原子原子核物理的發(fā)展

關(guān)于原子原子核物理的發(fā)展一.原子模型的提出和發(fā)展“原子”一詞來(lái)自希臘文，含義是“不可分割的”。公元前四世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家德謨克利特(Democritus)提出了這一概念，并把它當(dāng)作物質(zhì)的最小單元。17世紀(jì)，通過(guò)卡文迪許和拉瓦錫等許多化學(xué)家的工作，發(fā)現(xiàn)了水可分解為氧和氫兩種元素；空氣是由氧、氫和氮等元素混合而成的，燃燒只不過(guò)是元素和氧起激烈反應(yīng)等等。隨著幾十種元素的發(fā)現(xiàn)，英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出了新的原子學(xué)說(shuō)。他認(rèn)為物質(zhì)是由許多種類不同的元素所組成，元素又由非常微小的，不可再分的、不能毀滅又不能創(chuàng)生的原子所組成。第2頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1807年，英國(guó)科學(xué)家約翰·道爾頓(JohnDalton)提出原子論。他認(rèn)為原子類似于剛性的小球，它們是物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)單元，是不可分割的。道爾頓用他的學(xué)說(shuō)說(shuō)明了化學(xué)中的物質(zhì)不滅定律等。道爾頓的原子說(shuō)是根據(jù)事實(shí)概括的結(jié)果，能夠用來(lái)研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古代原子說(shuō)更進(jìn)一步。第3頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天19世紀(jì)后半期，分子運(yùn)動(dòng)論有了進(jìn)一步發(fā)展，人們逐步建立起近代的原子分子學(xué)說(shuō)。但是原子分子是否存在，一直沒有用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，并證明了電子是各種元素的基本組成部分。1903年盧瑟福和化學(xué)家索迪合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種物質(zhì)可以變成另一種物質(zhì)，提出了原子自然衰變的理論。這些事實(shí)打破了道爾頓以來(lái)人們認(rèn)為原子不可再分割的觀念。1905年，愛因斯坦用分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)從理論上解釋布朗運(yùn)動(dòng)獲得成功，他還提出了測(cè)定分子大小的新方法。1908年，法國(guó)物理學(xué)家佩林按愛因斯坦的方法，用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了分子的大小，結(jié)果跟愛因斯坦預(yù)言的一致，終于在科學(xué)界確認(rèn)了現(xiàn)代分子原子學(xué)說(shuō)。第4頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相繼發(fā)現(xiàn)，如電子、X射線和放射性元素的發(fā)現(xiàn)表明原子是可以分割的，它具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。那么，原子是怎樣組成的？原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何？第5頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1898年，Thomson提出了“布丁模型”(也被稱為“西瓜模型”)。第6頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1903年，德國(guó)物理學(xué)家林納德(P.Lenard)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)“原子內(nèi)部是十分空虛的”。P.Lenard(1862~1947),1905年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。在P.Lenard的基礎(chǔ)上，長(zhǎng)岡半太郎(HantaroNagaoka)提出了原子的土星模型，認(rèn)為原子內(nèi)的正電荷集中于中心，電子繞中心運(yùn)動(dòng)，但他沒有深入下去。長(zhǎng)岡半太郎的土星模型第7頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天長(zhǎng)岡的土星模型HantaroNagaoka第8頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1909年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福(E.Rutherford)在他的學(xué)生蓋革(H.Geiger)和馬斯登(E.Marsden)的協(xié)助下，發(fā)現(xiàn)粒子轟擊原子時(shí)，大約每八千個(gè)粒子中有一個(gè)被反射回來(lái)。湯姆遜模型無(wú)法對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出解釋。盧瑟福根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果于1911年提出了原子的“核式結(jié)構(gòu)模型”(也被稱為“盧瑟福行星模型”)E.Rutherford，1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主，外號(hào)：鱷魚。原子核

電子

盧瑟福原子模型第9頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天盧瑟福的“核式結(jié)構(gòu)模型”可以解釋

粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此比湯姆遜模型更符合實(shí)際情況。第10頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第11頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天盧瑟福手跡第12頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天盧瑟福的“行星模型”的雖然可以解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但該模型卻無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性無(wú)法解釋氫原子光譜的規(guī)律。為了解釋上述問(wèn)題，盧瑟福的一個(gè)學(xué)生——丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾(NilesBohr)在盧瑟福的“行星模型”的基礎(chǔ)之上于1913年提出了原子的量子理論，即“玻爾模型”。+第13頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天玻爾的原子模型(Bohr’sAtom)尼爾斯·玻爾(NilesBohr)，丹麥人，二十世紀(jì)世界最偉大的物理學(xué)家之一，量子理論的主要奠基人。1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。第14頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進(jìn)。索末菲從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，將電子繞核軌道從單一的圓軌道，推廣到橢圓軌道。并且他還發(fā)現(xiàn)軌道在空間的取向也是量子化的，從而引入了主量子數(shù)、角量子數(shù)和磁量子數(shù)的概念。1920年索末菲又引入了第四個(gè)量子數(shù)。這第四個(gè)量子數(shù)直到1925年才被科學(xué)家弄清楚，原來(lái)是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。1925年泡利在研究四個(gè)量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個(gè)原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)(n,l,ml,ms)。利用玻爾、索末菲理論加上泡利不相容原理可以成功地解釋核外電子的排布。至此原子物理學(xué)完全建立了起來(lái)。第15頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天二.原子核的放射性原子核物理學(xué)的發(fā)展是和19世紀(jì)末以來(lái)原子物理學(xué)的發(fā)展交織在一起的。自1896年貝克勒耳發(fā)現(xiàn)鈾鹽的放射性之后，一些科學(xué)家著手尋找其他新的放射性元素。其中最有成就的數(shù)居里夫婦了，通過(guò)他倆的艱苦努力，發(fā)現(xiàn)了鐳和釙。另一些科學(xué)家著重研究放射性物質(zhì)放出的射線性質(zhì)以及射線和物質(zhì)本身的關(guān)系。研究工作也取得了累累碩果。盧瑟福弄清了放射性物質(zhì)放出射線含有三種成分，即α射線、β射線和γ射線。并弄清了α射線帶正電；β射線帶負(fù)電，γ射線不帶電。第16頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴(W.K.R?ntgen)發(fā)現(xiàn)X射線。

1896年1月20日，法國(guó)的著名數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭加勒(J.H.Poincare)在法國(guó)科學(xué)院的會(huì)議上介紹了X射線的發(fā)現(xiàn)情況。物理學(xué)家貝克勒爾與彭加勒對(duì)X射線的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了討論。彭加勒猜測(cè)X射線可能是伴隨著熒光發(fā)出的。2.1、放射性的發(fā)現(xiàn)第17頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二天，H.Becquere就開始對(duì)X射線與熒光的關(guān)系進(jìn)行研究。1896年2月24日他在一篇報(bào)告中描述到：他用兩張黑紙包住一張感光底片，在黑紙上放一塊鈾鹽板，然后一起放到太陽(yáng)光下曝曬幾小時(shí)。顯影之后，他發(fā)現(xiàn)在底片上留下了陰影······。這似乎“證明”了彭加勒的猜測(cè)······3月2日科學(xué)院又要開會(huì)，貝克勒爾想在會(huì)上報(bào)告自己的研究工作，所以準(zhǔn)備再做一次實(shí)驗(yàn)，但2月26日和27日巴黎是陰天，直到3月1日天仍然陰沉沉，太陽(yáng)始終沒露面。貝克勒爾因無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而感到沮喪，但沒想到卻因禍得福，證明了X射線和熒光沒關(guān)系。后來(lái)，貝克勒爾研究了不同狀態(tài)下的鈾鹽，他發(fā)現(xiàn)它們都具有相同的性質(zhì)，它們發(fā)出的是一種不同于熒光和X射線的新射線。5月18日，他報(bào)告了他的研究結(jié)果。人們把他發(fā)現(xiàn)的射線稱為“鈾射線”。第18頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天

貝克勒爾的發(fā)現(xiàn)由于居里夫婦的工作而得到了迅速的發(fā)展。1897年，居里夫人選擇放射性作為自己的博士論文題目。1898年，她斷定釷也是放射性元素。居里夫人相信，既然不止一種元素能自發(fā)地放出輻射，肯定它具有普遍性。就此，她提出了具有普遍意義的“放射性(Radioactivity)”這個(gè)嶄新的概念和術(shù)語(yǔ)。

居里夫人發(fā)現(xiàn)鈾礦渣中含有一種放射性比鈾還要強(qiáng)的未知元素，1898年7月居里夫人從瀝青鈾礦中提取出了一種新的放射性元素，并命名為釙(Polonium)。

發(fā)現(xiàn)釙之后，居里夫婦開始了科學(xué)史上最艱難、最悲壯同時(shí)也是最輝煌的鐳的提煉?？鄳?zhàn)四年之后，他們于1902年從數(shù)噸礦渣中提煉出了0.1克純鐳鹽(氯化鐳)，并測(cè)出了鐳的原子量。第19頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1903年，貝克勒爾、居里夫婦因放射性的研究被授予諾貝爾物理獎(jiǎng)。第20頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天居里夫人，原名瑪麗·斯可羅多夫斯卡(MarieSklodowska)，1867年誕生于波蘭華沙，1934年在法國(guó)逝世。曾獲1903年諾貝爾物理獎(jiǎng)和1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

第一位榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的女科學(xué)家；第一位兩度榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家；迄今為止，唯一的一位在兩個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域榮獲兩次諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。她和丈夫是第一對(duì)共同榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的夫妻。她還是一位偉大的母親，兩個(gè)女兒在她的培養(yǎng)教育下都學(xué)有所成。第21頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第22頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第23頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2α、β和γ射線的研究

