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明了，有十几种轻元素在α粒子的轰击下都可以象氮元素那样发生人工衰
变，放出质子，同时转变为元素周期表中的下一个元素。于是人们认为，质
子应该是原子核的组成部分。那么，原子核全部由质子构成吗？进一步的分
析推翻了这种可能性。从氦原子看，其中有两个电子，要保持电中性，原子
中必有两个质子，如果氦核全部由质子构成，其质量应等于2个质子的质量，
而实际上，氦核的质量是单个质子的4倍。
1920年，卢瑟福预言，原子核内部可能存在质量与质子相同的中性粒
子，他认为这种粒子能“很容易地打入到原子核内，或者和原子核结合起来，
或者在它的强大场内蜕变”。卢瑟福设计了一些实验，试图验证中子的存在，
但没有成功。12年之后，他的预言得到了证实。
1932年1月，伊伦·约里奥—居里（1892—1956）和她的丈夫约里奥—
居里 （1900—1958）用钋源放射出的α粒子轰击铍时发现，铍蜕变时产生一
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种穿透本领很强的不带电粒子流。他们未曾注意到卢瑟福关于“中子”的预
言，而认为这种中性粒子流是光子。英国物理学家查德威克（1891—1974）
是卢瑟福的学生，自然透彻了解其老师“存在中子”的思想。当他得知约里
奥—居里夫妇的实验结果时更猜想，铍蜕变时放出的中性粒子可能就是中
子。他立即利用放射源钋发射的α粒子来轰击铍金属，对铍放射出的中性粒
子进行鉴别后发现，这种中性粒子具有静止质量，而且速度也比光速小。因
此，查德威克确定，约里奥—居里夫妇发现的中性粒子流不是光子流，而是
卢瑟福所预言的中子流。
1932年2月，查德威克在英国《自然》杂志上发表了关于发现中子的札
记。后来的实验证明，正如许多轻元素人工蜕变时均放出质子一样，许多元
素受到外来作用都会放出这种中性粒子。人们因此确认了，原子核是由质子
和中子组成的。中子的发现不仅对于人们认识核结构有重要意义，而且更重
要的是它送来了打开核能库大门的钥匙。不过，当时人们并未认识到中子的
发现在这一方面所具有的重大意义。
1932年，英国卡文迪许实验室的两个青年人瓦尔顿和考克罗夫特在卢瑟
福的指导下，设计了一架巨型机器，被称为“当代炼金术”，采用几百万伏
电压来加速质子，并用高速质子来轰击金属元素锂，结果一个动能为30万
电子伏的质子被锂俘获后，形成一个原子量是8的不稳定的原子，它很快又
分裂为两个原子量为4的氦原子并各拥有约860万电子伏的动能：
7 1 8 4 4
Li →＋ N →BeHe ＋ He
3 1 4 2 2
反应后多出的1690万电子伏能量应该是贮存于核中的能量所提供的。
卢瑟福在皇家学会上报告了实验结果，这是直接用人工方法加速质子而未利
用放射性元素所实现的核反应，不少人乐观地预感到原子能时代即将到来
了。
但是，由于当时从人工核反应中得到的能量只相当于实验所消耗能量的
一个零头，还由于真正实现核能的开发不论在理论上还是在技术上都存在许
多难以预料的困难，因此，一些著名的科学家如卢瑟福、玻尔等，对核能利
用的估计都是很悲观的。1933年9月，卢瑟福在不列颠协会的演说中说：“一
般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量，这种生产能的方法是极端
可怜的，效率也是极低的。把原子嬗变看成是一种动力来源，只不过是纸上
谈兵而已”。他还断言，人类永远也无法利用原子中的能量。
卢瑟福对核能开发的这种错误估计被认为是“他的一帆风顺的科学生涯
