十九世纪末，电子、x射线和放射性这三大发现，打破了原子不可分、原子是物质始原的传统观念，引导人们向原子内部的微观世界进军，从而开创了原子物理学。1911年，英国学者卢瑟福(1871—1937年)最先深入到原子世界的中心，提出了有核的原子模型。1913年，丹麦青年学者玻尔(1885—1962年)提出了原子结构理论，从而引导人们进一步探索原子核内部的奥秘。这时，爱因斯坦(1879—1955年)相对论的提出和二十年代量子力学的确立，为揭示原子内部的运动规律提供了强大的理论武器。爱因斯坦根据狭义相对论推论出了能量和质量关系的转换公式，即能量等于质量乘以光速平方(E=mc2)，从而预见到原子核的裂变将释放出比普通化学大百万倍的原子能。所以，进入三十年代后，摆在物理学家面前的迫切任务就是寻找开发和利用原子能的途径。

1930年，德国物理学家玻特(1891—1957年)重复卢瑟福的散射实验，用天然放射性元素放出的快速粒子流α射线去轰击较轻的原子核铍，产生了一种穿透力很强的射线。1932年2月，卢瑟福的学生查德威克(1891—1974年)论证了这种射线是中子流。中子的发现标志着人类对原子核结构的认识又深入了一个层次。同年，德国和苏联的物理学家都提出了原子核是由质子和中子构成的理论，并用此理论解释元素周期律，指出元素的原子系数等于原子数(Z)，原子质量则等于质子数与中子数的和(Z+N)。这些发现大大加速了核物理学研究的进程。

当时在德国国家科学研究中心工作的居里夫人的女婿约里奥·居里(1900—1958年)和女儿伊雷娜·居里(1897—1956年)也在积极从事放射性研究。1931年，他们在实验中就已发现了中性辐射，但没有及时总结，结果，由英国的查德威克完成了“中子论”的发明。两年后，他们又有新的创造，发现了人工放射性。他们在实验中用天然放射性元素发出的α射线轰击轻元素铝，使铝的原子序数变化成为新的放射性元素磷-30，这是自然界普通磷-31的同位素。这表明用人工方法可以产生放射性元素了。于是，一系列放射性同位素相继问世，从而大大推动了理、工、农、医各门学科的发展，更重要的是为核物理学的研究开辟了新路。从此，科学家们不必只靠少数几种天然放射性的物质进行研究了。

与此同时，科学家们还努力改进轰击技术和人工核反应的设备。1930年，美国物理学家劳伦斯(1901—1958年)设计出了回旋加速器模型，这是一种通过永久磁铁中的交变电场将原子粒子加速到极高速和极高能级的装置。1933年，他用八十吨磁铁建成了第一个大型回旋加速器。此后，静电加速器、直线加速器、同步加速器等的相继问世和使用，大大丰富了人们关于核反应的知识。

1934年，意大利物理学家恩里科·费米(1901—1954年)通过另一途径对原子核进行轰击的技术，他用中子依次轰击元素周期表中的每一个原子核，发现用被慢化了的中子进行射击所产生的人工放射性效能更强，他称此为慢中子效应。他还第一次使重元素铀发生嬗变而成为原子序数更大的超铀元素。费米因此而获得诺贝尔奖金。但在法西斯猖獗的意大利，他却因妻子是犹太人而倍受迫害，不得不举家逃往美国。这时在柏林威廉皇家化学研究所工作的德国化学家哈恩(1879——1968年)和奥地利物理学家梅特内(1878——1968年)以及后来加入的德国物理学家斯特拉斯曼(1902—— 年)为了弄清楚超铀元素的性质，继续进行费米的实验，经过六年的努力，于1938年12月21日公布了实验结果，证明了所谓超铀元素实际上是钡、镧、铈等，其原子量仅为铀的一半，当时，梅特内因是犹太人而正在瑞典避难，他得知实验结果后，立即得出结论，提出“核裂变”的概念，认为钡和其他元素都是铀核裂变的产物，并指出核裂变反应将产生巨大的能量。

1939年1月6日，玻尔赴美出席物理学家会议，将梅特内等人对核裂变的发现告诉了与会的科学家，引起了很大的震动，美英法等国的科学家们立即进行了证实性实验，仅一个多月就提出几十篇报告，费米等人进而论证了核裂变的链式反应。认为铀核裂变时要产生两三个新中子，这些中子又可以引起其他铀原子核裂变。核裂变的时间不到一亿分之一秒。一个铀-235原子(铀的同位素)裂变时要放出约二亿电子伏特的能量。这些认识表明，人类已经打开了原子核的大门，下一步就是如何实现人工利用原子能的问题了。

科学家们担心法西斯德国有可能先制造出原子弹，于是，1939年8月2日爱因斯坦在一些流亡到美国的科学家的支持下，写信给罗斯福总统，建议采取必要的行动。1941年12月6日，美国政府通过了研制原子弹的“曼哈顿工程”计划，费米受命领导研制原子反应堆，他们以石墨砖为主要材料，在芝加哥大学网球场西看台下进行堆建，这是一种用天然铀作燃料、可以人工控制的核裂变链式反应装置，1942年12月2日试行运转，获得成功。这是人类第一次有控制地从原子核内部释放能量，它的成功开辟了人类能源利用的新天地。

在美国总统的直接关注下，“曼哈顿工程“把科学、工业、军事三方面组织在一起，杜邦、梅隆、洛克菲勒财团都承担了任务，尤其是杜邦公司建造了大型反应堆和分离钚的工厂。许多院校，如哥伦比亚大学、芝加哥大学、加利福尼亚大学都参加了研制工作。整个工程动员了空前规模的人力、物力和财力，政府和私人公司前后投资20多亿美元，调动15万科技人员，动员了50多万人投入这项工程，耗费了全国电力生产的三分之一。仅田纳西橡树岭一座生产浓缩铀的工厂，其耗电量就几乎等于全纽约市的耗电量。整个工程还集中了理论物理、实验技术、数学、辐射化学、冶金、爆炸工程、精密测量等各方面的专家，进行大规律的有组织的协同工作。1943年，在奥本海默(1904—1967年)领导下，在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯建立了原子弹研制中心。1945年7月16日，第一颗原子弹试验成功，其当量大于两万吨TNT炸药。不过，原子能的和平利用直到战后五十年代才开始。

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