1．化学元素中的“天王星”
德国南部出产一种矿物，从十八世纪上半叶起，就有许多矿物学家试图对它进行分类，但意见很不一致。有的认为它是锌矿，有的则把它归入铁矿。1781年发现了新元素钨以后，还有人认为这种矿物中含有钨。
1789年，德国化学家克拉普罗特对这种矿物进行了全分析。他用硝酸处理这种矿物，得到一种黄色溶液，向这种溶液中加入“钾碱”进行中和时，便析出一种黄色沉淀。沉淀物的性质与所有已知元素相应化合物的性质很不一样，所以克拉普罗特认为它是一种新元素的“氧化物”。
于是，克拉普罗特将这种“氧化物”与碳放在一起，加热到很高温度，企图把这种“氧化物”还原成金属。他确实得到了一种金属态的黑色物质，这种黑色物质的化学性质与所有已知元素的化学性质不同，因此克拉普罗特认为自己发现了一种新的元素。
1789年9月4日，克拉普罗特报告了自己的发现，题目是“乌拉尼特(Uranit)——一种新的半金属”。他之所以将“新元素”命名为“乌拉尼特”，是为了纪念八年前新行星——天王星(Uranus)的发现。
次年，克拉普罗特将“新元素”改称为铀(Uranium)，他说：“我根据类推法将该新金属的名称由乌拉尼特改为铀”，于是铀的历史就这样开始了。
这种“新元素”的发现确实引起了许多化学家的兴趣，不少人对它进行了研究。但实际上，“新元素”不是元素而是化合物。在长达半个世纪的时间内，竟没有人认识到这一点。克拉普罗特本人一直到死，仍然深信自己发现并分离出了铀元素。
曾有少数人对克拉普罗特的结论表示过怀疑，认为“乌拉尼特”可能是一种化合物。例如瑞典著名化学家贝采利乌斯，就曾试图用纯钾来还原“乌拉尼特”，但末成功；同一时期，阿弗维特逊也曾用氢来还原“乌拉尼特”以及铀和钾的一种二元氯化物，但得到的最终产品依然是“乌拉尼特”。
直到1841年，法国化学家佩里戈特才揭开了“乌拉尼特”的秘密，证实“乌拉尼特”确是铀的化合物而不是元素铀。
佩里戈特将“乌拉尼特”同碳一起加热，并通入氯气，从而得到一种升华出来的氯化铀结晶体。奇怪的是，生成氯化铀所消耗的“乌拉尼特”和氯气的总量竟是化学计算量的110％，而且在气态产物中还含有二氧化碳。这说明，“乌拉尼特”原来是一种金属氧化物。
证实这一结论的实验有很多，例如使四氯化铀水解，得到的产物是“乌拉尼特”和氯化氢，这表示“乌拉尼特”是化合物而不是元素。
为了得到元素铀，佩里戈特采用的也是钾还原法。但他是还原四氯化铀，而不象贝采利乌斯那样还原“乌拉尼特”。
佩里戈特将四氯化铀同钾放一起，放在白金坩锅中加热。因为需要将反应物加热到白热状态，所以这是一个有危险的实验。为了谨慎起见，他把一只小白金坩锅放在一只大白金坩锅里，当小坩锅中的物质开始反应的时候，便立刻把火源熄灭，以免金属钾从白金坩锅中飞溅出来，发生事故。等到激烈的反应变得和缓了，再对白金坩锅加强热，以除去其中所剩余的钾，并使已被还原出来的铀聚结。待到冷却后，用水将其中所含的氯化钾溶解而除去。结果，在留下的黑色残渣中找到了银白色的金属铀颗粒。
至此，一种新的化学元素铀——化学元素中的“天王星”，经过半个多世纪的孕育，才真正诞生了。
1789年克拉普罗特发现含铀化合物“乌拉尼特”的时候，已知的化学元素还只有25种；但是到1841年佩里戈特制得真正的元素铀的时候，已知元素的数目已经增加到55种。这么多的元素，重量有轻有重，性质千差万别，真好似一团乱麻。但是化学家深信物质世界是秩序井然的，因此他们一直试图透过表面的混乱现象，从元素的特性中找出某种内在的规律性来。
1869年，已知化学元素的数目已经增加到62种，俄国化学家门捷列夫终于在前人工作的基础上，把当时象一团乱麻似的杂乱无章的元素理出了一个头绪。他发现，随着元素原子量的增加，元素的性质呈现出明显的周期性变化，这就是著名的元素周期律。两年后门捷列夫加以充实改进的周期表，已经达到了成熟的程度，与现代的周期表已相差无几了。
在编制周期表时，门捷列夫认为元素的性质比它的原子量更为重要，因此当某一元素的性质与它的根据原子量排列的顺序有冲突时时，他便不顾当时公认的原子量，大胆地把它的位置调换一下。例如碲和碘的原子量，当时测定的值分别是128和127，如果按原子量排列，碲应该排在碘的后面。但是门捷列夫把碲提到碘的前面，以便使它位于性质与它非常相似的硒的下面，并使碘位于性质与碘非常相似的溴的下面。
门捷列夫坚信自己已发现了一条最基本的自然规律。因此，为了使排列不违背既定的原则而又没有别的解决办法时，门捷列夫就毫不犹豫地在周期表中留出一些空位。门捷列夫指出，这些空位的元素将来一定会被发现，并预言了这些元素的性质。在轻元素中，他断定将来一定会发现原子量大约等于44、68和72的三种元素：类硼、类铝和类硅。
科学理论对实践有着巨大的推动作用。在随后的十五年中，在门捷列夫还活着的时候，这三个未知的元素——钪、嫁和锗就相继被发现了，它们的性质几乎与门捷列夫预言的完全一样，元素周期律取得了决定性的胜利。
门捷列夫在制订周期表时，还根据元素的性质，并考虑到周期表中的可能位置，校正了一些元素的原子量，其中就包括铀。
铀的原子量，佩里戈特等测得的数值是120。按照这一当时公认的数值，铀应该排在锡(原子量为118)和锑(原子量为122)之间。但是周期表中锡和梯是连续排列的，中间并没有空位，而且按照铀的性质，它也不应该排在这个位置上。
门捷列夫相当准确地将铀的原子量加大了一倍，即加大了为240，这样就使铀排在了比较正确的位置，同时也使铀成了最重的元素。
虽然后来随着新元素的不断发现，一直到锕系理论确立之后，铀才排到了更为合适的位置—锕系元素的第三个成员，但在当时，门捷列夫校正了铀的原子量，确立了铀的最重元素的地位，无疑是一个杰出的成就。
1886年，齐默尔曼测得铀的原子量约为240，从而证实了门捷列夫从理论上对铀原子量所作修改的正确性。
各种元素在周期表中按原子量依次排列，每种元素编有一个序号，称为原子序数。铀排在第92号位置，因此是第92号元素。1913年，莫斯莱应用X射线测定了原子核所带的正电荷的数目，进一步发展了元素周期律。这一工作指明了周期律的真正基础不是原子量，而是原子的核电荷数或核外电子数。同时证实了，原子的核电荷数或核外电子数在数值上正好等于原子序数，从而最终确定了铀是92号元素，并且是当时已知的最重的元素。
铀作为最重的元素，其地位是很特殊的。人们往往习惯于一般而敏感于特殊。早在1871年，门捷列夫就在一篇关于铀的文章中写道：“在所有已知的化学元素中，铀的原子量最大，……我深信，研究铀，从它的天然来源开始，一定会导致许多新的发现。我大胆地建议寻求新的研究课题的人，特别认真地去研究新的铀化合物。”
