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就在哈恩发现核裂变时，德国法西斯政权的排犹政策使大批犹太科学家被迫离开德国。像迈特纳就是这样离开德国的。爱因斯坦的一个学生西拉德也是犹太人，所以也离开了德国。

核反应的军事应用潜力很大，西拉德对此有清醒的认识，而德国法西斯是一群战争贩子，这些研究会加强他们的战争机器。为此，西拉德想了一个主意:能否将这些核研究保密起来。具体的保密手段可以借用专利登记的办法，并把这个专利权交给英国政府，借此来约束德国纳粹的战争手段。但西拉德的努力失败了。

西拉德的担心并不是没有道理的。希特勒取得政权之后，立即开始武装德国，并投入巨资研制威力空前的武器。德国也具有雄厚的研究基础，国家有一大批世界一流的科学家。战争期间，德国的火箭研制取得了极大的发展，并对敌对国家产生了极大的威胁。德国也开始了核武器的研究计划。1939年，德国召开研制铀设备会议，并成立“德国铀协会”和“德国原子俱乐部”，以及受德国研究委员会领导的核研究机构。1940年，德国军方调集著名科学家制定了详细的核研究计划，其中就有海森伯(1901—1976年)。当时人们普遍认为，依德国的工业实力、科技水平、提炼核燃料的能力，造出原子弹只是一个时间问题。

1940年，由于欧洲的战争全面爆发，西拉德说服了流亡到美国的两位匈牙利物理学家威格纳(1902—?)和特勒，他们三人一同找到爱因斯坦，向爱因斯坦说明核裂变的潜在能力，以及它对德国纳粹的重要作用。希望美国抢在德国前面，加紧研制裂变武器，他们说服爱因斯坦同意签署一封信，向美国总统说明核武器的意义，以及德国纳粹掌握它的危险性。这样，罗斯福总统就下令组织一支庞大的研究队伍，开展核武器的研制工作。这就是命名为“曼哈顿工程”的核武器研制计划。

第一座核反应堆

1938年，意大利物理学家费米去瑞典接受诺贝尔物理奖。借此机会，费米来到了美国。在“曼哈顿工程”进行的初期，在美国哥伦比亚大学开始对建造核反应堆进行研究，并由诺贝尔奖获得者康普顿(1892—1962年)主持这项计划，在芝加哥大学进行安装和试验。在讨论设计方案时，费米和西拉德主张把铀块放在用石墨摆成的矩阵中，石墨与铀块交错排列，保证最经济地利用中子。在这种方格栅的矩阵中，中子可以穿过石墨、碰撞铀块。所以用石墨作慢化剂，是因为当时可以很容易地将石墨提炼到很高的纯度，并且其工艺也很成熟。当时还建立了30多座核反应装置，以解决研究中碰到的各种问题。

1942年初又成立了冶金实验室(后来发展成为今天的阿贡实验室)，在这个实验室中，由费米负责实验核物理组，威格纳负责理论组，此外还有化学组。

经过理论与实验的论证，1942年7月，决定建立第一座核反应堆。到10月正式开始建造，因为这时已经得到几吨高纯度的金属铀。

这座反应堆建在芝加哥大学运动场看台底下的一个网球室内。网球室长16米，宽9米。反应堆的结构非常简单，共有30层石墨，石墨层之间铺放铀燃料。反应堆的底部呈正方形，顶部呈圆形。为了反应堆的安全，在反应堆的周围套上了一个充满空气的胶皮大口袋。如果中子太多，可将口袋抽成真空，进而让中子泄漏出去，使核反应缓和下来。实际上，这个口袋从未使用过。

除了大口袋，为了安全起见，还设计了3组安全系统。一组是自动控制棒，在电动机带动下，控制棒可上可下;一组是一根手动控制棒，用手抽出或插入控制棒，以控制反应的速度;一组是用绳子拴住的紧急安全棒，当链式反应过于激烈时，就砍断绳子，控制棒落入反应堆中大量吸收中子，以迅速中止核反应。此外还有一组人员，手拎一桶镉盐溶液，镉盐也可以大量吸收中子，以迅速中止核反应。

