从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 36 章 / 第六单元 · 原子与量子
第 36 章 · 1932—1986

核能

一个中子撞开一个铀核，放出两三个中子。从这一点出发，人类在七年里造出了反应堆和原子弹，又用了几十年学习和它们共处。

阅读约 28 分钟两个可以动手的演示公式：2 个
序章第六单元 · 原子与量子 · 6 / 7终章

时代速写瑞典小镇的一封柏林来信

1938 年的圣诞假期，60 岁的奥地利物理学家莉泽·迈特纳（Lise Meitner）在瑞典过节。她的外甥、同样是物理学家的奥托·弗里施（Otto Frisch）来和她一起过节。她手里有一封柏林来信，写信人是和她合作了三十多年的化学家奥托·哈恩（Otto Hahn）1,2。

半年前，迈特纳还在柏林。她是犹太裔，1938 年纳粹德国吞并奥地利之后，她的奥地利护照不再能保护她。那年夏天，朋友们帮她秘密出境，经荷兰到了瑞典1,2。柏林实验室里的工作由哈恩和他的助手弗里茨·施特拉斯曼（Fritz Strassmann）继续做1。

哈恩在信里讲了一件让他想不通的事。他们用中子轰击铀，想造出比铀更重的新元素。可是产物里有一种东西，化学性质怎么看都是钡1。铀是 92 号元素，钡是 56 号，只有铀的一半多一点3。一个中子打上去，怎么会打出一个轻这么多的原子？哈恩是当时最好的放射化学家之一，他信得过自己的化学，却解释不了它。他写信给迈特纳，因为她是物理学家2。

姨甥两人在雪地里散步，一路讨论。到假期结束，他们想通了：铀核吸收中子后变得不稳定，分成了两块差不多大的核，钡是其中一块2。弗里施借来生物学里细胞“分裂”的说法，给它起名 fission，中文叫裂变3,1。

这一章从这次散步往前讲四年，往后讲五十年。前面是费米的慢中子；后面是反应堆、原子弹、氢弹、核电站，以及几次让全世界停下来重新想一想的事故。

  • 1932查德威克发现中子，一种不带电的“子弹”从此可用（第 32 章）4。
  • 1934费米在罗马用中子轰击元素，发现石蜡和水能让反应强到上百倍：慢中子5。
  • 193812 月，哈恩和施特拉斯曼在铀的产物里认出了钡3,1。
  • 19392 月，迈特纳和弗里施在《自然》上解释了裂变；8 月，爱因斯坦签名致信罗斯福6,7。
  • 194212 月 2 日，芝加哥一号堆实现第一次自持链式反应8。
  • 19457 月三一试验；8 月 6 日广岛，8 月 9 日长崎9。
  • 1952美国试爆第一个热核装置“迈克”，当量 1040 万吨10。
  • 1954苏联奥布宁斯克核电站并网发电11。
  • 1964中国第一颗原子弹爆炸；1967 年第一颗氢弹12,13。
  • 1986切尔诺贝利 4 号机组事故14。

1932 — 1934打不进去的原子核，和费米的慢中子

到 1930 年代初，物理学家已经知道原子核很小、很重、带正电，里面藏着巨大的能量。第 27 章讲过，E = mc² 说明一点点质量就对应大量能量；第 31 章的放射性则说明，有些原子核会自己把能量一点一点放出来。问题是，人没有办法让它放。

当时的工具是加速器：把质子或 α 粒子加速，去撞原子核。这些“子弹”都带正电，原子核也带正电，越靠近排斥越强。加速得再快，高速质子平均也要一百万次左右才直接击中一次原子核，大多数擦身而过15。算下来，投进去的能量远多于得到的。1933 年，卢瑟福在一次讲话里把“从原子里取能量”的期待叫作 moonshine，意思是空想；爱因斯坦把粒子轰击比作在黑暗里打几只稀少的鸟15。

西拉德的红绿灯

卢瑟福讲话见报后，匈牙利物理学家利奥·西拉德（Leo Szilard）在伦敦读到了它。按他自己后来的说法，他很不服气，出门散步，在大英博物馆附近等红绿灯时想到：如果有一种元素，被一个中子击中后会放出两个中子，那么中子数就会一代代翻倍，变成链式反应16。这是 1933 年 9 月，离裂变被发现还有五年多。故事的细节只有西拉德本人的回忆可证。

转机来自中子。1932 年查德威克在剑桥证实了中子的存在（第 32 章）4。它不带电，原子核不排斥它。罗马大学的恩里科·费米（Enrico Fermi）马上意识到，这是撞原子核最好的子弹15。从 1934 年起，他的小组把中子打向一个又一个元素，共轰击了 63 种稳定元素，得到 37 种新的放射性元素15。

1934石蜡让反应强了一百倍

实验里出现了怪事。同一个样品，放射性强弱居然和周围摆着什么东西有关。费米小组仔细追查，结果出乎所有人意料：把中子源和样品用大块石蜡包起来，有些样品的活化强度能增大到原来的 100 倍左右；换成水也一样，凡是含氢多的东西都有这个效果5。