1898年，盧瑟福在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)“鈾射線”的成份是復(fù)雜的，其中至少包含兩種不同的輻射，一種非常容易被吸收，他稱之為α射線；另一種具有較強(qiáng)的貫穿本領(lǐng)，稱之為β射線。他的這一成果發(fā)表于1899年。1900年，貝克勒爾通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定β射線就是高速電子。γ射線是由法國(guó)物理學(xué)家維拉德(PaulVillard)于1900年發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)被證實(shí)為一種高頻電磁輻射。1903年，盧瑟福利用自制儀器發(fā)現(xiàn)α射線在磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并從方向上斷定α射線粒子帶正電。1909年，盧瑟福以巧妙的方法從光譜上判斷出α粒子就是氦原子核。第24頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1913年索迪正確地歸納出放射性物質(zhì)衰變時(shí)的位移法則：放出α射線時(shí)，生成的元素在周期表里原子序數(shù)減少2。放出β射線時(shí)，原子序數(shù)增加1。同年，英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊通過(guò)對(duì)各種元素X射線特征譜的研究，指出原子序數(shù)就是原子核所帶正電荷數(shù)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)元素周期表構(gòu)造理論的發(fā)展起了相當(dāng)大的推動(dòng)作用。H.Moseley(1887-1915)第25頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天三.幾個(gè)著名的核反應(yīng)1902年，盧瑟福和化學(xué)家索迪(F.Soddy)合作，大膽地提出原子嬗變(atomtransmutation)假說(shuō)。該假說(shuō)認(rèn)為放射性物質(zhì)是由一些不穩(wěn)定的原子組成的，每單位時(shí)間都有確定的一部分原子通過(guò)發(fā)射(α、β和γ)射線而蛻變成其它元素；也就是說(shuō)，元素也有一個(gè)“進(jìn)化”過(guò)程。原子嬗變理論打破了“原子是不可分割的”哲學(xué)和化學(xué)思想，確立了元素之間可以轉(zhuǎn)換的觀念。在此之前，原子轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象僅限于天然范圍。人們自然會(huì)問(wèn)，是否有可能用人工的方法進(jìn)行原子轉(zhuǎn)變，以實(shí)現(xiàn)自古以來(lái)人類幻想的“點(diǎn)石成金”呢？第26頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1

歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)(導(dǎo)致質(zhì)子的發(fā)現(xiàn))1919年，盧瑟福繼承了他的老師湯姆遜的劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任的職務(wù)。同年他采用如下裝置利用212Po放出的α粒子去轟擊N原子，實(shí)現(xiàn)了歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)。第27頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天這是人類歷史上第一次人工實(shí)現(xiàn)的“點(diǎn)金術(shù)”，使一種元素轉(zhuǎn)變成了另一種元素。盧瑟福發(fā)現(xiàn)許多元素在α粒子轟擊下都可放射出“帶正電的氫原子”。因此認(rèn)為所有元素的原子核中都存在這種帶正電的粒子，并于1920年將其命名為“質(zhì)子(proton)，符號(hào)為p”。盧瑟福在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了下述核反應(yīng)：第28頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天

3.2導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)

1920年，盧瑟福提出了中子假說(shuō)，認(rèn)為原子核中除了質(zhì)子外，可能還存在一種由電子和氫核組成的不帶電的中性粒子，他稱為“雙子(doublet)”。

1930年，德國(guó)物理學(xué)家玻特(W.Bothe)和他的學(xué)生貝克爾(H.Becker)發(fā)現(xiàn)，用α粒子轟擊鈹9(9Be)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種穿透能力極強(qiáng)的中性射線，他們認(rèn)為這種中性射線是γ射線(實(shí)際上是中子！)

隨后不久，約里奧-居里夫婦也進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)，并讓反應(yīng)物打在含氫的石蠟上，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)子被從石蠟中擊出。他們認(rèn)為這是由γ光子引起的“康普頓效應(yīng)”。

就這樣，玻特和約里奧-居里夫婦都錯(cuò)過(guò)了發(fā)現(xiàn)中子的機(jī)會(huì)!

第29頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1932年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福的學(xué)生查德威克(J.Chadwick)重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)，并證明反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的中性射線是由一種質(zhì)量和質(zhì)子差不多的中性粒子組成的，他把這種中性粒子稱為中子(neutron)。查德威克因此被授予1935年Nobel物理獎(jiǎng)。J.Chadwick第30頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3第一個(gè)在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)1932年，英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的科克羅夫特(J.D.Cockcroft)和瓦爾頓(E.T.S.Walton)利用他們自己發(fā)明的“科克羅夫特

瓦爾頓加速器”加速質(zhì)子，然后轟擊鋰，實(shí)現(xiàn)了下述核反應(yīng)(二人因此榮獲1951年Nobel物理獎(jiǎng))：在這一反應(yīng)中輸入的能量是0.5MeV，輸出能量為17.8MeV。這表明從原子核中可以釋放出能量。CockcroftWalton第31頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.4產(chǎn)生第一個(gè)人工放射性核素的反應(yīng)