虽然，铀作为最重的天然元素的意义只有在人们深入到物质的更深层次时，即从分子、原子深入到原子核的时候才能显示出来。这是门捷列夫处在他那个时代时所无法预见的，但是门捷列夫还是首先注意到铀作为最重元素的特殊性，这无疑是有一定先见之明的。
2．原子能世纪的曙光
1895年，德国物理学家伦琴在研究克鲁克斯管中产生的放电现象时，发现了一种奇妙的射线。这种射线肉眼看不见，但能使照相底片感光，使荧光物质发出荧光，并能象普通光线透过玻璃那样透过黑纸、衣服、甚至金属薄片。伦琴为了强调他自己还不能确定这种奇妙射线的真正本质，就把这种射线叫做X射线。
X射线的发现轰动了当时整个科学界，许多科学家立刻着手对这种射线进行详细的研究，科学杂志上出现了许许多多关于X射线的文章。在匆忙和激动之下，有些研究者竟以为他们自己也发现了其它的新射线，什么“Z射线”、“黑光”之类的报告竞相发表。X射线的狂热，笼罩着整个欧美大陆的所有科学实验室，人们到处都在议论奇妙射线的神秘性质。
X射线的热潮把法国的一位物理学家兼数学家波因凯也卷了进去。当波因凯得到一本载有伦琴叙述关于X射线发现过程的杂志时，他为其中的一个细节感到十分惊讶。伦琴指出：在克鲁克斯管中，X射线正是发生在受到电微粒流冲击的地方，那里发出的荧光也特别强烈。
于是，波因凯推想，既然X射线发生在发出强烈荧光的地方，那么所有发出强烈荧光的物质或许都能发射这种奇妙的射线，而不单单是通电的克鲁克斯管才能发出吧！
另一位法国学者亨利照着波因凯的想法做了实验，实验竟获得了“成功”。1896年2月10日，他在法国科学院宣读了一篇论文，声称荧光材料硫化锌能产生X射线，并使照相底片感光。一星期后，又有人报告说，荧光材料硫化钙被太阳光照射时，也能产生一些穿透性射线，透过黑纸而使照相底片感光。但这些结果实际都是错误的，未能经得起验证。
这时，专门研究荧光现象的法国物理学家贝克勒耳也着手探索荧光物质能否发射X射线的问题。他试验了许多荧光物质，得到的结果都是否定的。但是贝克勒耳是幸运的，当他用自己十五年前制备的硫酸铀酰钾晶体进行试验时，终于得到了肯定的结果。
2月24日他报告说：“在太阳光直接照射下，薄层硫酸铀酰钾晶体在几小时的过程中，放出一种穿透性射线，它透过黑纸而使照相底片感光。若在铀化合物和黑纸包着的照相底片之间放一块金属薄片，则这一部分不能感光而在底片上留下了金属片的像。”
贝克勒耳还发现，散射的太阳光也能使硫酸铀酰钾晶体产生荧光，对照相底片也能产生同样的效果。因此，最初贝克勒耳毫不怀疑自己发现的这种穿透性射线就是X射线，而荧光正是产生X射线的原因。但是，他很快发现自己错了。
2月26日贝克勒耳做实验时，碰巧遇到阴天，铀盐晶体几乎完全没有发出荧光来。他以为这次实验不顺利，便把照相底片和铀盐晶体一起放进了柜子。
四天以后，在做新的实验前，贝克勒耳对这块照相底片是否还能使用没有把握，因此就把它冲洗出来。结果使他大为惊讶，照相底片上竟出现了铀盐晶体的黑影，而且感光度很大。
在黑暗的柜子里，铀盐晶体并没有发出荧光，哪儿来的穿透性射线呢？逻辑的推论必然是：即使没有荧光，也有一种东西在对照相底片发生作用。
进一步的研究表明，这种穿透性射线的产生确实与荧光毫无关系。早已知道，铀化合物并不是都能产生荧光的。但是，那些不产生荧光的铀化合物却同样地具有使照相底片感光的本领。将铀化合物长期地保存在黑暗处，它的穿透性射线的强度不会发生丝毫的改变。铀盐的溶液以及在未曝光的条件下从铀盐溶液中析出的晶体，也能放出这种射线。这表明，穿透性射线不可能是由于可见光照射晶体以后，晶体把吸收的能量缓慢地放出来的结果。
实验终于确定了放射出穿透性射线是铀元素所固有的特性，这种射线被称为铀射线或贝克勒耳射线。
贝克勒耳发现的铀射线与伦琴发现的X射线有些相仿，它们都能穿过黑纸或不太厚的金属片，对照相底片发生作用。但是两者之间又有着很大的区别，X射线是在极稀薄的气体中放电时产生的，气体的压强大约是一个大气压的百万分之一；在放电的两个电极间需要加上极高的电压，它比我们日常生活中使用的220伏电压高数百倍。在这样的条件下，X射线的产生与放电管中所充气体的性质和电极物质的性质均无关。而铀射线则不需要加任何电压，也用不着什么稀薄气体。X射线只是在放电时才产生，而铀射线却时时刻刻都在放射。
铀射线时时刻刻都在自发地放射着！它给人们带来了原子核内部的第一个信息，它是原子能世纪的第一缕曙光。铀在它被发现后沉睡了一百多年，终于被贝克勒耳唤醒，这个最重的天然元素，开始在科学史上放射出奇光异彩。
贝克勒耳发现铀射线以后，很自然使人们联想到：是否还有别的元素也象铀一样能放出这种看不见的射线呢？于是对所有元素进行普查便成了必然的趋势。
当时，原籍波兰的法国女科学家玛丽·居里大学刚毕业，对贝克勒耳发现的现象特别感兴趣，于是就决定把它作为自己的第一个研究课题。
要对看不见的射线进行研究，就要有一种探测射线的仪器。当时一般都是使用照相底片进行探测的，但这种方法很麻烦，而且灵敏度也不高。于是玛丽·居里的丈夫皮埃尔·居里设计了一种灵巧的射线探测仪，这种仪器实际上是一种验电器。测量时，只要把待测样品放在验电器的平行金属板电容器之间，然后观察验电器的指针是否摆动，便可知道样品中是否含有放出看不见的射线的物质。
居里夫人有了这种灵巧的仪器，就可以方便地进行研究工作了。她小心翼翼地测量着她所能得到的每一种化学物质，其中有纯净的盐类，有比黄金还贵重的稀有化合物，有矿物博物馆赠送给她的珍贵的矿物标本。
很长时间内，居里夫人的研究工作没有什么进展。虽然她在金属板间换放了数百种不同的物质，但是验电器的指针依然纹丝不动。不过，天下无难事，只怕有心人，当她对含钍化合物进行测量时，验电器的指针终于动了。钍也能放射看不见的射线！不难想象，此时此刻的居里夫人，心情该是多么激动！
初次大捷给年青的居里夫人以极大的鼓舞。在她继续进行探索工作的时候，又遇到了一件更为惊人的事实：她发现提炼铀的矿石—沥青铀矿放出的射线强度竟比金属铀还强！这一异常现象显然说明：在沥青铀矿中，至少存在着另一种未知元素，它放射贝克勒耳射线的能力比铀强得多。
皮埃尔·居里深深意识到这一发现的重要意义，因而不借放弃自己的研究课题，去全力支持他夫人的工作。
居里夫妇经过长期顽强的工作，终于在1898年成功地分离出了两种新元素，它们也能放射出很强的贝克勒耳射线，他们把其中的一种命名为钋，以纪念居里夫人的祖国—波兰；而把另一种命名为镭(放射光芒的意思)。
钋和镭的发现说明：诚然，并不是所有的元素都能放出射线，但也并不是只有铀才会放出射线。贝克勒耳发现的现象并不是一种罕见现象，因此居里夫人给所有放射贝克勒耳射线的物质取了一个总的名称，叫做放射性物质，而把放射贝克勒耳射线的现象叫做放射性现象。