1942年12月2日，8∶30，科学家们各就各位。

9∶45，试验开始，计数器“嗒嗒”作响，并且逐渐增加。说明核反应开始。

到10∶37，费米命令抽出部分控制棒，并不断使抽出的控制棒部分增加。这时的“嗒嗒”声更紧，但并无规则。

11∶25，反应堆虽未到自持链式反应的程度，费米认为已达到关键的时刻，并将控制棒部分回落入反应堆中。

11∶35，控制棒再度抽出，核反应再度剧烈起来。这时反应突然中止了，原因是安全标准定得太高了，使反应堆工作自动中止。

午饭之后，14∶30，实验再度开始。实验井然有序，费米用计算尺计算反应堆中中子增长的速度。最后，反应堆反应加快，以至于计数器的“嗒嗒”声响连成一片，听上去成了“嗡嗡”声。这时，费米合上计算尺，向大家坦然地讲道:“反应堆已经达到自持链式裂变反应”!记录纸上指示的曲线也表明了这一点。

15∶52，费米命令放下安全棒，初步的实验完成了，并达到了预想的目的。实验还表明，对反应过程控制自如。

实验成功了。科学家们的内心充满了喜悦的心情，在人类第一次点燃的核反应堆旁静静地守候了28分钟。这时，威格纳拿出一瓶基安提酒，大家分享了庆功酒之后，在瓶子的商标上签字留念。接着，康普顿挂长途电话向哈佛大学校长、国防研究委员会主席科南特报告实验情况。他用暗语说道:“意大利领航员已经登上新大陆。”科南特问道:“土人对他态度如何?”康普顿答道:“十分友好。”

也许是偶然的巧合，1492年，意大利航海家哥伦布登上了一片未知的新大陆，而今(1942年)，另一位“航海家”又登上了一片更加广阔的未知的“新大陆”。

附带说一句，费米主持建造的反应堆是用石墨块逐层堆积起来的，因此将它称之为“堆”，英语是“pole”。后来，随着核科学技术的不断发展，堆的类型不断增加和不断改进，已失去了原来“堆”的面貌和形象，因此，国外已改用“反应器”，即“reactor”。为免去歧义，我们现在仍然沿用旧称。

作为原子弹的装料，钚－239具有同铀－235一样的作用。作为反应堆的燃料，钚－239的裂变性能比铀－235还要好。在快中子反应堆中，一个钚－239原子可相当于1．4个铀－235原子放出的能量。

从元素周期表上可以知道，钚是第94号元素。这是一种“天然”元素，并存在于铀矿中。当铀－235自发裂变时，产生的中子一旦被铀－238俘获就变成了钚－239。但这种机会极小，因此，铀中存在的钚含量只有一千亿分之一。所以，取得钚只能依靠人工的办法。

钚共有15种同位素，即钚－232、钚－234．、钚－235、……(连续地一直到)钚－246。世界上首次获得人工制取的钚是钚－238。

钚的生产是在核反应堆中进行的。最早进行这方面研究的是美国。1942年，美国成立冶金实验室时集中了2000多人从事钚生产的研究，并拨款3．5亿美元，以支持其研究。

生产钚的反应堆是以天然金属铀做燃料的。一般来说，烧掉7个铀－235原子可以得到5个钚－239原子。由于生产钚时会产生大量热量，如果这些热量白白跑掉是很可惜的。所以，科学家就将发电和生产钚结合起来。像我国的秦山核电站(装机容量300兆千瓦)，每年发电20亿千瓦时，同时可生产和积累新的核燃料钚80千克。

原子弹　在西拉德和爱因斯坦等人的建议下，美国的“曼哈顿工程”终于启动了。这是一个以军事应用为目的的大规模的研究计划，为此，美国政府动员了数十万人，投资达20亿美元。

