新能源的拓荒者们
美国芝加哥大学的校园里，有一座废弃不用的运动场，在运动场西看台的前面外墙上，挂着一块镂花金属匾，上面用英文写着：“1942年12月2日，人类在此实现了第一次自持链式反应，从而开始了受控的核能释放。”这是原子时代的出生证。
人类制成的第一座原子反应堆，是在这个运动场看台下面的网球场中建造起来的。在这里，科学家们第一次看到物质按照人类的意志而稳定地产生出原子核内能量，费米就是这群科学家的领导人。
上述文字是费米的夫人劳拉，在《原子在我家》一书中写下的序言。在新能源的拓荒者中，首先要提到的就是意大利物理学家恩里科·费米、他参加并主持了第一座原子反应堆的设计、建造和试验工作，在原子能理论及实践方面取得了卓越的成就。
费米出生在意大利罗马一个铁路职员的家里。
在费米开始懂得知识的年代，正是物理学从“经典”进入现代的岁月。17岁时，费米决心报考比萨大学的高等师范学院物理系。这是意大利一所著名的高级研究人才的摇篮，学费可以免缴，但必须通过竞争性极强的严格考试。费米在指定的应试论文《声音的特性》的一开头，便应用了微分方程，这使比萨大学的主考教师万分惊讶。费米自然顺利地通过了考试，21岁那年，费米荣获比萨大学的博士学位，成为意大利物理学界最年轻的物理学博士。
在20世纪的前20年，人们在谈论现代物理学时，几乎忘记了意大利。那些令人眼花缭乱的物理学的最新发现，没有一项与意大利沾边，意大利发明家马可尼发明无线电时，还是在英伦三岛上完成的，物理学史上的“伽利略——比萨时代”早已成为朦胧的过去。曾经产生过布鲁诺、伽利略、托里拆利等科学大师的意大利，真的落后了吗？在罗马科学界，颇具民族抱负的物理学家们正在思考着“意大利物理学的复兴”。当时，人们都认准费米，把他看成是意大利物理学复兴的最大希望。
1934年，居里夫人的女婿和女儿，法国物理学家约里奥·居里夫妇宣布，他们用α粒子轰击铝硼的时候，这些原子变成了另一种原子。这是近13年来关于人工实现核反应的第一次突破。但他们发现，用Q粒子为“炮弹”，可以轰击一些轻元素，而对重元素就无效了。这一发现轰动了整个物理学界，绝大多数人都认为是“轰击”的方式不对，而费米则敏锐地提出是“炮弹”的问题。费米用中子作炮弹，打碎了所有元素的原子核。
费米和助手按照元素周期表的顺序，从氢开始，用中子去轰击，当轰击到当时元素周期表的最后一个元素，原子序数是92的铀时，他们发现了“铀核裂变”，铀核破碎变成了新物质。尽管费米和其助手发现了科学的奇异现象，但他们是物理学家，而不是化学家，他们听信了当时化学家的普遍看法，以为他们发现了第93号元素。
其实，费米他们得到的并非是什么“第93号元素”，而是铀核被打碎成了两半。由于他们还没有认识到在这个实验中可能引起了铀的裂变，也就没有继续深入研究下去。
在费米发现用中子轰击铀可能产生超铀元素以后，在巴黎的约里奥·居里夫妇和在柏林的哈恩、梅特纳都认真研究了这个问题。梅特纳是著名犹太女科学家。1938年，德国种族法令波及到她身上，当时，哈恩和普朗克曾经亲自到希特勒面前替她求情，但是无济于事。梅特纳在被迫离开研究所以后，悄悄地逃离了德国。
1938年秋天，哈恩和斯特拉斯曼受约里奥·居里发现中子轰击铀的产物中有类似镧的实验的启发，精确分析了中子轰击铀以后的产物，发现有钡存在，钡的原子量大约是铀的一半，这说明铀原子核在中子轰击下分裂成两半。哈恩把这个实验情况写信告诉了梅特纳，和她讨论这个问题。梅特纳立刻从数学上进行分析，她将这一现象称为“核裂变”。她把当时铀裂变的产物加在一起，发现裂变后的总质量比裂变前的铀质量要小，就是说铀的一些质量“消失”了。梅特纳根据爱因斯坦相对论的质能关系式，认为“消失”的质量转变成了能量，每裂变一个原子可以放出大约两亿电子伏特的能量。梅特纳把对裂变的科学分析发表在1939年2月的英国《自然》杂志上。