费米的解释是这样的。中子和氢原子核（质子）质量差不多，像两个台球相撞，每撞一次中子就把一部分能量交给质子。一个能量 100 万电子伏特的快中子，撞上大约 20 次，就慢到和周围分子的热运动差不多了5。慢中子在原子核旁边停留得久，更容易被俘获，所以反应更多5,15。这个“让中子慢下来”的材料，后来叫作慢化剂。八年后芝加哥那座反应堆里的几百吨石墨，干的就是这件事。

费米也用慢中子轰击了铀。他认为得到的是 93 号、94 号这类比铀更重的“超铀元素”，罗马小组还给它们起了名字5。1938 年诺贝尔物理学奖授给费米，理由是证明了中子辐照能产生新的放射性元素，以及发现了慢中子引起的核反应17。12 月领奖之后，他没有回意大利，直接去了美国，主要是为了离开墨索里尼的法西斯统治18。

后来回头看，那些“超铀元素”里很多其实是铀分裂出来的碎片19。费米在付印的诺贝尔演讲稿里加了一条脚注：哈恩和施特拉斯曼发现了钡，所有超铀元素的问题都要重新审视5。美国能源部的历史写得很直接：费米在 1934 年就造成了裂变，只是没有认出来3。

1938 — 1939钡：铀核分成了两半

1913 年柏林达勒姆的实验室里，穿浅色长裙的迈特纳站在左侧，穿白大褂的哈恩站在右侧低头看手中的本子
迈特纳和哈恩，1913 年，柏林达勒姆的实验室。两人合作了三十多年，直到 1938 年迈特纳出逃1。Science Service / Smithsonian Institution Archives，无已知版权限制 · Wikimedia Commons
博物馆玻璃柜中的一张木桌，桌上摆着电子管放大器、计数管、铅块和一本手写记录本，桌下是几只电池盒
德意志博物馆陈列的裂变实验装置，慕尼黑。看右后方的白色圆柱：那是包住中子源的石蜡块，作用就是费米发现的减速。桌下一排盒子是电池。当年这些东西分在辐照、测量、化学三个房间里，并不在同一张桌子上1。J Brew 摄，CC BY-SA 2.0 · Wikimedia Commons

从 1934 年起，柏林威廉皇帝化学研究所的哈恩、迈特纳和施特拉斯曼也在用慢中子轰击铀，同样想找超铀元素。他们找到了很多新的放射性产物，却始终说不清它们是什么1。迈特纳 1938 年夏天离开后，哈恩和施特拉斯曼继续追查其中一种。他们本以为它是镭的同位素，镭是 88 号元素，离铀不远。可是用化学方法一步步分离，它总是跟着钡走1。

这就是那封信的内容。哈恩是化学家，他相信化学测试，但物理学上，一个中子从铀里打掉三十几个质子是不可想象的。他和施特拉斯曼把结果写成论文，1939 年 1 月发表在德国的《自然科学》杂志上20,1。

1938年底 一滴快要分开的水

迈特纳和弗里施的思路是把原子核看成一滴液体。核力像表面张力，把核子聚在一起；质子之间的电排斥则想把它撑开。铀核有 92 个质子，两股力已经接近平衡。再吸收一个中子，这滴“液体”开始晃动、拉长，中间收细，最后断成两滴。两块带正电的碎片挨得很近，互相猛推，高速飞开6,2。

他们估算，每次裂变放出大约 2 亿电子伏特（200 MeV）的能量。这个数他们用两种办法算过：一是用两块碎片之间的电排斥，二是比较裂变前后的质量6。两块碎片加起来，比原来的铀核轻一点；按爱因斯坦的 E = mc²，少掉的质量就是放出的能量3。今天的数据给出平均约 215 MeV，其中约 168 MeV 是两块碎片的动能21。

这个能量有多大？化学反应中，一个分子重新排列一次，放出的能量通常只有几个电子伏特。一次裂变是它的几千万倍。换个角度看质量：2 亿电子伏特对应的质量，大约只有一个铀核质量的千分之一（这是按原子质量单位折算的）。千分之一的质量变成能量，已经是化学反应望尘莫及的数量级。

论文《中子使铀解体：一种新型核反应》1939 年 2 月 11 日刊在英国《自然》上，第一次用了 fission 这个词6,2。一周后，弗里施又在《自然》上发表了实验结果，用物理方法直接探测到了重核分裂产生的碎片22。

1939消息过海

弗里施把结果告诉了尼尔斯·玻尔。玻尔正要坐船去美国，在船上确认了这个想法，1 月 16 日抵达纽约。十天后，他和费米在华盛顿的一次理论物理会议上公布了消息23。美国各地的物理学家纷纷动手重复和扩展这个结果23。普林斯顿的玻尔和惠勒写出了裂变理论，哥伦比亚大学的费米、西拉德等人开始研究链式反应23。

大家很快发现，裂变碎片飞开时还会“蒸发”出几个中子，通常是两个3,23。4 月，巴黎约里奥—居里小组的哈尔班、约里奥和科瓦尔斯基在《自然》上发表了测量结果，题目就是《铀核裂变中释放的中子数》24。一个中子进去，两三个中子出来。西拉德六年前想象的那种元素，原来就是铀。

还有一个关键细节。到 1940 年 3 月，哥伦比亚大学的邓宁等人证实，被慢中子打裂的是铀-235，它在天然铀里只占约 1/140；占绝大多数的铀-238 并不会被慢中子裂变23。想要链式反应，要么把铀-235 提纯出来，要么想办法让天然铀里那一点点铀-235 足够用。这两条路后来都走通了。

