 20世纪物理学进展与百年重大新技术
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93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. 莆樟撕肆驯浜秃四苁头牛锢硌Ъ矣纸徊剿伎迹河撕吮灰桓鲋凶踊髦泻蠓至盐礁鏊槠敲慈粲氪送痹儆幸桓鲆陨系闹凶哟佑撕酥惺头懦隼矗蔷湍芤鹌渌撕说牧驯洌绱思绦氯ィ突岱⑸远中牧词椒从?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.
第一座反应堆的研制成功，其意义是重大而深远的，它不仅直接导致了第一颗子弹的爆炸，还在于建造了原子能反应堆.从此，人类找到了开发原子核能的一条基本途径，为人类的能量来源开辟了崭新的天地.在和平利用原子能方面，核电站的建成是其中的一个主要标志.1954年6月，原苏联建成了第一个小型原子能发电站，首先突破了核能源实际有效利用的新技术；1956年英国建成第一座天然铀石墨冷气发电、产钚两用堆；1957年12月美国也建成了实验性压水堆核电站.20世纪50年代，各国核发电站的发展基本上是实验性的，主要是探索它在技术上的可能性；60年代以后，核电站进入了实用阶段，上述几种主要堆型技术越来越成熟，优越性也日益显露出来，其中轻水堆是目前世界核电站中占首位的堆型，装机容量约点全部核电站总容量的80%；到了70年代，其单堆功率已从第一代的20万千瓦左右提高到130万千瓦，发电效率有很大提高，平均燃耗、发电成本大大降低；从70年代中期起，各国核电站的发电成本已普遍比火电站低，核电站的可利用率已同现代最新的火电站相当，而实际运行的负荷因子已高于火电站；截止到目前，欧洲一些国家核电在整个能源中所占的比例超过50%，法国高达78%.核能在世界能源中的地位和作用在不断地增长，核电站在今后仍将有更大的发展.
核技术的开发和利用是很复杂的综合性设施，它涉及到许多学科、工业部门和多项新技术.显然核物理学是最必要最重要的基础学科之一；而核反应堆、核电站、核武器的研究、设计、制造、调试、试验、运行以及更新换代的过程中，又推动了核物理的发展.核物理的发展，不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核能利用效率和经济效益，并为更大规模的核能利用准备了条件. |
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2005-03-05 11:57
