哈恩之后的核裂变

　　探索发现

　　文/曹天元

　　19世纪末，伟大的物理学家开尔文爵士用他的余生来研究地球的年龄问题。当时地质学家和生物学家们都斩钉截铁地指出，一些地质现象的形成和生物的进化，至少需要几十亿年的时间来完成。但如果把太阳当成一块燃烧的大煤球，你会发现它最多能烧上5千万年而已。开尔文考虑到坍缩引力也可以当作太阳的能源，并精密地计算了所有可能的因素，最后认为太阳的年龄最多不超过6亿年，可这还是与前者的估计差了10倍左右。于是出现了一个奇怪的现象：地球竟然比太阳要老得多！今天我们都知道开尔文究竟错在哪里。原来太阳源源不断的动力来自于一种他当时不知道的能源———核能。

　　一提到核能这个词，许多人的第一反应就是原子弹，然后眼前浮现出爱因斯坦著名的方程E=mc2。然而实际上，原子能并不是爱因斯坦，也并非在相对论的直接指导下发现的。这是一个源远流长的故事，但概要来说，它主要归功于物理学中研究微观世界的量子理论以及原子模型的建立。

　　1938年，德国人哈恩和斯特拉斯曼在实验室里用中子去轰击一种称为铀的重金属。铀是天然存在的最重的元素，每个原子里有92个质子之多。他们发现轰击过后，产生了一些本来不存在的轻元素，含有的质子只有铀的一半左右。哈恩写信告诉刚从纳粹奥地利逃亡瑞典的女科学家迈特纳，她和侄子弗里希很快认识到，这说明一个铀原子核在轰击下分裂成了两半！这种现象被命名为“核裂变”，哈恩后来因此荣获诺贝尔化学奖，迈特纳却无缘提名。这如今成为了科学史上最令人叫屈的事件之一。

　　不久哈恩等人又有了更为惊人的发现。原来铀核在被中子轰击而分裂时，同时又能释放出两三个新的中子来！这就可以引起一阵连锁反应：一个原子核裂变，其释放的中子又能够导致两三个附近的原子核再次裂变，一变二，二变四，四变八，形成一种“链式反应”。而每一个原子核裂变时，都能释放出巨大的能量来。如果你仔细观察，会发现一个原子核分裂后的“碎片”，它们加在一起的重量比原来稍微轻了一点。这一点损失的质量就是巨大能量的来源，爱因斯坦的著名方程式在这里起到了它的作用。

　　这样一来，一团铀理论上可以全部连锁裂变，释放出难以想象的巨大能量。然而，实际上存在着两种常见的铀同位素，一种叫铀235，它是易于裂变的，而另一种叫铀238，它却不容易裂变。因此，所谓“核燃料”实质上指的是铀235，可它在自然界仅占0.7%！

二战中盟军和纳粹抢造原子弹，很大程度上就是看谁能先分离出足够浓度的铀235。德国计划的负责人是20世纪最伟大的物理学家之一海森堡，然而他不幸地算错了数据，德国最终放弃了建造原子弹的打算。海森堡和哈恩等人战后都一度被软禁在英国，哈恩因此没能去领他的诺贝尔奖，而此前不久，原子弹已经在广岛炸响。

　　核能可以作为战争恶魔，但也完全可以为民造福，只要把它那巨大的能量有控制地，缓慢而温和地释放就是了。哪怕在战时，对民用核反应堆的研究就已经开始进行，1951年，美国建成了第一个核电站。自那时以来，核电在全球的电力供应中的比例已经上升到16%左右，在法国甚至高达78%。

　　核能是一种相当干净的

能源，相比传统的火力发电，理论上不产生污染，而且成本更为低廉。许多人对于核能的排斥更多地来自于心理上的核恐惧，这甚至构成一种公众社会力量，对一些政府的决策发挥影响，比如德国等欧洲国家便计划在未来停止使用核能。但美国、英国、日本等却决定增加对核能的建设和投入。

　　1986年的切尔诺贝利事件是至今为止最为严重的核事故。今年正值20周年，各种媒体对其作了大量回顾。就目前的总结来看，造成悲剧的主要原因在于前苏联体制下对于反应堆的设计缺陷，人员操作不当以及管理的混乱，更多地是人为因素。在苏联以外的地方，没有一台核电站会出现像切尔诺贝利那种反应失控的情形。而且当初媒体对其的报道也多多少少进行了夸大：根据国际原子能机构、国际卫生组织与俄罗斯、

乌克兰和白俄罗斯政府作出的报告，在第一时间赶到现场的134名救险工人中，28名死于过量辐射，另有19名死于其他不同原因。而在整个辐射污染区域的60万居民中，约有4千人可能在之后死于辐射诱发的癌症等疾病，同时在该地区并没有观测到重大的对于健康的后遗症。

　　这个报告出台后，许多环保组织对其极为不满，声称它为了维护核电商的利益而掩盖了真相。这其中的是非一时难以论断，但一般来说，并没有证据显示核电站比一般电站造成了更大的安全隐患。正如许多人可能觉得坐飞机比汽车危险，但事实正好相反。

　　另外，核能还有一种形式，称为核聚变。它与裂变相反，是两个轻原子核聚合在一起产生巨大能量，典型的例子如氢弹。与利用铀的裂变相比，核聚变的“原料”近乎取之不竭，足以一劳永逸地解决人类能源问题，但可惜的是，我们至今尚没有找到一种方法能够控制它的反应速度，从而实现民用。说实在的，一旦找到这种方法，那它的发明人将足以在历史上享誉300年而不衰。

　　(作者系香港大学科普协会会员)