阅读材料：巨大的能量来自何方

1、PAGE19巨大的能量来自何方自从1896年贝克勒尔和居里夫妇发现镭的天然放射性以来，人们就知道放射性元素能够释放出具有能量的射线但是放射性元素为什么能释放出能量，其他元素能否放出能量，如何人工控制释放能量，则是当时许多科学家终日冥思苦想的课题1902年，居里夫妇碰上了一件怪事：新提炼出来的镭不仅发出辐射，同时也发出热和光据测量，每克镭每小时大约可以放出140卡的热，而光的亮度足以用来看书居里教授把手放在不可见的镭射线中几小时，结果手上就出现了溃疡，象灼伤一样若不是亲身经历，谁肯相信有一种元素会一刻不停地发出光和热呢这些能量从哪里来的呢莫非在整个宇宙起作用的能量守恒定律，到了巴黎化学院这间矮小

2、、破旧的板屋里就失灵了1903年夏天，卢瑟福夫妇拜访了在巴黎的居里夫妇在夜晚，居里拿出一个部分涂了硫化锌的玻璃管，里面装有含着许多镭的液体，黑暗中管子的光辉显得灿烂夺目卢瑟福看得着了迷，他在感叹造物主的伟大的同时，也不由自主地问自己：这能量从何而来卢瑟福回到麦吉尔大学后，即和索迪研究放射性衰变所释放的能量经测量，1克镭在蜕变时放出的能量也许会在10的9次方到10的10次方卡之间，而氢和氧化合成1克水大约释放出4000卡能量由此可推断，辐射变化的能量比任何分子变化的能量都至少大2万倍，甚至100万倍卢瑟福开玩笑说，假如能找到一种合适的起爆物，可以设想在物质中触发一个原子蜕变波，这将使这个旧世界消

3、失在烟雾中后来索迪写了一本书，名叫镭的阐述，书中提到若能把潜伏并束缚在原子结构中的巨大能量引出来加以控制，它将是一种改变世界命运的动力！吝啬的自然用一个杠杆小心地控制着所蓄能量的输出那个能抓住这个杠杆的人将拥有一件武器如果他愿意，就可以用它毁灭地球一位名叫威尔斯的作家、历史学家受镭的阐述一书的启发，敏锐地意识到原子结构中能量的重要性，他中止了一系列社会小说的写作计划，写了一本科学幻想小说（称为预言小说更确切）获得自由的世界，于1914年第一次世界大战爆发以前出版他在书中描写了发生在1956年的战争：英、法和美国组成的联盟反对德国和奥地利的世界战争爆发了，届时一些先进国家已经能大规模释放原子能作

4、为工业能源，原子弹也造出来了在这场战争中，世界上的主要城市全被原子弹所摧毁该书给许多人留下了深刻的印象，但他们只把它当作小说，并未思考这种事实际上会不会发生不过，这本书对原子弹的许多预言与后来的事实是吻合的，而且也确实对原子弹的诞生起到了促进作用能量藏在小小的核中原子的全部质量差不多都集中在原子核里，原子核的比重极大如果将1立方厘米的纯粹的原子核物质（即质子和中子）集中在一起，那么重量将达到1亿多吨1918年，汤姆逊的学生阿斯顿（1922年诺贝尔化学奖获得者）研究成功了质谱仪，用它可以准确地测量原子核的质量他发现几乎所有的原子重量都十分接近整数，而且它们之间存在着近似倍数关系如氢为，由4个氢集

5、中在一起的氦为令人奇怪的是，氦为什么不是呢氧不是16，而是这同整数的微小差别意味着什么呢阿斯顿经过一系列研究认为：在原子核里，质子和质子之间有电的排斥力但是事实表明，原子核里的质子不但没有彼此分离，而且还和中子紧紧地“抱”成一团这是为什么呢原来，在核子之间还有一种很强的作用力，这种作用力就是核力就是这种核力，将质子和中子“捆”在一起现在，人们称核力为结合能核力有点像“胶”，只在非常小的距离内起作用，一般每一个核子只与相邻的核子有核力作用，距离再大一点就不起作用了尽管如此，核力作用仍然十分强大据测算，如果一张纸纯粹是由原子核做成的话，则需要200辆火车头的拉力才能把它撕破可见，“核力”是多么强大

