无尽的能源

　　猛犸/文

　　1952年11月1日，太平洋，马绍尔群岛，艾尼维塔克珊瑚礁。人类历史上威力最大的一颗炸弹在这里爆炸，将一个珊瑚礁岛从地图上永远地抹去了。那颗炸弹重达70吨，但是却放出了相当于1040万吨TNT炸药爆炸的能量，是二战中投到长崎那颗原子弹的450倍。

　　这就是氢弹。历史上第一次，人类在地球上制造出了太阳。

　　在五十四年之后的2006年，七个国家和地区联合起来，试图将氢弹的威力缓缓释放，并且用它给世界带来无尽的能源。这个历史上耗资最大的科研项目之一，现在正在法国一处风景优美的景区建设当中。它在未来十年内将开始一系列实验，并且很可能会在2050年之前，供给我们近乎无限、成本接近于零的电能。

　　科幻般的核聚变发电，离我们已经不再遥远。

　　让我们将时间拉回到上个世纪的这个时间。当时，英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）刚刚获得了诺贝尔化学奖。没错，是化学奖，因为他证明了放射性是原子自然衰变的结果。没有获得诺贝尔物理学奖让卢瑟福不太满意，他依然继续自己的研究，其中一项就是那个后来被称为“物理最美实验之一”的α粒子散射实验。在曼彻斯特大学进行的这个实验使用放射性元素射出的α粒子也就是氦原子核去轰击一片金箔，然后根据α粒子打在荧光屏上的位置来判断它们的路径。卢瑟福和他的研究团队发现，绝大部分α粒子并没有改变路径，像一枚炮弹打穿纸片般直直向前撞击在荧光屏上发光；少数α粒子出现了一定程度的偏转，但是还有极少量的α粒子偏转角度极大，甚至掉头而去。这一现象让卢瑟福开始思考，他认为原子中应该会有一个很小的核，但是占了原子绝大部分的质量。

　　这种设想和传统认为的原子结构并不相同。当时，人们对于原子的结构有两种主要猜想：一种是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊提出的模型，认为原子是一个半径约0.1纳米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则像葡萄干镶嵌在面包上一样，稀疏地嵌在球体中；另一种是日本物理学家长冈半太郎提出的模型，他认为带负电的电子不能与正电荷混合起来，因此在他的模型中，电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，像是土星的模样。

　　1912年，卢瑟福发表了他的成果，以α粒子散射实验的结果来辅以证明。他认为，原子核居于原子中央，直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。也就是说，如果说原子的直径有一个足球场那么大，原子核的大小大约只相当于球场中央的一粒玻璃跳棋，而它却占据了原子绝大部分的质量。这是我们目前依然使用的原子模型，虽然后来又有了一些变化，但原子核依然是紧密的那一个小点。

　　在卢瑟福的时代，人们只知道重原子会因为不稳定而裂变，却不知道并非最稳定的元素具有最轻的原子。核聚变的理论基础，由1922年诺贝尔化学奖获得者、同是英国人的物理学家兼化学家弗朗西斯·威廉·阿斯顿发现。1925年，借助自己发明的质谱仪，阿斯顿发现，在任何原子中原子核的质量都比组成该原子核的所有质子和中子的质量总和要少一点，这种现象叫做“质量亏损”——因为质子和中子在结合成原子核时，部分质量转变成了结合能。铁这样的中等质量原子核核子的平均结合能较大，它们比较稳定；而重元素原子核的平均结合能较小。根据爱因斯坦那个著名的质能方程，重原子核在分裂成中等质量的原子核时，将会有一部分结合能释放出来，这就是核裂变；而氢这样的轻原子，其核子结合能甚至比一些重元素更大，某些轻核结合成质量较大的原子核时将能放出更多的结合能，这就是核聚变。

　　但是，要让轻原子核相互结合，并不容易。所有的原子核都带正电，彼此之间受到被叫做“库仑力”的静电力作用。库仑力让原子核相互排斥，而且原子核之间的距离越近，斥力越强。就像是将两块磁铁的同一极相对一样，彼此之间的斥力让原子核在日常环境下没有办法结合在一起。过去，只有像太阳那样的恒星才能提供足够的压力和温度，将轻原子核压到相当靠近的程度。

　　有趣的是，质子同样带正电荷，但是多颗质子却可以在一个原子核中共存，似乎不会受到库仑力的影响。之所以出现这种情况，是因为在原子核中，还存在一种更强的、被称为“核力”的引力作用。核力能够发挥的距离有限，仅仅在原子核这样的微小尺度上才会表现出来。

　　当原子核之间距离压缩到某一程度时，库仑力所带来的斥力将会突然败给核力的引力，两颗离得很近的原子核突然合体，华丽变身为一种新的元素，同时放出大量的能量和核子。

　　我们要利用的，就是这些能量。

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