中走错了几乎是仅有的一步”。1936年，玻尔也认为：“我们关于核反应的
知识越广，离原子能可用于人类需要的时间越远”。这种悲观的估计在核裂
变现象发现前是很难免的。
1934年1月，约里奥—居里夫妇利用钋源放射出来的α粒子去轰击铝。
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他们发现，铝靶受轰击后有质子和少量的中子发射，停止用α粒子轰击后，
发射还能持续几分钟，放出的是β射线。原来，铝核与α粒子结合后，变成
一种原子序数为15的新原子核，是天然状态下不存在的放射性同位素磷：
27 4 30 1
Al ＋→ HeP ＋ n
13 2 15 0
这种很不稳定的同位素，继续发射出电子进行β衰变，最后变成稳定元
素硅。他们还用α粒子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和放射性同位素
硅。1934年1月，约里奥—居里夫妇公布了用α粒子轰击轻元素，产生人工
放射性元素的实验结果。放射性元素可由人工产生的发现具有重大意义，约
里奥—居里夫妇也因此获得1935年化学诺贝尔奖。
人工产生放射性元素的发现开辟了一个新的实验研究领域，人们对寻找
更多的人工放射性同位素产生了极大的兴趣。但是，进一步研究发现，用α
粒子作“炮弹”去轰击原子核，对重元素往往不起作用。于是，科学家们试
验用能量更强的α粒子流来进行轰击实验，但对重元素仍无效果。这个问题
引起意大利物理学家费米（1901—1954）的兴趣，但他的想法与众不同。他
没有在提高“炮弹”α粒子的速度、强度上下功夫，而是设想更换另一种“炮
弹”。他认为，带正电的α粒子与重元素的原子核有较强的库仑作用，而中
子不带电荷，它既不会被原子中的电子所吸引，也不会受到原子核的排斥，
因此，用中子作“炮弹”也许不仅能使稳定的轻元素转变为放射性元素，也
有可能使稳定的重元素转变为放射性元素。
1934年的上半年，费米和他的助手从原子序数最低的氢元素开始，按照
周期表的顺序，用中子逐个轰击，从氢一直到氧都没成功，到第九个元素氟
才得到了放射性同位素。他们继续实验，短短的几个月内，对63种元素进
行了轰击实验，得到了37种放射性同位素。1934年10月，费米小组在实验
中发现，在中子源和被轰击的银金属之间放置其它物质会影响所产生的放射
性同位素的放射性强度。
费米建议在中子源和被轰击的银金属之间放置石蜡来进行实验，结果意
外地发现，产生的人工放射性比原先增强了一百倍。费米认为，这是由于中
子通过含氢的石蜡时，与氢原子弹性碰撞而减慢了速度，与快速中子相比，
减慢了速度的中子被银原子俘获的机会就更大，因而，慢中子具有更强的激
起核反应的能力。这就是说，中子通过石蜡后变成了更加优良的“炮弹”。
为了进一步验证这种想法，他们在养鱼池中做实验，用水代替石蜡，结果发
现，水也具有使中子慢化的作用。费米发现的慢中子及其有关效应，对后来
获取核能的研究具有极其重要的意义，被认为是“核时代的实际起点”。费
米因成功地用中子轰击原子核，创造了一系列新的放射性同位素以及发现慢
中子效应而获得1938年诺贝尔物理学奖。
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2．铀核裂变和链式反应的研究
费米小组用中子轰击周期表中许多元素的原子核，象他们所预料的那
样，许多元素原子核吸收一个中子后会衰变成为周期表中下一个元素的原子
核。他们设想，用中子轰击周期表中最后一个元素铀，会不会产生当时元素
周期表中所没有的第93号元素，即超铀元素呢？他们用中子去轰击铀，果
