這幾天我們談?wù)摰暮芏嘟?jīng)典公式、論戰(zhàn)、實(shí)驗(yàn)都離不開(kāi)愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦的確是科學(xué)史上最最偉大的科學(xué)家之一。而提到愛(ài)因斯坦，則不能忽略他的質(zhì)能公式，這個(gè)被譽(yù)為世界十大經(jīng)典公式之一的質(zhì)能公式，很多人說(shuō)它的副產(chǎn)品就是原子彈。那么沒(méi)有質(zhì)能公式，就造不出原子彈嗎？
其實(shí)質(zhì)能公式是無(wú)法造出原子彈的，質(zhì)能公式只是給原子彈制造提供了一個(gè)理論依據(jù)。接下來(lái)我們來(lái)聊聊原子彈的發(fā)展史。
首先，第一個(gè)不能忽略的人是約瑟夫·約翰·湯姆遜，他說(shuō)第三任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室可以說(shuō)是科學(xué)家的天堂，從1904年至1989年的85年間一共產(chǎn)生了29位諾貝爾獎(jiǎng)得主，其科研效率之驚人，成果之豐碩，舉世無(wú)雙。在鼎盛時(shí)期甚至獲譽(yù)“全世界二分之一的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)都來(lái)自卡文迪許實(shí)驗(yàn)室?！薄?/p>
而湯姆遜最大的貢獻(xiàn)就是在1897年發(fā)現(xiàn)了電子，電子的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門，而電子的發(fā)現(xiàn)也證明了原子并非不可分割，電子的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它說(shuō)明原子并非“不可分割”，原子必然存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，人們必將沖破千百年來(lái)認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小單元的陳舊觀念，而去了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)更深的層次。
可以說(shuō)正是湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子將經(jīng)典物理學(xué)引向了新物理學(xué)，從而讓科學(xué)家們開(kāi)始從宏觀世界開(kāi)始轉(zhuǎn)向探索微觀世界。
在此之后，原子核物理學(xué)之父，繼法拉第之后最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家（注意愛(ài)因斯坦是理論物理學(xué)家）盧瑟福在1910年進(jìn)行了震驚世界的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，他通過(guò)α粒子為物質(zhì)所散射的研究，無(wú)可辯駁的論證了原子的核模型，因而一舉把原子結(jié)構(gòu)的研究引上了正確的軌道，他在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了原子并非不可變，放射性是發(fā)自原子內(nèi)部的變化。放射性能使一種原子改變成另一種原子，而這是一般物理和化學(xué)變化所達(dá)不到的。
盧瑟福的這一個(gè)發(fā)現(xiàn)為原子物理學(xué)的創(chuàng)立做了開(kāi)創(chuàng)性的工作，也讓原子能的研究開(kāi)始提上了議程。
而盧瑟福的學(xué)生查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，成為了原子能研究的起點(diǎn)，后來(lái)，意大利物理學(xué)家費(fèi)米用中子作“炮彈”轟擊鈾原子核，發(fā)現(xiàn)了核裂變和裂變中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，開(kāi)創(chuàng)了人類利用原子能的新時(shí)代。
1938年，德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W托哈恩以及斯特拉斯曼在通過(guò)中子撞擊鈾原子核實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)鈾原子核竟然能分裂成兩個(gè)其它元素原子核，這也是人類首次確認(rèn)原子核可以分裂。1939年初，德國(guó)化學(xué)家O.哈恩和物理化學(xué)家F.斯特拉斯曼發(fā)表了鈾原子核裂變現(xiàn)象的論文。幾個(gè)星期內(nèi),許多國(guó)家的科學(xué)家驗(yàn)證了這一發(fā)現(xiàn),并進(jìn)一步提出有可能創(chuàng)造這種裂變反應(yīng)自持進(jìn)行的條件。從而讓科學(xué)家們意識(shí)到造出原子彈的可行性。