关于那个诺贝尔奖

1944 年诺贝尔化学奖（1945 年颁发）只授给了哈恩一人，理由是“发现重核裂变”25。迈特纳一生被提名诺贝尔物理学奖和化学奖四十多次，始终没有获奖26。施特拉斯曼因为反对纳粹找不到别的工作，多年领半薪甚至无薪给哈恩当助手，也没有分到奖26。

这件事至今有争论。物理史家多认为迈特纳受了不公正对待；化学史家则指出这是化学奖，颁给了一项化学发现，而能做出那套化学分离的，当时几乎只有哈恩1。提名档案公开后，人们看到化学奖委员会没有认真考虑两位物理学家的贡献2。

概念链式反应：数一数每一代有几个中子

裂变能不能变成可用的能量，取决于一个数。一个铀核裂变，放出的中子平均约 2.4 个27。这些中子有的飞出铀块，有的被别的原子核吞掉而不引起裂变，只有一部分会撞上下一个铀-235 并把它打裂。平均每次裂变放出的中子里，有几个能引起下一次裂变，这个数叫增殖系数，记作 k27。

把每一次裂变和它引起的下一批裂变算作“一代”，第 n 代的中子数就是：

Nn = N0 × kn
N₀
开始时的中子数
k
增殖系数：每个中子平均能“传下去”几个中子
n
经过的代数
Nn
第 n 代的中子数，也就是这一代发生的裂变数的量度
读法：k 小于 1，每代都比上一代少，链条很快断掉，叫“次临界”；k 正好等于 1，每代一样多，反应平稳地自己维持下去，叫“临界”；k 大于 1，每代都比上一代多，数目按指数增长，叫“超临界”。

指数增长的厉害在于代数。1 公斤铀-235 里大约有 2.6×10²⁴ 个原子（按阿伏伽德罗常数换算）。如果 k = 2，只要大约 80 代，中子数就能多到把它们全部打裂。在没有慢化剂的纯铀-235 里，快中子从产生到引起下一次裂变平均只要约 10 纳秒28。80 代不到 1 微秒。1943 年洛斯阿拉莫斯给新来的科学家上的入门课里就算过这笔账：裂变 1 公斤铀-235 只需要约一微秒，放出的能量相当于约 2 万吨 TNT28。

下面的演示把这个公式画了出来。左边是从一次裂变放出的 3 个中子开始、往后 5 代的一次随机抽样：每个中子按概率决定是否引起裂变，一次裂变放出 2 个或 3 个中子，平均 2.4 个（k ≥ 1 时只画没有中途断掉的链）；右边是 80 代的平均中子数，纵轴是对数刻度，每一格是十万倍。

一代一代数中子演示 1 · 拖动滑块改变 k，再按“开始”

拖一拖就能看出“临界”有多窄。k 从 0.99 变成 1.01，看上去只差一点，结局却是熄灭和失控两种。那么一座反应堆怎样稳稳停在 k = 1 上？关键是那 0.65% 的缓发中子。裂变当场放出的中子是瞬发的；还有极少一部分中子，要等裂变碎片再衰变一次，延迟几秒到十几秒才出来27。只要设计成离开缓发中子就达不到临界，整个反应的节奏就由这些慢吞吞的中子决定27。

T2 ≈ 0.69 × τ ÷ (k − 1)
T₂
中子数（也就是功率）翻一倍所需的时间
τ
一代的平均时间。只算瞬发中子时约千分之一秒；把缓发中子平均进去，约 0.09 秒
k − 1
超出临界多少。0.001 就是超出千分之一
0.69
2 的自然对数，来自“翻一倍”
读法：k = 1.001 时，翻一倍要 693 代。如果每代千分之一秒，功率 0.69 秒就翻一倍，人和机械都来不及反应；算上缓发中子，翻一倍要一分钟左右，控制棒有足够时间插进去27。

临界质量：块头为什么重要

k 不只取决于材料，还取决于形状和大小。中子是在铀块内部产生的，它在引起下一次裂变之前要飞一段路，途中可能从表面飞出去。铀块越小，表面相对越大，跑掉的中子越多，k 就越低。体积按半径的三次方长，表面积只按平方长，所以总有一个尺寸，大到跑掉的中子刚好少到 k = 1。这个尺寸对应的质量叫临界质量。

1940 年 3 月，在英国伯明翰大学的弗里施和鲁道夫·派尔斯（Rudolf Peierls）写了一份备忘录，估算铀-235 的临界质量只有一磅左右。这个数偏低了，他们用的裂变截面太大28。但这份备忘录送到了英国政府的科学顾问手里，促成了一个专门研究原子弹可行性的委员会28。1941 年 7 月，这个代号 MAUD 的委员会报告说，大约 10 公斤铀-235 就能造成炸弹，现有的飞机就能运载，这份报告推了美国一把29。今天知道，一个没有任何包裹的纯铀-235 金属球，临界质量约 52 公斤28。