镭的放射性要比铀强几百万倍，镭的化合物在黑暗中甚至能够闪闪发光，奇妙无比。请看居里夫人的一段描述：“晚间到工作室去，已成了我们的赏心乐事之一。举目四望，那珍藏着我们制品的小瓶小管，都在黑暗中闪烁着微弱的光亮。这委实是一种可爱的景象，这景象对我们永远是新奇的。这些发光的小管，看上去宛若轻盈炯娜的小仙女。”
3.放射性衰变系列
钋和镭的发现，给仔细考察放射性矿物的工作以巨大的推动力。许多化学家都希望能从这类矿物中得到新的发现，新发现也确实接踵而来。
1899年，德比尔纳发现元素锕；1900年，多恩发现新惰性气体氡；克鲁克斯发现铀X；1901年，德马凯发现鑀(后证实是同位素钍230)；1902年，卢瑟福和索迪发现钍X……。
这许许多多的放射性物质，包括居里夫妇发现的钋和镭在内，总是与铀或钍一起
存在于矿物之中，形影不离。这里不禁要问，它们与铀或钍之间究竟有什么关系呢？
要解决这个问题，首先要弄清楚放射性现象的本质是什么。事实上，在探索新放射性元素的同时，揭露放射性现象本质的工作也在相辅相成、紧张而有成效地开展着。
英国物理学家卢瑟福在1899年就发现，放射性物质放出的射线不是单一的，而可以分出带正电荷的α射线和带负电荷的β射线，前者穿透性较弱，后者穿透性较强。后来又分出一种穿透性很强的不带电荷的γ射线。如果让射线通过磁场或电场，那么这三种射线就分得一清二楚了：偏转角度很大的是β射线；偏向另一方、偏转角度较小的是α射线；不发生偏转的是γ射线。
1900年，多恩在镭制剂中发现惰性气体氡，这是一件非同寻常的事。根据这一事实，卢瑟福和索迪于1902年提出了一个大胆的假说。他们认为，放射性现象是一种元素的原子自发地转变为另一种元素的原子的结果，这个假说很快就得到了证实。1903年，索迪等做了一个实验：将氡焊封在细颈玻璃管内，然后用光谱法测量。他们观测到管内的氡不断消失，而氦则逐渐增加。原子衰变理论就这样建立起来了，它动摇了多少世纪以来作为经典化学基石的“原子不可分、化学元素不可变”的观念。
衰变理论指出了一种放射性元素的原子会衰变成另一种元素的原子，但如果进一步问，究竟衰变成了什么元素的原子呢？衰变理论并没有给出答案。十年以后建立了位移律，终于回答了这个问题。
在放射性物质的研究工作中，通常把发生衰变的物质称为母体，把衰变后生成的物质称为子体。1908年，索迪归纳了大量α衰变母体及其子体的化学性质，发现母体物质发生α衰变后，其化学价总是减少二价，例如六价的铀变成了四价的铀X，四价的钍变成了二价的介钍I，二价的镭变成了零价的惰性气体氡等等。于是，他总结出一条规则：某一元素作α衰变时，生成的子体是周期表中向左移两格的那个元素的原子。1913年，一些科学工作者又总结出另一条规则：某一元素作β衰变时，生成的子体是周期表中向右移一格的那个元素的原子。这两条规则合起来就是通常所说的位移律，它把衰变时放出的射线的性质和原子发生的变化有机地联系起来了。
在这段时间内，还发现某些不同的放射性物质，如鑀和钍、介钍I和镭等，它们的性质竟惊人地相似，如果偶尔把它们混在一起后，用化学方法就无法把它们分开。我们知道，不同的元素一般是可以用化学的方法分离的，不能用化学方法分离的一般是同一种元素。因此，势必得出如下结论：它们虽是不同的放射性物质，但属于同一种元素，于是提出了同位素的概念。所谓同位素就是化学性质相同的一类原子，它们的原子量不同，但原子序数相同，在周期表中占据同一个位置。
有了衰变理论、同位素概念和位移律，那许许多多已经发现的和进一步发现的放射性物质之间的关系，就比较容易搞清楚了。很快就建立起了铀和钍两个放射性衰变系列。
为了便于讨论，我们在这里先把原子核和射线方面的有关知识简要介绍一下。原子由原子核和绕核旋转的电子组成，原子核又由质子和中子组成。电子带1个负电荷，质于带1个正电荷，中子不带电荷。核电荷数(即质子数)在数值上等于元素的原子序数。质子的质量数为1，中子的质量数也为1，电子很轻很轻，其质量一般忽略不计。质子数和中子数之和就是原子核或原子的质量数。α射线又称α粒子，它是氦原子核，由两个质子和两个中子组成，质量数为4，带2个正电荷。β射线又称β粒子，它是电子，带1个负电荷。如果原子发生α衰变，那就是从原子核内放出一个α粒子，因此核电荷数(原子序数)减少2，质量数减少4；如果原子发生β衰变，放出一个电子，那就是相当于核内一个中子转变成了一个质子，因此核电荷数增加1，质量数不变。
放射性原子不但按一定的衰变方式进行衰变，而且衰变的速率也是一定的。某种放射性同位素衰变掉一半所需要的时间，称为该放射性同位素的半衰期。放射系中，始祖同位素的半衰期很长，铀-238的半衰期为45亿年，这与地球的年龄大致相同。钍-232的半衰期更长，达140亿年，正是由于这个缘故，才使它们得以在地球上留存。
不过，放射系中其它成员的半衰期要短得多。最长的不过几十万年；最短的还不到百万分之一秒。显然，它们是不可能在地球上单独存在的。但是，放射系中的每个成员都不但会衰变掉，而且同时也会由于上一个成员的衰变而得到补充，因此只要放射系的始祖元素存在，各中间成员也就决不会消失。这就象水库里的水不会枯竭一样：水库里的水不断流出去，同时又不断由上游的河水得到补充。当放射系中各中间成员衰变掉的量与生成的量相等时，即各成员之间的比值保持恒定不变时，我们就把这种状态称为放射性平衡。
铀和钍两个放射系已经满意地建立起来了，许多放射物质与铀、钍伴生，确实是不无道理的，原来它们都是始祖元素铀或钍的子孙后代。可是问题并没有完全解决，锕在铀矿中的存在一直是一个不够清楚的问题。
经初步测定，锕的半衰期为二、三十年。因此，它之所以能存在于自然界，必须依存于某一个长寿命的放射性同位素。另外，在含铀量不同的铀矿物中，锕量和铀量之间总有一个恒定的比值。由此看来，锕象是铀的后代。
但情况又不尽然。测量结果表明，作为铀的后代的镭，它与铀平衡时的放射性强度，远比锕(或锕的任一后代)与铀平衡时的放射性强度来得大。两者的比值约为97：3。因此锕不可能是铀的主链成员。
根据这一事实，1906年卢瑟福提出了如下的假说：锕及其后代(称为锕放射系)可能是铀放射系中某一成员的分支衰变产生的支系，即某一成员可能发生两种形式的衰变(α衰变和β衰变)，百分之九十七变成了镭放射系(镭及其后代)，百分之三变成了锕放射系。这既符合衰变理论，又能解释锕总以恒定的比值存在于铀矿中这一事实。
后面我们将看到，卢瑟福的这个假说是错误的。但是卢瑟福关于分支衰变的想法，却在法扬斯研究镭C的放射性时得到了光辉的证实。
