从原子核中找到的能量
学过化学的人都知道，自然界所有的物质都是由数不清的分子构成的。例如，一滴水里就有1.5伊1021个水分子。这个水分子有多大呢？如果用水分子与乒乓球相比，就好像拿乒乓球与地球相比一样，相差岂止十万八千里。
分子又由原子构成。例如，水分子(H2O)就是由两个氢原子和一个氧原子构成的。原子比分子更小，通常用一种极小的单位——埃来衡量。1埃等于1米的100亿分之一(10-10米)，一般原子的直径在1埃和4埃之间。几千万个原子排成队也不过1厘米长。
那么，原子是不是“物质的始原”，不能再分了呢？不是。19世纪末到20世纪初，一系列的科学实验进一步揭开了原子内部的秘密。1896年，法国物理学家贝克勒尔，在研究荧光物质时，无意中发现一种含铀的矿物会自发地放出一种看不见的穿透能力很强的射线。后来经过居里夫人等人的研究，才知道像铀这一类的原子，在放出几种看不见的射线以后，会变成另一种元素的原子。
这些现象说明，元素原子的内部一定还有复杂的结构，即使旧的结构破坏了，新的结构又会形成，结果就生成了新的原子。
过了一年，人们通过对阴极射线的研究，发现了一种比原子更小的带负电荷的粒子——电子。不论用哪一种金属做实验材料，都能发射电子。这说明电子确实是任何一种元素原子的组成成分。
又过了十来年，人们用高速粒子轰击金属薄片，发现原子原来并不是一个质量均匀的小球，而是中心有一个密实的核，原子的绝大部分质量都集中在核里。这个核叫做原子核。
原子核同整个原子相比，就更小了，它的直径不到原子直径的万分之一。
如果设想原子核像一个西瓜，那么整个原子就像一个体育馆那样的庞然大物。
如此说来，一个原子就可以分成两部分：中心部分是一个密实的原子核，带正电荷；原子核的周围是带负电荷的电子，绕原子核旋转，这种“电子泡沫”几乎占了原子的全部体积，但是质量却只占整个原子质量的几万或几十万分之一。
1932年，人们进一步发现，小得微不足道的原子核里，还有更小的粒子——带正电荷的质子和不带电荷的中子。原子核里的质子数与原子核外的电子数相等，正负电量相抵，所以原子对外不表现出电性。
放射性元素铀被轰击后能放出多大的能量？能生成什么物质？这是科学家们首先想知道的问题。1934年，费米第一个实现铀核裂变，此后，哈恩等人在做类似的实验时发现：获得的生成物并不是质量和铀靠近的元素，而是和铀相差很远的钡。这种现象他们百思不得其解。后来，哈恩把这种现象告诉了奥地利女物理学家梅特纳。梅特纳和她的弟子，在丹麦玻尔研究所工作的弗瑞士反复发现：1个中子打碎1个铀核，能产生大量能量，并放出2个中子来；这2个中子又打中另外2个铀核，产生2倍的能量，再放出4个中子来；这4个中子又打中另外4个铀核……依此类推，就会放出比相同质量的化学反应大几百万倍的能量，这就是所谓的“链式反应”。从此，这种“原子能的火花”给世界带来了新的光明。人类获得了一种新的能量——原子能。
那么，巨大的原子能来自何处呢？原来，原子核内有三种不同的能量：原子核内粒子的能、粒子之间电磁相互作用而产生的电热能、强大的磁力产生的引力势能。这三种能量就是原子核的结合能。当原子核经过变化后，形成新的结合能更大的原子核，就会放出原子核内的能量，这就是原子能。
和平利用原子能的最大成就是建立原子能发电站。原子核反应堆产生的热能使水变成水蒸气，水蒸气推动汽轮机转动而发电，原子能为人类提供一种新的能源，这将大大缓解世界的能源危机。原子能的应用要归功于意大利的青年物理学家费米。1942年12月2日，费米在美国芝加哥大学一个网球场上建成了世界上第一座核反应堆。1945年7月16日5时30分，美国新墨西哥州小城圣菲的西北约56千米吉米兹山的西边，正在紧张地进行一项震惊世界的科学实验。此时，控制台大厅发出了报读时间的声音“4，3，2，1”。当读数报到零时，只见远处亮起一道闪光。霎时，蘑菇云扶摇直上，天空中出现了比几个太阳还要亮的闪光。几秒钟后，人们听到了隆隆巨响。就在大地突然刮起狂风时，只见一个人不慌不忙地从口袋里拿出几张纸片，撒向空中。过后，他用脚步估计了一下纸片落地的距离，马上告诉他的同事这颗“炸弹”爆炸威力有多大，而他的估计和仪器测量的结果竟然相差无几。
这就是震惊世界的第一颗原子弹试爆现场。那个神奇的人就是原子能理论的创立者之一、原子弹的主要设计者、着名物理学家费米。
中国的核科学家们为核物理理论和中国的核工业发展做出了开拓性的贡献，这里选择几位代表性人物简介如下。