哈恩
也就在這個(gè)時(shí)候，物理學(xué)家N.H.D.玻爾和他的合作者J.A.惠勒從理論上闡述了核裂變反應(yīng)過(guò)程，并指出能引起這一反應(yīng)的最好元素是同位素鈾235?？梢哉f(shuō)玻爾與惠勒的的研究成果直接為原子彈的制造提供了夯實(shí)的基礎(chǔ)。
愛(ài)因斯坦 湯川秀樹(shù) 惠勒
在玻爾與惠勒合作開(kāi)發(fā)的液滴模型中，原子核包括了中子和質(zhì)子，呈液滴狀。當(dāng)另一個(gè)蛻變核中的中子發(fā)射出來(lái)?yè)糁羞@個(gè)“液滴”，它就會(huì)開(kāi)始劇烈振動(dòng)，并逐漸拉升成花生狀，最終一分為二。是不是有點(diǎn)像原子彈爆炸時(shí)的情景～
這個(gè)時(shí)候，我們就要聊到了質(zhì)能方程在其中起到了什么作用呢？
質(zhì)能公式是1905年愛(ài)因斯坦提出的一個(gè)質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程，是在狹義相對(duì)論中提出。其中，E是能量，單位是焦耳（J）。M是質(zhì)量，單位是千克（Kg）。C是真空中光速(m/s)，c=299792458m/s
根據(jù)狹義相對(duì)論,質(zhì)量隨速度增加而增加,我們知道動(dòng)能也隨速度增加而增加,那么質(zhì)量不也正是隨動(dòng)能增加而增加么?為了滿足狹義相對(duì)論的兩條原理（相對(duì)性原理和光速不變?cè)恚?可以推算出所增加的質(zhì)量乘以光速的平方正好等于物體的動(dòng)能,即ΔE＝Δm*c^2.進(jìn)而把結(jié)論推廣為E＝m*c^2.通過(guò)質(zhì)能方程可以計(jì)算正物質(zhì)與反物質(zhì)的湮滅能量，比如一個(gè)正電子質(zhì)量m,反電子質(zhì)量必然也為m，正反電子相遇后湮滅,產(chǎn)生的能量為2m*c^2,即2m的質(zhì)量全部轉(zhuǎn)化為了能量。
可以說(shuō)，愛(ài)因斯坦提出質(zhì)能方程其實(shí)和原子能并沒(méi)有什么關(guān)系，他提出質(zhì)能方程是為了建立物理學(xué)中關(guān)于質(zhì)量和能量聯(lián)系，好解釋他的狹義相對(duì)論，因?yàn)樵诮?jīng)典物理學(xué)里，質(zhì)量和能量是兩個(gè)不搭邊的概念，也沒(méi)有公式能夠?qū)⑺鼈兟?lián)系起來(lái)。
等到發(fā)現(xiàn)鈾原子核裂變，已經(jīng)是34年之后的事情了。其實(shí)質(zhì)能方程只是為原子彈的制造提供了一個(gè)理論支持。因?yàn)橘|(zhì)能方程只是一個(gè)描述性的公式，來(lái)解釋核反應(yīng)中巨額能量和質(zhì)量虧損的由來(lái)，尤其是哈恩發(fā)表了鈾原子核裂變現(xiàn)象的論文，更加證實(shí)了愛(ài)因斯坦公式的正確性。
也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程為原子彈制造的可能性提供了一個(gè)理論基礎(chǔ)，質(zhì)能方程可以反映核裂變或聚變反應(yīng)中原子核內(nèi)部發(fā)生質(zhì)量虧損產(chǎn)轉(zhuǎn)變的核能。也就是說(shuō)通過(guò)核裂變或者核聚變可以產(chǎn)生如此大的威力。
就像我們說(shuō)的，核裂變的發(fā)現(xiàn)其實(shí)不關(guān)質(zhì)能方程的事，雖然沒(méi)有合適的理論解釋也沒(méi)用合適的理論指導(dǎo)，但是哈恩在用慢中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)中還是發(fā)現(xiàn)了原子核的裂變現(xiàn)象，并放出新的中子。
但是后來(lái)科學(xué)家從愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程中找到了理論依據(jù)，就是為什么原子彈會(huì)有這么大的威力，從而推動(dòng)了原子彈研究的進(jìn)程。
因?yàn)橘|(zhì)能方程涉及到了質(zhì)量虧損，根據(jù)質(zhì)能方程的涵義，反應(yīng)后粒子的靜質(zhì)量要減少，即反應(yīng)后質(zhì)量要有所虧損，而質(zhì)量虧損就意味著能量的虧損，虧損的能量就是原子能。所以科學(xué)家就根據(jù)質(zhì)能方程來(lái)計(jì)算原子彈究竟會(huì)具有多大的威力，那么這樣也好打動(dòng)政府抓緊研制原子彈。比如已知已知鈾核、鋇和氪和中子的質(zhì)量分別是235.0439u，140.9139u，91.8973u和1.0087u。核反應(yīng)方程為：92235U 01n→56141Ba 3692Kr 301n由質(zhì)能方程得放出的能量為92235U 01n→56141Ba 3692Kr 301n，釋放的核能為：3.2×10-11J．
