世界现代后期科技史-第16章
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铀相邻的元素，而是几种与铀相距甚远的放射性同位素。尽管他们对实验结
果深信不疑，但由于与已有的一些结论相悖，因此，他们在准备正式公布实
验结果的文章中使用了以下的谨慎措辞：“作为这些研究的结果，我们必须
把我们以前的蜕变图式中所得到的那些物质的名称更改一下，我们以前称为
镭、锕和钍的，应改为钡、镧和铈。作为同物理学家关系密切的核化学家，
要做出这样一个结论，我们是十分勉强的，因为它同以前的核物理学全部经
验都发生矛盾。”他们对自己的结论总觉得犹豫、疑惑，甚至把文章投入信
箱后还想从中再拿出来。他们的文章于1939年1月6日发表了。
论文发表之前，哈恩先把实验结果和存在的疑难问题通告给与他共事30
多年的麦特纳。这位女物理学家收到信后很激动，她深知这位长期合作者工
作的准确性和严肃性，她意识到哈恩的实验结果意义重大。
麦特纳经过认真思索后，提出了一个大胆的设想，她认为，铀的稳定性
很小，铀核俘获中子后可能分裂成大小相近的两个原子核。当时，她的侄子
弗瑞士正好利用圣诞节的休假从哥本哈根玻尔的研究所前来看望她。他们两
人一连几天对哈恩的实验结果进行了激烈的讨论。
他们想到了玻尔当时刚刚提出的原子核液滴模型。这是早期的一种原子
核模型，它把原子核比作一个液滴，将核子即中子和质子比作液滴中的分
子。液滴受扰动就会活动起来，参与扰动的能量足够大，液滴就有可能分裂
为更小的水滴。运用玻尔的液滴核模型，他们对哈恩的实验作如下解释：外
来的中子闯入原子核时，这个“液滴”即发生剧烈震荡，开始变成椭圆，然
后变为哑铃形，最后分裂为两半。
他们把这种类似细胞分裂的过程称为核分裂。麦特纳又对反应前后物质
的原子量进行了分析比较，发现铀核分裂后生成物的原子量总和不等于铀的
原子量，而是小于铀的原子量。她称这种现象为“质量亏损”。根据爱因斯
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坦的质能关系式，她计算出，每个铀原子核裂变时，因质量亏损而释放出的
能量应为200兆电子伏。与只能释放几个电子伏的化学反应相比，铀核裂变
释放的能量大得惊人。
弗瑞士返回哥本哈根后，把他们姑侄二人对哈恩实验结果的分析告诉了
玻尔。玻尔听说自己的原子核液滴模型可以很好地解释哈恩的实验，感到非
常兴奋，并责备自己为什么这么久未能发现这一点。他建议弗瑞士对铀核分
裂所释放的能量进行测定。弗瑞士很快拿出了实验结果，并完全证实了麦特
纳的分析。
1939年2月，麦特纳与弗瑞士一起在《自然》杂志上发表了论文，解释
了哈恩的实验结果，并指出，因质量亏损，核分裂必然伴随着巨大的能量释
放。
在弗瑞士的实验尚在进行中时，玻尔已前往华盛顿参加第五届理论物理
会议。玻尔在途中进行了深入的思考和计算，确信麦特纳对哈恩实验的解释
是正确的。会前，他便写好了一篇对重核裂变的机制进行评论的文章，题目
是“重核的分裂”。
当玻尔在会上介绍了哈恩的实验和麦特纳姑侄二人的解释后，铀核分裂
的消息引起了强烈的反响，一些物理学家赶紧打电话通知自己的实验室安排
实验，有的则立即赶回自己的实验室。当晚，卡奈学院、哥伦比亚大学、霍
普金斯大学等的实验室都进行了同样的实验。重核裂变的现象和理论解释很
快获得了世界的承认，哈恩因发现重核裂变的实验而获得1944年诺贝尔奖。
费米的妻子是犹太血统。为了躲避法西斯匪徒的迫害，费米利用 1938
年11月到瑞典接受诺贝尔奖的机会，携带全家离开德国。1939年初到了美
国，在哥伦比亚大学任教。他从玻尔那里得知核裂变的消息后，终于明白了
他用慢中子轰击铀核时得到的所谓“第93号元素”，实际上是核裂变的生
成物。他为自己当时错过了一次重大发现的机会，感到十分遗憾，要不然，
核裂变的现象可以提前4年得到发现。不过，费米没有沉浸于懊悔中，他从
验证麦特纳的解释中发现了另一个非常重要的问题，那就是，核裂变过程中
能否产生更多的中子。如果铀核分裂时，能放出两个以上的中子，这些中子
将作用于其他铀核，使它们再发生分裂，于是，有4个中子，又会有8个中
子……，如此下去，形成“链式反应”，铀核裂变便会自发地进行下去，并
在极短的时间释放出极大的能量。
其他科学家如约里奥—居里夫妇以及移居在美国的匈牙利青年物理学
家西拉德（1898—1964）也都思考了这个问题，他们和费米都很快地进行了
证实。实验表明，铀核分裂约产生3。5个中子，“链式反应”的速度极高，