1923年，中国物理学家吴有训和美国物理学家康普顿，在以一定能量的酌射线碰击原子中内层电子(芯电子)的实验中发现：
酌射线的部分能量传给了电子，并使它与酌射线的初始运动方向呈某一角度射出，而酌射线也与其初始运动方向呈某一角度散射出来。这种现象就是有名的康普顿-吴有训效应。
1930年，中国物理学家赵忠尧在美国先后发表两篇论文，描述了他在研究酌射线的实验中发现的正负电子湮没现象。“电子”
是带负电的粒子(即负电子)。“反电子”是带正电的，习惯上称它为“正电子”。当正电子与负电子相遇时，它们会立即消失而变成两个光子。这就是物理学上说的电子偶的湮没现象。1932年，美国物理学家安德逊在赵忠尧实验结果的基础上，在云室中果然观测到“正电子”的径迹。核物理学史上，第一个发现反粒子、第一个观测到正反粒子湮没现象的人，当推中国的物理学家赵忠尧教授。后来，人们又陆续发现了反质子、反中子等反粒子。于是有人推论这些反粒子可以组成“反原子”，由“反原子”可以组成“反物质”。人们研究反物理的主要目的是想从正反物质的湮没反应中获取核能。
1938年，中国物理学家钱三强，在云室中拍下了世界上第一张铀核裂变的照片。1946年，钱三强和他夫人何泽慧，用核乳胶技术先后发现了铀核裂变的“三分裂”“四分裂”现象，在物理学界引起了很大反响，并由此而引发一系列的研究。
1941年，中国物理学家王淦昌，独具卓见地设计出一种验证奥地利物理学家泡利于1930年预言的“中微子”存在的实验方案。论文在美国《物理评论》
上发表后，许多核物理学家按他的建议进行了观测和验证。1952年，美国物理学家阿伦按照这一建议进行实验，证实了“中微子”的存在。1959年，在前苏联杜布纳联合原子核研究所，王淦昌领导的一个研究小组在一台高能加速器上发现了世界上第一个荷电负超子——反西格马负超子。它填补了粒子物理学“粒子-反粒子”表上的一个空白，是高能粒子实验物理学的一项重要成果，引起核物理学界的重视。
1948~1949年，中国物理学家张文裕，在美国普林斯顿高等研究所发表论文公布了自己在以云室和核乳胶技术研究从介子与原子核作用时，首次观测到的从原子及滋介子辐射。这一发现引起了核物理学界的广泛兴趣。1953年，科学家们在高能加速器上的实验证实了这一发现。于是，以张文裕的名字命名的“张氏原子”(滋原子)“张氏辐射”(滋介子辐射)载入了科学史册。
初识核反应。科学家贝克勒尔发现，铀元素的原子核经过14次的放射，原子核的结构有了改变，铀元素的原子也就变成铅元素的原子了。这个过程叫做核反应。天然放射性现象，就是天然发生的核反应过程。
核反应与普通化学反应不同，它使参加反应的原子结构遭到破坏，原子核改变，生成新的元素的原子。但是天然的核反应过程没法用人工控制，放出射线的强弱和多少，没有什么办法可以改变。那么能不能实现人工核反应，也就是采用人工的方法，把一种原子核变成另一种原子核，把一种元素的原子变成另一种元素的原子呢？
1919年，英国物理学家卢瑟福首先做到了这一点。他用一种高速的氦原子核去轰击氮原子核，结果得到了两种新的原子——氧和氢的原子。这一成功大大鼓舞了人们实现人工核反应的信心。由于中子不带电，与带正电荷的原子核之间不存在电的排斥力，比较容易进入到原子核里去，所以用中子来引发原子核反应，一定要比用带正电的氢电子核等方便得多。
1938年12月，人类终于完成了科学史上的一项重大发现，德国科学家哈恩等经过6年的实验，用中子作“炮弹”去轰击铀原子核，铀原子核一分为二，被分裂成两个质量差不多大小的“碎片”——两个新的原子核，产生了两种新元素，同时释放出惊人的巨大能量。这种原子核反应又叫裂变反应，放出的能量就叫裂变能，人们通常所说的原子能或核能，指的就是这种裂变能，即物质原子发生核反应时所放出的能量，这种能量要比化学能(如煤、石油、天然气燃烧发生化学反应时所产生的能量)大几百万甚至几千万倍。
后来，科学家们还发现，当用中子去轰击铀原子核时，一个铀原子核分裂的同时，会产生两三个新的中子，新的中子又引起新的裂变，这样发展下去，裂变反应就能持续进行，并且像雪崩似的愈演愈烈。这种裂变反应，叫做链式反应。链式反应使得核燃料连续“燃烧”。例如1千克铀中就含有2.4伊1024个铀原子，它们如果全部裂变，产生的热量就有761亿焦耳，与燃烧2600吨标准煤所放出的热量相当。
原子核能，是原子核发生变化时释放出来的能量。铀、跬、氘等核燃料中蕴藏着丰富的原子核能。