6、，原子核内蕴含的巨大能量是多么惊人至于原子重量同整数的微小差别，据阿斯顿在本世纪20年代进行的研究表明，中等大小的原子核结合得最紧密，周期表两端的原子核变成中等大小的原子核时，会放出能量小的原子核变成中等大小的原子核，这个过程叫作核聚变在这个过程中，有质量亏损现象根据现已由实验证明了爱因斯坦（1921年诺贝尔物理奖获得者）质能关系式：即E=mc2（式中E为释放的能量，M为减少或增加的质量，C为光速），可以算出损失的质量会转化成多少能量由于光速为每秒30万公里，即使损失的质量很小，释放的能量也将是一个天文数字把一杯水的氢变成氦所释放的能量，足够一艘巨轮以全速驶过大西洋并返回英国一克铀所具有的能量

7、，足够一盏1000瓦的电灯点燃2850年，或者相当于燃烧2000吨汽油的能量铝变成了磷1933年10月，在比利时首都布鲁塞尔举行了世界上第一次讨论核物理的盛会会上，玛丽居里的女婿约里奥提交了一份报告，声称他们发现，如果用钋产生的粒子来轰击中等重量的元素，被击中的靶子将放射出质子当用粒子轰击某些较轻的元素，如铝和硼，有时不是放射出一粒质子，而是先放射出一粒中子，然后再放射出一粒正电子，这似乎证明质子是中子和正电子的复合体这一结论遭到许多与会科学家的反对但玻尔却认为他的实验结果很重要约里奥夫妇回到巴黎，下决心彻底解决这个问题在实验中，约里奥夫妇用钋放射源来辐射铝片制成的靶子，即用钋放射出的粒子作“

8、炮弹”，向铝板“开火”，结果可以听到盖革计数器（一种检测辐射粒子的仪器）嘀嘀的响声当他们把放射源拿开时，中子的放射完全停止了，本来盖革计数器的响声也应该停止，但实际上响声仍然在继续经实验检测，原来正电子的放射仍在继续进行，象天然放射性元素的放射性那样，在一段时间内逐渐减少，在大约3分钟内衰减到它开始时强度的一半约里奥夫妇以为盖革计数器出了问题，便请来了有关专家检查，结果证明盖革计数器处于良好的工作状态约里奥夫妇现在肯定自己发现了用人工方法使物质具有放射性的途径，他们计算了可能发生的变化：铝（13个质子、14个中子）粒子（2个质子、2个中子）磷（15个质子、15个中子）1个中子由于这种结构的磷不

9、稳定，会继续嬗变：磷（15个质子、15个中子）硅（14个质子、16个中子）1个正电子上述实验证明，不但可以象卢瑟福那样将原来的原子核撞下一部分来，而且可能用人工方法使核在放射性衰变中释放出部分能量约里奥在1935年接受诺贝尔奖时预言：“我们有理由相信，科学家可以随心所欲的聚合或分裂元素，从而使爆炸形式的嬗变成为事实如果这种嬗变一旦能成功地在物质中蔓延开来，我们可以看到巨大的、可资利用的能量将会被释放出来”伟人的错误人工放射性的发现震动了整个世界，也令匈牙利裔物理学家西拉德大吃一惊西拉德出身于匈牙利一个知识分子家庭童年时体弱多病，10岁时上学在学校，他学习成绩突出，为人坦率、诚恳，富有正义感18

10、岁毕业时，他获得全国数学奖，表现出一个科学家的潜在素质1919年，西拉德前往德国学习物理学，结识了爱因斯坦，深受爱因斯坦的赏识24岁时，西拉德获柏林大学博士学位1933年，为逃避纳粹对犹太人的迫害，他来到英国1933年9月12日，泰晤士报刊出一篇章，名称为元素的转变文中对卢瑟福的观点进行了综述，其要点如下：将来也许不需要几百万伏的高压加速轰出粒子，几万伏也许就能造成转变在这个转变中放出能量，但不能指望用这种方法获得能量任何人希望从原子的转变过程中获得能源都是在幻想众所周知，卢瑟福一向治学严谨，非常有先见之明，他那非凡的直觉也几乎是一贯正确1920年卢瑟福在预言存在中子的同时，还推测出可能存在原

11、子量为2的氢的同位素（氘）1932年，他的关门弟子奥利芬特使用一台首批制造的加速器做实验，发现了氘和氘反应产生某些粒子，但是搞不清这些粒子的性质工作整整一天之后，奥利芬特回到家中睡觉，午夜时分，他被电话铃吵醒了奥利芬特的妻子接了电话，当听到是卢瑟福这个大人物的声音时，她感到有点惊慌，便立即让奥利芬特接电话卢瑟福说：“我知道那些粒子是什么东西了，它们是质量为3的氦”睡眼惺松的奥利芬特立即回答说：“是，先生，但你为什么认为它们是氦3呢”卢瑟福答道：“推论！推论！我根据我的经验认为它们是”第二天经奥利芬特验证，卢瑟福的推论是正确的正因为卢瑟福几乎“一贯正确”，对他的结论或预测提出异议的科学家微乎其微

