原子核裂变

20世纪早期，物理学家们一直致力于研究当原子受到亚原子粒子轰击后将会发生什么样变化。一系列的实验使科学家认识到，在某些情况下，这种轰击能在核反应堆中通过原子核裂变释放出大量的能量，并可以用来发电。到2005年1月份，已有439座可控原子核反应堆分布在世界各地，核电量已占总发电量的16%。

大事记

1932年 考克劳夫特和沃尔顿建造了粒子加速器

1934年 约里奥-居里夫妇通过核轰击发现了放射性同位素

1936年 费米利用中子轰击各种原子核

1939年 哈恩和斯特拉斯曼鉴定出铀核裂变的产物

1942年 第一座原子核反应堆

1945年 第一颗原子弹试爆成功

1951年 核反应堆发电

1932年，英国物理学家约翰·考克劳夫特（1897～1967年）和爱尔兰物理学家欧内斯特·沃尔顿（1903～1995年）开始在英国剑桥大学的粒子加速器中进行高能质子实验。1934年，法国物理学家伊伦·约里奥-居里（1897～1956年）和弗雷德里克·约里奥-居里（1900～1958年）发现质子轰击有时会产生靶原子的放射性同位素。两年后，意大利裔美国物理学家恩里科·费米（1901～1954年）在罗马发现用中子 ——1932年由英国物理学家查德威克（1891～1974年）发现——在撞击原子时，比质子更有效。

这是考克劳夫特1932年在剑桥大学卡文迪许实验室粒子加速器（与沃尔顿共同建造）旁的照片。为了表彰他们的杰出研究，1951年克劳夫特和沃尔顿一起获得了诺贝尔物理学奖。

中子轰击通常会通过中子吸收产生更重的原子。但是，当费米轰击一些重元素，尤其是铀原子时，他发现会有更轻的原子核产生。1939年，德国物理学家奥托·哈恩（1978～1968年）和弗里兹·斯特拉斯曼（1902～1980年）确定轴轰击后的产物是只有原来一半质量的铀元素，他们由此证实了铀原子核已被打破，原子核裂变已经发生了。

同一年，瑞士斯德哥尔摩大学的奥地利女物理学家赖斯·梅特纳（1878～1968年）和她远在丹麦哥本哈根大学（当时与丹麦物理学家波尔一起工作）的侄子奥托·弗瑞士（1904～1979年）共同解释了原子核裂变问题——铀原子核吸收了一个中子后发生剧烈的摆动，然后分裂成两部分并释放出2×108电子伏（3.204×10-11焦耳）的能量。哈恩和斯特拉斯曼后来发现，除了产生大量能量之外，铀原子核裂变释放的中子会引发其他铀原子核裂变，由此引起的可能的链式反应将会释放出异常巨大的能量。这一结论后来被约里奥-居里夫妇和利奥·西拉德通过实验证明了。西拉德（1898～1964年）是匈牙利裔美国物理学家，当时和恩里科·费米一起研究可控核裂变反应，后来进入纽约哥伦比亚大学工作。

1942年，科学家在芝加哥大学正在观察原子核反应堆中的可控裂变链反应情况。因为辐射无法拍下当时的情景照，这是一位画家描绘的当初的情景。

铀会自然产生3种同位素，并且总是占相同的比例：铀-238（238U）占99.28%，铀-235（235U）占0.71%，铀-234（234U）占0.001%。波尔经过计算得出铀-235（235U）比其他两种同位素更易发生核裂变。这就意味着必须用一种方法分离出铀-235（235U）同位素，这种方法就是如今所知的“铀浓缩”技术。波尔还指出，如果中子被减慢，核裂变效应会更显著。西拉德和恩里科·费米建议用一种减速剂，如重水或石墨物质围绕铀，用来减缓中子速度。

1939年第二次世界大战爆发前两天，波尔和美国理论物理学家约翰·惠勒（1911年～2008）发表了一篇描述整个核裂变过程的论文。同样在1939年，法国物理学家弗朗西斯·佩兰（1901～1992年）提出，通过确保释放出足够多的中子撞击其他的铀核维持一个链式反应，就需要确定铀的“临界质量”。佩兰还认为，可以通过添加一种吸收中子（非减慢中子）的物质的方式来控制裂变的反应率。在英国工作的德裔物理学家鲁道夫·佩尔斯（1907～1995年）进一步发展了这些观点。1942年，恩里科·费米在芝加哥大学设计了世界上第一座原子核反应堆，12月2日开始运作。1951年，美国在爱达荷州瀑布附近的国家工程实验室建立了一座实验性增殖反应堆，并成为首座发电的核反应堆。

科学家已经意识到持续的核裂变反应可用于制造拥有巨大能量的炸弹。研制这种原子弹的工作已经在英国和美国悄然进行。1942年8月，这两个计划合并成著名的曼哈顿计划。1945年7月16日美国研制的第一颗原子弹在新墨西哥州试爆成功。

在苏联，这项研究在独立地推进，到1940年前苏联科学家也已认识了核裂变原理并认识到链式反应的可能性。直到1942年，斯大林才被说服苏联可以发展原子弹，一项由核物理学家伊格尔·库恰托夫（1903～1960年）领导的原子弹制造计划正式启动。1948年，前苏联第一座核反应堆开始运行，1949年8月，苏联第一颗原子弹爆炸。

知识链接

铀裂变

当一个原子核碎裂成两部分，并释放2～3个中子时，核裂变就发生了。有些重元素会经历自发的核裂变过程，其他元素则通过中子或质子轰击原子核引发核裂变。核裂变释放的能量等于将这些核子合在一起的能量。

慢中子撞击一个铀-235（235U）原子后，原子核吸收了慢中子而变成了铀-236（236U），并立即裂变成两轻核并同时释放出2～3个中子。如果释放的中子撞击其他235U原子核，就会引发后续的核裂变，那么就构成了一个核裂变链式反应。1千克的铀-235（235U）原子核裂变能释放出2万兆瓦时的惊人能量，相当于330万吨煤完全燃烧释放出的能量。