1917年皮卡德提出，锕放射系与铀放射系可能根本无关，它的始祖是铀的另一个长寿命同位素，因此锕放射系总能在铀矿中发现，而且与铀放射系的放射性保持着某一恒定的比值。他认为支持这一假说的论据有两个：
(1)按照盖革·努塔尔经验定律，放射性同位素的α射线能量和半衰期之间存在着一定的关系，在双对数固上表示成一些直线。铀放射系和钍放射系各分属一条直线，而锕放射系则为另一直线。如果锕放射系是铀放射系的分支，则代表锕放射系的直线应与代表铀放射系的直线相重合，或在一端与铀放射系的直线相交。事实上却是锕放射系与铀放射系为两条平行的直线。
(2)铀的原子量为238.14(这里的原子量数值均为当时的测定值)，镭的原子量为225.97，两者相差12.17。而根据位移律来计算，镭是由铀放出三个α粒子变来的，那么三个α粒子的质量总和仅为12.01。铀原子量所以显得较大，可能是由于其中存在一个质量数更大的同位素的缘故。皮卡德将这个假定的铀同位素称为锕铀(AcU)。
卢瑟福和皮卡德假说之间的取舍，按理是可以通过锕放射系成员原子量的测定来决定的。可是由于锕放射系的放射性仅为铀放射系的3％，且各个成员的半衰期均很短，因此测定原子量困难很大。锕的前身镤发现以后，测定镤原子量应该是可能的，因为它在铀矿中的含量可以与镭相比拟。但是由于镤的性质怪癖，大量制取镤一直未能成功。
这个问题的解决应该归功于质谱分析新技术的采用。1927年，阿斯顿用质谱仪测定了普通铅矿中各种铅同位素含量的比值，得到的结果是铅206：铅207：铅208＝100：75：175。1929年，他又测定了某铀矿物中各种铅同位素含量的比值，得到的结果是铅206：铅207：铅208＝100：10.7：4.5，此比值与普通铅矿显著不同。
当时已经知道，铀放射系、钍放射系和锕放射系的最终衰变产物都是铅。铅206是铀放射系的最终衰变产物，所以这一铀矿物中铅206的含量特别多。另外此铀矿物中也含有钍，因此也应该有较多的钍放射系最终衰变产物铅208。但奇怪的是铅208反而比铅207少。
由此得出的结论只能是：铅207是由于铀矿中另一放射性起源生成的，它自然应该是锕放射系的最终衰变产物了。卢瑟福在阿斯顿的文章后面加了一条意见，指出锕放射系应该是独立的。
皮卡德的假说获得了证实。可是他的假说所依赖的根据是很不充分的。首先，铀并没有更重的天然同位素；其次，α射线的能量和半衰期之间的关系在当时也没有足够的精确度可以进行上述论证。
这一过程表明，科学研究中大胆地假设是十分重要的。有了比较充分的事实根据或理论根据，从而提出一些假说，这样当然会使假说最终被证实的可能性变大。但是如果根据蛛丝马迹提出一些假设，只要与当时所知道的事实没有矛盾，仍然应该说是可贵的，因为它为寻找真理开辟了可能走通的新途径。值得回忆的是，贝克勒耳也正是沿着波因凯的错误假说，而作出了放射性现象这一重大发现。当然，最后善于摈弃假说中的不合理部分，这更是科学工作者取得成功的关键一环。
知道了锕放射系的最终衰变产物是铅207，于是可以推得锕的原子量为227，而假定的锕铀的原子量应该为235(或239)。1935年，登普斯特用火花离子源法对铀进行了质谱分析，发现了锕铀(铀235)的谱线。至此才最后确定了锕放射系的始祖同位素，肯定了其质量数为235。历时长达30年之久的锕放射系的起源问题终于找到了答案，这是放射系研究史中最为曲折的问题之一。由于这个放射系的始祖同位素是锕铀，所以通常把它叫乍锕铀放射系。
以后又发现了镎放射系，它是一个人工放射系，该放射系因为没有半衰期足够长的始祖同位素，所以已在地球上消失。值得指出的是，这个人工放射系中的一个成员——镎233，与铀235和钚239一样，是原子能工业中的一种重要的裂变物质。
4．铀核的裂变
放射性现象的发现，把人们对于原子的认识引向深入，原子核的秘密逐渐被揭开了。
1911年，卢瑟福提出了原子的行星模型。他认为原子犹如一个小小的太阳系，中间是原子核(相当于太阳)，集中了原子质量的极大部分；周围是电子(相当于行星)，围绕着原子核旋转。
1919年卢瑟福用α粒子轰击氮，使氮转变成了氧，人类历史上破天荒第一次实现了原子的人工转变。几千年来，炼金术士们点石成金的梦想终于变成了现实。
1932年，英国物理学家查德威克发现了一种新的基本粒子，这种粒子不带电荷，被称为中子。这一突破性的发现不仅导致了现代原子核理论的建立（原子核由质子和中子组成），而且为人们提供了一种轰击原子核的强有力的新型“炮弹”。
1934年，法国科学家约里奥·居里和伊伦·居里在用α粒子轰击铝时，发现了人工放射性，这一发现引起了许多科学家的极大兴趣。从此，开始了大量制取人工放射性同位素的工作。
不久，年轻的意大利物理学家费米也着手制取放射性同位素。他的实验有个特点：他是用中子而不是象约里奥·居里那样用α粒子去轰击各种元素。费米所以用中子作为“炮弹”去轰击原子核，道理是很简单的：因为原子核是带正电荷的，所以带有两个正电荷的α粒子会被原子核所排斥，而不带电荷的中子必然比较容易接近并进入原子核内。
费米制取放射性同位素的方法对许多元素都是非常有成效的。在很短的时间内，他制取了约50种新的放射性同位素。其中有许多是进行β衰变的。这种衰变方式是放出一个电子，相当于原子核内一个中子变成了一个质子，也就是说，经β衰变生成的新同位素，其原子序数比原先的同位素增加了1。
92号元素铀是当时最重的元素，那么，铀吸收一个中子后发生β衰变的话，会出现什么情况呢？显然，结果将会产生93号元素，即所谓“超铀元素”。
可以设想，这个“超铀元素”大概是一个放射性元素。否则人们早已在稳定元素的行列中找到它了。还可以想象，这个元素衰变后，可能会形成一些原子序数更高的元素，例如94号元素。或许这将使我们有可能揭开元素数目限制的秘密，弄清铀之所以是元素周期表中最后一个元素的原因。
正是上述想法强烈地吸引着费米，激励着费米用中子去轰击当时最重的元素铀，从而导致了铀核裂变现象的发现——这无疑是本世纪最重大的发现之一。
费米的实验进行得很成功。铀经中子轰击后，产生了前所末见的新放射性，这种放射性由成分相当复杂的β射线所组成。费米对放射性强度衰减曲线进行了分析，结果表明，它包含四种半衰期：10秒、40秒、13分钟和90分钟。除了这四种半衰期外，他估计还至少有一种更长的半衰期。
我们知道，每种放射性同位素都放出自己特有的射线，并日具有自己特有的半衰期。因此，铀经中子轰击后产生的β放射性物质有五种半衰期，就表示生成了五种新的放射性同位素。
按照当时的一般看法，铀经中子轰击后形成的新放射性同位素，与铀的原子序数不应相差很大。但根据已有的资料来看，从86号到92号元素，没有一个同位素的半衰期与上述四种符合。于是费米就假定，他所发现的β放射性，是铀俘获一个中子后经β衰变所形成的93号元索(或原子序数更高的元素)放射出来的。也就是说，他认为自己发现了所谓“超铀元素”。