原子弹的核装料主要是铀－235和钚－239。铀－235的生产技术是非常复杂的。最困难的是将铀－235与铀－238分离开，而且耗电量极大。据说，美国橡树岭的工厂分离铀－235和铀－238的设施一工作，由于耗电量相当于纽约市的耗电总量，当地的电灯发光就不稳定，忽暗忽亮的。这些设备的投资也达几亿美元。尽管如此，全厂连轴转地生产，每天只能分离出几十克铀－235。可见代价之昂贵了。所以。在最初建造的3颗原子弹中有2颗是采用钚－239装料的，铀弹只有一颗。

原子弹的结构并不复杂。核装料在弹体中要分成几块安装，每一块的体积要小于“临界体积”。所谓“临界体积”就是使核反应能持续进行的一个最小的体积限度。如果要是大于临界体积，当有偶然“闯入”的中子(比如说，宇宙线中“自由”的中子)，就可能引起链式反应。弹体内还装有普通炸药，它的作用是，先将普通炸药引爆，爆炸的挤压作用使核装料迅速合拢，其体积超过临界体积。弹体内的中子源放出中子引起链式反应。这时，铀－235(或其他裂变材料)被一个中子击中后会分裂成两半，并释放2～3个中子和2个γ光子，以及伴随大量的能量。裂变产生的中子还可以打击别的铀－235，如此不断的裂变就像一个又一个链环被解开，所以称此反应为(核裂变的)链式反应。在这样的反应过程中，经过300代就可使1千克铀－235全部裂变完。每一次裂变的时间极短，只需100亿分之一秒;1千克铀－235只需百万分之一秒就完成了，而放出的能量相当于2万吨的梯恩梯炸药爆炸产生的能量。爆炸时会依次产生闪光、火球和蘑菇状烟云、强烈的冲击波、以及巨大的声响。

到1945年，生产的钚－239和铀－235已足够生产原子弹了。最后一步工作是在新墨西哥州的洛斯阿拉墨斯小镇上装配原子弹。这个小镇有一个“原子弹之父”奥本海默(1904—1967年)领导的秘密实验室。7月16日凌晨5时30分，在新墨西哥州的实验场上空爆炸了第一颗原子弹。人们先看到一道闪光，接着巨大的火球慢慢地扩展开来，并形成了一个巨大的蘑菇云。一般来说，爆炸的闪光过后会立即产生一个明亮的高压高温火球，并很快变为扁球形。火球迅速膨胀，温度不断降低，火球逐渐变成灰白色或棕褐色的烟云。烟云上升时不断扩大，这时在地面上形成一个巨大的尘柱。随后烟云和尘柱连接在一起，远看上去就是一个“蘑菇云”。这个蘑菇云可上升到几千米乃至几十千米的高空。

在观察那壮观的蘑菇云的同时，许多测试人员利用仪器测量着各种数据。这时的费米跃出掩体将小纸片抛过头顶。纸片在气浪的推动下飞去，费米大致测量了一些简单的数据，然后向大家说道，爆炸当量相当于2万吨梯恩梯炸药。这与实测结果非常吻合。大家对费米的才能感到惊奇与钦佩，钦佩他对物理规律的理解能力和估测能力。

面对着这个强大的爆炸，每个人都有一种莫名的恐惧感。奥本海默倚在一根柱子上，他默念着博哈加瓦基达的诗:

看到巨大的蘑菇云，他又想起另两句:“我是死神，是世界的毁灭者!”

奇怪的是，人们并不从技术上去评论原子弹，而是感觉良心受到了责备。特别是1945年8月份，美国空军将剩余的2颗原子弹投掷到日本国土上。其中名叫“胖子”(内装钚－239)的原子弹投到长崎，名叫“小男孩”(内装铀－235)的原子弹投到广岛，结果造成20余万人的伤亡。对此，爱因斯坦追悔莫及，他说道:“要是当时我知道德国人制造不成原子弹的话，那连手指头也不会动一动的。”一向冷静而理智的费米也只能无可奈何地说道:“不要让我跟你们一块受到良心的折磨吧!无论如何，这毕竟是物理学上的一个杰出成就!”

