核能的來源的故事

【專家解說】：核能的來源 　　從1932年發(fā)現(xiàn)中子到1939年發(fā)現(xiàn)裂變，結(jié)果經(jīng)歷了七年之久才把巨大的裂變能從鈾核中解放出來。它同已知的只有幾個電子伏的化學(xué)能相比要大幾百萬倍，而同一般的核反應(yīng)能相比也要大十倍左右?？茖W(xué)家們?yōu)榱四芎芎美盟?，就需要設(shè)法找到產(chǎn)生這種巨大能量的根源。 　　早在發(fā)現(xiàn)放射性和放射性核素的初期，人們從貝克勒爾和皮埃爾·居里曾經(jīng)被鐳射線燒傷過皮膚的現(xiàn)象中覺察到，各種射線的確具有很大能量。例如，鈾原子核衰變能量要比碳原子化合時所釋放的能量大兩百萬倍。而人類對各種化學(xué)能的應(yīng)用早就開始了，但對放射能的實際應(yīng)用卻遲遲不得實現(xiàn)。這是由于這些放射能的釋放過程非常緩慢，也就是說這些天然放射性核素哀變時的能量釋放率太小，故沒有開發(fā)應(yīng)用的價值。即使這樣，科學(xué)家們還是對放射能的來源問題很感興趣。從唯物主義者對物質(zhì)世界的認(rèn)識論觀點出發(fā)，各種能量都不能憑空臆造或無中生有，它只能隱藏在物質(zhì)之中。 　　當(dāng)時人們已知原子是組成物質(zhì)的最小單位，因此很自然地認(rèn)為放射能是存在于原子內(nèi)部。那是在1903年，當(dāng)盧瑟福研究了α射線的能量后曾經(jīng)指出：“這些需要加以思考的事實都指向同一個結(jié)論，即潛藏在原子里面的能量必是巨大無比的”。所以至今人們?nèi)园逊派淠芙凶觥霸幽堋薄? 　　然而，隨著核科學(xué)的不斷發(fā)展，在1911年，盧瑟福又發(fā)現(xiàn)了原子中存在著某一核心部分，即找到了原子核。并從它的特性中知道，原子質(zhì)量的絕大部分都集中在原子核上。這樣，人們就認(rèn)為原子核中儲藏著巨大能量的說法更能反映客觀實際。而放射能實際上也就是由于原子核自身發(fā)生變化時所釋放出的能量。另外，原子能的提法又很容易和化學(xué)能相混混淆，所以把放射能稱之為“核能”更符合實際情況。 　　但是，有些唯心論的學(xué)者曾經(jīng)企圖從原子核的放射性衰變現(xiàn)象中，作出物質(zhì)似乎可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康腻e誤結(jié)論。他們認(rèn)為，在放射性核素的衰變過程中，物質(zhì)似乎消失了，而能量卻無中生有了。然而，隨著核科學(xué)的迅速發(fā)展，很快就駁斥了唯心論者的謬誤。這就是在1905年，由杰出的天才理論物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了能量和質(zhì)量關(guān)系式后才實現(xiàn)的。他是一個出生在德國，后來先后加入過瑞士和美國國籍的猶太人。他所提出的“狹義相對論”理論不僅能證實能量轉(zhuǎn)變和守恒定律的正確性，而且完全適用于核衰變的過程。根據(jù)他對各種運動物體的觀察(特別是那些作高速運動的物體)和分析的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)隨著物質(zhì)運動速度的增大，特別是接近光速(每秒30萬公里)時，運動物質(zhì)在運動方向上的長度(即由靜止觀察者所測得的長度)就越來越短；而其質(zhì)量卻越來越大。 　　根據(jù)愛因斯坦的相對論理論，對于高速運動的電子(如陰極射線)，它的運動速度已很接近光速，為260000公里／秒。此時電子質(zhì)量可猛增到原來的兩倍。這一結(jié)果由德國物理學(xué)家布赫雷爾在1908年直接從實驗測量中得到證明，且和愛因斯坦的理論預(yù)測值剛好相一致。由此不難看出，能量的增加并不意味著質(zhì)量的減少。相反實際上物體運動速度加快后，不但能量增加，而且質(zhì)量也變大。這就駁倒了唯心論者認(rèn)為放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)似乎可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康腻e誤說法。微觀世界中的這種奇妙現(xiàn)象再次證明了“自然界中的一切運動都可以歸結(jié)為由一種形式向另一種形式不斷轉(zhuǎn)化的過程”和“把能量理解為物質(zhì)的運動”的精辟見解的正確性。 　　另外，愛因斯坦在自己論述相對論的論文中，又大膽地用一個非常簡單的關(guān)系式E＝mc?，把以前一直認(rèn)為相互毫無關(guān)系的、性質(zhì)也截然不同的質(zhì)量和能量連結(jié)在一起。公式表示了能量和質(zhì)量間互相換算的數(shù)量關(guān)系，即質(zhì)量和能量是互為正比關(guān)系的。但這決不表示能量就是質(zhì)量或能量和質(zhì)量間相互可以轉(zhuǎn)化。我們知道能量是物質(zhì)運動的量度，它和物質(zhì)運動的狀態(tài)有關(guān)，是物質(zhì)的一種屬性；而質(zhì)量是物質(zhì)慣性和引力的量度，它也和物質(zhì)的本性有關(guān)，是物質(zhì)的另一種屬性。 　　例如，我們可從質(zhì)能公式算得一克質(zhì)量所相當(dāng)?shù)哪芰繛榫湃f億億爾格。雖然爾格本身是一個很小的能量單位，但是九萬億億個爾格相加起來相當(dāng)于把1000萬噸重的東西提升到1公里的高度，或可供一個100瓦的燈泡點亮35000年。但是實際上人類對這種能量的利用率僅為千分之一左右，所以它是一種威力巨大無比的能源。正是由于這種微小質(zhì)量與巨大能量在數(shù)值上有著天淵之別，才使得人們在自己的科學(xué)實驗中，很長時期未能發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)系。而在一般化學(xué)反應(yīng)中，與釋放能量相對應(yīng)的反應(yīng)物質(zhì)量也能稍微減少一點。然而，這個微小量的改變，人們幾乎覺察不到。如果我們?nèi)紵齦加侖(等于3.785升)汽油，其相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量是2800克。它在燃燒過程中與10000克左右的氧氣化合成二氧化碳和水，并能產(chǎn)生1.35億焦耳的能量，能驅(qū)動一輛汽車行駛25～30公里路程。但從質(zhì)能關(guān)系式中可看出，這些能量所相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量僅比百萬分之一克略多一點。這就是說，最初參加化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物重量是2800克加上10000克等于12800克。而反應(yīng)后的生成物包括二氧化碳和水的重量是從12800克中減去一個微小量(百萬分之一克)。當(dāng)時，十九世紀(jì)的化學(xué)家所用的測重儀是量不出這樣微小變化的，所以那時科學(xué)家們都深信質(zhì)量是永遠(yuǎn)守恒的。