人类进入了原子时代.docx

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人类进入了原子时代

人类进入了原子时代

　　一九五四年人八月二十七日！

世界上第一个原子能工业电力站开始发电了。

这是人类第一决不是用燃料的化学能。

也不是用水和风的机械能来转动动力机，而是用人工解放出来的原子能来转动工业机械。

这是人类历史上一件大事情。

　　什么原定子能？

为什么原子核中储藏着这样巨大的能力？

我们怎样解放原子核中的能力来为和平工业服务？

原子能工业为人类创造幸福的前景怎样？

很多青年提出了这样一连串的问题，下面我们就来概略地谈谈这些问题。

　　原子――微小的太阳系

　　世界上有各种各样的物质，像水、树木、各种石头、泥土、生物……。

如果我们用化学的方法来分解它们，例如把木头烧一烧，把水放在电解槽里电解等等，最后，得到氢、氧、碳、铁、铀等九十二种基本物质，我们就叫它们九十二种“元素”。

组成每种元素的最小单位，就叫做“原子”。

　　用我们的肉眼当然是看不出物质中的原子的，因为原子非常小。

原子的直径大约只有一厘米的一亿分之一。

如果我们把一个原子放大一百亿倍，它就像一个直径一米的球那样大。

如果我们把直径是一毫米的小滚珠放大同样倍数，那就会比地球还大一些。

因此，只要我们眼睛看得见的芝麻粒大小的东西，就包含有约万亿亿个原子。

　　一直到十九世纪的大半个世纪，科学家还是认为原子是物质的最小单位，意思就是物质分割到原子，就再也不能分割了。

但是最近五六十年来科学家们研究的结果，知道原子虽然是元素的最小单位，本身又很小，但是还可以分割，而且它的构造还相当复杂，像个小“太阳系”。

每个原子中间有个微小的“太阳”――原子核，外面有许多围着它旋转的“行星”――电子。

电子的数目在各种元素的原子中是不同的。

氢原子只有一个电子，而氧原子有八个电子，最重的铀原子有九十二个电子。

所有的电子，不论它是属于那一种元素的原子，都是相同的，每个电子都带有一个最小电量单位的负电。

原子核则带有正电。

一般情况下，原子是不带电的，那是因为原子核所带的正电和电子所带的负电刚好相等，因而从整个原子来看，原子是中性的。

　　原子核里面是些什么呢？

是若干个“质子”和“中子”的微粒，紧紧地结合在一起。

质子就是氢原子的原子核，带有一个最小单位的正电荷，电量与电子的电量相等。

中子则不带电，重量和质子差不多，质子与中子比电子重得多，约重一八四0倍。

所以原子中百分之九十九点九以上的质量集中在原子核。

　　原子核的重量占原子重量的百分之九十九点九以上，但是原子核的直径，只有原子直径的万分之一，所以原子中间还是有很大的空隙。

如果我们设想把一千立方米的铅裹的原子核集中起来，那么它的体积不到一粒芝麻那样大，但是重量却有一万一千多吨。

不过这样的实验很难在地球上实现。

　　原子周围的电子的数目和质子的数目总是相等的。

当我们知道了一种原子的原子重量和电子数，就可以知道它的核是由多少中子和质子组成的。

例如氢原子重量和质子差不多，周围只有一个电子，原子核就是一个质子。

氧原子比氢原子约重十六倍，有八个电子，因而原子核就由八个质子和八个中子组成。

铀原子重量约是氢原子的二三八倍，有九十二个电子，因而原子核内就有九十二个质子和一四六个中子。

　　各种元素的化学特性，是由电子的数目的多少决定的。

科学家们发现有些原子的化学性质几乎完全相同，但是质量却不同，这是因为这些原子中电子和质子数目相同，而中子数目不同。

我们称它们为“同位素”。

例如氢原子除了常见的原子量为一的以外，还有原子量为二的重返（或称为氘）和原子量为三的超重氢（或称为氘）两种同位素；铀则有原子量各为二三八、二三五和二三四几种同位素。

　　我们简略地知道了原子内部的构造情形，然后再来看看原子内部巨大的原子能是从那里来的。

　　化学能和原子能

　　自从我们的祖先知道取火，开始去支配自然界的动力，一直到上一个世纪，人类掌握自然界动力资源的方法，除了用水力和风力的机械能，主要是用木柴、煤油石油等资源的化学能。

煤和石油在锅炉或汽缸里燃烧的时候，亿万年前被植物储藏起来的

　　太阳光的热能与光能就被解放出来。

为什么煤和石油燃烧时，能够放出许多能，化学能是哪里来的，

　　原来，煤的燃烧主要是煤中的碳原子和空气中的氧原子结合成为二氧化碳分子，石油燃烧时，是复杂的石油分子中的碳原子、氢原子和空气中的氧原子结合成为二氧化碳和水的分子。

这些化学变化，从原子的变化来看。

主要是原子外国电子运动的轨道起了变化。

煤中的破原子没有和空气中的氧原子结合前一碳和气原子中的外圈电子，只受各自原子核的吸引而运动着”，当这两种原子结合时，碳和气原子的外圈电子运动的轨道起了变化，它们同时受到碳和氧原子核的吸引而运动。