下面的演示用一个简化模型自己算一遍。中子在一个纯铀-235 球里随机飞行：平均每飞 3.5 厘米碰到一个原子核，每次碰撞有约五分之一的机会引起裂变，否则被弹向随机方向；每次裂变放出 2.6 个快中子。这几个数取自洛斯阿拉莫斯入门讲义的现代参数28，铀金属的密度约 19 克每立方厘米30。

球有多大才会临界演示 2 · 拖动滑块改变铀球半径

拖到 8 厘米附近，k 越过 1。原子弹的设计思路由此而来：平时把裂变材料分成几块，每块都远低于临界；需要时在极短时间内把它们合成一块超临界的整体，或者用炸药把一个球从四面八方压紧。压紧以后原子核挨得更近，中子飞同样的路会撞上更多核，临界半径随之变小28。前一种叫枪式，后一种叫内爆式9。反应堆走的是另一条路：用天然铀或低浓缩铀，加慢化剂，用控制棒把 k 调到 1。

1939 — 1945从芝加哥的壁球场到广岛、长崎

裂变是在纳粹德国发现的。逃到美国的欧洲物理学家最先意识到这意味着什么。1939 年 8 月，西拉德起草了一封信，请爱因斯坦签名寄给罗斯福总统。信里说，铀的链式反应可能产生巨大能量，进而可能造出“极其强大的炸弹”，一颗就能毁掉一个港口；德国已经停止出售铀9。经济学家萨克斯（Alexander Sachs）10 月 11 日把信当面交给罗斯福；8 天后，罗斯福回信说已成立一个铀问题委员会7。最初的拨款很少，没人知道炸弹能不能造出来9。英国的 MAUD 报告和 1941 年 12 月的珍珠港事件改变了局面29,9。1942 年，美国陆军工程兵组建“曼哈顿工程区”，由格罗夫斯（Leslie Groves）将军指挥9。

194212 月 2 日 一座没有屏蔽、没有冷却的反应堆

铅笔素描：室内一座由砖块状石墨层层堆起的巨大方堆，上半部是阶梯状的砖块，前面靠着一架梯子，右侧有高大的木架
芝加哥一号堆，阿贡国家实验室的米勒（Melvin A. Miller）1946 年根据原样绘制。看层层叠起的黑色砖块：它们是石墨，中子在里面被减速；其中三层里有两层的砖块中嵌着铀块8。这座堆 1943 年拆除，移到芝加哥城外重新组装31。Melvin A. Miller / Argonne National Laboratory，公有领域 · Wikimedia Commons

费米这时在芝加哥大学的“冶金实验室”工作，这是一个保密项目的代号，由康普顿领导31。费米要证明用天然铀加慢化剂可以实现自持链式反应。地点选在芝加哥大学斯塔格球场西看台下一间废弃的壁球场，位于人口稠密的城区8。

堆的主体是近 400 吨石墨砖，里面嵌着 6 吨多金属铀和 34 吨氧化铀，用木架撑着8。工人们连续两周日夜施工，共堆了 57 层31。它没有辐射屏蔽，也没有冷却系统。挡住链式反应的只有几根插在侧面的镉棒，镉会吞掉中子8。安全措施很简陋：一根应急控制棒用绳子吊着，旁边站着一个人手里拿着斧头，紧急时砍断绳子；平台上还有一个“液体控制组”，准备往堆里浇镉盐溶液8。

12 月 2 日上午，费米让操作员一点点抽出最后一根控制棒，中子计数器的咔嗒声越来越快。中间自动安全棒设得太低，突然落下，实验暂停，费米叫大家先去吃午饭8。下午继续。费米不时用计算尺核对读数。下午 3 点 25 分，他宣布反应已经自持。堆的功率约半瓦，不够点亮一只小灯泡。运行 28 分钟后，3 点 53 分，费米下令插回控制棒8。这一天的增殖系数是 k = 1.00068。在场的有 49 人31。

维格纳（Eugene Wigner）拿出一瓶意大利基安蒂红酒，大家用纸杯默默喝了一口8。康普顿（Arthur Compton）给科南特（James Conant）打电话，事先没约好暗语，临时说：“那位意大利航海家已经登上新大陆了。”8西拉德留到最后，跟费米握手，说他认为这一天会成为人类历史上黑暗的一天8。

1942—1945工业规模的物理

芝加哥一号堆证明了反应堆可行，接下来是规模。曼哈顿计划高峰期雇用了约 13 万人，到战争结束花了约 22 亿美元，规模可以和当时的汽车工业相比9。它分成三大块：田纳西州橡树岭用气体扩散和电磁分离提纯铀-235；华盛顿州汉福德建了三座大型反应堆，让铀-238 吸收中子变成钚-239；新墨西哥州洛斯阿拉莫斯由奥本海默领导，设计炸弹本身9。钚是 1941 年在伯克利发现的，它也能被慢中子裂变9,21。

铀弹用枪式结构：把一块次临界的铀射向另一块。钚弹不行，反应堆里造出的钚含有杂质，会在两块合拢之前就提前引发反应，炸弹只会“哑火”，只能用内爆式9。内爆式没有把握，必须先试。

1945 年 7 月 16 日清晨 5 点 29 分 45 秒，在新墨西哥州的沙漠里，一个装着约 6 公斤钚的装置在 30 米高的铁塔上被引爆，代号“三一”9,32。当量约 2.1 万吨 TNT，比预期大32。放射性尘埃落到下风方向，一些没被军方登记到的牧场家庭受到明显照射，牲畜皮肤被灼伤9。奥本海默多年后回忆当时的场面：有几个人笑，有几个人哭，大多数人沉默32。