裂变反应的发现震惊了科学界，因为它说明铀分裂的时候可以放出两个中子，而这两个中子又可能引起两个铀核分裂，这样就能够从一个铀核裂变引起2、4、8、16……个铀核裂变。这是链反应，它将释放出无比巨大的能量。铀裂变的发现，找到了释放原子能的途径，即通过链反应，不断供给核分裂所需要的大量中子。
向现实的迈进
原子核发生裂变会放出极大的能量，每个原子核都是一个能量贮存库，关键是怎样打开能源宝库的大门。费米和助手们发现的“铀核裂变”，为打开原子能的宝库提供了一把“钥匙”。
起初，这把“钥匙”并不十分顺手，经常发生卡壳的现象，费米和他的助手们要完善这把“钥匙”。有一次，费米的两名助手发现了一种奇怪的现象，这两位年轻人想用中子源辐射银，他们做了一个银质圆筒，然后将中子源放入圆筒内，再将圆筒放在一个铅盒里。他们经过精确的计量发现：将圆筒放在铅盒的不同位置，产生裂变的强弱是不同的。他们赶紧去请教费米老师。
“这种异常是不是统计的错误和测量的不精确造成的呢？”助手问道。
“这也许是一个重要的发现。”费米思考了一会儿，又谨慎地建议道：“让我们多做一些各种情况的试验，再看看。”经过一连几天的试验，费米他们又发现了更多的怪现象。当将中子源放到圆筒外面，在圆筒和中子源之间放置一块铅极时，反应更加剧烈。当时，费米他们使用自制的盖革计数器来测量核反应的强弱，铅竟然会影响核反应的强弱，费米又陷入了沉思，“铅是一种重物质，可以影响裂变，那么换成轻物质会怎么样呢？对，试试轻物质吧！”费米找来一大块石蜡，在上面挖了一个洞，将中子源放到洞里，再用它来辐射银圆筒，然后拿着一个盖革计数器去测量反应产生的放射性强度。“咔，咔”，计数器像发了疯似的响起来。人们怎么也没有想到，石蜡竟使核反应强度提高了几百倍。
人们又兴奋、又惊讶，七嘴八舌地议论道：“真是不可思议！实在让人难以想象！简直是见鬼了！”午饭的时间到了，人们不情愿地散开了，费米独自坐在实验室里，头脑还在思考着刚才的实验结果。终于，费米从中悟出了一个道理，石蜡中的氢核使中子速度减慢，这样原子核更容易俘获中子，而发生裂变。
因此，使反应速度骤然加快的直接原因，是氢核的缓速作用。
费米激动地向助手们讲述了自己的推断，最后坚定地说：“可以肯定，任何其他含氢原子较多的物质，比如水，都应该产生同石蜡同样的效果！”当天下午，大家一起动手，把中子源、计数器和银圆盘从楼里搬到喷水池。实验结果完全证实了费米的预见：水也会使中子减慢速度而使银的放射性增强。人们狂呼起来，这一切意味着原子物理又向前跨进了一大步。它证明普通中子（快中子）进行核反应时产生的威力不大，而用慢中子却可以激活百倍以上。由于发现慢中子效应，费米获得了1938年的诺贝尔物理奖。
费米对铀核裂变及慢中子效应的两个重要发现，奠定了他后来设计第一座原子反应堆的部分理论基础。当时费米已经把钥匙插进了原子能开发的大门，只需转动一下，大门就会打开了。然而，由于费米的妻子是犹太人，意大利法西斯的反犹太法令，使他全家无法在意大利生活，1938年冬天，费米一家利用到斯德哥尔摩接受诺贝尔奖的机会，踏上了美国的海岸。在美国，费米为原子能的利用又做出了更为重要的贡献，在那一段惊心动魄的岁月里，原子能的研究终于走出实验室，开始了“真刀真枪”地实战阶段。然而不幸的是，在当时的历史条件下，由于法西斯侵略战争的紧迫，这项重要的科学发现没有为人类开辟新能源造福，却导致破坏威力巨大的原子弹的诞生。
“曼哈顿计划”