改变原子的外圈电子轨道，就需要吸收一些能，或者放出一些能。

这些能，一般是以热能的形态表现出来的。

所以物质起化学变化时或者吸收热能，或者放出热能。

由此可见，我们从烧煤或石汕取得化学能，主要还只是和原子中的外因电子打交道。

一个电子能发出的能当然是很小的。

但万亿亿个以上的电子发出的能，就能为我们转动机器做工作。

　　但是我们知道，能是物质的一种运动形态。

物体的质量愈大，蕴藏的能和可能产生的能也愈大。

上面说过，原子中百分之九十九点九以上的质量集中于原子核。

如果我们不是和原子中的电子打交道，而是和原子核打交道，那么岂不足给人类找到一个更大得多的能量源泉吗？

五六十年来，科学家们就在这方面寻找解放原子核中的能力的方法。

　　以前人们一直认为世界上各种东西变来变去，只是原子间的组合，在起落合并或拆散的变化罢了；至于原子本身并不能从这一种变到另一种。

这种想法现在是被打破了。

一八九六年法国的物理学家伯克莱而首先发现了一个奇异现象。

他把铀化合物和照像底片放在一起，结果底片感光，像是受了日光感光一样。

后来经过著名物理学家居里夫妇等不断研究。

发现铀能够自发地放射出一些射线，这些射线是从原子中出来的。

这种自发地放射出射线的现象，叫自然放射现象。

其他元素如钍、锚等也有自然放射现象。

这些有自然放射现象的元素，称作放射性元素。

铀、钍、镭这些放射性元素不断地放射出东西来以后，本身也逐渐蜕变，最后变成铅。

　　科学家发现放射性元素之后，曾以为只有放射性元素的原子，才能蜕变为其他元素的原子。

但是到一九一九年，英国物理学家罗瑟福发现用人工的方法也可以使原子核发生变化。

他用镭蜕变物发出的高速度的一种射线（带阳电的氮原子核），打入扳气，使氮原子核变为氧原子核，并且放出高速度的氢原子核来。

这个现象说明我们可以用人工的方法破坏一种原子核，变成别的原子核。

我们叫这种现象为人工突变。

　　当原子核自己发生变化，放出射线。

就放出能力。

用人工方法使原子核发生变化，在变化时也要或者吸收能力或者放出能力。

不管是自然放射或者是人工突变，若是能放出能力，那么这种能力就叫“原子能”。

　　以后科学家又发现中子是打击原子核使它破裂的最好的炮弹，因为它们不带电，就不会被原子核的阳电荷排斥。

到一九三五年，科学家已经发现有五六十种元素的原子核，用中子打击，可以发生蜕变现象，因而可以得到一些原子能。

但是，用这些方法使较少数的原子发生破裂，得到的能力毕竟有限。

要想得到大量的原子能。

必须使很多原子在短时期内连续发生破裂。

　　到一九三九年科学家们发现用中子打击铀的原子核，可以使它破裂为两个差不多大小的原子核；在这个破裂过程中核的一小部分质量变为巨大速度飞开去的裂片的增补质量，换言之，铀核内部能力的一部分转变为动能，那也就是说蕴藏在核内的能力大量地被解放出来了；同时还放出两三个中子。

法国著名物理学家约里奥.居里和他的助手们,很快地证明这些放出的中子又可以去击破其他铀原子核，再使它分裂,又放出两三个中子。

这样继续下去,就会不断地有许多的铀原子核被分裂，释放出大量能力来。

这种铀原子连续分裂的现象，称作“链锁反映”。

一公斤的铀分裂时放出的能，可以发二千万千瓦小时的电力，相当于烧二千五百吨优质煤。

同样质量的物质，它所能发出的原子能，要比化学能大百万倍至千万倍。

　　怎样迫使原子做工作

　　目前利用原子能的方法，主要有两类，一类是把最轻的元素氢的同位素原子核――重氢（或者称为氘），在高温下合成为氦原子核的同位素“氦三”或者合成为超重氢（或者称为氘）过程中取得；另一类是在最重的元素铀等原子核的分裂时取得。