1945怎样使用，有过争论

1945 年 5 月，美国成立了一个临时委员会讨论原子弹的用法。物理学家劳伦斯提出，可以先做一次示范爆炸，也许就能让日本投降。委员会担心示范失败、担心日本把战俘转移到目标区，否决了这个建议33。芝加哥的一批科学家另写了一份报告，由弗兰克（James Franck）牵头，西拉德、西博格参与，主张先在无人区示范，并警告不经示范就使用会引发军备竞赛33。奥本海默、费米、康普顿和劳伦斯组成的科学顾问组不同意，认为技术演示不能让日本投降。6 月 21 日，委员会决定尽快、不加警告地使用33。

19458 月 6 日与 8 月 9 日

8 月 6 日上午 8 点 15 分，一架 B-29 在广岛上空投下铀弹“小男孩”。43 秒后，它在城市上空约 600 米处爆炸34,35。当量早先估计为 1.5 万吨，美日两国专家 2003 年的剂量学复核修订为 1.6 万吨36,37。这颗炸弹总重约 4 吨，装着约 64 公斤铀-23535。按 1 公斤铀-235 全部裂变相当于约 2 万吨 TNT 推算28，真正来得及裂变的不到 1 公斤。按 E = mc² 换算，1.6 万吨 TNT 的能量对应的质量还不到 1 克。

8 月 9 日上午 11 点 02 分，钚弹“胖子”在长崎上空约 500 米处爆炸，当量约 2.1 万吨38,35,37。原定目标是小仓，那里被烟雾和云遮住，飞机转向第二目标长崎38。长崎的山地地形挡住了一部分破坏38。

1945 年广岛，从一座楼顶望去，大片城区只剩瓦砾和残墙，远处是群山
广岛，1945 年，美国政府人员从红十字医院楼顶向西北拍摄。看画面中部那几座小木屋：图说注明是爆炸后新搭起来的，周围原来的街区只剩地基和残墙。美国政府摄，公有领域 · Wikimedia Commons

到底死了多少人，至今没有确切数字。辐射效应研究基金会（RERF）解释了原因：两座城市的军人名册毁了，许多家庭全家罹难，没有人报告死亡，被强征来的劳工人数也不清楚35。下面几组数字来自不同机构，统计时段不同，不能直接比较：

约 14 万广岛市：到 1945 年 12 月底的死亡人数估计，这时辐射的急性效应大体已经过去34
9 万—16.6 万RERF：广岛在爆炸后 2 到 4 个月内的急性死亡，当时城内约 34 万—35 万人35
73,884长崎市：到 1945 年 12 月底的死亡人数，另有 74,909 人受伤；当时人口约 24 万39
6 万—8 万RERF：长崎在 2 到 4 个月内的急性死亡，当时城内约 25 万—27 万人35

广岛市的估计说，距爆心 1.2 公里以内的人，约一半当天死亡34。活下来的人里，后来的长期研究发现，白血病死亡有近一半、实体癌有约一成可以归因于辐射35。

8 月 8 日，苏联对日宣战。8 月 10 日，日本提出投降，条件是保留天皇；8 月 15 日，天皇通过广播宣布接受盟国条件40。原子弹和苏联参战各自起了多大作用，史学界一直有争论。

1946 — 1970冷战：氢弹、中国“两弹”与条约

美国的核垄断只维持了四年。战后美国提出由国际机构统一管理原子能（巴鲁克计划），苏联拒绝9。1949 年 8 月 29 日，苏联进行了第一次核试验41。第二年，杜鲁门指示加速研制威力更大的热核武器41。

1952氢弹：用裂变点燃聚变

热核武器俗称氢弹，用的是聚变：氢的同位素氘和氚在极高温度下合成更重的核，放出能量10。太阳就是靠聚变发光的（第 27 章）。难点是在地球上造出那样的温度，办法是先引爆一颗裂变弹。1951 年的“乔治”试验第一次在核爆中实现了热核聚变；1952 年 10 月 31 日（美国时间），代号“迈克”的装置在太平洋恩尼威托克环礁爆炸。它重 82 吨，分两级，第一级是裂变弹，用来点燃第二级的热核燃料，这就是“泰勒—乌拉姆”构型。当量 1040 万吨，约为广岛原子弹的 650 倍，炸出的弹坑直径约 1.9 公里10。

此后核武器的数量和威力一路上涨。1961 年，苏联打破了持续三年的暂停核试验，60 天里做了 50 次大气层核试验，总当量超过此前所有国家所有试验之和42。全世界的核弹头在 1986 年达到约 7 万枚的峰值31。

1955—1967中国的原子弹和氢弹

中国在 1955 年 1 月决定发展原子能和原子弹。起初有苏联援助，1959 年苏联撤走专家后，只能完全依靠自己12,13。1962 年成立了以周恩来为首的专门领导机构12。