大家可以估一下這威力是多少！費(fèi)曼就曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：在原子彈爆炸中，如果其能量相當(dāng)于2萬(wàn)噸tnt炸藥，就可以找到爆炸后的塵埃比反應(yīng)材料輕1g。
所以質(zhì)能方程只是解釋了原子彈為什么會(huì)有這么大的威力，并不能造原子彈！
事實(shí)上，即使沒(méi)有質(zhì)能方程，在哈恩發(fā)現(xiàn)了核裂變以后，大家已經(jīng)知道了核裂變的威力，雖然沒(méi)有理論依據(jù)，依然可以制造原子彈。
原子彈的理論、方法、材料、技術(shù)工藝這些，其實(shí)和質(zhì)能方程并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，愛(ài)因斯坦曾致信羅斯福總統(tǒng)加快核武器的研制也起到了推動(dòng)作用！
愛(ài)因斯坦的致信
原子彈的制造是由奧本海默來(lái)負(fù)責(zé)的。（但是我不能確定在制造過(guò)程中有沒(méi)有使用質(zhì)能方程來(lái)控制好原子彈變量，比如我們?cè)斓暮四芡σ_(dá)到多少，那么通過(guò)質(zhì)能方程計(jì)算，其中鈾核、鋇和氪和中子的質(zhì)量就可以得出）
奧本海默是一個(gè)恃才傲物的人，當(dāng)初想進(jìn)卡文迪許，結(jié)果被盧瑟福拒絕，但是被湯姆遜給留了下來(lái)，但是因?yàn)楹蛯?dǎo)師不和，居然想要毒殺導(dǎo)師，幸虧被導(dǎo)師發(fā)現(xiàn)了。他曾經(jīng)很多次在別人發(fā)表演講時(shí)打斷他的演講，上臺(tái)拿起粉筆，去指出他們的缺陷，連他的老師都不能避免。
后來(lái)，他來(lái)到美國(guó)，當(dāng)時(shí)英國(guó)、德國(guó)、蘇聯(lián)都在研制原子彈，奧本海默提出集合一流科學(xué)家來(lái)研發(fā)原子彈，這就是著名的“曼哈頓”計(jì)劃?？梢哉f(shuō)有史以來(lái)從來(lái)沒(méi)有哪一個(gè)項(xiàng)目研究匯聚來(lái)這么多頂尖的超一流科學(xué)家，包括“氫彈之父”愛(ài)德華·泰勒、著名的科學(xué)家費(fèi)米、費(fèi)曼、計(jì)算機(jī)支付馮·諾依曼還有中子的發(fā)現(xiàn)者查德威克、物理皇后吳健雄等。這些都是在物理史上都無(wú)法或缺的具有重要地位的科學(xué)家。可以說(shuō)原子彈的誕生是集合了全世界最超一流科學(xué)家的智慧所誕生的成果，曼哈頓計(jì)劃總共有超過(guò)4000名科學(xué)家參與。所以你明白為什么是美國(guó)最先研制出原子彈了吧！
但是奧本海默的后半生是凄涼的，他看到了廣島原子彈爆炸的威力，想要反對(duì)氫彈的研發(fā)、通過(guò)聯(lián)合國(guó)實(shí)現(xiàn)原子能的和平研發(fā)，結(jié)果被美國(guó)誣陷，被指控為與共產(chǎn)黨人合作，包庇蘇聯(lián)間諜，反對(duì)制造氫彈等。
奧本海默與愛(ài)因斯坦
所以，看完了原子彈誕生的這一系列過(guò)程，你會(huì)發(fā)現(xiàn)原子彈的誕生其實(shí)是一個(gè)水到渠成的事情，從湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子引領(lǐng)大家了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)更深的層次開(kāi)始，其實(shí)原子彈就已經(jīng)在襁褓里，慢慢發(fā)育了。
質(zhì)能方程只是給原子彈提供了一個(gè)理論依據(jù)，告訴大家原子彈為什么威力會(huì)這么大。它并不是制造原子彈的理論基礎(chǔ)，也沒(méi)用給原子彈的研發(fā)提供任何直接的理論指導(dǎo)。
但是我們并不能否定質(zhì)能方程的偉大，質(zhì)能方程準(zhǔn)確地描述質(zhì)量和能量的關(guān)系，這為波動(dòng)力學(xué)和德布羅意波的誕生奠定了基礎(chǔ)。揭示了靜止的物體也具有能量，意味著，宇宙中任何兩個(gè)物體間都能夠依靠能量聯(lián)系在一起。其次就是證明了質(zhì)量能夠單純地轉(zhuǎn)化為能量，這也是原子彈為什么會(huì)具有如此大威力的理論依據(jù)，最后就是能量能夠產(chǎn)生質(zhì)量，這似乎為宇宙的誕生提供了理論依據(jù)。
科學(xué)是在無(wú)盡的探索中發(fā)現(xiàn)宇宙的未知奧秘，從而促進(jìn)人類與社會(huì)的不斷發(fā)展，在這個(gè)過(guò)程中，可能當(dāng)下的一個(gè)小小的發(fā)現(xiàn)，卻會(huì)推動(dòng)幾十年后的一場(chǎng)科技大革命。這就是科學(xué)研究的魅力，在先人一點(diǎn)點(diǎn)挖掘下的泥土上，壘砌了一座高山。
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