人類進入了原子時代

錢三強

一九五四年人八月二十七日！世界上第一個原子能工業電力站開始發電了。這是人類第一決不是用燃料的化學能。也不是用水和風的機械能來轉動動力機，而是用人工解放出來的原子能來轉動工業機械。這是人類歷史上一件大事情。

什么原定子能？為什么原子核中儲藏著這樣巨大的能力？我們怎樣解放原子核中的能力來為和平工業服務？原子能工業為人類創造幸福的前景怎樣？很多青年提出了這樣一連串的問題，下面我們就來概略地談談這些問題。

原子——微小的太陽系

世界上有各種各樣的物質，像水、樹木、各種石頭、泥土、生物……。如果我們用化學的方法來分解它們，例如把木頭燒一燒，把水放在電解槽里電解等等，最后，得到氫、氧、碳、鐵、鈾等九十二種基本物質，我們就叫它們九十二種“元素”。組成每種元素的最小單位，就叫做“原子”。

用我們的肉眼當然是看不出物質中的原子的，因為原子非常小。原子的直徑大約只有一厘米的一億分之一。如果我們把一個原子放大一百億倍，它就像一個直徑一米的球那樣大。如果我們把直徑是一毫米的小滾珠放大同樣倍數，那就會比地球還大一些。因此，只要我們眼睛看得見的芝麻粒大小的東西，就包含有約萬億億個原子。

一直到十九世紀的大半個世紀，科學家還是認為原子是物質的最小單位，意思就是物質分割到原子，就再也不能分割了。但是最近五六十年來科學家們研究的結果，知道原子雖然是元素的最小單位，本身又很小，但是還可以分割，而且它的構造還相當復雜，像個小“太陽系”。每個原子中間有個微小的“太陽”——原子核，外面有許多圍著它旋轉的“行星”——電子。電子的數目在各種元素的原子中是不同的。氫原子只有一個電子，而氧原子有八個電子，最重的鈾原子有九十二個電子。所有的電子，不論它是屬于那一種元素的原子，都是相同的，每個電子都帶有一個最小電量單位的負電。原子核則帶有正電。一般情況下，原子是不帶電的，那是因為原子核所帶的正電和電子所帶的負電剛好相等，因而從整個原子來看，原子是中性的。

原子核里面是些什么呢？是若干個“質子”和“中子”的微粒，緊緊地結合在一起。質子就是氫原子的原子核，帶有一個最小單位的正電荷，電量與電子的電量相等。中子則不帶電，重量和質子差不多，質子與中子比電子重得多，約重一八四0倍。所以原子中百分之九十九點九以上的質量集中在原子核。

原子核的重量占原子重量的百分之九十九點九以上，但是原子核的直徑，只有原子直徑的萬分之一，所以原子中間還是有很大的空隙。如果我們設想把一千立方米的鉛裹的原子核集中起來，那么它的體積不到一粒芝麻那樣大，但是重量卻有一萬一千多噸。不過這樣的實驗很難在地球上實現。

原子周圍的電子的數目和質子的數目總是相等的。當我們知道了一種原子的原子重量和電子數，就可以知道它的核是由多少中子和質子組成的。例如氫原子重量和質子差不多，周圍只有一個電子，原子核就是一個質子。氧原子比氫原子約重十六倍，有八個電子，因而原子核就由八個質子和八個中子組成。鈾原子重量約是氫原子的二三八倍，有九十二個電子，因而原子核內就有九十二個質子和一四六個中子。

各種元素的化學特性，是由電子的數目的多少決定的。科學家們發現有些原子的化學性質幾乎完全相同，但是質量卻不同，這是因為這些原子中電子和質子數目相同，而中子數目不同。我們稱它們為“同位素”。例如氫原子除了常見的原子量為一的以外，還有原子量為二的重返（或稱為氘）和原子量為三的超重氫（或稱為氘）兩種同位素；鈾則有原子量各為二三八、二三五和二三四幾種同位素。

我們簡略地知道了原子內部的構造情形，然后再來看看原子內部巨大的原子能是從那里來的。

化學能和原子能

自從我們的祖先知道取火，開始去支配自然界的動力，一直到上一個世紀，人類掌握自然界動力資源的方法，除了用水力和風力的機械能，主要是用木柴、煤油石油等資源的化學能。煤和石油在鍋爐或汽缸里燃燒的時候，億萬年前被植物儲藏起來的