1964 年 10 月 16 日下午 3 时，中国第一颗原子弹在新疆罗布泊爆炸成功，中国成为继美、苏、英、法之后第五个拥有核武器的国家12,43。当天，中国政府发表声明，宣布中国在任何时候、任何情况下都不会首先使用核武器，并建议召开世界各国首脑会议，讨论全面禁止和彻底销毁核武器44,12。

氢弹的预先研究更早就开始了。1960 年 12 月，时任第二机械工业部副部长的物理学家钱三强组织了一个“轻核理论组”，黄祖洽任组长，于敏任副组长13。轻核反应就是聚变。当时没有任何可参考的技术资料，另一支研究队伍甚至专门安排人去翻《纽约时报》和《真理报》，想从新闻里找氢弹的线索，结果一无所获13。原子弹爆炸后，两支队伍合并进第九研究院理论部。1965 年 9 月，于敏带人到上海的华东计算所，用那里的计算机做了大量计算，找到了自持热核反应的关键条件，形成了一套完整的氢弹设计方案。他用暗语给理论部主任邓稼先打电话，说“牵住‘牛鼻子’了”13。

1966 年 12 月 28 日，氢弹原理试验成功。1967 年 6 月 17 日，一架轰炸机在罗布泊上空投下第一颗氢弹，空投爆炸成功13。从第一颗原子弹到第一颗氢弹，中国用了 2 年 8 个月，美国用了 7 年多45。法国 1968 年 8 月才爆炸了第一颗氢弹13。

1999 年，中国表彰了 23 位为“两弹一星”（原子弹、导弹和人造卫星）作出突出贡献的科学家，其中有于敏、朱光亚、周光召、彭桓武、程开甲、陈能宽，以及追授的王淦昌、邓稼先、钱三强、郭永怀等45。他们许多人隐姓埋名几十年，连家人都不清楚他们在做什么45。

1963—1970给核武器加上锁

核武器越来越多，各国开始谈判限制。1963 年 8 月，美、英、苏签订《部分禁止核试验条约》，禁止在大气层、外层空间和水下核试验，试验转入地下42。此前全世界在地面以上做了约 500 次核试验31。1968 年 7 月，《不扩散核武器条约》开放签署，1970 年生效42,46。它的思路是一笔交换：无核国家承诺不获取核武器，有核国家承诺推进核裁军，各国都可以和平利用核能，并接受国际原子能机构的核查。今天有 191 个国家加入，是加入国家最多的军控条约46。

1951 — 2011核电：从四只灯泡到三次事故

反应堆里放出的能量最终都变成热。把热拿来烧水、推汽轮机发电，就是核电站。原理和烧煤的电站一样，区别只在锅炉。

  • 195112 月 20 日，美国爱达荷州的实验增殖堆 1 号（EBR-I）第一次用核能发出了电，点亮了 4 只灯泡31,42。
  • 195312 月 8 日，艾森豪威尔在联合国发表“原子用于和平”演讲，推动核能的民用42。
  • 19546 月 27 日，莫斯科附近的奥布宁斯克核电站投入运行并接入电网，电功率 5000 千瓦，是世界上第一座接入电网的核电站；科学负责人是库尔恰托夫院士11,47。
  • 195712 月 23 日，美国希平港原子能电站投入运行，美国能源部称它为世界第一座全尺寸核电站42。
  • 199112 月 15 日，浙江海盐的秦山核电站并网发电，结束了中国大陆没有核电的历史。它是中国第一座自行设计、建造和运行的核电站48。

核电站的燃料通常是把铀-235 浓缩到 3% 到 5% 的低浓铀，远低于武器所需49。慢化剂（例如普通的水或石墨）把中子减速，控制棒把 k 维持在 1。几十年里核电经历过三次让公众信心大受打击的事故。三次的原因各不相同。

1979三里岛：一个卡住的阀门

1979 年 3 月 28 日，美国宾夕法尼亚州三里岛核电站 2 号机组的设备出了故障，一个泄压阀卡在开着的位置，仪表却显示它已经关上。操作员不知道冷却水正在流失，采取的操作反而让情况更糟，堆芯过热，部分熔毁50。少量放射性物质外泄。多个政府部门的调查估计，附近约 200 万人平均多受了约 1 毫雷姆的照射，当地每年的天然本底是 100 到 125 毫雷姆，拍一次胸片约 6 毫雷姆；没有发现可检测的健康影响50。事故之后，美国核管理委员会大幅修改了培训、应急和设备规定，核电行业也成立了自己的运行研究机构50。

1986切尔诺贝利：设计缺陷加上一次违规试验

从直升机俯拍的切尔诺贝利 4 号机组，厂房屋顶和墙体被炸开，内部钢结构扭曲外露，旁边是红白相间的高烟囱
被炸毁的切尔诺贝利 4 号机组，事故几个月后从直升机上拍摄。看烟囱下方被掀开的厂房：反应堆大厅的屋顶和墙已经不在了。IAEA Imagebank / 乌克兰对外友好文化关系协会，CC BY-SA 2.0 · Wikimedia Commons