1934年，約里奧-居里夫婦發(fā)表文章宣布觀察到了人工放射現(xiàn)象，他們完成了如下核反應(yīng)：磷30不穩(wěn)定，通過(guò)放射性衰變轉(zhuǎn)變?yōu)楣?0：第32頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天人工放射性的發(fā)現(xiàn)，為人類開辟了一個(gè)新領(lǐng)域。從此，科學(xué)家們不必再只依靠自然界的天然放射性物質(zhì)來(lái)研究問(wèn)題，大大地推動(dòng)了核物理學(xué)的發(fā)展。約里奧-居里夫婦因此于1935年被授予Nobel化學(xué)獎(jiǎng)。第33頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天四.重核的裂變和輕核的聚變4.1費(fèi)米的中子實(shí)驗(yàn)

一代物理大師費(fèi)米(EnricoFermi,1901-1954)出生于意大利，25歲時(shí)就當(dāng)上了羅馬大學(xué)物理系教授，1938年榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。在他的努力下，羅馬在二十世紀(jì)三十年代成了世界上又一個(gè)物理學(xué)研究中心。4.1.1“超鈾元素”之謎

1934年，約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性的消息傳到羅馬，使費(fèi)米想到用中子作為入射粒子要比α粒子有效得多。(這是因?yàn)橹凶硬粠щ姡粫?huì)受到強(qiáng)的電的斥力阻止它進(jìn)入原子核內(nèi)。)他按元素周期表的順序依次轟擊各種元素，看一看哪些元素可產(chǎn)生人工放射性。第34頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1934年5月，費(fèi)米研究組用中子轟擊當(dāng)時(shí)周期表上的最后一個(gè)元素鈾得到了一種半衰期為13分鐘的放射性產(chǎn)物。經(jīng)分析這種產(chǎn)物不屬于從鉛到鈾之間的那些元素。費(fèi)為認(rèn)為有可能是產(chǎn)生了“超鈾元素”(原子序數(shù)大于92的元素叫超鈾元素)，但他沒有完全確定。(實(shí)際上是鈾235分裂成了兩個(gè)中等原子序數(shù)的元素的同位素)。“超鈾元素”的問(wèn)題歷經(jīng)四、五年也未被研究清楚，但在此其間卻有好幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)“證實(shí)”了費(fèi)米的推測(cè)?！俺櫾亍钡恼f(shuō)法竟然在一段時(shí)間內(nèi)得到了公認(rèn)。只有一位名叫伊達(dá)

諾達(dá)克(EdaNoddack)的年輕的德國(guó)女化學(xué)家對(duì)“超鈾元素”表示懷疑，她在1934年9月發(fā)表文章說(shuō)：“可以想象，當(dāng)重核被子中子轟擊時(shí)，該核可能分裂成幾大塊，這些裂片無(wú)疑將是已知元素的同位素，而不是被轟擊的元素的近鄰?！钡皇亲隽瞬聹y(cè)，既沒做實(shí)驗(yàn)，也沒分析他人的結(jié)果。第35頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.1.2慢中子的作用1934年10月，費(fèi)米的同事阿瑪爾迪(E.Amaldi)等人把中子源放入銀質(zhì)圓筒，再把圓筒置于鉛盒里。他們發(fā)現(xiàn)銀產(chǎn)生的放射性并不總是一樣的，當(dāng)把圓筒放在鉛盒中央或一角時(shí)，它就有所不同。費(fèi)米建議在鉛盒外邊輻照?qǐng)A筒，看會(huì)出現(xiàn)什么情況。他們發(fā)現(xiàn)圓筒周圍的東西似乎會(huì)影響它的放射性。例如，若把它放在木桌上用中子輻照，它產(chǎn)生的放射性就要比它放在一塊金屬上時(shí)更大。他們把中子源放在圓筒外面，并在二者之間插入鉛板，發(fā)現(xiàn)放射性略微增加，費(fèi)米提出用石蠟把中子源和銀筒隔開，看看結(jié)果如何。1934年10月22日，他們?cè)谝淮髩K石蠟中挖出一個(gè)空穴，然后把中子源放入空穴里輻照銀筒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)放射性提高了100倍。第36頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天費(fèi)米利用午休時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為是石蠟中存在氫原子，而氫核正是一個(gè)質(zhì)子，其質(zhì)量與中子幾乎相等，中子與氫核發(fā)生彈性碰撞，速度大大降低，被銀原子核俘獲的機(jī)會(huì)增多，因此放射性產(chǎn)物也將大大地增加。為了驗(yàn)證費(fèi)米的想法，他們又把實(shí)驗(yàn)裝置放入了物理系主任私人花園的水池中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果放射性也加強(qiáng)了，證明了費(fèi)米的慢中子推斷。

當(dāng)晚他們?cè)诎敔柕霞抑芯蹠?huì)，

女傭偷偷問(wèn)主人“客人們是否都喝醉了”。

慢中子作用的研究具有重要意義，因?yàn)槁凶颖瓤熘凶痈苡行У卣T發(fā)核反應(yīng)，是核裂變尤其是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基礎(chǔ)?？蓱z的魚兒，不知不覺中竟無(wú)端遭受了“核武器”的攻擊！第37頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.2重核裂變的發(fā)現(xiàn)

1937年，伊倫娜

居里和薩維奇(P.Savitch)在用中子輻照鈾鹽時(shí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有一種物質(zhì)很象鑭。1938年5月他們發(fā)表文章說(shuō)：“用中子輻照的鈾中，產(chǎn)生了一種放射性元素，