费米的这一发现在科学界引起了广泛的注意。有一些科学工作者对费米的结论表示怀疑，认为他的实验结果也可作别种解释。不久，实验证实91号元素镤具有与费米所发现的半衰期为13分钟的放射性物质相似的化学性质。是否费米所发现的就是元素镤的同位素呢？总而言之，费米关于发现“超铀元素”的结论看来是成问题的，这就是著名的“超铀元素之谜”。
这时，“超铀元素”的研究工作已在德国的一个实验室中大力展开。德国科学家哈恩和梅特纳对“超铀元素”加以详细研究之后，很快地看到，事情要比费米最初所设想的复杂得多。射线强度的衰减曲线表明，某些放射性物质可能并不是在中子轰击时产生的，而是经过一段时间后才产生出来的。这就是说，这些放射性物质并不一定是铀被中子轰击时立刻产生的，而可能是经过几次放射性衰变之后才形成的。
哈恩和梅特纳对射线强度的衰减曲线进行了仔细的分析，肯定了上述假说的正确性。经过长时间的精心研究，到1937年，他们编制出了铀经中子轰击的三种核转变方案。从这些核转变方案中可以看到，被中子轰击过的铀经历了一连串的放射性衰变。第一和第二个放射性衰变链的头一个成员，其半衰期分别为10秒和40秒，这是哈恩和梅特纳经过长期细致的工作，直接由化学方法可靠地确定的。半衰期为2.2分钟的放射性物质，是半衰期为10秒钟的放射性物质的子体。这种关系，可以通过改变中子轰击的时间予以确定。对于放射性衰变链的其它各环节，也确定出了类似的联系。
以上我们看到，哈恩和梅特纳获得了费米所未曾发现的一些半衰期，特别是一些较长的半衰期。半衰期的总数已达九种之多，而所推测的“超铀元素”的最高原子序数已增高到97。这里，哈恩等已将费米的13分钟和90分钟两个半衰期分别改变为16分钟和59分钟。
在哈恩和梅特纳所假定的“超铀元素”的衰变方案中，有三个平行的放射性衰变系列。为什么不多不少是三个系列呢？是因为铀有三个同位素的缘故吗？这或许是可能的，即铀238、铀235和铀234俘获中子后各自形成了一个放射性系列。但是射线强度的测量结果表明，把所观察到的半衰期归结为属于含量极小的同位素铀235(占0.72％)，特别是铀234(占0.0055％)，是很不合理的。
1936年，有人用中子轰击溴时，发现生成的溴80具有18分钟和4.4小时两个半衰期，这就是所谓同核异能现象。这一发现给哈恩等“帮了大忙”，似乎他们可以摆脱困境了。
于是他们假定，上述三个系列是由铀的一个主要同位素铀238产生出来的。也就是说，铀238经中子轰击，生成铀239，铀239有三种同核异能态，这三种同核异能态形成了各自的衰变系列。
虽然铀经中子轰击后产生的以及衰变产生的各种放射性物质之间的关系，已经可靠地确定下来，虽然哈恩和梅特纳所提出的解释似乎是当时唯一可能的解释，但是这种说法还是不能不引起人们的怀疑。
为什么铀一下子产生了三个同核异能态呢？为什么“超铀元素”也竟有三个同核异能态呢？为什么俘获一个中子的铀要经过五次β衰变才能到达稳定的产物呢？为什么原子序数为95或97的元素竟会是一种稳定元素呢？
问题的存在并不一定是坏事。问题是乌云，它预示着暴风雨的即将来临；而雨过天晴，迎来的必将是更加明媚的阳光。为了揭开“超铀元素之谜”，科学家们在紧张地、孜孜不倦地工作着。
在法国，伊伦·居里和沙维奇也在进行中子轰击铀的实验。1938年，他们发现铀经中子轰击后，除了出现哈恩等所指出的那些半衰期外，还存在一种3.5小时的半衰期。他们对这种放射性物质的化学性质进行了研究，发现它与稀土元素镧的化学性质相似。所以他们假定，这种放射性物质是与镧的化学性质相似的锕的一个同位素。
但不久，他们又发现了一个奇怪的事实，即半衰期为3.5小时的放射性物质，可用化学的方法与锕分离，但不能与镧分离。这种放射性物质与其说是锕的同位素，倒不如说是镧的同位素。
伊伦·居里和沙维奇实际上已经到达了解决问题的边缘，因为半衰期为3.5小时的放射性物质确确实实是镧的一个同位素。遗憾的是，传统的观念束缚了他们，以至他们始终认为：中子轰击铀的产物必定是周期表中靠近铀的那些元素，而决不可能是周期表中部的元素。另外，他们对样品进一步进行分级结晶，结果表明：半衰期为3.5小时的放射性物质终究是能与镧稍稍分离的。
于是，他们就千方百计将自己发现的放射性物质安置到已经十分“拥挤”的所谓“超铀元素”的行列中去。就这样，传统的观念和“不幸”的实验数据，把他们从新发现的边缘引向了歧途。现在知道，铀裂变产物中也有半衰期约为3.5小时的钇同位素存在，因此，这个结果很可能是由于钇同位素的少量沾污造成的。
科学是沿着曲折的道路前进的。科学研究的课题也象生活的其它方面一样，当你知道了它的答案以后，你觉得它是那样的简单明了。但在此之前，却是高深莫测、疑团纷纷。
哈恩和史特拉斯曼立刻在自己的实验室里重复了伊伦·居里和沙维奇的工作，但是他们把研究计划稍稍扩大了一些。他们在经中子轰击过的铀中不仅找到了镧的类似物，同时也找到了钡的类似物。
开始，他们也和伊伦·居里等一样，受到传统思想的牢固束缚，因而把钡的类似物当成是镭的同位素。从92号元素跳到88号元素，他们假定了一个所谓“双重α衰变”，并且把这称作是一个惊人的“成果”。
此时，在经中子轰击过的铀中，发现的放射性物质的总数已达到十六种之多；“超铀元素之谜”的混乱程度也达到了它的顶峰。
但是不久(1938年底)，哈恩和史特拉斯曼用严格的化学方法证明，所谓的镭同位素实际上是钡同位素，而所谓的锕同位素实际上是镧同位素。哈恩和史特拉斯曼在自己的文章中写道：“作为化学家的我们，不得不肯定地声明，铀俘获中子后所产生的新物质的性质并不与镭相同，而与钡相同”。这就是想“猎取”“超钠元素”而获得的意外结果。
为什么铀经中子轰击后竟会产生周期表中部的元素钡和镧的放射性同位素呢？
哈恩写信给当时在瑞典的梅特纳，把自己的新发现告诉了她。梅特纳曾与哈恩共事长达三十年之久，她深信哈恩的结果是正确无误的。这一信念使她抛弃了传统观念，而从事实出发，同她的侄儿弗里希一起，首先对哈恩和史特拉斯曼所得到的意外结果作出了正确的解释。
根据原子核的液滴模型，原子核内的核子(质子和中子的统称)，起着和液滴内的分子相类似的作用。由核子间的强烈吸引力而产生的表面张力，使原子核成为球形。若给原子核以一定的能量，原子核“液滴”就会发生振荡，变成椭球形，然后又回到球形，再变成椭球形，周而复始。在这过程中一般通过γ射线的发射，或α粒子或β粒子的发射，将多余的能量释放出去，而使原子核最后稳定在球形状态。