1986 年 4 月 26 日凌晨，乌克兰（当时属苏联）切尔诺贝利核电站 4 号机组在一次试验中失控，反应堆被毁，大量放射性物质进入环境14。国际原子能机构的国际核安全咨询组 1992 年的报告认为，事故是几样东西同时出现造成的：这种石墨慢化、沸水冷却的反应堆（RBMK）在某些工况下，冷却水汽化反而让反应加快，物理性质本身不稳定；它的控制棒设计有缺陷，全部抽出后再插入时，起初反而会让反应加快；而试验时反应堆被带进了规程里没有规定、也没经独立安全机构审查过的状态51。报告说，到底是什么启动了那次功率暴涨，并不完全确定；冷却水流量下降产生的汽化加上重新插入的控制棒，很可能是决定性的51。

联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）的结论是：事故当天在场的约 600 名工作人员中，134 人受到高剂量照射得了急性放射病，其中 28 人在三个月内死亡；几周内死亡的工作人员共 30 人14。1986 年疏散了约 11.5 万人，此后又迁移了约 22 万人。到 2005 年，事故时还是儿童和青少年的人里报告了 6000 多例甲状腺癌，其中很大一部分很可能是喝了被放射性碘污染的牛奶所致14。除此之外，UNSCEAR 没有找到可归因于辐射的重大公共健康影响的证据；对辐射的恐惧本身造成了广泛的心理影响14。

2011福岛：海啸切断了电

2011 年 3 月 11 日，日本东北近海发生 9.0 级地震，随后的海啸淹没了 500 多平方公里土地，夺去 2 万多人的生命52。福岛第一核电站失去了厂外和厂内电源，冷却系统停转，6 台机组中有 3 台堆芯严重损坏，大量放射性物质长时间外泄，数万人疏散。这是切尔诺贝利之后最严重的民用核事故52。

UNSCEAR 2021 年的报告说，没有记录到可直接归因于这次事故辐射的居民健康损害，预计将来也难以察觉；儿童甲状腺癌检出数大增，原因是超灵敏的筛查发现了以前没被注意到的甲状腺异常52。另一方面，日本复兴厅统计，截至 2024 年底，福岛县的“震灾关联死”（不是直接死于地震海啸，而是灾后因病情恶化等原因死亡）有 2350 人，在受灾各县中最多53。

影响它怎么改变了世界

从 1938 年的一封信算起，到 1945 年两座城市被毁，只过了不到七年。很少有哪项物理发现这样快地变成了改变国际关系的东西。

一 · 核威慑与冷战格局

核武器让大国之间的全面战争有了一个新的代价：双方都可能被毁灭。冷战期间，美苏在 1962 年古巴导弹危机等时刻走到了边缘，但没有直接交战42；这背后有多少是核威慑的作用，至今是国际关系学界讨论的问题。可以确定的是军备的规模：核弹头 1986 年达到约 7 万枚，2025 年减到约 1.2 万枚31。《不扩散核武器条约》把防止扩散写成了国际义务，191 个国家加入了它46。一部分曼哈顿计划的科学家战后创办了《原子科学家公报》，设立“末日时钟”提醒人们核战争的风险31。

二 · 约一成的电力

到 2024 年底，全世界 31 个国家有 417 座核电机组在运行，装机约 3.77 亿千瓦，当年发电 2617 太瓦时54。国际能源署的数据显示，2025 年核电发电量又创新高；这一年可再生能源和核电合计占全球发电的 43%，其中可再生能源占 34%，核电约占 9%55。法国是核电占比最高的国家，2024 年约 67%54。中国大陆从 1991 年秦山核电站并网起步，2024 年核电发电量已占全球的 16%，仅次于美国54,48。国际能源署把核电和可再生能源一起归为低排放电源55，这让它在应对气候变化的讨论中重新被重视。

还有一段少有人知的历史。1993 年美俄签署协议，把俄罗斯核弹头中的 500 吨高浓铀稀释成核电燃料卖给美国，相当于约 2 万枚核弹头。到 2013 年计划结束，美国核电站所需的燃料浓缩服务约有三分之一来自这些拆下来的弹头49,56。

三 · 医院里的反应堆产品

反应堆也是一座同位素工厂。1946 年 8 月 2 日，橡树岭的石墨反应堆生产的碳-14 被正式运往圣路易斯的一家癌症医院，这是第一批反应堆生产的医用放射性同位素57。今天核医学检查里用得最多的是锝-99m，占全部核医学检查的八成以上，每年超过 3000 万次，用于心脏、骨骼、肿瘤和甲状腺等检查58。它的母体钼-99 正是铀-235 的裂变产物：在研究堆里用中子照射铀靶，取出钼-99，再运到医院，在现场“挤”出锝-99m58。全世界的供应依赖少数几座 1950—1970 年代建造的研究堆，这些反应堆正在老化，供应链相当脆弱58。

四 · 科学变成国家工程

曼哈顿计划雇用了约 13 万人，规模相当于当时的汽车工业9。战后，美国把它的设施和人员交给新成立的原子能委员会9；芝加哥的冶金实验室改组成美国第一个国家实验室阿贡31。从此，基础物理的大部分经费来自政府，大型国际合作成为常态，后来的大型对撞机、引力波天文台都沿用了这种组织方式31。中国的“两弹一星”同样集中了全国的科研和工业力量。

误解几种常见说法

误解一 · 原子弹是爱因斯坦发明的

第 27 章讲过，E = mc² 说明了质量和能量的换算关系，但没告诉人怎样把原子核里的能量放出来。裂变是哈恩和施特拉斯曼在化学实验中发现、迈特纳和弗里施解释的；链式反应的想法来自西拉德；第一座反应堆是费米建的3,16,8。爱因斯坦和原子弹的直接联系，是 1939 年那封由西拉德起草的信上的签名7,9。

