第一部分 核时代的来临

19世纪后期至20世纪上半叶是核物理学发展史上的黄金时代。第一次世界大战前后，国际核物理学研究形成了三个主要中心：剑桥大学、哥本哈根大学和哥廷根大学。到20世纪30年代，19世纪晚期出现的物理学国际化，此时进一步得到发扬光大。

核物理学作为世界第一颗原子弹研制成功的理论基础，它的发展基本经历了电子、原子核、中子、人工放射性、裂变和链式反应这几个至关重要的科学发现阶段。

1897年，剑桥大学卡文迪什实验室的实验物理教授约瑟夫·汤姆森（Joseph J.Thomson）发现了电子，并在数年后提出了“葡萄干布丁”原子模型。汤姆森的成果，“冲破了两千多年来原子不可分和不可变的框架，使人类的物质观和科学观由宏观物质转向微观的物质组成领域，并导致新能量——原子能的发现”[2]。

1909年，汤姆森的学生、来自新西兰的物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford），在助手德国物理学家汉斯·盖革（Hans Geiger）和来自新西兰的研究生欧内斯特·马斯登（Ernest Marsden）的协助下，通过用钋发射的带正电荷的α粒子轰击极薄的金箔，发现了原子核，并在1911年提出自己的原子模型——太阳系模型或行星模型，推翻了汤姆森“葡萄干布丁”模型的设想，被誉为“自德谟克利特时代以来，我们物质观念的最大变化”[3]。

1919年，卢瑟福接替约瑟夫·汤姆森担任第四任卡文迪什教授。他用α粒子轰击氮原子，这个过程用公式表达为He4+N14→O17+H1，从而产生了一个氢核和一个氧核（即质子），证明了放射性能够使一种原子变成另一种原子，打破了元素不会变化的传统观念。

值得一提的是卢瑟福的学生、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）。1913年，玻尔借助德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）和阿尔贝特·爱因斯坦（Albert Einstein）的量子理论，提出了原子结构的“玻尔模型”，即电子环绕原子核作轨道运动，外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子，较外层轨道的电子数决定了元素的化学性质，如果外层轨道的电子落入内层轨道，将释放出一个带固定能量的光子。尽管“玻尔模型”只是针对氢原子结构做出的解释，也无法揭示氢原子光谱的强度和精细结构以及更复杂原子的光谱，因此遭到了包括卢瑟福在内的诸多物理学家的质疑，但玻尔的成果为后来的物理学发展铺平了道路。有人称玻尔为“对20世纪物理学的贡献位列第二，仅次于爱因斯坦”[4]的物理学家。

1920年6月3日，卢瑟福在皇家学会发表“原子的核构成”的演讲，预言了原子中存在中性粒子的可能性。卢瑟福的另一名学生兼助手詹姆斯·查德威克（James Chadwick），则决定去证明中性粒子（中子）的存在。

最初查德威克的探索未取得进展，但其他科学家的发现为他提供了灵感。1930年8月，德国物理学家瓦尔特·博特（Walther Bothe）和他的学生赫伯特·贝克尔（Herbert Becker）报告了他们用α粒子轰击某些轻元素，特别是铍、硼、镁或铝，会产生一种穿透力非常强的辐射。最初，这种辐射被认为是γ辐射。1932年1月，法国物理学家和化学家居里夫人（Marie Curie）的女儿伊蕾娜·居里（Irène Curie）和她的丈夫弗雷德里克·约里奥（Frédéric Joliot）报告了他们的实验结果。他们发现，在α粒子的轰击下，铍产生的辐射比博特和贝克尔报告的更具穿透性；用铍辐射轰击石蜡或其他含氢化合物时，会释放出高速粒子。

读到约里奥-居里夫妇的论文后，查德威克通过重复和改进约里奥-居里夫妇的实验，得出了自己的结论并致信《自然》杂志，做出了他的中子解释。这样，查德威克发现了中子。中子是引发原子核裂变并释放出能量的关键性因素。

在量子力学得到发展的同时，1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，成为理解原子和亚原子粒子的重要基础。量子力学和相对论共同奠定了现代物理学的基础。爱因斯坦著名的质能方程E=mc2，揭示了一切物质都潜藏着质量乘以光速平方的能量，尽管在当时“对大多数应用物理学家和工程师而言，这个结论看上去是一个没有任何实际意义的数学假定。甚至爱因斯坦也几乎未能预见到这个结论在今天的多种用途，不过早在1905年他就明确地说过，质量和能量是等价的，并指出这种等价关系大概可以通过研究放射性物质而得到证明”[5]。

研究放射性元素，如同爱因斯坦所说的那样，能够更好地证明这种质量和能量的等价关系。自法国物理学家亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）发现天然放射性以来，这种仅为少数重元素所具有的特性一直吸引着物理学和化学领域的科学家们。

1902年，卢瑟福和其助手索迪（Frederick Soddy）提出了放射性元素衰变说：放射性元素都有一个半衰期，就是辐射减弱到之前强度一半所用的时间；半衰期标志着一种元素的一半原子转变成别的元素的原子，或者转变成同种元素的一个物理变种的原子——同位素。1903年，他们再次联合发表论文，阐述了放射性衰变释放能量值的计算结果：