其化學(xué)性質(zhì)很象鑭。

它或許也是一種超鈾物質(zhì)，但我們暫還未確定其原子序數(shù)?！币羵惸?/p>

居里錯(cuò)過(guò)了裂變的發(fā)現(xiàn)！德國(guó)化學(xué)家哈恩(OttoHahn)看到了伊倫娜

居里的文章，認(rèn)為她搞錯(cuò)了，就和助手斯特拉斯曼(F.Strassmann)立即重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)。1938年12月中旬，他們經(jīng)分析確認(rèn)產(chǎn)物中存在鋇。第38頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天哈恩隨后寫信向已逃往瑞典的以前的合作者梅特納報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果。梅特納看到信后很驚訝，她和外甥弗里希(OttoFrisch)給出了這一過(guò)程的理論解釋：1939年1月6日哈恩發(fā)現(xiàn)核裂變的論文在德國(guó)《Naturwissenschaften》上發(fā)表，作者署名為哈恩和斯特拉斯曼?？吹焦鞯奈恼轮?，弗里希又利用云室觀察到了核分裂的情況，并提出了“核裂變(nuclearfission)”一詞。后來(lái)他和梅特納聯(lián)名發(fā)表論文給出了重核裂變的理論解釋，并報(bào)告了弗里希的實(shí)驗(yàn)情況。

“鈾核好比是一個(gè)時(shí)刻顫動(dòng)的液滴，當(dāng)一個(gè)慢中子擊中它時(shí)，核就振動(dòng)起來(lái)并有可能被拉長(zhǎng)，拉長(zhǎng)了的核液滴更易于受到內(nèi)部的電的斥力作用，兩個(gè)小核液滴互相排斥，越離越遠(yuǎn)，最終中間斷裂，成為兩個(gè)小核?！彼麄冾A(yù)言是鋇和氪。此外，梅特納還根據(jù)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量不同，計(jì)算出了反應(yīng)中放出的巨大能量。第39頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天NuclearFission第40頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第41頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天哈恩(OttoHahn,1879-1968)是德國(guó)化學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)核裂變而榮獲1944年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1912年10月23日德國(guó)國(guó)皇帝威廉二世到哈恩所在的研究所參觀，哈恩多少有些炫耀地把他發(fā)現(xiàn)的一種鐳的同位素呈獻(xiàn)給皇帝看，皇帝看到這種放射性物質(zhì)的輝光之后龍顏大悅(當(dāng)時(shí)人們還不知道放射性對(duì)人體有害)，年輕的哈恩為此十分得意。50年后他回憶起這件事時(shí)后怕地說(shuō)：“假如今天我干出這件蠢事，肯定會(huì)被投進(jìn)監(jiān)獄！”斯特拉斯曼(FritzStrassmann)，德國(guó)化學(xué)家，曾協(xié)助哈恩發(fā)現(xiàn)核裂變。第42頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天弗里希(OttoFrisch)，梅特納的外甥，著名的核物理學(xué)家。著名核物理學(xué)家麗斯

梅特納(LiseMeitner,1878-1968)，1878年出生于奧地利維也納，猶太人，維也納大學(xué)歷史上第一個(gè)女物理學(xué)博士。她長(zhǎng)期在德國(guó)工作，由于才華出眾，被稱為“德國(guó)的居里夫人”。她在一戰(zhàn)期間上過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)；二戰(zhàn)之前被迫逃往瑞典；最后定居英國(guó)。由于當(dāng)時(shí)對(duì)婦女的偏見，她直到一戰(zhàn)之后才得以在柏林大學(xué)擔(dān)任教職，1922年才獲得講課的權(quán)利······第43頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第44頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天梅特納長(zhǎng)期與哈恩合作，為核裂變的研究做出了卓越的貢獻(xiàn)，但由于各種偏見，她一直被拒之于諾貝爾獎(jiǎng)的殿堂之外。為了紀(jì)念她，人們把109號(hào)元素命名為Meitnerium(符號(hào)Mt)。第45頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1946年底，中國(guó)物理學(xué)家錢三強(qiáng)與何澤慧在法國(guó)居里實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了核裂變的三分裂現(xiàn)象，即裂變碎塊有三塊(其中之一往往是粒子)。不過(guò)，這種過(guò)程的幾率很小，約為二分裂的千分之三。幾天后，何澤慧給錢三強(qiáng)送畢業(yè)照······，她等待著他的話語(yǔ)，但是，他只是低著頭看照片······。