误解二 · 核电站可能像原子弹一样爆炸

原子弹需要高浓度的铀-235 或钚，并在一微秒左右的时间里把它们压成超临界，让快中子一代代飞速增殖28。核电站的燃料只含 3% 到 5% 的铀-23549，其余是铀-238，它会吞掉和散射快中子，撑不起原子弹那种快中子链式反应28；反应堆的节奏由慢中子和缓发中子决定。切尔诺贝利是一次功率暴涨毁掉了反应堆和厂房51,14，物理过程和原子弹不同。但这并不代表核电站没有危险：失去冷却会熔毁堆芯，放射性物质外泄造成的污染和疏散，代价可以非常大。

误解三 · 迈特纳和弗里施是在“雪地里坐在树干上”一笔算出来的

两人在雪中散步时想通，这一点有比较可靠的记载2。至于坐在树干上、在纸片上计算这类细节，多半来自后来的回忆和转述，可以当故事听。更重要的是，这个解释在几周内就被弗里施的实验和世界各地的实验室证实了22,23。

误解四 · 核事故的死亡人数都差不多

三次事故的后果差别很大。三里岛没有发现可检测的健康影响50；切尔诺贝利有 30 名工作人员在几周内死亡，以及 6000 多例甲状腺癌14；福岛没有记录到可直接归因于辐射的健康损害52，但福岛县的“震灾关联死”有 2350 人53。网络上流传的切尔诺贝利“死亡几十万人”之类数字，没有得到 UNSCEAR 评估的支持14。

承上启下原子核的能量，和量子技术的下一站

上一章讲的是量子力学的“意义”之争：玻尔和爱因斯坦争的是测量、实在和远距离关联。这一章的物理没有那么哲学，它是量子力学和原子核物理最直接、也最沉重的应用。原子核里的力、质子之间的排斥、中子被俘获的概率，这些都要用第 34 章建立的量子力学才算得清。

在这里会合的有三条线。第 27 章的 E = mc² 给出了能量账本；第 31、32 章的放射性和原子核模型给出了舞台；第 11 章讲过的气体扩散提纯铀-235，则来自热学里的分子运动论。核能也把物理学推进了国家的核心：从这以后，大型物理研究几乎都离不开政府和国际合作，第 41、42 章的加速器和对撞机都是这样。

下一章回到量子力学本身。1950 年代以后，物理学家学会了一个一个地操控原子、光子和电子，造出了原子钟、核磁共振成像和量子计算机。人们把它叫作第二次量子革命。

自测五个问题

1. 费米为什么用中子而不用质子去轰击原子核？石蜡为什么能让反应强上百倍？
中子不带电，不受原子核正电荷的排斥，能直接进入原子核。石蜡含大量氢，氢核和中子质量差不多，中子撞上二十来次就慢下来；慢中子在原子核旁停留更久，更容易被俘获，所以反应大大增多。
2. 哈恩在铀的产物里发现钡，为什么让人想不通？迈特纳和弗里施怎样解释？
钡是 56 号元素，比 92 号的铀轻得多，按当时的想法一个中子不可能从铀里打掉那么多质子。迈特纳和弗里施把原子核看成一滴快要被电排斥撑开的液体，吸收中子后晃动、断成两块，钡是其中一块。两块碎片比原来的铀核轻一点，少掉的质量变成约 2 亿电子伏特的能量。
3. 增殖系数 k 等于 0.95、1、2 时，链式反应分别会怎样？反应堆为什么能控制在 k = 1？
0.95：每代减少，很快熄灭；1：每代一样多，稳定维持；2：每代翻倍，约 80 代就能裂变 1 公斤铀-235，快中子下不到 1 微秒，即原子弹。反应堆里约 0.65% 的中子是延迟几秒才放出的缓发中子，设计上离开它们就达不到临界，于是功率变化慢到控制棒来得及调节。
4. 为什么铀块要够大才能发生链式反应？原子弹怎样利用这一点？
中子在引起下一次裂变前要飞一段路，铀块越小，相对表面越大，越多中子从表面逃走，k 越低。超过临界质量，k 才大于 1。原子弹平时把材料分成几块次临界的部分，引爆时用枪式把它们合成一块，或者用内爆把材料压紧，使它在极短时间内变成超临界。
5. 广岛和长崎的死亡人数为什么只能给出范围？给出两个权威机构的数字。
军人名册被毁，许多家庭全家罹难无人报告，强征劳工人数不明，所以无法精确统计。广岛市估计到 1945 年底约 14 万人死亡；长崎市统计到 1945 年底死亡 73,884 人。RERF 估计爆炸后 2 到 4 个月内，广岛死亡 9 万—16.6 万人，长崎 6 万—8 万人。

参考来源本章依据

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图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。1 公斤铀-235 的原子数、裂变的质量亏损比例、广岛原子弹能量对应的质量、“迈克”与广岛当量之比、演示中的代数与时间，是按文中公式和所引数据计算的。演示 2 的 k 值由本章作者用简化的蒙特卡罗模型算出，参数取自来源中的现代值。

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