2014百科物理知识

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.     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.  二、从“光量子假说”到激光技术     1900年12月24日，在德国物理学会的年会上，普朗克宣读了他的“关于正常光谱的能量分布定律的理论”论文，提出了一个革命性的思想光量子假说.1916年，爱因斯坦在旧量子论的基础上提出了受激(感应)发射的概念，并在他的论文“关于辐射的量子理论”中首次给出了能态之间跃迁的新认识.他认为，在气体分子(普朗克谐振子)的能态跃迁中，存在两种不同的辐射过程：一种是由高能级到低能级的自发辐射，一种是由于频率响应从高能级到低能级的受激辐射.受激辐射概念的提出，实际上已为激光器的发明奠定了理论基础.     1921年，美国赫耳发明的磁控管能产生微波振荡，使人类开始了微波的研究;1924年物理学家托耳曼根据原子、分子系统内激发态上粒子数分布的情况，指出可以得到负吸收或放大，并在实验中观察到了这种机制引起的吸收系数的变化;1928年，拉登伯格和科普夫曼在气体放大的色散测量中，观测到由于受激辐射所引起的负色散现象;1934年，美国的斯勒特和维维里曼做了波长1～4cm的各种磁控管，将产生的微波射向充有氨气(NH3)的橡皮球，发现氨分子在1.3cm波长处有强烈的吸收，这是用相干振荡器发现电磁波和分子相互作用的最早实验，也是电磁波谱学的最早实验;1938年，捷尼克在计算各种干涉条件下的光束强度中提出“相干度”的概念.应该说，所有这些研究成果都有助于认识受激辐射概念的实际意义.     1939年，法布里坎特在讨论气体放电的发光机理时，提出用实验来证实负吸收的存在，他分析了由负吸收产生光放大的可能性，以及由此所引起的光强度和方向性增加的问题.他根据拉登伯格发现的吸收系数、爱因斯坦系数与粒子数分布的关系指出：要使辐射通过介质不但不衰减而且还要放大的话，必须实现粒子数反转.法布里坎特的这一见解，是从爱因斯坦受激辐射理论向构思激光器技术原理迈出的极为重要的一步，因为它指出了产生激光的最重要的条件.     1946年，美国和英国几乎发现氨分子谱线中的精细结构和超精细结构，并开始了微波波谱学的研究;1950年，卡斯特勒提出用“抽运”方法实现粒子数反转的设想;1951年，珀塞尔和庞德在美国哈佛大学研究核磁共振时，第一次在实验上用核磁共振实现负温度状态.同年，物理学家汤斯首次提到实现微波受激放大的可能性，他设想用分子而不是用自由电子来实现微波放大，如果使处在微波激发态的氨分子数大于处在低能态的氨分子数，则受激发射就会占优势，于是能观察到微波发射谱，并可能放大.1954年，汤斯等人成功地制成了氨分子激射器，共振频率为23.87GHz(波长1.25cm)，功率为10-8W，这是实验室内最早观察到的微波分子发射谱，氨激射器是世界上第一台“辐射的受激发射微波放大”的装置，简称“脉塞”(Maser).

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