两次反应的间隔只有五十万亿分之一秒。1939年春，费米和约里奥—居里夫
妇分别在《自然》和《物理学评论》上发表论文，介绍了他们的实验结果。
3．曼哈顿工程——第一批原子弹的研制
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重核裂变和链式反应的理论和实验为开发和利用核能准备了条件，同
时，科学家们也看到了利用这种科学研究成果制造威力无比的战争武器的可
能性。
1939年春，第二次世界大战爆发在即，有消息表明，德国在实现重核裂
变后正组织力量进行链式反应的研究。西拉德等科学家意识到，如果纳粹德
国首先研制成功原子武器，对世界文明的威胁将是多么巨大。他们积极活
动，提议美国和欧洲的科学家共同保守有关核裂变和链式反应的秘密，并设
法提醒美国政府和军方重视原子能研究的重大意义。
1939年3月17日，费米带着哥伦比亚大学物理系主任乔治·彼格拉姆
的介绍信去拜会了美国海军军械部长胡泊上将。同他讨论了制造原子弹的可
能性，但没有产生多大影响。后来，西拉德起草了一封要求美国政府赶快研
制原子弹的信，出于对全人类命运的担忧，爱因斯坦在这封信上签了名。西
拉德设法通过经济学家萨克斯博士来呈递这封信。萨克斯是罗斯福总统的朋
友和顾问，1939年10月11日，他亲自将信交给了罗斯福。
罗斯福对政府当时马上就出面干预此事，尚犹豫不决。后来，萨克斯用
拿破仑最终失败的历史教训说服了罗斯福。萨克斯向罗斯福讲述了拿破仑和
富尔顿（1765—1815）的故事：美国发明家富尔顿于19世纪初研制成以蒸
汽为动力的轮船，他曾建议拿破仑建立一只由蒸汽舰艇组成的舰队，认为
这样的舰队不论在什么天气下都能在英国登陆。但拿破仑觉得，军舰不用挂
帆是不可思议的事情，竟把富尔顿赶了出去，英国历史学家阿克顿爵士后来
评论说，这是由于敌人缺乏见识而使英国得以幸免的一个例子，如果当时拿
破仑稍稍动一动脑筋，再慎重考虑一下，那么，19世纪的历史进程也许完全
会是另外一个样子。罗斯福总统终于被萨克斯的一番话打动了，并指示，对
西拉德等人信中所提的事要立即采取行动！不久，一个专门的“铀顾问委员
会”便成立了。
1941年12月6日，在珍珠港事件的前一天，美国科学研究发展总局局
长宣布了全力以赴地制造原子弹的决定。1942年，盟国的原子能计划进入一
个崭新的阶段，美国原子能研究的最高控制权也转移到了军政委员会。是年
8月13日，研制原子弹的全部计划为保密而取名“曼哈顿工程”。刚刚晋升
为准将的职业军人格罗夫斯被任命为工程的行政负责人。格罗夫斯曾接受过
工程教育和专门的军事教育，具有组织和领导大规模工程的丰富经验，是组
织才能很强的领导者。该计划集中了理论物理、数学、辐射化学、实验技术、
冶金、爆炸工程、精密测量等方面的著名科学家和专家，包括费米、康普顿
（1892—1962）、冯·诺依曼、劳伦斯（1901—1958）、尤里（1893—1981）、
奥本海默 （1904—1967）等。
制造原子武器在理论上虽已没有疑问，但从理论知识到工程实践，从科
学家的实验室到制出实物还需要进行大量的应用研究、工程研究和生产工艺
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等方面的研究，要解决许多极为复杂的技术问题，而且，需要大规模有组织
的协作和投入大量的人力、物力和财力，这些在和平时期是很难想象的。战
争的形势促成美国研制原子武器，希特勒在欧洲的法西斯暴行迫使当时世界
上许多最优秀的科学家云集到美国，这些都构成了美国研制原子弹的优越条
件。
当时的有关实验证实，在天然铀中主要有铀235和铀238两种成分，两
者比例为1比140。铀235在中子作用下能够发生裂变，慢中子可增加其裂
变的机会，而中子不能使铀238裂变，相反被铀238俘获。要保证链式反应
的继续，当时有两种办法：一是把铀235从天然铀中分离出来提高其浓度；
另一种就是使铀核分裂后新生的快中子迅速减慢速度成为慢中子，使铀235
裂变的机会大大超过中子被铀238俘获的机会。研究表明，石墨是很好的减
速剂，在以石墨为减速剂有足够天然铀的反应堆中能实现链式反应。但是，
要在原子武器里实现链式反应，要求则不同了，这种武器要求链式反应的速
度越快越好，而体积是越小越好。因此，原子弹中只能用浓度很高的铀235。
1940年夏，加里福尼亚州大学的劳伦斯和他的同事们研究时发现，铀
238俘获一个中子后，就变成铀239，铀239很快衰变为镎239，镎239又很
快衰变为钚239，而钚是一种人工核燃料。如果链式反应在以天然铀为核燃
