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从“质能公式的提出”到核技术

2017-11-13 08:00 [课外阅读] 来源于:物理ok网|作者:陈老师|点击量:
导读:1905年9月,爱因斯坦创立狭义相对论,并在他的题为“物质的惯性与它所含的能量相关吗”论文中,揭示了质量与能量之间的关系,提出了著名的质能公式E=mc2,这就从理论上预言了原子内部蕴藏着巨大的能量.能否开发和利用这些能量?当时人类则抱有悲观态度,甚至大
从“质能公式的提出”到核技术

1905年9月,爱因斯坦创立狭义相对论,并在他的题为“物质的惯性与它所含的能量相关吗”论文中,揭示了质量与能量之间的关系,提出了著名的质能公式E=mc2,这就从理论上预言了原子内部蕴藏着巨大的能量.能否开发和利用这些能量?当时人类则抱有悲观态度,甚至大科学家卢瑟福也认为“通过原子的变换去探索能源,那简直是无稽之谈”.
  然而,人类的认识是不会停滞的,科学技术必然是不断进步的.1909年3月,物理学家盖革和马斯顿进行了著名的α粒子散射实验;卢瑟福了解到此实验中α粒子出现了反常的漫散射现象,他则以原子内存在强电场的观点,探索α粒子大角散射的内在原因,推断出原子由带负电的电子和带正电的原子核构成,并据此于1911年提出了原子有核结构,确立了“原子核”概念;1913年,玻尔以卢瑟福原子模型为基础,引入量子概念,构筑了一个新的原子模型——量子化原子模型;1919年,卢瑟福又用天然放射源放射出来的α粒子轰击氮,首次发现了原子核的人工嬗变,即

这个实验既发现了在原子核中有呈中性的质子,也第一次用人工方法成功地把一种元素转变为另一种元素,从而开辟了人为变革原子核的途径.

那么,原子核又由什么组成呢?由于当时已知的粒子只有电子和质子,而且研究得最多的是氢原子,因此,曾认为原子核是由质子组成的.然而,因氦原子有两个电子,那么氦核则由两个质子组成,于是氦原子的质量就是氢原子的二倍,可是实际上却是四倍!有人认为原子核是由质子和电子组成的,但这又引起许多矛盾;1920年卢瑟福在英国皇家学会的一次演讲中,大胆地提出可能存在一种中性基本粒子,其质量与质子大体相等.如果原子核内存在这种粒子,则可圆满地说明原子核的组成.此后,卡文迪许实验室用了十年时间寻找这种中性粒子,但却一无所获.1932年3月27日《Nature》(自然杂志)刊登了物理学家查德威克的一篇论文,他提出:α粒子轰击铍所产生的“铍辐射”并不是α射线,而是一种新粒子,此新粒子不带电荷,因此取名为“中子”.由此,物理学家则提出了原子核的质子-中子模型.

1934年,约里奥-居里夫妇在用α粒子轰击铝靶时,得到一种天然不存在的新放射性元素磷,这是历史上第一种人造的放射性同位素,当然这也是对原子核结构理论的有力证明.为了说明质子和中子结合在尺度很小(10-14m)的原子核内,科学界提出了“核力”概念,核力不同于当时已知的万有引力和电磁力.1933~1939年间的中子-质子散射实验,确定了核力的基本性质.

