原子能是怎样发现的

【专家解说】：原子学说的起源 以前人们有的认为物质是由原子构成的，有的人认为物质是由分子构成的，为了这件事情，大家争论不休，形成了原子说和分子说两种不同的理论。经过几千年，人们发现单独的原子说和分子说都不能解决问题，于是又提出了一种新的学说，叫做原子分子说。该学说认为:(1)物质是由分子组成的，分子是保留原物质性质的微粒。例如，糖溶解在一杯水里，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。(2)分子是由原子组成，原子则是用化学方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物质的性质。例如，我们平时食用的食盐(氯化钠)的分子是由钠原子和氯原子组成的，氯是有毒的，显然食盐的性质与氯和钠的性质截然不同;另一方面，完全无害的元素碳和氮，组成的化合物却可以是剧毒的气体氰(CN)化物。 看到原子 原子结构分裂图 我们熟悉的自然界的物质有三态:固态、液态和气态。可以这样理解:固体的分子排列得比较整齐和紧密，分子运动的范围相对来说是很小的;液体分子的排列就自由些和松散些，因此分子运动的范围就比较大些;气体的分子，表现得最自由，它们往往或多或少地独立运动，与其它的分子无所牵连。永无休止的分子的剧烈运动足以说明气体的性质。后来计算出在一秒钟内，气体中的一个分子和其它分子的碰撞次数就达50余亿次。气体分子的运动，就总体来说，它全是不规则的运动。 从19世纪中期，开始了气体分子的运动论的研究。这一研究取得了巨大的成功，科学家们根据气体分子运动论确定了原子的质量和直径。各种原子的大小不同，它们只有1亿分之一至1亿分之四厘米。50万个原子只能排满头发丝细的距离，500万个原子排成一行，也只不过是在我们这里的一个小句号的范围里。原子的重量只有1千万亿亿分之一克。一杯水的重量与其中的一个原子的重量相比，约等于地球的重量与其上的小块砖头的重量之比，可见原子是何等的微小。长期以来，人们并没有用肉眼看见过原子。原子，就是在高倍显微镜下，在近代电子显微镜下也很难看见。但是，人们对原子的客观存在不再怀疑。这是为什么呢?因为，发展科学和检验真理的唯一可靠的标准是实践。人类的大量的生产实践，间接地证实了原子的存在，用原子分子学说可以准确无误地解释和指导我们的生产实践。 一直到1970年，才有一位美国科学家报道说，他借助扫描电子显微镜第一次观察到了单个的铀和钍的原子。1978年2月，日本一位科学家宣布，他们用具有超高度分辨能力的电子显微镜拍摄了世界上第一张原子的照片，看到了几种原子的图像。 2001年，中国科学家汪正民用新的实验技术，在国际上首获原子体系(铷原子)不同电子云影相。 核能诞生 发现原子后，科学家们又发现原子核能够发生分裂，也就是一个原子核分成两个原子核、三个原子核……而且在分裂后还能产生很大的能量。 铀核裂变为两个碎片(两个新的原子核)的消息立即传遍了全世界。紧接着各国科学家们都证实:铀核确实是分裂了。 铀核分裂产生的这个能量，比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上!就这样，人们发现了“原子的火花”，一种新形式的能量。这个能量就是原子核裂变能，也称核能，或原子能。但当时，人们只注意到了释放出惊人的能量，却忽略了释放中子的问题。稍后，哈恩、约里奥·居里及其同事哈尔班等人又发现了更重要的一点，也是最引人注目的一点，就是:在铀核裂变释放出巨大能量的同时，还放出两、三个中子来。 这是又一项惊人的发现。为什么呢? 一个中子打碎一个铀核，产生能量，放出两个中子来;这两个中子又打中另外两个铀核，产生两倍的能量，再放出四个中子来，这四个中子又打中邻近的四个铀核，产生四倍的能量，再放出八个中子来……。以此类推，这样的链式反应，也就是一环扣一环的反应，又称连锁反应，持续下去，宛如雪崩，山顶上一团雪滚下来，这团雪带动了其它雪，其它的雪再带动另一块雪，这样连续下去，愈滚愈烈，瞬间就会形成大雪球，滚下山坡，势不可挡。这意味着:极其微小的中子，将有能力释放沉睡在大自然界中几十亿年的物质巨人。 正是由干这一发现，卢瑟福和同他持同样观点的人认为开发利用原子能量的设想不可能的结论，终于被一种新的科学手段所动摇，并且最后被彻底摧毁了。 1944年，哈恩因为发现了“重核裂变反应”，荣获该年度的诺贝尔化学奖。但是，在这一研究中曾经与其合作并作出过重大贡献的梅特纳和斯特拉斯曼却没有获此殊荣，对此，人们不免感到遗憾。特别是对梅特约而言，是她首先创造性的采用了“原子分裂”这个科学史上从来没有过的名词，难道仅仅因为她是一位女科学家就可以“忽略不计”吗?对此，一直到20世纪的90年代，仍然有人为她和有同样命运的女科学家们感到不平。 不过，尚可欣慰的是，1966年，梅特纳博士和哈恩博士，还有斯特拉斯曼博士共同获得瑞典原子能委员会颁发的5万美元的“恩里科·费米奖”。那时的梅特纳已有80高龄，身体很虚弱，不能到维也纳去领奖，是由原子能委员会主席西博格博士亲自到英国剑桥向她授奖的。这对梅特纳博士来说，当是极大的荣誉，也是莫大的欣慰。 爱因斯坦和原子能 爱因斯坦早在1905年发表狭义相对论的原始论文，作为相对论的一个推论，他又提出了质能关系。这种关系的发现，对解释原子能释放有重大意义。 在知道原子能以前，只知道世界上有机械能，如汽车运动的动能;有化学能，如燃烧酒精放出热能转变为二氧化碳气体和水;有电能，当电流通过电炉丝以后，会发出热和光，等。这些能量的释放，都不会改变物质的质量，只会改变能量的形式。 例如，两辆完全相同的汽车，都是5吨，一辆在运动，一辆是静止的，运动的车虽然有动能，但其质量与静止的车是完全一样的，不会因为运动而发生变化;如果运动的车一旦与静止的车发生碰撞，猛然停止时，动能虽然失去了，可我们发现，汽车在相撞处变得很热。这是什么原因呢?汽车的动能转变成了撞击点金属的热能，而汽车的质量仍然没有改变，还是5吨。这是用我们的常识可以理解的。 但爱因斯坦发现质能关系以后，他的理论是，质量也可以转变为能量，而且这种转变的能量非常巨大。 例如，原子能比化学反应中释放的热能要大将近5千万倍:铀核裂变的这种原子能释放形式约为200，000，000电子伏特(一种能量单位)，而碳的燃烧这种化学反应能量仅放出4.1电子伏特。原子能是怎样产生的呢?前面已经提到，铀核裂变以后产生碎片，我们发现，所有这些碎片质量加起来少于裂变以前的铀核，那么，少掉的质量到哪里去了，就是因为转变成了原子能。数学上用E=mc2 的公式来表示，即:能量等于质量乘以光速的平方。由于光速是个很大的数字(c=30，000，000，000厘米/秒)，所以质量转变为能量后会是个非常巨大的数量。爱因斯坦的理论超出了人们的常识范围，这正是他的过人之处。 爱因斯坦的这个质能关系正确地解释了原子能的来源，奠定了原子能理论的基础。