她欲言又止，竟然哼起了錢三強(qiáng)喜愛的那首《滿江紅》：“怒發(fā)沖冠，憑欄處，蕭蕭雨歇······”歌聲停了，人也走了······

臨近畢業(yè)的一天，何澤慧落落大方地走到錢三強(qiáng)的書桌前，默默地坐在他的對(duì)面，

“你畢業(yè)以后干什么？”錢三強(qiáng)一時(shí)語(yǔ)塞，

何澤慧生氣地向門口走去，不過(guò)她又停了下來(lái)，回身望著錢三強(qiáng)，良久，才轉(zhuǎn)身離去

錢三強(qiáng)是一代國(guó)學(xué)大師錢玄同的次子，1932年他與何澤慧一同考入清華大學(xué)物理系，成為同班同學(xué)。1936年畢業(yè)時(shí)，何澤慧畢業(yè)論文奪得全班最高分，錢三強(qiáng)第二。第46頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1946年，二戰(zhàn)結(jié)束后的第一個(gè)春天，何澤慧從德國(guó)來(lái)到巴黎，他們?nèi)缙谂e行了婚禮。約里奧-居里向新郎、新娘祝賀新婚······

1936年畢業(yè)后，錢三強(qiáng)到北平物理研究所工作。1937年他來(lái)到巴黎大學(xué)鐳學(xué)研究所居里實(shí)驗(yàn)室?guī)煆募s里奧-居里夫婦，并于1940年獲博士學(xué)位。此后，先后在里昂大學(xué)和居里實(shí)驗(yàn)室工作。何澤慧大學(xué)畢業(yè)后于1936年赴德國(guó)柏林工業(yè)東西讀研究生，研究彈道學(xué)，于1940年獲工學(xué)博士學(xué)位。隨后到海德堡大學(xué)工作，在博特(WaltherBothe,1954年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主)指導(dǎo)下，于1945年從云室中發(fā)現(xiàn)了正電子和負(fù)電子之間的彈性碰撞現(xiàn)象，1946年英國(guó)《Nature》雜志稱之為“科學(xué)珍品”。

婚后不久，二人一起發(fā)現(xiàn)了核裂變的三分裂現(xiàn)象，何澤慧還首先觀察到了四分裂現(xiàn)象；約里奧-居里認(rèn)為這是第二次世界大戰(zhàn)之后他的實(shí)驗(yàn)室里的一個(gè)重要成就。他們因此被譽(yù)為“中國(guó)的居里夫婦”。第47頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天“中國(guó)的居里夫婦”錢三強(qiáng)何澤慧第48頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.3鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1939年3月中旬，在美國(guó)工作的著名物理學(xué)家西拉德(LeoSzilard)和費(fèi)米(他利用領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)的機(jī)會(huì)于1939年初舉家逃到美國(guó))先后證實(shí)鈾核裂變時(shí)可以釋放出兩個(gè)以上的中子。這表明核裂變時(shí)有可能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(ChainReaction)是指：當(dāng)一個(gè)中子擊中鈾核時(shí)，鈾核裂變，釋放出大量能量，同時(shí)還會(huì)放射出兩到三個(gè)中子，這些中子又會(huì)誘發(fā)新的裂變，這樣不斷進(jìn)行下去，直到全部鈾原子裂變完為止。第49頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第50頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天ControllableChainReaction第51頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1941年底，在物理學(xué)家康普頓(ArthurCompton)的組織協(xié)調(diào)下，費(fèi)米主持了原子反應(yīng)堆的建造和實(shí)驗(yàn)。要實(shí)現(xiàn)可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

第一，要有合適的減速劑，把快中子轉(zhuǎn)變?yōu)槁凶印Ｖ厮?D2O)效果雖好，但太難以制備。費(fèi)米和西拉德建議用石墨(即碳，C)。第二，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)速度，使裂變既能不斷進(jìn)行，又不致引起爆炸。費(fèi)米他們利用鎘棒(Ge)吸收中子來(lái)控制反應(yīng)速度。

著名物理學(xué)家西拉德(LeoSzilard1898-1964)，出生于匈牙利。他愛好廣泛，在原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及原子彈的研制過(guò)程中起到了重要的作用。是“實(shí)際的原子彈之父”。

康普頓(ArthurCompton,1892-1962)，美國(guó)著名物理學(xué)家，因?qū)灯疹D效應(yīng)的研究而被授予1927年諾貝爾物理獎(jiǎng)。第52頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天費(fèi)米和西拉德設(shè)計(jì)了立方點(diǎn)陣式的原子核反應(yīng)堆，它是由鑲嵌著鈾原料的石墨板和完整的石墨板交替堆放而成的。費(fèi)米選擇芝加哥大學(xué)內(nèi)一個(gè)體育場(chǎng)看臺(tái)下的網(wǎng)球場(chǎng)作為試驗(yàn)場(chǎng)。反應(yīng)堆1942年11月16日動(dòng)工，12月1日建成。1942年12月2日，在費(fèi)米的指揮下核反應(yīng)堆平穩(wěn)地運(yùn)行了28分鐘，人類完成了第一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