12、不过，他关于原子能利用的推测却令物理学家西拉德非常不满西拉德认为卢瑟福的结论下得太早了，而且很可能是错的现在小居里夫妇的发现为人工释放原子能开辟了一条道路另辟蹊径1934年9月，西拉德提出了产生人工放射性的另一种方法，用中子轰击原子核比用粒子更有效他的想法远远超出了人工放射性的范围他回忆起曾经读过的获得自由的世界，想起了书中预言的原子能的释放、原子能及世界政府他长期致力于找出一种元素或几种元素，它们在捕获一个中子后，会放出两个或两个以上的中子来，从而引发链式反应链式反应是西拉德首次提出来的所谓链式反应，指的是用一个中子轰击原子核时，不仅使这个核分裂，而且还放出2-3颗轰击其他核的“中子炮弹”，

13、再使2-3个核分裂，放出4-9个中子，这些中子又引发别的核分裂这样不断的持续下去产生的中子越来越多，被分裂的铀核也越来越多，因此在极短的时间内（1%秒）就有大量的核发生裂变，并释放出惊人的能量西拉德经过深入的分析研究认为，最合理的办法是系统地审查全部元素，但他不具备条件他没有一个可供使用的实验室、一组有献身精神的助手以及足够的资金因此，西拉德失去了用中子轰击来系统地探索全部元素，从而取得惊人发现的机会但是意大利的费米却抓住了这个天赐良机费米的研究与发现费米1901年出生于意大利罗马，父亲是铁路职员，母亲是小学教师费米自幼心灵手巧、聪明过人1918年，他考入比萨大学，21岁时获物理学博士学位，2

14、5岁时成为罗马大学理论物理学教授，27岁时成为意大利皇家科学院院士1934年，费米转向中子物理学，当时年仅33岁，却已是具有国际声誉的物理学家他在X射线能谱学、经典电磁理论、量子统计理论等方面有很深的造诣1925-1926年，费米根据泡利不相容原理，与英国物理学家狄拉克各自导出量子统计中的“费米狄拉克统计”1934年，费米开始了史无前例的关于中子引起的核反应的研究，提出热中子的扩散理论他在用中子轰击铀原子的核反应实验中，得到了一种“新元素”当时他把这种元素起名为“超铀”元素，首创了衰变的定量理论，为原子能研究奠定了重要的理论基础”在用中子轰击原子核实验之初，费米自己动手制成了粗糙的盖革计数器，

15、然后叫人准备了一个以钋蒸发入铍这种形式的中子放射源，但是由于放射出的中子较少，该实验未取得进展于是，费米改用氡气作中子源经计算，这个放射源每秒钟可以提供10万个中子他打算把周期表上绝大部分元素都辐照一遍他从最轻的元素依次开始实验他独自一个人先辐照水，这样就同时试验了氢和氧，然后又试验了锂、铍、硼和碳，但未能使它们具有放射性但费米并不气馁，他又试验了氟化钙经过几分钟的辐射后，他立即将氟化钙移到计数器附近，计数器刚开始跳动加快，以后很快慢了下来，约到10秒钟时减到一半不久，他又试验了铝，也取得了成功，不过测得的半衰期为12分钟，与约里奥夫妇的发现（半衰期约为3分钟）不一致为了将实验工作继续下去他找

16、了几个助手帮忙，最后基本上把周期表上所有的元素都试了一遍费米对观察的结果进行了总结，发现轻元素一般放出一个质子或一个a粒子而嬗变为更轻的元素如铁经中子轰击后变成了具有放射性的锰但是原子核四周的电屏障既阻碍粒子的进入，又阻碍它的排出，而且这道屏障随着原子序数的增大而强度加大因此，重元素不是变轻而是变得更重：它们捕获了轰击它们的中子，放射出射线以去掉中子的结合能，这样由于增加了质量而未增加或减少电荷，就成为比它们自己更重一点的同位素经过一段延缓时间，这种同位素放射出射线而衰变为一种新元素，其在元素周期表上的位置比不放射射线时的位置后移了一位，因为原子核中增加了一个正电荷，现在的原子序数为原来的原子