梅特纳和弗里希认为，铀核俘获一个中子时，情况却有些不同，铀核既不发射γ射线，也不发射α粒子或β粒子，而是继续振荡下去，逐渐变成哑铃状，由于正电荷的强烈排斥作用，最后使铀核分裂成两半。两个碎片带着巨大的能量飞离出去，铀核的电荷和质量大致相等地分配给这两个碎片。梅特纳和弗里希认为，哈恩和史特拉斯曼所观测到的钡和锕，就是这样的铀碎片。
关于铀核裂变成两个碎片的假设，及时而正确地解决了“超铀元素”问题。现在，雨过天晴，一切疑团都烟消云散了。所谓的类铼、类锇、类铱等等，决不是比铀还重的“超铀元素”，更不是什么“超铀元素”的同核异能态，它们实际上是铼、锇、铱等周期表中部元素的同位素，它们的质量约等于铀的一半。这些就是铀核裂变的碎片。
科学史上往往出现这样的情况，人们追求的是一件引人入胜的东西，而得到的却是一件更有价值的宝贝，铀核裂变现象的发现就是一个典型的例子。
裂变现象的发现史是一部曲折的历史，前后经历了五年的时间。费米实际上是第一个实现铀核裂变的人，但是他没有能了解它的本质。伊伦·居里和沙维奇已经接近了解决问题的边缘，但他们在大门口犹豫徘徊。直到1938年底，哈恩和史特拉斯曼才给出了铀核裂变的确凿无疑的证据。而梅特纳和弗里希“心有灵犀一点通”，对此作出了正确的解释。
从这里我们可以清楚地看到，在科学研究的道路上要取得重大成就，不但一定要坚持实践第一，绝对尊重事实，而且一定要敢于抛弃传统的观念，因为科学上的任何重大突破都必然是对传统观念的否定。
核裂变现象的发现，打开了大规模利用原子能的大门，原子能世纪真正到来啦。
5、链式反应
铀核裂变的假说一经提出，所有的物理实验室立刻沸腾起来了，对这一现象展开了紧张的研究。在不到一年的时间内，所发表的有关核裂变的科学论文，总共达一百多篇，这在物理史上是没有前例的。在很短的时期内，不但搞清楚了核裂变的基本特性，并且揭示了这一发现的深刻意义。
铀核吸收一个中子以后，按三十多种不同的方式发生裂变，生成的碎片又发生一系列的β衰变，因此，一共产生三十多种元素的近三百种同位素。难怪费米、伊伦·居里、哈恩等当时第一流的科学家都被这种现象迷惑了那么长的时间。
旁图所示是铀235裂变碎片的质量分布曲线。从图中可以清楚地看到，分布曲线有两个峰，一个在质量数95附近，一个在质量数138附近。双峰曲线表示，铀核裂变时，绝大部分是不对称裂变，对称裂变的几率是很小的(质量数118附近)。这种不对称裂变，在裂变现象发现后不久就通过各种实验方法得到确证，但是在核理论已经取得巨大进展的今天，这种不对称裂变的原因，依然是一个谜。
铀核裂变时，分裂成两个碎片的情况是最常见的，也曾观察到分裂成三个(甚至四个)碎片的情况，不过发生的几率很小，只有千分之几。这种所谓“三裂变”现象，是我国著名核物理学家钱三强、何泽慧夫妇于1946年首先发现的。三裂变的几率虽然很小，但由于它能更清楚地说明裂变机制，所以目前仍在对它进行研究。
核裂变所生成的碎片一般都是中子过剩的，它们以发射电子(β衰变)的方式逐渐将过剩的中子转变成质子，即通过一连串的β衰变而到达稳定状态。由于这个缘故，大多数裂变产物通常都是β放射性同位素。为什么核裂变产生的碎片通常是中子过剩的呢？为什么不是缺少中子或中子数与质子数正合适呢？
我们知道，原子核是由质子和中子(统称核子)组成的。核子之间存在一种很强的作用力，叫做核力，这种力是一种短程吸引力。在原子核内，这种作用力很强，在原子核外，迅速降到零，核子就是靠这种力保持在原子核内的。另外质子间还存在静电斥力，随着原子序数的增加，即随着原子核内质子数的增加，静电斥力也增大。因此，为维持核的稳定性，需要更多的过剩中子所产生的核力来平衡这一斥力。因而，稳定原子核的核内中子数和质子数的比值，随着原子序数的增加而变大。例如轻元素碳、氧等的中子数与质子数之比为1，中等质量的元素溴、钡等为1.3，而铀、钍等重元素则增大到1.6。原子核的中子数和质子数之比若小于或大于相应的合适比值，都将是不稳定的。
对于铀核裂变的情况来说，铀的中子数与质子数之比约为1.6，那么，生成的碎片的中子数与质子数之比当然也是1.6左右。但是裂变生成的是中等质量的元素，它们在中子数与质子数之比为1.3左右时才是稳定的。显然，这些碎片是中子过剩的，必然会以β衰变的方式，使中子数与质子数之比降到1.3左右，从而达到稳定状态。
不过由此也自然会产生这样的问题：在铀核裂变的过程中，是否会有一些过剩的中子不留在碎片内，而直接以自由中子的形式发射出来呢？这个重要问题曾由许多科学工作者加以研究，结果表明，铀核裂变时确实会放出一些自由中子，这些中子通常叫做次级中子。在讲述这一事实所蕴含的巨大意义之前，我们先来看一看另一个重要的事实：在铀核裂变放出次级中子的同时，还会释放出巨大的能量，请看下面的计算：
假定铀235吸收一个中子后，裂变成一个溴85核和一个镧148核，同时放出三个中子。铀235的质量为235.124，溴85的质量为84.938，镧148的质量为147.96，中子的质量为1.009。
因此裂变前的质量总和为：235.124＋1.009＝236.133；
裂变后的质量总和为：147.96＋84.938＋3×1.009＝235.925；
裂变过程中质量的减少为：236.133－235.925＝0.208。
这些损失的质量到哪儿去了呢？根据爱因斯坦相对论可知，它们变成了能量。爱因斯坦推导出一个著名的质能转换公式：E＝mc²，其中c是光速(约等于每秒30万公里)，m是静止物体的质量，E是静止物体所含的能量。由这个公式可以方便地计算出铀核裂变放出的能量约为194兆电子伏。近似地说来，每次裂变大约释放200兆电子伏的能量。
这个数值是非常巨大的，比如说，1克铀235完全裂变所释放的能量，相当于2,000,000克(2吨)优质煤完全燃烧时所释放的能量。也就是说，裂变能大约要比化学能大二百万倍！
铀核裂变时，一是放出中子，二是放出巨大的能量，这两种可贵的性质紧紧地吸引着人们的注意力。人们特别感兴趣的是每次裂变究竟能放出多少个中子，因为这关系到究竟能否实现链式反应，也就是关系到能否在实际利用原子能方面开辟一条道路的问题。
经过许多科学工作者的努力，很快就确定了每个铀235核发生裂变时平均约放出2.5个中子。大自然为我们作了这—具有特殊意义的安排：次级中子数大于1！从而使铀核裂变现象的发现成为不平凡的发现。如果每次裂变产生的平均次级中子数小于1的话，那么这一发现的价值和我们对它的兴趣就完全不同了。
一个铀核在一个中子作用下发生裂变，如果裂变时放出两个次级中子，这两个次级中子又引起两个铀核发生裂变，放出四个次级中子，这四个中子再引起四个铀核发生裂变……。如此下去，反应的规模将自动地变得越来越大，一幅铀核链式反应的图景，立即展现在我们面前，它吸引了多少科学家啊!