太陽光的熱能與光能就被解放出來。為什么煤和石油燃燒時，能夠放出許多能，化學能是哪里來的，

原來，煤的燃燒主要是煤中的碳原子和空氣中的氧原子結合成為二氧化碳分子，石油燃燒時，是復雜的石油分子中的碳原子、氫原子和空氣中的氧原子結合成為二氧化碳和水的分子。這些化學變化，從原子的變化來看。主要是原子外國電子運動的軌道起了變化。煤中的破原子沒有和空氣中的氧原子結合前一碳和氣原子中的外圈電子，只受各自原子核的吸引而運動著”，當這兩種原子結合時，碳和氣原子的外圈電子運動的軌道起了變化，它們同時受到碳和氧原子核的吸引而運動。改變原子的外圈電子軌道，就需要吸收一些能，或者放出一些能。這些能，一般是以熱能的形態表現出來的。所以物質起化學變化時或者吸收熱能，或者放出熱能。由此可見，我們從燒煤或石汕取得化學能，主要還只是和原子中的外因電子打交道。一個電子能發出的能當然是很小的。但萬億億個以上的電子發出的能，就能為我們轉動機器做工作。

但是我們知道，能是物質的一種運動形態。物體的質量愈大，蘊藏的能和可能產生的能也愈大。上面說過，原子中百分之九十九點九以上的質量集中于原子核。如果我們不是和原子中的電子打交道，而是和原子核打交道，那么豈不足給人類找到一個更大得多的能量源泉嗎？五六十年來，科學家們就在這方面尋找解放原子核中的能力的方法。

以前人們一直認為世界上各種東西變來變去，只是原子間的組合，在起落合并或拆散的變化罷了；至于原子本身并不能從這一種變到另一種。這種想法現在是被打破了。一八九六年法國的物理學家伯克萊而首先發現了一個奇異現象。他把鈾化合物和照像底片放在一起，結果底片感光，像是受了日光感光一樣。后來經過著名物理學家居里夫婦等不斷研究。發現鈾能夠自發地放射出一些射線，這些射線是從原子中出來的。這種自發地放射出射線的現象，叫自然放射現象。其他元素如釷、錨等也有自然放射現象。這些有自然放射現象的元素，稱作放射性元素。鈾、釷、鐳這些放射性元素不斷地放射出東西來以后，本身也逐漸蛻變，最后變成鉛。

科學家發現放射性元素之后，曾以為只有放射性元素的原子，才能蛻變為其他元素的原子。但是到一九一九年，英國物理學家羅瑟福發現用人工的方法也可以使原子核發生變化。他用鐳蛻變物發出的高速度的一種射線（帶陽電的氮原子核），打入扳氣，使氮原子核變為氧原子核，并且放出高速度的氫原子核來。這個現象說明我們可以用人工的方法破壞一種原子核，變成別的原子核。我們叫這種現象為人工突變。

當原子核自己發生變化，放出射線。就放出能力。用人工方法使原子核發生變化，在變化時也要或者吸收能力或者放出能力。不管是自然放射或者是人工突變，若是能放出能力，那么這種能力就叫“原子能”。

以后科學家又發現中子是打擊原子核使它破裂的最好的炮彈，因為它們不帶電，就不會被原子核的陽電荷排斥。到一九三五年，科學家已經發現有五六十種元素的原子核，用中子打擊，可以發生蛻變現象，因而可以得到一些原子能。但是，用這些方法使較少數的原子發生破裂，得到的能力畢竟有限。要想得到大量的原子能。必須使很多原子在短時期內連續發生破裂。

到一九三九年科學家們發現用中子打擊鈾的原子核，可以使它破裂為兩個差不多大小的原子核；在這個破裂過程中核的一小部分質量變為巨大速度飛開去的裂片的增補質量，換言之，鈾核內部能力的一部分轉變為動能，那也就是說蘊藏在核內的能力大量地被解放出來了；同時還放出兩三個中子。法國著名物理學家約里奧.居里和他的助手們,很快地證明這些放出的中子又可以去擊破其他鈾原子核，再使它分裂,又放出兩三個中子。這樣繼續下去,就會不斷地有許多的鈾原子核被分裂，釋放出大量能力來。這種鈾原子連續分裂的現象，稱作“鏈鎖反映”。一公斤的鈾分裂時放出的能，可以發二千萬千瓦小時的電力，相當于燒二千五百噸優質煤。同樣質量的物質，它所能發出的原子能，要比化學能大百萬倍至千萬倍。

