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当代物理前沿专题之一原子能及其和平利用 ? 何祚庥 1．1? 原子的碎裂和原子核的发现 1 1．2? 原子核的电荷、质量的测定和原子核的质子、中子模型 2 1．3? 原子能和原子核的结合能 3 1．4? 原子能的可能的释放模式 4 1．5? 核裂变和原子能 5 1．6? 核聚变和原子能 5 1．7? 一种新的释放原子能的方式——高能质子的碎裂反应+热中子堆 6 1．8? 原子能和能源问题 7 1．9? 原子能和中国的能源问题 7 ?1．1? 原子的碎裂和原子核的发现 ? 19世纪的物理学和化学确立了原子的概念．原子被看作是有一定大小和有一定质量的颗粒．19世纪的化学的中心任务，是确定各种化学元素的原子量．19世纪的物理学的任务之一，是确定原子的大小，如通过分子动理论曾定出氢分子的直径约是1.4×10-10m；另一重要任务是测定阿伏伽德罗常量，从而定出原子质量的绝对值．但是在那时占主导地位的观念，是原子被设想为构成物质的最小的单元，而且是不可再分的物质的始原．“原子”这一译名，就体现出“原始”的“粒子”的意思．中国的民主主义思想的先驱者严复，就曾把Atom一词译作“莫破尘”．“尘”在佛经中是微小的灰尘，“莫破”就是“不可分”或“原始”的意思的另一表述了． 到了1897年，人们在观念上来了一个大变化！这就是J．J．汤姆孙确认在放电管中所发现的阴极射线是一种比原子、分子轻很多的带负电的粒子流，而且通过磁场测出这种粒子的质量和电荷的比值，m/e．汤姆孙还把这一数值和在电解槽中测得的氢离子的m/e进行比较，从而表明这一粒子，亦即电子的质量，约是氢原子的2×10-3．这证实了电子的存在，而且还证实了这是在电场作用下，由原子中拉出的电子． 电子的发现使汤姆孙想到，原子也有结构，原子由电子和另一带正电的“部分”或称为离子所组成．由于电子很轻，所以原子的质量将集中在带正电的“部分”上，而电子却在带正电的“离子”内部漂浮，这就是著名的汤姆孙的原子模型． 1896年，贝克勒尔发现铀元素能放出穿透本领很强的放射线．1899年，卢瑟福发现铀放射的射线中，一种是穿透性较弱的α射线，另一种是穿透性较强的β射线．1903年，卢瑟福证明，α射线是氦元素的正离子．更重要的，是卢瑟福在1908年所做的α粒子对金箔散射的实验．他发现竟有相当多的α粒子被金箔弹射回去！按照汤姆孙的“带有葡萄干的蛋糕模型”，这是无法解释的．因为在汤姆孙模型中， 在原子中心，由于正负电子接近中和，所以α粒子不能发生大角度散射．卢瑟福的这一实验强烈地启示着，在原子内部带正电的“部分”似乎是一个“核”． 1911年，卢瑟福提出了一个原子模型：原子中心有一个带正电的核，其半径约是3×10-15m，电子绕着核而旋转，其半径约为10-10m．卢瑟福用这一类似于太阳系的模型解释了一系列有关α粒子散射的实验，同时也就正式地提出了原子核的概念，或首先发现了原子核． ? 1．2? 原子核的电荷、质量的测定和原子核的质子、中子模型 ? 卢瑟福提出了原子核的概念以后，还用α粒子散射的现象来测定原子核的电荷，因为如果原子核具有大小不等的电荷，那么由于α粒子和不同核所带电荷的库仑相互作用的差别，将导致散射截面的差别，反过来也就测定了原子核的电荷． 卢瑟福在这一系列的散射实验中获得的一项重要成就，是纠正了门捷列夫周期律里将化学元素按原子质量顺序排列的陈旧观念．卢瑟福认为原子核所具有核电荷的大小，才是周期表中的原子序数．事实上，当人们对周期律做更深入的研究后，已经发现原子序数是18的氩气（Ar）的原子量是39.948，而原子序数是19的钾（K）的原子量是39.0983．如果严格按照质量的顺序来排列，就表现不出化学元素的周期性质．卢瑟福还认为氢的原子序数是1，亦即只有单位电荷．他把氢原子核命名为质子，即携带质量的粒子，而其它原子核的质量大约是质子质量的整数倍．这样，卢瑟福又成了质子的发现人． 对原子核性质的进一步研究是测定它们的质量．在那一时期，许多物理学家们设计出若干性能良好的质谱仪，其原理是将原子核四周的电子剥去，将原子核加速到一定能量后，导入某一磁场中，利用电和磁之间的洛伦兹力使原子核“偏转”，从而由“偏转”中推断出原子核的质量．从1911年开始，直到40年代，这几乎是整整一代原子核物理学者的工作．在经过十分详尽的研究后，终于发现： 1．所有原子核都带正电荷，电荷量的大小均是质子（亦即氢原子核）电荷的整倍数． 2．所有原子核的质量均差不多是质子质量的近似的整倍数．但是这一“近似”的整倍数却不等于电荷的整倍数． 以上的测量结果导致对原子 核结构的一种猜测，即原子核也是由质子和电子这两种“基本”粒子组成的．只是电子紧密地束缚在原子核内，因而就形成了以上的电荷的整倍数，以及质量的“近似”的整倍数．但是，这一“猜测”也立