然发现，中子被俘获，生成物中放出β射线。对生成物的分析虽然也有迷惑
不清之处，但他们认为，其中至少有一种放射性元素是所希望的93号元素。
1934年5月，他们发表了实验报告。实际上，他们当时实现的正是核裂变实
验，但由于受已有实验结果的误导，认为发现的是超铀元素，而错过了一次
重大发现的机会。
费米小组发现超铀元素的消息引起了科学家们极大的兴趣，但少数科学
家指出，费米得到的新物质并不是超铀元素，而是第91号元素镤的同位素。
当时在柏林威廉研究所工作的德国放射化学家哈恩（1879—1968）和奥地利
女物理学家麦特纳 （1878—1968），曾全面研究过镤的化学特性。为了验证
费米的实验结果，他们也用慢中子轰击铀，但未在新物质中发现镤。他们的
实验似乎证实了费米发现超铀元素的说法，但根据对生成物的分析，他们认
为，他们的实验中不仅得到93号元素，还有94号元素或其他的元素。
世界上有不少实验室当时都进行了类似的实验，而且都得出大致相同的
结论，而德国的一对年轻的化学家诺达克（Nod…dack）夫妇却提出了完全不
同的看法。从1929年起，他们就致力于发现天然超铀元素的研究工作。他
们批评费米，在所作的化学分析中没有提出令人信服的论据来证实发现超铀
元素的结论。他们提出了一些与众不同的大胆的假定。1934年，诺达克夫人
写信给《应用化学》杂志说：“铀原子核在中子的作用下发生了裂变反应，
这个反应与到目前为止发现的原子核反应有很大的区别。似乎在用中子轰击
原子核时，原子核分裂成同位素，但不是被轰击元素的相邻元素。”然而，
费米没有认真对待这个正确的批评，他认为，能量这么小的中子要击破坚固
的原子核是完全不可思议的事情。当他了解到放射化学权威哈恩也验证了自
己的实验时，更坚信了自己的正确性。他再一次失去做出一项重大发现的机
会，使重核裂变的发现推迟了许多年。
1938年，伊伦·约里奥—居里和沙维奇在用中子轰击铀的实验中发现，
生成物中有一种半衰期为3。5小时的放射性元素，其化学特性接近于镧，与
铀元素以及超铀元素在周期表中相距甚远。后来证明，此元素确是周期表中
57号元素镧—141。他们发表文章，公布了实验结果。遗憾的是，他们没有
继续追踪、分析镧的来历，也错过一次重大发现的机会。
1938年，作为犹太人的麦特纳，为了免遭法西斯的疯狂迫害，不得不离
开了德国。哈恩则与物理化学家斯特拉斯曼继续进行慢中子轰击铀的实验。
斯特拉斯曼读了伊伦·约里奥—居里的文章后立刻认识到，伊伦·居里揭示
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出一种过去有关实验中所未曾注意到的新问题。他急忙来到哈恩面前叫道：
“你一定要读这篇报道”。但哈恩由于同约里奥—居里夫妇就一些实验结果
的分析发生过争论，感情上有点偏见，对伊伦·约里奥—居里的文章也不屑
一顾。斯特拉斯曼便向哈恩叙述了文章的基本内容。不想，哈恩听后大为震
惊，顾不得把雪茄烟吸完，把还燃着的烟丢在办公桌上，就同斯特拉斯曼一
起跑到实验室去了。
之后的几个星期，他们用伊伦·约里奥—居里的方法重复中子轰击铀的
实验，他们在新物质中发现了一种化学特性与镭相似的物质，他们猜想，这
种物质可能就是镭，因为，镭的原子序数88与铀的原子序数92相近。他们
在生成物中加入了与镭的化学特性相似的钡，试图利用钡作为载体，把“镭”
从生成的混合物中带出来，再把钡与“镭”分开。他们以前从混合物中分离
某种物质时，经常采用这种方法。但是，他们却始终未能分离出所谓的“镭”。
实验否定了他们的推想。
经过对实验结果的精密的分析，他们终于认定，所得的生成物并不是与