中子和人工放射性的发现极大地激发了物理学家们的热情,促使他们去揭开原子核的奥秘.1934年,费米等人用中子照射铀,企图使铀核俘获中子,再经过β衷变得到原子序数为93或更高的超铀元素.在实验中,他们偶然发现经过慢化的中子(热中子)反而比快中子能更好地引起核反应.费米认为,这是因为慢中子与快中子相比较,它经过原子核附近时滞留的时间较长,因而被原子核俘获的机会要多一些.1934~1938年间,许多物理学家和化学家做过此类实验,但不同的研究者得到了不同的结果,有的说发现了超铀元素,有的宣称得到了镭和锕.1938年9月,居里夫人的女儿伊伦·居里和萨维奇合作,应用放射化学方法分析中子轰击铀的产物,发现其中有一个半衰期为3.5小时的放射性元素,其化学性质和元素镧相近,但镧的原子序数为57,恰在周期表中间,绝不会是“超铀”元素.伊伦·居里的实验结果引起了德国的奥托·哈恩的注意,他与斯特拉斯曼重做了一系列实验后提出:所谓镭和锕实际上是原子量远小于它们的镧和钡.如何解释这种现象?他们认为只有假设原子核分裂为两个或两个以上的碎块,才能给予解释,这种分裂过程称为“核裂变”;1939年,梅特纳和费里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象;同年玻尔等人在原子核液滴模型和统计理论的基础上,系统地研究了原子核的裂变过程,奠定了核裂变理论的基础.  
掌握了核裂变和核能释放,物理学家又进一步思考:铀核被一个中子击中后分裂为两个碎片,那么若与此同时再有一个以上的中子从铀核中释放出来,它们就能引起其他铀核的裂变,如此继续下去,就会发生自动而持续的链式反应.但问题的关键是,铀核裂变时是否能产生新的中子?在进一步的实验研究中,约里奥-居里夫妇、费米、西拉德、津恩等都证实在铀核分裂时能产生2~3个中子,同时释放出大量能量.这就在理论上肯定了链式反应是能够发生的.这样看来,只要有一个中子被铀核俘获,那么就会很容易地产生链式反应.

原子的人工嬗变、热中子核反应、重核裂变、链式反应的可行性等重大发现,虽然都是纯基础理论研究的成果,但它深深触及了人类开发原子核能这个十分现实的问题.然而,这项工作却首先转向了为战争服务,因为当时正值第二次世界大战期间.由于核裂变最先是在德国发现的,因此德国首先开始研制核武器.消息泄露后,爱因斯坦等科学家致信美国总统罗斯福“加紧研制原子弹”.1942年8月美国开始实施以研制原子弹为内容的“曼哈顿计划”.1942年12月,在费米、西拉德、奥本海默、弗兰克等众多科学家的共同协作下,在美国芝加哥大学建成了世界上第一座核反应堆,首次实现了人工控制的核链式反应.1945年7月16日,美国在新墨西哥州爆炸了世界上第一颗原子弹,从此开始了核武器研制和试验的国际竞争.

第一座反应堆的研制成功,其意义是重大而深远的,它不仅直接导致了第一颗子弹的爆炸,还在于建造了原子能反应堆.从此,人类找到了开发原子核能的一条基本途径,为人类的能量来源开辟了崭新的天地.在和平利用原子能方面,核电站的建成是其中的一个主要标志.1954年6月,原苏联建成了第一个小型原子能发电站,首先突破了核能源实际有效利用的新技术;1956年英国建成第一座天然铀石墨冷气发电、产钚两用堆;1957年12月美国也建成了实验性压水堆核电站.20世纪50年代,各国核发电站的发展基本上是实验性的,主要是探索它在技术上的可能性;60年代以后,核电站进入了实用阶段,上述几种主要堆型技术越来越成熟,优越性也日益显露出来,其中轻水堆是目前世界核电站中占首位的堆型,装机容量约点全部核电站总容量的80%;到了70年代,其单堆功率已从第一代的20万千瓦左右提高到130万千瓦,发电效率有很大提高,平均燃耗、发电成本大大降低;从70年代中期起,各国核电站的发电成本已普遍比火电站低,核电站的可利用率已同现代最新的火电站相当,而实际运行的负荷因子已高于火电站;截止到目前,欧洲一些国家核电在整个能源中所占的比例超过50%,法国高达78%.核能在世界能源中的地位和作用在不断地增长,核电站在今后仍将有更大的发展.

(编辑:wuliok.com)

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