分工作人员在地面上负责操作、记录和应急。费米和其他科学家在高台上观察记录。

工作人员按照费米的指示有条不紊地拉出镉棒。利用盖革计数器，科学家们密切监测了反应的 k 值，即有效中子倍增因子，这是将引起另一个反应的裂变中子的平均数。足够高的 k 值将表明反应可以自我维持。午餐休息后，费米命令将最后一根镉棒从堆中再拉出12英寸。通过观测记录仪器的示数，科学家们计算了 k 值达到了1.000 6，“芝加哥一号”堆实现了自持的链式反应。

物理学家赫伯特·安德森（Herbert Anderson）在他的回忆录中写道： “刚开始你能听到中子计数器的声音，咔哒—咔哒—，咔哒—咔哒—，随后声音变得越来越频繁，过了一会已经响成一片，计数器已经跟不上频率了。是时候开启图表记录器了。当转换到记录器之后，每个人在突然的安静中看着记录器的绘制上下起伏的线条。那瞬间的沉默，每个人都意识到了切换至记录器的重要性，我们现在处于高强度区域甚至中子计数器都无法跟上现在的情况了。一次又一次，我们要更改记录器的刻度，以适应高速提升的中子强度。突然间费米举起了他的手宣布‘反应堆达到临界了’。现场所有人都表示赞同。”

在启动后的不到五分钟，费米命令停堆，镉棒被插入反应堆。在反应堆停止反应后，费米打开了一瓶他从意大利老家带来的红酒作为庆功酒。在场的科学家和工作人员用芝加哥大学的纸杯痛饮了庆功酒，并在酒瓶上签名留念，这个酒瓶被保存在阿贡国家实验室。

也许你已经注意到，核裂变也好，核聚变也罢，它们都有一个共同点，那就是从一种原子核变化为另一种原子核，并且都伴随着巨大的能量释放。

“芝加哥一号”反应堆的成功，标志着人类能够制造并控制核裂变反应。如果跳出物理学的范畴，“能量”就意味着“威力”，这样的联想，让人们很快意识到核能在军事上的价值，也让人类的手伸向了危险的边缘，这也就是前文中提到的“曼哈顿计划”。 swo1VcAu5+nZI4uWUYdPOGf+HWIQR73A8znBDVdHDYGrfJt5sxtvgNIkhdoJUek2