确实，科学家们为实现核裂变链式反应，使之造福于人类，而付出了巨大的劳动，现在让我们从理论上先分析一下实现链式反应的条件。中子是实现核裂变链式反应的媒介，因此要使一个体系的链式反应能持续地进行下去，就必须使中子的数目至少不随时间而减少。
我们通常把体系中某一代中子数与上一代中子数之比称为中子增殖系数，用k表示。当k＝1时，体系中的中子数目保持不变，链式反应以恒定的速率持续进行，这种状态称为临界。k＞l时，中子数目将越来越多，链式反应的规模越来越大，这时称为超临界。而k＜1时则称为次临界，此时中子数目逐渐减少，链式反应规模越来越小，直至最后停息。
天然铀中主要含有铀235和铀238两种同位素，前者约占0.72％，而后者约占99.27％。经研究表明，铀235在各种能量的中子作用下，均可能裂变，而铀238只有在能量大于1.1兆电子伏的中子轰击下才可能裂变，而且前者的裂变几率大大地超过后者。因此，要造成链式反应，实际上只能利用天然铀中含量极少的铀235。
为简便起见，我们先来考虑一个由纯铀235构成的体系。在这种体系内，中子的命运大致有两种，一是被铀235吸收，引起裂变(小部分不引起裂变)，从而使中子数目增加；二是从体系的表面泄漏出去，损失掉。因此，对于这样的体系，只要由裂变增加的中子数不小于泄漏损失的中子数，链式反应即能维持。
我们假定有一个纯铀235的体系，该体系中原有100个中子，其中49个从体系的表面泄漏出去而损失掉；其余51个被铀235吸收，而其中又有10个不引起裂变(使铀235转变成铀236，就维持链式反应而言，这也是一种损失)，只有41个中子引起裂变。按比较精确的数值，每次裂变平均产生2.46个中子。因此一共能放出2.46×41≈100个中子。这样，该体系的中子增殖系数k＝1，这就是说，链式反应能持续进行了。
如果泄漏出去的中子数多于49个，必然使k值小于1，链式反应就不能维持。而如果泄漏出去的中子数少于49个，这样k值就大于1，链式反应的规模就越来越大。
我们知道，中子的泄漏与体系的表面积成正比，而中子的产生则与体系中裂变物质的量，即与体系的体积成正比。对于一定形状的体系，当其尺寸(亦即质量)增加时，体积的增加要比表面积的增加来得快，因而使中子的相对泄漏变小。由此可知，为实现自持链式反应(k＝1)，存在一个裂变物质的最小体积(或质量)，这就是所谓临界体积(或临界质量)。
显然，临界体积或临界质量与体系的几何形状有关。扁平或细长的形状都使表面积与体积的比值增大，从而增加中子的相对泄漏。以圆柱形体系为例，当其直径小于一定数值时，即使把高度无限加大，也不能使其达到临界状态；同样，当高度小于一定数值时，用加大直径的办法也无法使它达到临界。对于一定的体积，以球形的表面积为最小，所以球形体系具有最小的临界质量。
临界质量与体系的物质组成当然有很大的关系。对于纯铀235组成的球形体系，临界质量约为50公斤，临界直径约为16.8厘米。有些体系，由于非裂变物质含量太大，非裂变吸收太严重，即使把尺寸放大到无限大，也不能达到临界状态，纯粹由天然铀组成的体系便属于这种情况。
那么，有没有办法能使天然铀体系达到临界呢？有办法。我们先来分析一下纯粹由天然铀组成的体系内中子的活动情况。由于这种体系除了铀235外，还含有大量的铀238，所以中子的活动情况要复杂一些。大致说来，可以分为以下四种情况：
(1)中子(不论速度快慢)被铀235吸收，大部分引起裂变，小部分只被吸收而不引起裂变，因此总的效果是使中子数目增加。
(2)能量大于1.1兆电子状的中子，被铀238吸收，引起裂变，使中子数有所增加。
(3)能量小于1.1兆电子伏的中子，被铀238吸收，但不引起裂变，因而使中子数目减少。
(4)中子从体系的表面泄漏出去而损失掉。
方便起见，我们暂且忽略(4)，只考虑前三种情况，这种没有中子泄漏的体系相当于一个无限大的天然铀体系。这样，使中子数增加的是情况(1)和(2)，使中子数减小的是情况(3)。要使体系能维持链式反应，只要这两个方面取得平衡就行了。
但情况(2)引起的中子数增加是不多的，这是因为能量大子1.1兆电子伏的中子与铀238碰撞时，只有很少一部分被吸收而引起裂变，大部分散射回来，损失掉部分能量。
这样，能否维持链式反应，就要看情况(1)和(3)哪个是主要的了。在天然铀中，铀235只占一百四十分之一，所以，中子碰上铀235的机会要比碰上铀238的机会小得多。如果在同样的碰撞机会下，对热中子来说(能量下降到周围介质原子平均动能水平的中子称为热中子)，它引起铀235裂变的可能性却要比被铀238吸收的可能性大190倍。因此对热中子而言，情况(1)将超过(3)，使增殖系数k大于1。
问题在于，中子在损失其能量变成热中子之前，在能量5～100电子伏的区域内，特别容易被铀238吸收(称为共振吸收)。结果k还是小于1，链式反应难以维持。因此，要维持链式反应，就要采取某种措施，使中子的速度迅速减慢，越过强烈吸收中子的共振吸收区域，变成热中子。使用慢化剂，就能达到这一目的。
我们来看一看物体碰撞减速的情况。当一个较小的物体去碰质量大的物体时，例如用乒乓球碰桌子时，乒乓球几乎以原来的速度弹回来，动能损失很小；而当一个乒乓球去碰另一个乒乓球时，由于两者质量几乎相等，乒乓球大约将会损失掉一半的动能。因此采用原子核质量与中子质量相近的物质作慢化剂，则慢化性能比较好。当然还要求慢化剂对中子的吸收能力很小。
按上述要求，重氢是一种很合适的慢化剂，它的质量只比中子重一倍，吸收中子的能力又很低。实际使用时，一般不用重氢气体，因为它的密度太小，而是用重氢与氧化合成的重水。石墨也是一种优良的慢化剂，虽然慢化能力比重水差一些，但是价格要比重水便宜得多。
使用了慢化剂以后，大部分中子就迅速地被慢化成热中子，从而使情况(3)减少，使情况(1)增加。这样，就能使原来的非临界体系变成临界体系。例如，用重水或石墨作慢化剂，就能使天然铀体系达到临界状态。普通水也可用作馒化剂，但它吸收中子的能力较大，只有与加浓铀一起，才能构成临界体系。
考虑到情况(4)，实际体系总是有一部分中子泄漏出去的，这就要求体系有足够大的尺寸，使泄漏出去的中子数只占很小的比例，以使k值大于1，保证链式反应的进行。若在体系周围包上一层能反射中子的所谓反射层，使泄漏出去的中子一部分可以反射回来，那就更有利于链式反应的进行了。所以通常采用石墨作反射层。
6．核反应堆