怎樣迫使原子做工作

目前利用原子能的方法，主要有兩類，一類是把最輕的元素氫的同位素原子核——重氫（或者稱為氘），在高溫下合成為氦原子核的同位素“氦三”或者合成為超重氫（或者稱為氘）過程中取得；另一類是在最重的元素鈾等原子核的分裂時取得。氫彈就是利用前一種原理，這種作用也被稱為熱核反應；普通的原子彈是利用后一種原理，原子能工業電力站主要的原料也是鈾。

那么為什么用鈾來制造原子彈，就會在百萬分之一秒的時間內，驟然爆炸，而用鈾來作為原子能工業電力站的燃料，能夠持續不斷地慢慢釋放出原子能呢？

前面提到過，鈾有三種同位素，原子重量各為氫原子的二三八倍、二三五倍和二三四倍，我們稱作鈾二三八、鈾二三五和鈾二三四。鈾一三一四數量太少，可以不考慮它。在自然界中鈾二三八與鈾二三五的比例差不多不變，鈾二三八比鈾二三五要多一四0倍。鈾二三五的原子核碰到中子就分裂。鈾二三八的原子核要被速度很大的中子擊中，才會分裂。但是用某一定范圍速度的中子打擊鈾二三八的原子核時，它雖不破裂，卻能變成另一種人工造出來的新元素，即第九十三種元素——錛二三九八。錛是不穩定的，它又變成第九十四種新元素——钚二三九，钚是相當穩定的，它和鈾二三五同樣容易分裂。當中子速度慢的時候，打在鈾二三八上不起核的變化。?原子彈是用純粹的鈾二三五或钚二三九制造的。純粹的鈾二三五或钚聚集到一定的體積就會驟然爆炸。這是因為雖然中子遇到鈾二三五和钚的原子核會使它分裂，但原子的內部是很空的。雖然一個一個原子碰在一起，但是原子核還隔得很遠，一個中子要打中原子核是很不容易的。正像一個足球在足球場里滾，如果場上的人不動，不一定能碰到人身上，要想一個球踢出去一定碰到人，就要使人數加多。要使一個中子打入鈾二三五或钚一定碰到原子核，就必須使鈾二三五或钚塊夠大，那就是說鈾二三五或钚的體積必須要有一定大小，任何一個中子才都

能擊中原子核，使鈾二三五或引起鏈鎖反應而驟然爆炸，這種大小是有一定的。原子彈的原理，就是將兩塊比能夠爆炸的體積小一點的鈾二三五或钚很快合并，合并以后超過了能夠爆炸的體積，而驟然爆炸，在百萬分之一秒的時間內放出大量的原子能。

用驟然爆發的方法放出的大量路子能，一般只能用來作爆炸物。蘇聯在一九四九年七月就已利用這種方法來開發河道。西伯利亞的鄂畢河和葉尼塞河，因為有巨大巖石的阻攔，不能引水向南流，用原子爆炸物炸開了巖石，使這兩條大河的水南流，這就能夠使土耳其斯坦的廣大沙溪變成肥沃的土地。但在工業應用上很難控制用這種驟然爆炸而放出的大量的原子能。因此就要用其他的方法，使得鈾既能起鏈鎖反應，又不是驟然爆發，便于控制。原子堆的方法就能符合這種要求。

原子堆的方法是一九四二年冬，由一個意大利流亡到美國的科學家發現的。所謂原子堆，就是由鈾礦中提練出來的純鈾做成鈾條，用石墨的條塊做成的格柚作間隔。堆砌起來。當快速中子打入堆中時，假如碰到鈾二三八或者二三五，就產生原子核的破裂，同時放出兩三個中子來。這些中子，若速度在某一定范圍時正好碰到鄰近的鈾二三八源于核，則可使鈾變為錛，以后再變為钚。更多的可能性是這些中子碰到堆中的石墨。中子幾次碰到石墨的原子核，速度就要逐漸減低；但是速度低的中子碰到鈾二三八不起作用，因此最后還是碰上鈾二三五，使鈾二三五破裂又放出新的中子。這樣，只要打入堆中的中子碰到鈾條或石墨都是有利的。另外，中子還有兩種遭遇的可能性：第一，就是經過幾次碰撞后，中子巳達原子堆的邊緣上，最后是跑出原子堆；第二，中子被石墨或者鈾中的雜質吸收了。這兩種遭遇都是不利於我們的工作。