第一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的完成，標(biāo)志著人類終于實(shí)現(xiàn)了原子能的可控釋放，開始了原子能利用的新紀(jì)元！第53頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天左上：原子核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)和原理示意圖右上：第一個(gè)原子核反應(yīng)堆鈾層與石墨層的構(gòu)造下：第一個(gè)原子反應(yīng)堆外觀草圖第54頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一座原子核反應(yīng)堆的建造情況(下圖)和第一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景(右圖)。共有42人參加了人類第一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)驗(yàn)：費(fèi)米擔(dān)任總指揮；韋爾(G.L.Weil)操控鎘棒；三個(gè)熱血青年組成“敢死隊(duì)”，嚴(yán)陣以待，以防不測(cè)······第55頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第56頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天"TheItaliannavigatorhaslandedintheNewWorld,"saidCompton."Howwerethenatives?"askedConant."Veryfriendly."反應(yīng)堆運(yùn)行得出乎意料地安靜、平穩(wěn)，在場(chǎng)的唯一一位女士萊昂哪·伍茲(LeonaWoods)忍不住走到費(fèi)米面前，以一種毫無(wú)畏懼的聲調(diào)悄悄地問(wèn)：“我們什么時(shí)候才能被嚇一大跳呢？！”······實(shí)驗(yàn)結(jié)束，維格納(EugeneWigner,1902~1995,1963年獲諾貝爾物理獎(jiǎng))取出一瓶意大利基安蒂(Chianti)酒和紙杯，在場(chǎng)的人都喝了慶功酒，并在酒瓶的包裝盒上簽了名。一個(gè)名叫瓦坦伯格(A.Wattenberg)的青年物理學(xué)家收起了那個(gè)著名的基安蒂酒瓶······，十年后······實(shí)驗(yàn)成功，康普頓用暗語(yǔ)向上級(jí)康南特先生(J.B.Conant)進(jìn)行了匯報(bào)：第57頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天Backrow,lefttoright,NormanHilberry,SamuelAllison,ThomasBrill,RobertG.Nobles,WarrenNyer,andMarvinWilkening.Middlerow,HaroldAgnew,WilliamSturm,HaroldLichtenberger,LeonaWoodsMarshall,andLeoSzilard.Frontrow,EnricoFermi,WalterH.Zinn,AlbertWattenberg,andHerbertL.Anderson.第58頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天豎立在芝加哥大學(xué)體育場(chǎng)上的紀(jì)念碑銅牌

“1942年12月2日人類在此完成了第一次

自持的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，開始了受控的核能釋放?！钡?9頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.4輕核的聚變第60頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、原子彈簡(jiǎn)史第61頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.1原子彈大事記裂變發(fā)現(xiàn)之后，西拉德因擔(dān)心納粹德國(guó)研制核武器而憂心重重，他和維格納認(rèn)為有必要提醒美國(guó)和比利時(shí)政府關(guān)注鈾研究。

10月11日一位和西拉德有過(guò)交往的經(jīng)濟(jì)學(xué)家薩克斯(AlexanderSachs)把這封信交給了羅斯福。隨后，美國(guó)成立了一個(gè)鈾顧問(wèn)委員會(huì)。

1939年8月2日，西拉德、維格納和特勒(EdwardTeller,1908-2003)得到了愛因斯擔(dān)簽名的致美國(guó)總統(tǒng)羅斯福的一封信。3月7日，愛因斯坦再次致信羅斯?？偨y(tǒng)，提醒美國(guó)政府應(yīng)加速進(jìn)行鈾的研究。4月5日，羅斯福決定擴(kuò)大、改組鈾顧問(wèn)委員會(huì)。1940年第62頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第63頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天2月，弗里希和佩爾斯(RudolfPeierls)向英國(guó)政府提交了一份關(guān)于核研究和原子彈的報(bào)告，此即著名的弗里希-佩爾斯報(bào)告。1940年4月，英國(guó)政府成立了一個(gè)負(fù)責(zé)核研究的委員會(huì)。為了保密該委員會(huì)于6月底改名為“Maud委員會(huì)(MaudCommittee)”。MaudCommittee的來(lái)歷：玻爾于德軍占領(lǐng)丹麥的第二天(4月10日)給弗里希發(fā)了份電報(bào)，告之他在哥本哈根一切平安，并勸弗里希留在英國(guó)

。電報(bào)結(jié)尾令弗里希琢磨不透：“TellCockcroftandMaudRayKent.”

由此，MaudRay小姐的名字被載入史冊(cè)！第64頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天12月6日，美國(guó)政府決定全力實(shí)施原子彈研制計(jì)劃。1942年8月該計(jì)劃改稱“曼哈頓工程(ManhattanProject)”。從此，原子彈研制項(xiàng)目走上了快速發(fā)展的軌道。1941年9月，格羅夫斯(LeslieGroves)準(zhǔn)將被任命為曼哈頓工程的行政領(lǐng)導(dǎo)人。他聘請(qǐng)奧本海默(RobertOppenheimer)為科研工作領(lǐng)導(dǎo)人。12月2日，費(fèi)米建成第一個(gè)核反應(yīng)堆，完成第一個(gè)可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。1942年著名物理學(xué)家、“原子彈之父”羅勃特·奧本海默第65頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天8月，玻爾向羅斯福提交報(bào)告，建議對(duì)核武器的研制進(jìn)行國(guó)際監(jiān)督與控制。