17、序数加一超铀元素之争最后，费米他们开始试验铀他们用氡放射源照硝酸铀，结果发现其产物有几种不同的“半衰期”：一种是1分钟左右，一种是13分钟左右，还有尚未确切测定的更长的半衰期所有这几种产物都放射出粒子而放射出粒子的元素的原子序数都应加一看起来似乎嬗变可沿着周期表向上发展到尚未为人所知的人造元素的新领域中去要证实这一惊人的可能性，费米需要用化学分离法来证明中子轰击产生了比铀更重的元素1分钟半衰期过短，难以进行研究因此，他集中力量于那半衰期为13分钟的物质他和助手经过一系列化学试验证明了这种物质不是已知的重元素，如镤（91）（括号内数字表示原子序数，下同）、钍（90）、锕（89）、镭（88）、铋（

18、83），也不是铅（82）他推测可能得到第93号元素，并把这种可能性报告给自然杂志：“由于已经证实这种半衰期为13分钟的物质不是很多种重元素，可以设想这个元素的原子序数或许大于92的可能性”费米花了4个月的时间，完成了西拉德称之为“令人厌烦”的工作，尽管取得了世人瞩目的成就，但却没有弄清铀经过氡照射后的产物到底是什么，结果错过了发现核裂变的机会如果分析一下原因，不难发现：费米无论是在理论上还是在实验上都力求严密、具体他偏爱可以直接用实验来证明的具体问题，根本不允许有模糊不清的事物这些都是他的优点，但在特殊的领域和场合，这也许就是缺点：费米预期的结果太单纯、太具体了，而且严密的思维也束缚了他的想象

19、力的翅膀，他没想到在铀内发生的蜕变过程会与别的元素内所发生的不同费米用排除法时，却没有检验元素周期表上的每一种元素，因而得到的结论在逻辑上是非常靠不住的当然这也有知识结构上的问题，即他与小组成员的化学知识不够丰富，无法把铀蜕变后产物一一分开他们原来以为这类产物只有4种，而实际上差不多有50多种因此，丰富的想象力和合理的知识结构对于科学家来说非常重要意外的收获裂变科学研究中出现意外，常常意味着出现了新的机会费米实验小组在用中子轰击银的实验中发现：他们的银圆柱筒放在实验室中不同的地点则产生不同的放射性中子源在木桌上辐照银会比在大理石桌上辐照银得到的放射性强得多费米认为这是一个值得探讨的奥秘，遂决定

20、亲自动手那一天费米忽然觉得该试验一下在入射中子前面放一块铅会产生什么样的效应但到开始放的时候，他又改变了主意，将一块石蜡放在原来打算放铅的位置上结果奇迹出现了，产生的放射性强度剧增显然，这种强烈的放射性是由于产生放射性的辐射为石蜡所过滤造成的但如何解释这一现象呢费米陷入了深深的思索几个小时后，他想出了答案：是中子同石蜡中的氢核发生碰撞，使中子的速度减慢下来过去大家一直认为，用速度快的中子轰击原子核更好一些，因为速度快的质子和粒子一向是更好的，但是这种类推忽略了中子特有的中性一个带正电荷的粒子需要能量来推动它穿过原子的电屏障，一个中子则不需要事实是中子减慢，使它在其核附近有更多的时间，这就更易于

21、被核捕获更进一步的实验证实，有些元素，如硅、锌、磷等似乎不受慢中子的影响，而铜、碘、铝等则受其影响于是费米决定重新做中子轰击每个元素的试验，看看慢中子的轰击是否会产生不同的蜕变产物1938年，费米由于对中子轰击原子核的研究及发现此有关的慢中子所致的核反应而获诺贝尔物理奖其实，费米得到的并不是“超铀”元素1939年费米到了美国当时德国科学家哈恩与斯特拉斯曼用化学方法检验了费米的实验，发现：用中子轰击铀原子，只能得到地球上已存在的钡这不啻石破天惊！从费米的错误结论出发，竟然得到一个意想不到的惊人成就因为钡的重量略高于铀的一半，这是无法用“原子核的裂变”理论解释的因此，哈恩与斯特拉斯曼便大胆地提出一