裂变反应正好是在第二次世界大战的导火线已经点燃的时刻发现的。当时的人们都有一种紧迫感，甚至恐慌感。很显然，核裂变最初是在德国被发现的，德国人很可能利用原子能制造出某种爆炸物，这对于像费米那样的一些刚刚逃离法西斯魔爪的科学家来说，更是忧心忡忡。1939年春天，费米决定去拜访美国海军部，报告关于核裂变的研究情况，可是没有引起海军部门的重视。
1939年夏天，移居美国的匈牙利物理学家西拉德等人得知德国科学家开始讨论利用原子能和禁止它占领的捷克斯洛伐克出口铀矿石的消息。他们非常担忧，开始研究怎样促使美国政府注意德国可能研制成原子弹的问题。同年7月，西拉德拜访了大科学家爱因斯坦，希望凭借他的名声给罗斯福总统写信，敦促美国政府马上研制核武器，赶在希特勒之前。8月，几位在美国的科学家，由爱因斯坦签名，写信给罗斯福总统，陈述了铀裂变有可能被用来制造出威力空前的炸弹的问题，并特别提到了纳粹德国正在进行的工作，敦促罗斯福做出研制核武器的计划。专家们的建议终于说服了罗斯福总统，1941年12月，罗斯福总统正式批准了全力以赴研制原子弹的计划，为了保密就将该计划起名为“曼哈顿工程”。曼哈顿工程是自然科学和工程技术史上的一次创举。它从1941年至1945年，历时5年，共动员了50万人，15万名科学家和工程师，耗资20亿美元，用电占全美国电力的三分之一。曼哈顿计划是人类有史以来第一次大兵团作战，集体攻克难关的先例，由此总结的经验对后来人造卫星、登月计划等大科学项目有很大的帮助。这项工程计划严密而周全，实施坚决果断，尤其突出的是高度严格的保密工作令人叹为观止。如此大规模的曼哈顿工程计划，连美国副总统杜鲁门也毫无所知，直到1945年4月罗斯福总统去世，杜鲁门接任总统职位时，他才获悉此项工程的内幕。
制造原子弹的内幕
研制原子弹，好像一支前途未卜的远航舰队，指挥这支舰队的是一名能干的指挥者格罗夫斯，格罗夫斯并不是科学家，而是一名军官，但曼哈顿工程不是纯科学研究，而是科学、技术、生产、军事及管理等多方面的综合。在这种情况下，组织、协调、决策能力就显得极为重要了。在开始研制原子弹时，除了哈恩、斯特拉斯曼和梅特纳等人的论文，表明用慢中子轰击铀－235，进行裂变反应，可以得到巨大的能量外，原子弹什么样？怎样获得爆炸用的核燃料？怎样引爆？以及很多技术细节都一无所知。这给原子弹研制的组织领导工作和科学家们带来了极大困难。
曼哈顿计划大致有三方面内容：一是生产钚，二是生产浓缩铀－235，三是研制炸弹。为了制造原子弹，首先就要有足够的纯净铀，1940年，全美国只有40克纯铀，而且人们还没找到提取纯铀的方法。为此，美国衣阿华大学斯佩丁领导的研究小组，用离子树脂交换法提炼纯铀，到1942年他们已分离出纯铀2吨。为了实现铀核裂变链式反应，还必须把铀的两种同位素分离开，用铀－235作原子弹的核燃料，因为铀－238不能实现链式反应，但天然铀中，铀－235只占0．7％，铀－238占99．3％，即140个铀原子中只有1个铀－235，而且两种同位素化学性质相同，彼此很难分离。为此，劳伦斯领导的加利福尼亚实验室与几家公司用电磁分离法，尤里领导的哥伦比亚大学实验室和几家公司用扩散方法分别完成了分离浓缩铀－235的任务，并于1945年7月制造出足够一颗原子弹用的铀－235燃料，保证了曼哈顿工程计划的圆满完成。
其实当时德国有关原子核裂变的研究水平也相当高，与美国不相上下，但是，由于分离铀－235需要极大的工厂和资金，而德国战时因材料匮乏，根本做不到这点，在战争结束的时候也只停留在实验室阶段。战后发现的事实说明，在研制原子弹问题上，美国对德国估计过高。美国认为这是一场关系到生死存亡的竞赛，开足马力全速前进，而实际上德国没有参加这场竞赛，或者说德国旁若无人在慢悠悠地前进。