铀相邻的元素，而是几种与铀相距甚远的放射性同位素。尽管他们对实验结
果深信不疑，但由于与已有的一些结论相悖，因此，他们在准备正式公布实
验结果的文章中使用了以下的谨慎措辞：“作为这些研究的结果，我们必须
把我们以前的蜕变图式中所得到的那些物质的名称更改一下，我们以前称为
镭、锕和钍的，应改为钡、镧和铈。作为同物理学家关系密切的核化学家，
要做出这样一个结论，我们是十分勉强的，因为它同以前的核物理学全部经
验都发生矛盾。”他们对自己的结论总觉得犹豫、疑惑，甚至把文章投入信
箱后还想从中再拿出来。他们的文章于1939年1月6日发表了。
论文发表之前，哈恩先把实验结果和存在的疑难问题通告给与他共事30
多年的麦特纳。这位女物理学家收到信后很激动，她深知这位长期合作者工
作的准确性和严肃性，她意识到哈恩的实验结果意义重大。
麦特纳经过认真思索后，提出了一个大胆的设想，她认为，铀的稳定性
很小，铀核俘获中子后可能分裂成大小相近的两个原子核。当时，她的侄子
弗瑞士正好利用圣诞节的休假从哥本哈根玻尔的研究所前来看望她。他们两
人一连几天对哈恩的实验结果进行了激烈的讨论。
他们想到了玻尔当时刚刚提出的原子核液滴模型。这是早期的一种原子
核模型，它把原子核比作一个液滴，将核子即中子和质子比作液滴中的分
子。液滴受扰动就会活动起来，参与扰动的能量足够大，液滴就有可能分裂
为更小的水滴。运用玻尔的液滴核模型，他们对哈恩的实验作如下解释：外
来的中子闯入原子核时，这个“液滴”即发生剧烈震荡，开始变成椭圆，然
后变为哑铃形，最后分裂为两半。
他们把这种类似细胞分裂的过程称为核分裂。麦特纳又对反应前后物质
的原子量进行了分析比较，发现铀核分裂后生成物的原子量总和不等于铀的
原子量，而是小于铀的原子量。她称这种现象为“质量亏损”。根据爱因斯
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坦的质能关系式，她计算出，每个铀原子核裂变时，因质量亏损而释放出的
能量应为200兆电子伏。与只能释放几个电子伏的化学反应相比，铀核裂变
释放的能量大得惊人。
弗瑞士返回哥本哈根后，把他们姑侄二人对哈恩实验结果的分析告诉了
玻尔。玻尔听说自己的原子核液滴模型可以很好地解释哈恩的实验，感到非
常兴奋，并责备自己为什么这么久未能发现这一点。他建议弗瑞士对铀核分
裂所释放的能量进行测定。弗瑞士很快拿出了实验结果，并完全证实了麦特
纳的分析。
1939年2月，麦特纳与弗瑞士一起在《自然》杂志上发表了论文，解释
了哈恩的实验结果，并指出，因质量亏损，核分裂必然伴随着巨大的能量释
放。
在弗瑞士的实验尚在进行中时，玻尔已前往华盛顿参加第五届理论物理
会议。玻尔在途中进行了深入的思考和计算，确信麦特纳对哈恩实验的解释
是正确的。会前，他便写好了一篇对重核裂变的机制进行评论的文章，题目
是“重核的分裂”。
当玻尔在会上介绍了哈恩的实验和麦特纳姑侄二人的解释后，铀核分裂
的消息引起了强烈的反响，一些物理学家赶紧打电话通知自己的实验室安排
实验，有的则立即赶回自己的实验室。当晚，卡奈学院、哥伦比亚大学、霍
普金斯大学等的实验室都进行了同样的实验。重核裂变的现象和理论解释很
快获得了世界的承认，哈恩因发现重核裂变的实验而获得1944年诺贝尔奖。
费米的妻子是犹太血统。为了躲避法西斯匪徒的迫害，费米利用 1938
年11月到瑞典接受诺贝尔奖的机会，携带全家离开德国。1939年初到了美
国，在哥伦比亚大学任教。他从玻尔那里得知核裂变的消息后，终于明白了
他用慢中子轰击铀核时得到的所谓“第93号元素”，实际上是核裂变的生
成物。他为自己当时错过了一次重大发现的机