放射性元素蜕变是原子核能的释放过程。放射性物质的原子核无需外力的作用，就能自发地放出某些高速粒子(如电子、氦核、光子等)并形成射线。
放射性元素主要有铀-238、铀-235、钍-232、钾-40等。地球内的这些放射性元素蜕变，每年平均产生2.1伊1018焦耳的热量。
任何物质的原子都是由电子和原子核构成的，而原子核本身又是由核子——质子和中子构成的。化学能就是原子中外层电子运动状态变化时释放出来的能量，例如煤的燃烧是一种化学反应，是煤中碳原子的外层电子和空气中氧原子的外层电子，聚积在这两个原子中间生成二氧化碳分子的过程。原子核则不然，例如，氮原子核有7个质子和7个中子，在A核子(即氦原子核)的“轰击”下，变成了氧原子核——8个质子和9个中子。显然核子的运动状态在反应中发生了显着的变化。伴随着这种变化，有大量能量释放出来，人们就称它为“原子核能”。而把原子中由于外层电子运动状态变化时放出来的能叫“化学能”或“原子能”。
原子核中核子间的相互作用力要比原子之间的相互作用力大得多，原子核能也要比“化学能”大得多。1克氮变成氧时释放的能量相当于燃烧4吨煤所得的能量。
要取得原子核能，必须使原子核的运动状态发生变化。原子核的变化基本上有“放射性”和“核反应”两种类型。核反应有三种形式：“裂变反应”
“聚变反应”和一般的核反应。
放射性蜕变和一般的核反应都能释放出大量的能量，然而人们很少直接利用它。放射性元素有固定的“半衰期”，例如镭的半衰期是1620年，即每一克镭必须经过1620年，才有半克镭通过放射性蜕变而转变成其他物质，剩下的半克镭再经过1620年，又有一半(即0.25克)镭通过蜕变而转变成其他物质，这是原子核发生变化的过程，原子核能就伴随着这一过程而被释放出来。一般的核反应，不能自发发生，只有当供给以“激发能”时，反应才能发生。一般情况下，所需的“激发能”比从核反应中获得的能量还要大，而停止供应“激发能”时，反应就立即停止。
从原子核能的发现到原子核能的利用，其间相隔了整整半个世纪。天然放射性现象是1896年发现的，到1919年，人们第一次实现了人工核反应。1939年，在发现“链式反应”后，人们才有可能用人工方法来释放潜藏在原子核中的能量。
费米和原子反应堆的故事
恩里科·费米是着名的意大利物理学家，是物理学罗马学派的创始人之一。
他的妻子劳拉·费米是犹太人。由于希特勒和墨索里尼的法西斯种族迫害，使他们离开心爱的罗马，侨居美国，于是费米开始了原子弹研制生涯。
1938年的政治风云，使德国和意大利两大独裁者勾结在一起，墨索里尼跟在希特勒后面，发动了一场毫无理由的反犹太主义运动。
在意大利并没有犹太人和雅利安人，而犹太人只占当地全部人口的1译，随着杂婚率的上升，必将被彻底同化。
劳拉·费米走在大街上，竟有人问她：“他们喊着要赶走犹太人，可谁是犹太人呢？”
由于西西里根本就没有犹太人，一个边远村庄的村长给墨索里尼发电报：“请送犹太人来，以便发动运动。”
但是，报纸、广播吵得人心神不宁。7月14日《种族宣言》公布了，它指出“犹太人不属于意大利种族”。接着成立了保卫种族研究所，出版了《保卫种族》杂志。
新法律不断公布：禁止雅利安人与犹太人通婚，犹太人的孩子不许入公立学校，犹太籍的教师被辞退，犹太人的律师、医生只能为犹太人服务，犹太人被剥夺了公民权，他们的护照被吊销……费米的妻子是犹太人，孩子有犹太血统。尽管他们热爱自己的祖国，留恋生活惯了的罗马，并曾多次谢绝美国大学的邀请。但是，现在他们不得不逃往美国了。
费米和妻子从不同地点向美国大学发了4封信，说明过去他拒绝去美国就职的原因已经不存在了，希望去美国教书。
费米很快收到了5封邀请信，他决定先到美国的哥伦比亚大学教书。于是，他向意大利官员声称，他要去纽约进行6个月的学术访问。
正在他们准备出发时，传来了一大喜讯，即10月哥本哈根的物理学会议上，费米得到通知已被提名为诺贝尔奖的候选人。他们推迟了出发日期，等待最后的结果。
11月10日早晨，电话局通知请费米教授在家等候，晚上6点有斯德哥尔摩的电话。这意味着获得诺贝尔奖即将成为现实。
18时，瑞典科学院秘书用电话向费米宣读了奖状：物理学奖金授予罗马大学恩里科·费米教授，以表彰他发现了由中子轰击所产生的新的放射性元素，以及他在这一研究中发现了由慢中子引起的核反应。
诺贝尔奖金，这天赐的奖励与良机，使他们改变了行程与日期，费米夫妇决定经斯德哥尔摩去美国。