料以石墨为减速剂的反应堆中能够持续下去，那么，反应堆中的铀238就会
变成人工核燃料钚。当时，还不能肯定生产铀235和生产钚239的方案中，
哪一个方案较好，因此便采取两种方案双管齐下的办法。
1942年初，哥伦比亚和普林斯顿研究小组都转移到芝加哥大学，成立了
所谓的冶金实验室，诺贝尔奖获得者康普顿为实验室主任。1942年11月，
芝加哥大学的操场上开始建立第一座核反应堆——“芝加哥一号”。该反应
堆以天然铀为核原料以石墨为减速剂，用能够随时插入和抽出其中的镉棒为
控制器。镉棒能象海绵吸水那样吸收中子，可以对链式反应进行控制。12月
1日下午，这个反应堆达到了临界体积，堆宽9米，长近10米，高6。5米，
重1400吨，其中有52吨铀和氧化铀。12月2日，在费米的主持下，世界上
第一座核反应堆投入运行。下午3点20分，当最后一根镉棒拖出来后，铀
核裂变进入自持阶段，人工控制核链式反应取得了首次成功。反应堆的全部
输出能量很小，但在核能开发和利用的历史上，具有划时代的意义。
“芝加哥一号”离核能的实际应用还有一定距离。1943年1月，曼哈顿
计划的负责人格罗夫斯同杜邦公司签定了在田纳西州的橡树岭建造一座功
率为1800千瓦的空气冷却堆的合同。这一反应堆于当年11月开始运行，是
现代慢中子堆的雏形。
曼哈顿计划还建造了三座大型反应堆和三个钚分离工厂，以获得足够量
的钚。
为了获得高浓度的铀235，曼哈顿计划根据三种不同的分离、浓缩铀235
的方法，建造了三座生产铀235的大工厂。这三种分离方法分别为电磁分离
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法、气体扩散法和热扩散法。
为实现曼哈顿计划，美国动员了50余万人，其中有15万科技人员，耗
资22亿美元，动用了全国1/3的电力，在不到4年的时间里制造了3颗原
子弹。
1945年7月16日，在美国本土西部荒漠地带成功地进行了第一颗原子
弹的爆炸试验，爆炸力相当于2万吨TNT炸药。同年8月6日，美国在日本
的广岛投下了一颗名为“小男孩”（代号瘦子）的铀弹，内装10公斤铀235；
8月9日，一颗名为“大男孩”（代号胖子）的钚弹在日本长崎上空爆炸，
两座城市夷为平地。原子弹的威力在客观上加速了日本法西斯的投降，但大
量无辜平民的伤亡，令全世界震惊。
与人们原先的担忧相反，直到第二次世界大战结束，德国在研制原子弹
方面并没有取得显著进展，其原因是多方面的。希特勒当时需要的是，在短
时间内能见成效并用于战争的武器，不是耗资巨大又前景不明的原子武器，
当他意识到这种武器的作用时，法西斯已接近穷途末路，不具备研制原子弹
的能力了。而且，当时德国的原子核能研究设施在战争中也多次受到了破
坏，德国的多数科学家们，也不愿意为法西斯的战争积极研制原子弹。
原子弹研制成功之后，美国极力想保持其核武器的垄断地位，并宣称要
绝对保守原子弹制造的秘密。这种具有极大破坏力的武器必然与社会和政治
发展联系在一起，形成一种特殊的力量。因此，苏联等国家都把打破美国的
核垄断作为一个重要的问题来对待。1949年，苏联爆炸了他们的第一颗原子
弹，1952年、1960年，英国、法国的原子弹都先后试验成功。中国也依靠
自己的力量，掌握了制造原子弹的技术，于1964年10月16日成功地爆炸
了第一颗原子弹。
原子核能在军事上的应用，促进了原子能技术的发展。同时，能源短缺
也促使工业国家开始了将核能的开发和利用转向民用的探索。美、英、苏等
国在发展军用原子反应堆的基础上，开始了小型反应堆的研究，到50年代，
这一方面的研究便取得了很大进展。美国于1952年12月，进行了利用原子
能发电的最初尝试。1954年6月，苏联在奥布宁斯克建成了世界上第一座用
浓缩铀作燃料的石墨水冷堆核发电站，发电功率为5000千瓦。英国于1956
年则建成了一座天然铀石墨气冷堆核电站，发电功率提高到6万千瓦。
到20世纪80年代，国际原子能机构所属的24个国家中还 包括有9
个发展中国家，该机构估计，到20世纪末，发展中国家的总发电量中有百
分之七是核电，发达国家核电站发出的电将占总发电量的30％。核能的开发
和利用将成为解决世界能源匮乏的有效方法之一。
4．核聚变能和其他一些能源技术的初步研究
20世纪20年代，人们还认识到另一种能源，即核聚变能。核聚变是轻
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元素的原子核在极高的温度下接近并聚合，形成新的原子核，同时释放出比
核裂变