1944年7月16日，美國(guó)在新墨西哥州成功引爆世界上第一枚原子彈(瘦子)。8月6日，小男孩(一顆鈾原子彈)在日本廣島爆炸，80000-140000人死于非命。8月9日，胖子(一顆钚原子彈)在日本長(zhǎng)崎爆炸，74000無(wú)辜平民被殺。8月15日，日本投降。1945年8月29日，蘇聯(lián)爆炸第一顆原子彈，美蘇核軍備競(jìng)賽正式開始。1949年第66頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天LittleBoySpecificationsLength:3.2metersDiameter:74cmWeight:4400kgYield:12.5Kilotons第67頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天FatManSpecificationsLength:3.25metersDiameter:1.5mWeight:4899kgYield:22kilotons第68頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第69頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第70頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天7月9日，《羅素-愛因斯坦宣言》發(fā)表。7月15日，51位諾貝爾獎(jiǎng)得主簽名的《麥瑙宣言》發(fā)表。10月3日，英國(guó)第一枚原子彈在MonteBelloIslands爆炸。10月31日，在特勒的領(lǐng)導(dǎo)下美國(guó)在馬紹爾群島中的恩尼威托克環(huán)礁(EniwetokAtoll)引爆第一個(gè)熱核聚變裝置(氫彈)。1952年8月12日，蘇聯(lián)在西伯利亞爆炸一顆氫彈，但有人認(rèn)為不是“真正意義上的”氫彈。1953年3月1日，美國(guó)在比基尼環(huán)礁(BikiniAtoll)爆炸了第一顆可運(yùn)載的氫彈。放射雨襲擊了附近島嶼和漁船。1954年第71頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1955年11月22日，蘇聯(lián)第一顆真正的氫彈爆炸成功。1957年5月15日，英國(guó)在圣誕島爆炸首枚氫彈。1959年6月，蘇聯(lián)背信棄義單方面撕毀中蘇關(guān)于國(guó)防新技術(shù)的協(xié)定。1959年7月，中共中央決定：自己動(dòng)手，從頭摸起，準(zhǔn)備用8年時(shí)間把原子彈造出來(lái)。1960年2月13日，法國(guó)在撒哈拉沙漠完成首次核試驗(yàn)。1962年7月，古巴導(dǎo)彈危機(jī)爆發(fā)。1964年10月16日，中國(guó)第一顆原子彈爆炸成功。1967年6月17日，中國(guó)第一顆氫彈爆炸成功。1968年8月24日，法國(guó)爆炸第一顆氫彈。第72頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第73頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天第74頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天兩彈元?jiǎng)?、“中?guó)的奧本海默”、著名物理學(xué)家鄧稼先(1924~1986)“中國(guó)的氫彈之父”、著名物理學(xué)家于敏第75頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天1970年3月，《不擴(kuò)散核武器條約》正式生效(美、英、蘇等國(guó)于1968年7月簽署該條約)。1982年8月，97位諾貝爾獎(jiǎng)得主簽名發(fā)表《核戰(zhàn)爭(zhēng)的危險(xiǎn)》。1991年，蘇聯(lián)解體，超級(jí)大國(guó)軍備競(jìng)賽結(jié)束。1993年底，聯(lián)合國(guó)通過(guò)《禁止生產(chǎn)武器用裂變材料》決議。1996年9月，聯(lián)合國(guó)通過(guò)《全面禁止核試驗(yàn)條約》。1998年5月，印度在24小時(shí)之內(nèi)連續(xù)進(jìn)行了5次核試驗(yàn)；巴基斯坦隨即回應(yīng)以兩天之內(nèi)6次核試驗(yàn)。2003年9月9日，著名物理學(xué)家、原子時(shí)代的代表人物之一、“氫彈之父”愛德華

特勒(EdwardTeller)走完充滿傳奇而富有爭(zhēng)議的一生，辭別人世。第76頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天著名物理學(xué)家愛德華

特勒(EdwardTeller)，1908年生于匈牙利。從小就“與眾不同”：三歲時(shí)竟連一個(gè)完整的單詞也說(shuō)不出來(lái)，外祖父無(wú)奈地對(duì)特勒的父母說(shuō)：這個(gè)孩子腦袋可能有毛病，你們要有思想準(zhǔn)備

八、九歲時(shí)還不會(huì)獨(dú)立地穿衣、穿襪二十歲時(shí)在德國(guó)Munich上大學(xué)期間，在和同學(xué)的一次郊游中失去右腳

第77頁(yè),共87頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.2德國(guó)為什么沒有研制出原子彈為了收集德國(guó)原子武器方面的情報(bào)，美國(guó)最高統(tǒng)帥部于1943年秋天成立了一個(gè)代號(hào)為“阿爾索斯(Alsos)”的特別偵察隊(duì)。為了便于工作，隊(duì)長(zhǎng)帕什上校把著名物理學(xué)家古茲米特(S.A.Goudsmit)吸收進(jìn)了該組織。古茲米特(1902-1978)，荷蘭著名物理學(xué)家。1925年，烏侖貝克(G.Uhlenbeck,1900-1974)(左)和古茲米特(右)在讀研究生期間就提出了電子“自旋(spin)”的概念。第78頁(yè)