这种情感在大西洋的另一边也有共鸣，这就是哈恩。当人们正在辩论德国战败的原因，一些人认为由于延误了原子弹的研制才导致战败，而另一些人则认为由于延误的原子弹的研制才得以避免更大的伤亡而庆幸。哈恩认为，他的核裂变的发现导致日本人民的重大牺牲，他有着深深的负罪感。他的心情如此压抑，以致于大家时时都在担心他是否会自杀。

在第二次世界大战后的军备竞赛中，前苏联(1949年)、英国(1952年)、法国(1960年)也相继试制成功原子弹。为了打破美国和苏联的核垄断，中国也于1964年10月16日成功地爆炸了原子弹。

氢弹　在现代核武库中，氢弹也占有重要地位。氢弹也被称作热核弹。氢弹是利用轻核聚变反应制成的炸弹，参加反应的物质主要是氢的同位素氘和氚。太阳向外辐射光和热就是氘和氚核聚变反应的结果。聚变反应需要极高温度，所以氢弹要靠原子弹来引爆。同原子弹相比，氢弹的威力要大得多。

经实验测定，1千克氘氚混合物全部发生聚变反应，能释放5．8万吨梯恩梯的爆炸当量。由此可以想见氢弹威力之大了。

由于氘和氚在常温常压下是气体，在实际应用中必须制成液体，这就需要极高的压强。所以直接作为氢弹装料是很困难的。像1952年美国爆炸的第一个热核装置，其质量竟达65吨。这样的装置要用火车运载，用于实战是非常困难的。后来，科学家找到一种新的热核装料，即氘化锂(锂－6)。它的成本比氚要低得多，并且避免了氚的半衰期短的问题(氚的半衰期只有12．6年)。氘化锂的爆炸原理是，原子弹引爆时，大量高能中子与锂－6原子核发生核反应并产生氚，氚与氘发生热核反应，并释放出巨大的能量。

常见的氢弹是一种三相弹，也称作“氢铀弹”。它的爆炸过程大致是:裂变—聚变—裂变。它的核装料中，最外部是铀－238，里面包裹着一个氢弹。它的特点是，借助热核反应产生的大量中子轰击铀－238，使铀－238发生裂变反应。这种氢铀弹的威力非常大，放射性尘埃特别多，所以是一种“肮脏”的氢弹。

为了改善中国的核防卫能力，中国也于1967年成功地爆炸了氢弹，并且成为世界上第4个拥有氢弹的国家。

中子弹　20世纪70年代中期，美国总统卡特宣布，美国研制成功中子弹。由于有些人把中子弹吹得神乎其神，这为中子弹蒙上了一层神秘的面纱。

中子弹的结构大致是，中心是钚－239球，外层是氘化锂，再外层是中子反射层，最外层是高能炸药。

由此可见，中子弹也是靠微型原子弹来引爆，引爆氘氚以发生聚变反应。与氢弹的主要区别是，它没有铀－238外层。它的爆炸当量并不高，只有1000吨左右，其杀伤作用80%来自中子，20%靠冲击波和光辐射。

中子弹的优点是它的小型化。如果用钚－239引爆，其用量不超过1千克，而氘氚的用量只有几克。中子弹可以作得很小，甚至小到榴弹炮弹那样小。此外，原子弹主要靠冲击波，可将地面建筑物夷为平地，光辐射可将人员烧死，放射性污染持续的时间很长。而中子弹的冲击波并不大，放射性也很小。爆炸后，中子雨是非常致命的。中子可以穿透20～30厘米的坦克装甲，也可穿透50厘米的钢筋混凝土。

以1000吨梯恩梯当量的中子弹为例，离爆心900米的中子辐射剂量，可在5分钟内使坦克内的人员丧失战斗力，半小时后可部分恢复战斗力，但以后的健康会逐渐恶化，并在几天内死去。离爆心700米处，其辐射剂量比离爆心900米处高出1倍，这时坦克内的人员会立即丧失战斗力，并在2天内死去。

在中子弹爆炸之后。由于放射性污染极轻微，所以可以在几小时内，人们几乎可以不借助任何防护而进入爆炸地区。