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核裂变

放射性现象的发现把人们对原子的认识引向深入,原子核的秘密逐渐被揭开了。

1911年英国科学家卢瑟福提出了原子结构的行星模型,确定了原子核的存在,电子围绕着原子核旋转。1919年卢瑟福用α粒子轰击氮,使氮转变成了氧,人类第一次实现了原子的人工转变。

1932年,英国物理学家查德威克发现了中子,这一发现导致了现代原子核理论——原子核由质子和中子组成的建立,并且提供了一种轰击原子核的强有力的新型“炮弹”。

1934年法国科学家约里奥•居里夫妇用α粒子轰击铝时,发现了人工放射性。

然而只有费米的工作才使人类进入了真正的原子时代。1934年意大利科学家费米第一次用中子轰击铀,得到了半衰期为13分钟的一种放射性产物。经分析测定这种产物的化学性质不属于从铅到铀之间的那些重元素。这个结果使费米大为惊异,他推测,可能生成了原子序数高于92的元素,当时所知最重元素是铀,它的原子序数正好是92。发现原子序数高于92的元素,就是说发现了“超铀元素”,其实,这就是最早出现的重核裂变现象。然而,从费米当时掌握的实验证据却难以作出这一判断。

与此同时,费米还发现了低能量的慢中子比快中子容易被原子核俘获,认识到慢中子的作用,对重核裂变的发现提供了重要前提。

裂变现象的发现,前后经历了5年时间。许多科学家为此作出了贡献。1937年法国的伊伦•居里和沙维奇用中子轰击铀时,发现了一种3.5小时半衰期的物质,这是以前没有发现的。经过分析与研究,他们认为具有3.5小时半衰期的放射性物质与稀土元素镧的化学性质相似。伊伦•居里和沙维奇实际上已经达到了解决问题的边缘,因为半衰期为3.5小时的放射性物质确实是镧的一个同位素。遗憾的是,铀裂变的产物中还有一种叫钇的元素,半衰期也正好为3.5小时,他们没有把它分离出来。再加上传统观念的束缚,使他们在成功的大门口犹豫徘徊。

成功的时刻终于到来了,德国化学家哈恩通过实验验证了伊伦和沙维奇的结果确有镧生成。同时他还发现一种半衰期为4小时的放射性物质,其化学性质与钡类似。这样就无可辨驳地肯定了中间化学元素镧和钡的出现,从实验上证明了铀裂变的存在。

但是哈恩对这些现象也无法理解,他只是如实地报道了这个实验结果。在论文中他以矛盾的心情写道:“作为化学家,完全相信自己的实验是正确的,作为“核化学家”,又不能让自己采取如此剧烈的步骤来与核物理学迄今所有的经验相对抗”。

哈恩将他的成果写信告诉在瑞典工作的奥地利女物理学家迈特纳。迈特纳和哈恩曾经长期合作,她对哈恩的实验结果深信不疑。迈特纳的侄子弗利胥当时也在瑞典工作,他与迈特纳发生争论,对哈恩的结果表示怀疑,但是他很快就想到了丹麦科学家尼尔斯•波尔的“液滴核模型”,在某些情况下,可以把核想象成液滴,核子就象水分子一样。强相互作用造成的“表面张力”使核平常保持球形,但在外来能量的作用下,“液滴”也可能由于振动而拉长。据此,他们推断:如果在这时被中子击中,核子也许会分裂并放出巨大的能量。

弗利胥将他们的看法告知玻尔,得到玻尔的肯定,他们随即联名著文论证重核裂变的产生。当时有个美国生物学家阿诺德,也在瑞典工作,他提议把铀核分裂的现象仿照活细胞的一分为二现象称做“裂变”,他这个提法被接受,这个名称就沿用下来了。

科学家的研究表明,铀核裂变时有两种性质紧紧地吸引着人们,一是放出中子,二是放出巨大的能量。

迈特纳计算了铀裂变产物的质量与原来铀核质量之比,发现裂变后失去了一些质量,用爱因斯坦的公式E=mc2计算时,失去的能量转变为约2亿电子伏特的能量,这是非常巨大的数值。这就是说,1克铀完全裂变的话,释放的能量相当于燃烧3吨煤,而且这么大的能量是在远远不到1秒种之内就释放出来的。

人们更关心的是每次裂变究竟能放出多少中子,因为这关系到究竟能否实现链式反应。经过许多科学家的努力,确定了每个铀235核发生裂变,平均约放出2.5个中子。在天然铀中主要含有铀235(占0.72%)和铀238(占99.27%)两种同位素,人类实际上是利用铀235来造成链式核裂变反应。

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