五、从混乱的顶峰上下来

查德威克发现中子，给物理学家添置了一种研究原子核的新武器。由于中子没有电荷，不会受到电场的排斥或吸引，因此它能平静地穿过原子的电子壳层，接近任何一个带正电的原子核，从而增加引起核反应的机会。费米最早开始用中子作为炮弹，去轰击各种元素，结果成功地制造出很多种人工的放射性核素，并且发现，其中许多核素都是进行β衰变的。

地球上存在的最重的天然元素是铀。费米想，如果用中子去轰击铀核， 铀吸收一个中子后发生β衰变的话，将会出现什么结果呢？原子核吸收一个中子又放出一个β粒子（即电子），相当于核内增加了一个质子。也就是说， 由第 92 号元素铀变成了第 93 号“超铀元素”。这个“超铀元素”应该是一种放射性元素。否则，人们早已在地球上稳定元素的行列中找到它了。

费米的实验获得了成功。铀经中子轰击后，产生了前所未见的新的放射性。这种放射性由成分相当复杂的β射线所组成。这是否就是“超铀元素” 的特征呢？

德国科学家哈恩和梅特涅对“超铀元素”进行了详细研究，又细致地分析了各种β衰变的半衰期，发现“超铀元素”有好多种。

在法国，伊伦娜（居里夫人的女儿）和她的丈夫也在进行中子轰击铀的实验。他们发现在“超铀元素”中有一种半衰期为 3.5 小时的放射性物质。可以用化学方法将它与锕分离，但无法将它与镧分离。因此这种放射性物质与其说是锕的同位素，到不如说是镧的同位素。

后来，哈恩和斯特拉斯曼又做了进一步研究，在经中子轰击过的铀中， 不仅找到了镧的类似物，同时还找到了钡的类似物。这时，在经中子轰击过的铀中，发现的放射性物质的总数已达 16 种之多，而“越铀元素”的混乱程度也达到了它的顶峰。

物理学家梅特涅和弗里施据此得出结论：铀原子核在中子作用下发生了分裂。铀核俘获一个中子时，就取得了额外的能量。它会像冲击波似的使铀核发生振荡。有时候铀核振荡以后又能恢复原状，将这个中子收容下来，随后发射β粒子放出多余的能量，而成为超铀元素。但有的时候，铀核会因振荡而伸长，逐渐变成哑铃状。这时，短距离内起作用的核力已无法把它拉回原来的形状。由于正电荷之间产生强烈的排斥作用，铀核就分裂成了两半。其电荷和质量大致相等地分给了这两个碎片。两个碎片带着巨大的动能向相反的方向飞去。铀核裂变的碎片是多种多样的。哈恩和斯特拉斯曼所观测到的钡和镧，就是铀的碎片。

物理学家们很快测定到了铀核裂变时所放出的能量，它大约相当于 200 兆电子伏，其中 80％以上转化成了裂变碎片动能，其分配情况如表 4 所示。这里 1 电子伏的能量是指 1 个电子在 1 伏的电场内加速时所获得的能量。1

兆电子伏=1.6021×10-6 尔格。

在直径不到 10-12 厘米的原子核内部包含着如此惊人的能量，对物理学家来说，既是意料之外，又属情理之中。德国出身的伟大科学家爱因斯坦，早在 1905 年就为这种能量释放现象提供了坚实的理论基础。他根据自己的“狭义相对论”断言，可以把质量看作是能量的一种存在形式，而且是一种非常密集的存在形式。质量和能量可以互相转化。为了定量地描述两者的关系， 他天才地提出了著名的质能转换关系式：

E＝mc2

式中 E 代表能量，单位尔格；m 代表质量，单位克；c 代表光速，单位厘米每秒。根据这个公式立即可以算出，1 克质量就相当于 9×1020 尔格的能量。

这个关系式在一般的能量释放过程中是很难检验的。例如当一个碳原子与氧化合成二氧化碳时，放出的能量只有 4.1 电子伏。它所引起的质量变化

是微乎其微的，根本不可能进行测定。然而铀核裂变时释放的能量却有 200 兆电子伏，显然有可以感知的质量变化伴随发生。

精细的分析证明，铀核实际上以 40 余种不同的方式进行裂变，可以形成80 多种放射性核素。它们的质量数大多在 72～160 的范围内，与此同时还放出 2～3 个中子。

我们不妨进行一个粗略的估算。设铀—235 吸收一个中子裂变后生成钇

—95 和碘—139，并放出 2 个中子，则：

前后相比，质量亏损了 0.215 个质量单位。一个质量单位相当于 1.66× 10-24 克。根据 E=mc2 可以算出，这些质量亏损所产生的裂变能，恰好相当于

2009 兆电子伏。