因此要使這種反應能自動地持續不斷，那么就必須使石墨、鈾或者其他原子堆所需要的材料都提煉的很純，不含有吸收大量中子的雜質，鈾安排得很適當，同時原子堆還要有一定的大小。這些都是可以控制的。

原子堆中間，鈾二三五或钚分裂的時候，就會釋放出原子能，發出熱來，同時放出的中子，當遇到石墨，減低它運動的速度時，它失去的一部分能力，也轉變為熱能。這些熱能，就可以利用來燒熱鍋爐，轉動渦輪，發出電力。原子堆還可以用來制造钚，我們知道提煉鈾二三五是很困難的，因為在普通鈾礦中提煉出來的鈾是幾種同位素的混合物，鈾二三八占的成分很大，鈾二三五占的成分很少，它們的化學性質又完全一樣，很難把它們分開。在原子堆中鈾二三八可以稱為钚，钚和鈾二三五一樣容易分裂，而钚的化學性質又和鈾不一樣，我們就可以把純钚用化學方法提煉出來、作為原子工業的燃料。

當然建造一個原子推動力站，要解決許多技術問題。例如要避免工作人員不受原子堆輻射組的灼傷，一切設備的裝卸修理和操縱都必須自動包等等。這些問題蘇聯的科學家都一一解決了。

原子時代的宏偉遠景 人類掌握了原子能，就進入了一個嶄新的時代。今天科學家們使一公斤鈾發出二千萬瓦小時的電力，還祗是掌握了儲藏在原子核中的能的千分之一。科學還證明了，任何物質都含有原子能。任何一塊小石頭儲藏的原子能。如果解放出來，就可以代替第聶伯水電站十年以上的工作。我們掌握了原子能，就無限地擴充了動力資源。

在沙漠里，沒有水，運輸很困難，一個原子工業電力站不用經常給它運送大量的燃料，就能不斷發出強大的電力，抽水灌溉，把沙漠變為良田。

如果我們要讓原子能開動車輛、船只和飛機，那就把原子堆做得小些輕些，放出的能力集中些。我們可以把原子堆裹鈾棒中的鈾二三五成分加大些（叫瀧化鈾的方法）。當然由於濃化鈾做成的原子堆能量比較集中地發放，溫度高，壓力大，因此一切設備都要能承受高溫高壓，又要有防止輻射線的設備，這些都是困難，但在科學家的面前，無疑地，這些問題的解決，只是時間問題而已。

讓我們來設想一下用原子堆發動的飛機吧。它可以作幾乎無限制的不藩陸的遠航飛行，因為鈾的消耗量很小。原子能發動的飛機可以高飛離地十公里以外的同溫層，在那裹空氣很稀薄，阻力小，這種飛機飛繞地球一圈將不是需要幾畫夜，而是不到一畫夜。

總有一天，用原子燃料的火箭將用每小時超過四萬公里的速度，沖破地球的大氣層，飛向太空，到別的星球上去。這是今天使用化學能的燃料的火箭所不能辯到的。

對於末來的世紀，我們還可以作怪他種種設想。我們知道、地球上的一切生命，都是太陽給與的。水陽使地球上有冷有熱，太陽使地球上刮風下雨。太陽對地球所以這樣有威力，就在于太陽不斷地向北地球發射出巨大的輻射能。為什么我們不能這樣設想呢？總有一天，我們可以利用原子能，用人要做兩個小太陽，放在地球的南北極，使得南北極巨大的冰山融化，改變地球上的氣候，使得許多生物的生長總向南北兩極擴展；總有一天我們聰明的頭腦將會利用原子能去支配自然界，改變氣候，調節雨量，不讓寒流、熱風侵襲莊稼、牲畜。那時，我們將成為自然界的真正主人。