氢弹就是利用前一种原理，这种作用也被称为热核反应；普通的原子弹是利用后一种原理，原子能工业电力站主要的原料也是铀。

　　那么为什么用铀来制造原子弹，就会在百万分之一秒的时间内，骤然爆炸，而用铀来作为原子能工业电力站的燃料，能够持续不断地慢慢释放出原子能呢？

　　前面提到过，铀有三种同位素，原子重量各为氢原子的二三八倍、二三五倍和二三四倍，我们称作铀二三八、铀二三五和铀二三四。

铀一三一四数量太少，可以不考虑它。

在自然界中铀二三八与铀二三五的比例差不多不变，铀二三八比铀二三五要多一四0倍。

铀二三五的原子核碰到中子就分裂。

铀二三八的原子核要被速度很大的中子击中，才会分裂。

但是用某一定范围速度的中子打击铀二三八的原子核时，它虽不破裂，却能变成另一种人工造出来的新元素，即第九十三种元素――锛二三九八。

锛是不稳定的，它又变成第九十四种新元素――钚二三九，钚是相当稳定的，它和铀二三五同样容易分裂。

当中子速度慢的时候，打在铀二三八上不起核的变化。

?

原子弹是用纯粹的铀二三五或钚二三九制造的。

纯粹的铀二三五或钚聚集到一定的体积就会骤然爆炸。

这是因为虽然中子遇到铀二三五和钚的原子核会使它分裂，但原子的内部是很空的。

虽然一个一个原子碰在一起，但是原子核还隔得很远，一个中子要打中原子核是很不容易的。

正像一个足球在足球场里滚，如果场上的人不动，不一定能碰到人身上，要想一个球踢出去一定碰到人，就要使人数加多。

要使一个中子打入铀二三五或钚一定碰到原子核，就必须使铀二三五或钚块够大，那就是说铀二三五或钚的体积必须要有一定大小，任何一个中子才都

　　能击中原子核，使铀二三五或引起链锁反应而骤然爆炸，这种大小是有一定的。

原子弹的原理，就是将两块比能够爆炸的体积小一点的铀二三五或钚很快合并，合并以后超过了能够爆炸的体积，而骤然爆炸，在百万分之一秒的时间内放出大量的原子能。

　　用骤然爆发的方法放出的大量路子能，一般只能用来作爆炸物。

苏联在一九四九年七月就已利用这种方法来开发河道。

西伯利亚的鄂毕河和叶尼塞河，因为有巨大岩石的阻拦，不能引水向南流，用原子爆炸物炸开了岩石，使这两条大河的水南流，这就能够使土耳其斯坦的广大沙溪变成肥沃的土地。

但在工业应用上很难控制用这种骤然爆炸而放出的大量的原子能。

因此就要用其他的方法，使得铀既能起链锁反应，又不是骤然爆发，便于控制。

原子堆的方法就能符合这种要求。

　　原子堆的方法是一九四二年冬，由一个意大利流亡到美国的科学家发现的。

所谓原子堆，就是由铀矿中提练出来的纯铀做成铀条，用石墨的条块做成的格柚作间隔。

堆砌起来。

当快速中子打入堆中时，假如碰到铀二三八或者二三五，就产生原子核的破裂，同时放出两三个中子来。

这些中子，若速度在某一定范围时正好碰到邻近的铀二三八源于核，则可使铀变为锛，以后再变为钚。

更多的可能性是这些中子碰到堆中的石墨。

中子几次碰到石墨的原子核，速度就要逐渐减低；但是速度低的中子碰到铀二三八不起作用，因此最后还是碰上铀二三五，使铀二三五破裂又放出新的中子。

这样，只要打入堆中的中子碰到铀条或石墨都是有利的。

另外，中子还有两种遭遇的可能性：

第一，就是经过几次碰撞后，中子巳达原子堆的边缘上，最后是跑出原子堆；第二，中子被石墨或者铀中的杂质吸收了。

这两种遭遇都是不利於我们的工作。

　　因此要使这种反应能自动地持续不断，那么就必须使石墨、铀或者其他原子堆所需要的材料都提炼的很纯，不含有吸收大量中子的杂质，铀安排得很适当，同时原子堆还要有一定的大小。

这些都是可以控制的。

　　原子堆中间，铀二三五或钚分裂的时候，就会释放出原子能，发出热来，同时放出的中子，当遇到石墨，减低它运动的速度时，它失去的一部分能力，也转变为热能。

这些热能，就可以利用来烧热锅炉，转动涡轮，发出电力。

原子堆还可以用来制造钚，我们知道提炼铀二三五是很困难的，因为在普通铀矿中提炼出来的铀是几种同位素的混合物，铀二三八占的成分很大，铀二三五占的成分很少，它们的化学性质又完全一样，很难把它们分开。

在原子堆中铀二三八可以称为钚，钚和铀二三五一样容易分裂，而钚的化学性质又和铀不一样，我们就可以把纯钚用化学方法提炼出来、作为原子工业的燃料。