因此可以说，镭的衰变期间的总辐射量不会小于108[也就是100000000]卡/克，可能介于109卡/克和1010卡/克之间……氢和氧结合产生水释放大约4×103[也就是4000]卡/克的能量，而这种放射性反应比起给定重量的任何其他已知化学变化释放更多的能量。因此，放射性变化的能量一定至少是化学变化能量的2万倍，并且可能是百万倍，大大高于任何分子变化的能量。[6]

卢瑟福因此开玩笑地说，“实验室当中的某个傻瓜，可能在自己还不知道的情况下，把宇宙炸开了花”[7]。

尽管卢瑟福上述说法在当时只是一种他自己也未当真的推理想象，但给英国作家、历史学家赫伯特·威尔斯（Herbert G.Wells）创作科幻小说《获得自由的世界》（The World Set Free）提供了灵感。而这部小说给匈牙利犹太物理学家列奥·齐拉特（Leó Szilárd）留下了深刻的印象，促使他思考某种元素被一个中子分裂后又释放出两个中子从而产生链式反应的情形。1934年2月，《自然》杂志刊登了约里奥-居里夫妇发现人工放射性的论文，使齐拉特立即意识到，“探索这种链式反应可能性的手段就在眼前”[8]。齐拉特向英国的一些物理学家阐述链式反应的现实可能性，但是没人接受这种观点。1934年6月，他向英国政府申请了两项专利，同样未受到重视。

1934年3月，意大利物理学家恩里克·费米（Enrica Fermi）受到约里奥-居里夫妇的启发，开始尝试用中子轰击所有能弄到的元素，创造了他所说的“超铀元素”。在这一过程中，费米还发现了含氢和碳的石蜡能使轰击的中子因碰撞而减速。事实上，费米可能第一个做到了分裂铀原子，然而他当时并没有认识到铀发生了裂变。

与此同时，德国威廉皇帝化学研究所所长、化学家奥托·哈恩（Otto Hahn），与奥地利物理学家莉泽·迈特纳（Lise Meitner）以及年轻的德国化学家弗里茨·施特拉斯曼（Fritz Strassmann）一道探求中子轰击天然铀的结果。1938年6月迈特纳因犹太人身份被迫流亡到瑞典斯德哥尔摩之后，哈恩和施特拉斯曼继续进行关于铀的研究。12月17日，哈恩和施特拉斯曼重复了他们之前曾批判过的法国的伊蕾娜·约里奥-居里和南斯拉夫的物理学家帕维尔·萨维奇（Pavel Savitch）做过的实验。实验得出了一个在化学上无可怀疑，但在物理学上解释不通的结果，中子轰击铀后得到的元素实际上是钡。它的位置在元素周期表的中间，它的重量稍微超过铀的重量的一半。

哈恩将他无法解释的发现结果写信告知了迈特纳。迈特纳和她的外甥、年轻的物理学家奥托·弗里施（Otto R.Frisch）受尼尔斯·玻尔原子核“液滴”模型的启发，对这一发现做出了铀原子核裂变的解释。1939年2月11日，《自然》杂志以来信的形式刊发了迈特纳和弗里施对哈恩实验做出的裂变解释。[9]

然而，即使中子击中了铀原子核，也未必会产生链式反应，因为它可能被吸收或被散射，其他没有击中原子核的中子也可能从铀原料的表面逃离。除非所失去的中子数小于成功引发裂变的中子数，否则不可能产生链式反应。

1939年5月，约里奥-居里研究小组的弗朗西斯·佩兰（Francis Perrin）提出了临界体积的概念以及关于快中子和慢中子倍增的近似理论。不久，英国伯明翰大学的德裔数学物理学家鲁道夫·派尔斯（Rudolf E.Peierls）发展了佩兰的理论。通过测量计算核反应截面的值表明，快中子轰击天然铀难以实现链式反应，但是慢中子恰是可能的；通过使用像氢这样的轻元素，可以使中子减慢至所需的速度，比如水、重水和石墨等。1939年8月，弗雷德里克·约里奥-居里研究小组用水作减速剂，实现了铀裂变链式反应，但不是自持性的。虽然出现了中子倍增，但水吸收了太多的自持性反应所需的中子。一般而言，链式反应有三种模式：使用减速剂、浓缩铀-235和使用钚-239。像约里奥小组这种铀和减速剂构成的慢中子诱发裂变链式反应的系统适用于工业化生产核动力，制造原子弹则需要由快中子诱发铀-235或钚-239产生裂变链式反应。

到第二次世界大战爆发的时候，核物理学领域已经取得了许多重大的进展。从理论上看，进行原子能的工业化开发利用和制造原子弹是可能的。但是，当时的研究成果都停留在理论阶段或实验室阶段，要实际利用原子能仍需突破一些至关重要的环节。因此，到1939年时，还存在着诸多的不确定性，即使是最著名的核物理学家也对原子能的实际应用前景表示怀疑，只有像齐拉特这样极个别的人还抱有幻想。尽管如此，在物理学家和化学家不断推陈出新的研究发现中，核时代如幽灵般悄悄地来临了。