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发信人: grh (月亮), 信区: Physics
标题: 20世纪物理学进展与百年重大新技术
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年08月03日13:12:45 星期天), 站内信件

当我们翻开科技发展史册，不难发现许多重大应用技术都是建立在物理科学研究的成果之
上的，如人类近代社会发生的三次技术革命中，起到关键性作用的都是物理科学的创新成
果．第一次技术革命开始于18世纪60年代，主要标志是蒸汽机的广泛应用，这是牛顿力学
和热力学发展的结果；第二次技术革命发生在19世纪70年代，主要标志是电力的广泛应用
和无线电通信的实现，这是电、磁现象的研究和经典电磁场理论的重大突破所带来的辉煌
成果；第三次技术革命发生在20世纪40年代，基础科学的研究成果引起了技术上一系列革
命性的突破，产生了一系列高新技术，如核能源技术、激光技术、电子计算机技术、电子
与信息技术、生物工程技术、材料技术、空间技术等，形成了现代技术群，它们已经扩散
到社会生产和生活的各个领域.然而，在这个庞大的技术群中，几乎没有一项与现代基础科
学无密切关系，尤其是20世纪物理科学的百年成果，给现代高新技术的研究、开发、利用
，提供了不尽的源泉和坚实的基础.
一、从“质能公式的提出”到核技术
1905年9月，爱因斯坦创立狭义相对论，并在他的题为“物质的惯性与它所含的能量相关吗
”论文中，揭示了质量与能量之间的关系，提出了著名的质能公式E=mc2，这就从理论上预
言了原子内部蕴藏着巨大的能量.能否开发和利用这些能量?当时人类则抱有悲观态度，甚
至大科学家卢瑟福也认为“通过原子的变换去探索能源，那简直是无稽之谈”.
　　然而，人类的认识是不会停滞的，科学技术必然是不断进步的.1909年3月，物理学家
盖革和马斯顿进行了著名的α粒子散射实验；卢瑟福了解到此实验中α粒子出现了反常的
漫散射现象，他则以原子内存在强电场的观点，探索α粒子大角散射的内在原因，推断出
原子由带负电的电子和带正电的原子核构成，并据此于1911年提出了原子有核结构，确立
了“原子核”概念；1913年，玻尔以卢瑟福原子模型为基础，引入量子概念，构筑了一个
新的原子模型——量子化原子模型；1919年，卢瑟福又用天然放射源放射出来的α粒子轰
击氮，首次发现了原子核的人工嬗变，即
这个实验既发现了在原子核中有呈中性的质子，也第一次用人工方法成功地把一种元素转
变为另一种元素，从而开辟了人为变革原子核的途径.
那么，原子核又由什么组成呢?由于当时已知的粒子只有电子和质子，而且研究得最多的是
氢原子，因此，曾认为原子核是由质子组成的.然而，因氦原子有两个电子，那么氦核则由
两个质子组成，于是氦原子的质量就是氢原子的二倍，可是实际上却是四倍!有人认为原子
核是由质子和电子组成的，但这又引起许多矛盾；1920年卢瑟福在英国皇家学会的一次演
讲中，大胆地提出可能存在一种中性基本粒子，其质量与质子大体相等.如果原子核内存在
这种粒子，则可圆满地说明原子核的组成.此后，卡文迪许实验室用了十年时间寻找这种中
性粒子，但却一无所获.1932年3月27日《Nature》（自然杂志）刊登了物理学家查德威克
的一篇论文，他提出：α粒子轰击铍所产生的“铍辐射”并不是α射线，而是一种新粒子
，此新粒子不带电荷，因此取名为“中子”.由此，物理学家则提出了原子核的质子-中子
模型.
1934年，约里奥-居里夫妇在用α粒子轰击铝（）靶时，得到一种天然不存在的新放射性元
素磷（），这是历史上第一种人造的放射性同位素，当然这也是对原子核结构理论的有力
证明.为了说明质子和中子结合在尺度很小（10-14m）的原子核内，科学界提出了“核力”
概念，核力不同于当时已知的万有引力和电磁力.1933～1939年间的中子-质子散射实验，
确定了核力的基本性质.
中子和人工放射性的发现极大地激发了物理学家们的热情，促使他们去揭开原子核的奥秘
.1934年，费米等人用中子照射铀，企图使铀核俘获中子，再经过β衷变得到原子序数为9
3或更高的超铀元素.在实验中，他们偶然发现经过慢化的中子（热中子）反而比快中子能
更好地引起核反应.费米认为，这是因为慢中子与快中子相比较，它经过原子核附近时滞留
的时间较长，因而被原子核俘获的机会要多一些.1934～1938年间，许多物理学家和化学家
做过此类实验，但不同的研究者得到了不同的结果，有的说发现了超铀元素，有的宣称得
到了镭和锕.1938年9月，居里夫人的女儿伊伦·居里和萨维奇合作，应用放射化学方法分
析中子轰击铀的产物，发现其中有一个半衰期为3.5小时的放射性元素，其化学性质和元素
镧相近，但镧的原子序数为57，恰在周期表中间，绝不会是“超铀”元素.伊伦·居里的实
验结果引起了德国的奥托·哈恩的注意，他与斯特拉斯曼重做了一系列实验后提出：所谓
镭和锕实际上是原子量远小于它们的镧和钡.如何解释这种现象?他们认为只有假设原子核
分裂为两个或两个以上的碎块，才能给予解释，这种分裂过程称为“核裂变”；1939年，
梅特纳和费里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象；同年玻尔等人在原子核液滴
模型和统计理论的基础上，系统地研究了原子核的裂变过程，奠定了核裂变理论的基础.　
　掌握了核裂变和核能释放，物理学家又进一步思考：铀核被一个中子击中后分裂为两个
碎片，那么若与此同时再有一个以上的中子从铀核中释放出来，它们就能引起其它铀核的
裂变，如此继续下去，就会发生自动而持续的链式反应.但问题的关键是，铀核裂变时是否
能产生新的中子?在进一步的实验研究中，约里奥-居里夫妇、费米、西拉德、津恩等都证
实在铀核分裂时能产生2～3个中子，同时释放出大量能量.这就在理论上肯定了链式反应是
能够发生的.这样看来，只要有一个中子被铀核俘获，那么就会很容易地产生链式反应.
原子的人工嬗变、热中子核反应、重核裂变、链式反应的可行性等重大发现，虽然都是纯
基础理论研究的成果，但它深深触及了人类开发原子核能这个十分现实的问题.然而，这项
工作却首先转向了为战争服务，因为当时正值第二次世界大战期间.由于核裂变最先是在德
国发现的，因此德国首先开始研制核武器.消息泄露后，爱因斯坦等科学家致信美国总统罗
斯福“加紧研制原子弹”.1942年8月美国开始实施以研制原子弹为内容的“曼哈顿计划”
.1942年12月，在费米、西拉德、奥本海默、弗兰克等众多科学家的共同协作下，在美国芝
加哥大学建成了世界上第一座核反应堆，首次实现了人工控制的核链式反应.1945年7月16
日，美国在新墨西哥州爆炸了世界上第一颗原子弹，从此开始了核武器研制和试验的国际
竞争.

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