22、种新设想，认为铀原子核受到中子的轰击后，不是“衰变”，而是“分裂为大致相等的两个中等质量的原子”这就是著名的“裂变理论”“裂变理论”诞生之时，费米正在外出途中当他从杂志上获悉这一惊人的消息后，马上返回哥伦比亚大学，一头扎进物理实验室他用精密细致的实验验证了“裂变理论”的正确性，并致力于研究裂变的“链式反应”，进而建立了一整套“链式反应”的基本概念和基础理论沉缅于科学研究中的费米用自己的心血，换取了人类科学史上的又一个划时代的进步铀核反应的实验成功及其基础理论的产生，为后来原子弹的试制成功提供了有力的实验基础和可靠的理论依据这一重大成果，打开了长期封闭的原子核能宝库的巨锁，为人类找到了取之不尽、

23、用之不竭的新能源宝藏由于取得如此巨大的成就，费米成为原子能事业的先驱，成为世界上最有声望的科学家之一怀疑是发现之母哈恩和梅特涅的再研究就在费米忙着重做他的的实验时，有人认为费米辐照铀时所产生的是镤，而不是新的铀后元素费米也认为这的确需要做进一步的实验来证实德国威廉大帝化学研究所的哈恩和梅特涅于1917年发现了镤他们了解它的化学特性，因此觉得自己有资格重复费米做过的轰击铀的实验在柏林和巴黎，研究者发现，经过辐照的铀有许多不同的半衰期，这实在令人感到迷惑不解；哈恩认为他比世界上任何人更适合进行这种微妙的放射性化学实验，以把事情搞清楚从1935年开始，哈恩和梅特涅一起寻找中子轰击铀的所有产物到193

24、8年初，他们已经发现了不少于10种半衰期不同的放射性活动他们假定这些物质是铀的同位素或铀后元素哈恩对这些化学变化很着迷，因而没有留意能量的变化，而梅特涅发现产生这些新元素所放出的能量多得出乎意料，而且越来越难以解释1938年7月，梅特涅乘火车前往荷兰避难，然后她来到哥本哈根玻尔为她安排了新的工作于是用中子轰击铀的实验只能由哈恩和他的助手斯特拉斯曼来做哈恩和助手成功地找到了不少于16种不同的放射性物质他们使用钡作载体将它们进行分离，找到了种过去从未发现而他们相信是镭的同位素的产物，但几乎所有的核物理学家对这种可能都表示怀疑原子核裂开了1938年12月，哈恩的实验陷入了困境：“镭的同位素”表现得极

25、为奇特，化学性质和钡一样，无法与钡分离开来他们采用了各种途径，几乎将所有东西都从钡分离出来了，唯独不能将“镭的同位素”与钡分开现在他们开始相信所谓“镭的同位素”就是钡哈恩把这一结论告诉了在丹麦的梅特涅，后者非常吃惊，不过她并没有否定这种可能性为了确定“镭的同位素”是钡，哈恩又进行了一项实验，从放射性物质的衰变产物中分离出了镧（57号元素）他是由钡（56号元素）通过衰变转化来的，这就更加肯定了受中子轰击后铀原子核分裂了，转化成钡和其他物质1944年，哈恩因发现重原子核而获诺贝尔物理奖梅特涅通过她的外甥弗里希将哈恩的结论告诉了玻尔，玻尔一下子就领悟了问题的实质：原子核分裂了1939年1月，玻尔到美

26、国华盛顿参加一个物理学会议在会上，他宣布了物理学这一最新发现，整个世界为之震惊，许多著名的物理学家对裂变的结论感到不可思议解开裂变之迷哈恩与另一位德国物理学家弗里茨斯特拉斯曼合作，又开始了新的尝试和探索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梅特涅，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

27、过多次试验验证，终于肯定了这种反应就是铀235的裂变当有人将这一结果告诉美国理论物理学家奥本海默时，他一开始认为这是不可能的，于是有人请他去看示波器上显示的原子裂变后的能量释放的波形奥本海默立即来了个180度大转弯，不仅确认这是事实，而且还确定在反应中有些中子可能会放射出来，从而可以制造炸弹，产生动力这一切都是在几分钟之内说出来的，而且都是正确的，可见他的头脑反应多快，简直不亚于电子计算机大约一个星期后，在奥本海默办公室的黑板上，就出现了一幅画得很概略的炸弹草图无独有偶，费米也做了同样的推测有一天，他望着狭长的曼哈顿岛将手握成一个拳头，自言自语地说，“只要像这样一颗小炸弹，这一切都会消失得无影无踪”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，同时释放出能量核裂变的发现无疑是释放原子能的一声春雷在此之前的人们对释放原子能的争议中，怀疑论者还占上风，不少人以为要打