當然，要憑我們今天的頭腦，清楚地勾畫出末來應用原子能的宏偉遠景是不可能的。正如當第一架發電機制造出來的時候，人們很難想像到今天我們這一代人如此廣泛地使用著電器設備。

要讓我們這一代人更多地運用原子能來創造美好的生活，我們還必須堅決反對美帝國主義利用原子能來制造大量的殺人的武器。美帝國主義正在將原子科學上的成就、將今天人們提取出來的有限的核子燃料，去制造原子武器，熱核武器，威脅著全世界人民的幸福生活，也大大阻滯著原子能和平工業的發展。只有社會主義的蘇聯，運用他們在原子科學上最新成就，為人類的和平幸福作著巨大的貢獻。我們應該為蘇聯第一個原子工業電力站的建造成功、而歡呼；我們也應該團結全世界愛好和平的人民。堅決反對美國一小撮的戰爭販子為了高額利潤而制造最殘酷的原子武器和熱核武器的罪惡行為。要想在這樣短短的一篇文章中，把關于原子世界的種植知識都介紹出來。那是不可能的。我想一定有許多青年讀者想知道更多的關于這方面的知識。下面這幾本關于原子世界的通俗讀物，也許可以滿足一點青年們的要求。

《我要知道原子問題》中國保衛世界和平大會委員會編譯 世界知識社出版。

《原于世界旅行記》 伊林著 王汶譯中國青年出版社出版

《原子能的原理和應用》 勃洛達著 景林譯商務印書館出版

《原子世界》席斯曼著 滕砥平譯 開明書店出版。

一九五四年七月

一個鈾原子堆的最重要部分的構造簡略

a……純炭精（碳素）做成的立方體，用做調速劑。

b……炭精做的外套，用做反射器。

c……混凝土做的防護放射線的外殼。d……用最純的鈾做的圓棒（調速劑的每一個圓洞中應放一根）。

e……圓洞，里面用一種冷卻劑來冷卻放在里面的鈾棒的周圍。

f……用鎘或硼制成的控制棒。

太陽使地球上有冷有熱，太陽使地球上刮風下雨。太陽封地球所以這樣有威力，就在于太陽不斷地向地球發射出巨大的輻射能。為什么我們不能這樣設想呢？總有一天，我們可能利用原子能，用人工做兩個小太陽，放在地球的南北極，使得南北極巨大的冰山融化，改變地球上的氣候，使得許多生物的生長線向南北兩極擴展；總有一天我們聰明的 頭腦將會利用原子能 去支配自然界，改變氣候，調節雨量，不讓寒流、熱風侵略莊稼、牲畜。那時，我們將成為自然界的真正主人。當然，要憑我們今天的頭腦，清楚地勾畫出未來應用原子能的宏偉遠景是不能可能的。正如當第一架發電機制造出來的時候，人們很難像到今天我們這一代人如此廣泛地使用著電器設備。要讓我們這一代人更多地運用原子能來創造美好的生活，我們還必須豎反對美帝國主義利用原子能來制造大量的殺人的武器。美帝國主義正在將原子科學上的成就，將今天人們提出來的有限的核子燃料，去制造原子武器，熱核武器，威協著全世界人民的幸福生活，也大大阻滯著原子能和平工業的發展。只有社會主義的蘇聯，運用他們在原子科學上最新成就，為人類的和平幸福作著 巨大的貢獻。我們應該為蘇聯第一個原子工業電力站的建造成功而歡呼；我們也應該團結全 世界愛好和平的人民，堅決反對美國一小撮的戰爭販子為了高額利潤而制造最殘酷的原子武器和熱核武器的罪惡行為。

要想在這樣 短短的一篇文章中，把關于原子世界的種種知識都介紹出來，那是不可能的。我想一定有許多青年讀者知道更多的關于這方面的 知識，下面這幾本關于原子世界的通俗讀物，也許可以滿足一點青年們的要 求。“我要知道原子問題”中國保衛世界和平大會委員會編譯，世界知議社出版。

“原子世界旅行記”伊林著 王汶譯中國青年出版社出版。

“原子能的原理和應用”勃洛達著景林譯商務印書館出版。

“原子世界”席斯曼著 滕砥平譯關明書店出版。

一九五四年七月