经过上节理论上的分析，核裂变链式反应无疑是可以实现的(次级中子数大于1)。但是从理论到实践终究是不容易的，要真正造成核裂变链式反应，是一件十分艰巨而复杂的工作，必须解决一系列技术上的难题。
由于军事上的需要，1942年12月2日—在铀核裂变现象发现后仅仅四年的时间，就由费米领导的一个小组，在美国芝加哥大学的一个网球场里建成了世界上第一座核反应堆，第一次实现了人工的核裂变链式反应，为大规模利用原子能开辟了道路。
对于一个进行自持链式反应的装置—核反应堆来说，必须具备哪些条件呢？首先，必须有一个让链式反应能够持续进行的地方；其次，必须把核裂变链式反应产生的大量热量取出；第三，必须能够对链式反应加以控制；第四，必须对核裂变产生的放射性物质加以控制，对核辐射加以防护。
根据上述要求，一个核反应堆一般由以下几个部分组成：活性区，这是进行链式反应的地方；冷却系统，这是用来保证活性区不被烧坏，使热量能取出来加以利用的系统；控制系统，这是用来监察和控制链式反应进行的系统；防护系统，这是用于保护工作人员不受核辐射和放射性物质危害，并保证放射性物质不致污染环境的系统。
活性区是反应堆的心脏，主要由核燃料、馒化剂和控制棒组成，冷却剂也从这里通过。核燃料中含有裂变物质(如铀235)，是用来进行链式反应的材料，它是反应堆核心的核心。
在反应堆中，通常有足够多的核燃料，使链式反应不但能进行，而且能够扩大规模，这样才能维持高功率运行。但是当链式反应发展到一定规模、反应堆具有足够高的功率时，要控制链式反应的发展，使反应堆的功率维持在一定水平上，就要去掉反应堆内的部分中子，不让它们参加链式反应，使中子增殖系数k等于1。
为了做到这一点，通常需采用能够强烈吸收中子的物质，如硼、镉等制成的所谓控制棒，来对反应堆的运行加以控制。控制棒放入堆内时，由于它们吸收了大量的中子，使链式反应的规模减小，反应堆的功率就下降，甚至停止运行；若把它们取出堆外，由于它们不再吸收中子，链式反应的规模就扩大，反应堆的功率也就上升；若把他们调整到适当的位置，就可以使反应堆在一定的功率下稳定运行。
反应堆就是这样通过控制棒来进行控制的。根据需要，可以随意地使反应堆启动、稳定运行或者停止下来。因此，反应堆内的链式反应是一种可控的自持链式反应。
费米等建造的世界上第一座反应堆采用天然铀作核燃料，石墨作慢化剂。这座反应堆是用大小约10×10×15立方厘米的石墨块“堆”成的，在一部分石墨块上钻有直径约为5厘米的圆孔，在圆孔内放置重约2千克的金属铀棒或氧化铀棒。
石墨块一层层地堆起来，没有铀棒的石墨块和带有铀棒的石墨块交替放置，一共50层。在第50层以上，再放四层用来反射中子的石墨。最上面是15厘米厚的铅板和1.5米厚的木材构成的防护层。侧面的防护层由30厘米厚石墨和1.5米厚混凝土做成。这座反应堆的总体积约为10×10×7立方米，总重量约为1400吨，内中装铀约52吨。
这座反应堆的运行是通过五根镀有镉的青铜棒进行控制的。其中一根穿过堆体；另一根可以插入堆内任何深度，用于调整反应堆的功率；其余三根是“安全棒”，平时放在堆外，必要时可迅速插入堆内，使链式反应立即停止。这座反应堆没有冷却设备，因此它的功率很小，总共只有几百瓦。
下面一段是费米对第一座反应堆首次启动情况的描述：“我们日夜期待的日子终于来到了。那一天，我们聚集在离地面约十英尺的平台上。面对着我们的就是大厅里的那堆‘建筑’。
“一位名叫韦尔的青年科学家站在我们下面，他的职责是操纵最后一根控制棒，以便校正反应。
“为了防止发生意外，我们采取了几道预防措施。反应堆里放有三组控制棒，一组是自动的；另一组是用绳索系定的安全棒，津恩掌握着绳索，一有出问题的迹象他就松开绳索，棒便会立刻插回堆里；最后一根控制棒仍插在堆里，它有启动、加速和停止反应的功能。这就是韦尔所操纵的那一根。
“因为以前从来没有人做过这种实验，为了安全起见，我们有一个‘控制液小组’，准备在控制棒万一失灵时，把镉盐溶液灌进堆里去。在实验开始前，我们还仔细地预演了各种安全预防措施。
“抽控制棒的时刻终于来到了。韦尔开始慢慢地抽出那根最重要的控制棒。那时，我们站在平台上，注视着各种指示仪表——它们能显示中子计数，并能告诉我们铀原子受到中子打击的速率到底有多快。
“上午十一点三十五分，正当计数器嗒嗒地响得正快的时候，突然轰隆一声巨响，自动安全棒已经插回反应堆里了——这是因为控制棒的安全指标定得太低了一点。
“也正好是该吃午饭的时候了。午餐时，每人心里都在想着这次实验，可是没有一个人过多地谈论它。
“下午二点半，韦尔又一英寸一英寸地把控制棒抽出、核对，再抽出、再核对……。
“不久，指示仪表上显示出中子强度开始以一种缓慢的、但是不断增长的速率在上升。这时，我们知道反应堆已经到达自持状态了。
“没有一根保险丝被烧断，也没有发出任何火焰闪光，它完全不象是一件奇迹的出现。但是对我们来说，这意味着，大规模释放核能只是时间的迟早而已。”
自从第一座反应堆成功地运行以后，各种各样的反应堆犹如雨后春笋，竞相问世。到目前为止，世界各国已建立了七百多座反应堆。反应堆大小不一，类型繁多。例如，按核燃料的种类分，可分成天然铀堆、加浓铀堆、钚堆；按慢化剂的种类分，可分成石墨堆、重水堆、轻水(即普通水)堆、气冷堆、熔盐堆等；按使用的中子能量又可分为热中子堆、中能中子堆和快中子堆；按用途分，则可分为动力堆、生产堆和研究试验堆等等。
铀作为一种新能源，是通过反应堆来实现的。用反应堆来发电，是反应堆的一个主要用途。利用原子能来发电，具有很大的优越性。首先，核电站所消耗的燃料量要比火电站少得多。例如一座电功率为一百万千瓦的火电站，一年要烧三百万吨煤，而同样功率的核电站，只要二、三十吨核燃料就够了，而且一次装料可以用上一年、两年，甚至更长的时间。
核燃料资源比化学燃料资源可提供大得多的能量，因此从长远观点来看，它更能满足生产发展的需要。对于缺煤少油的国家和边远地区，原子能发电更显示出特殊的优越性。
用原子能发电，还可以把化学燃料节省下来，使它们利用得更合理。因为煤和石油是制造合成纤维、塑料、医药、染料和人造橡胶等重要工业产品的优良原料，从发展的观点来看，单单为了获得能量而把它们烧掉是很可惜的。
发电用的反应堆主要有气冷堆、重水堆、轻水堆、快中子增殖堆几种类型。
气冷堆是用天然铀作燃料，石墨作慢化剂，氦气或二氧化碳气体作冷却剂(或称载热剂)。
重水堆是是用天然铀作燃料，但用重水作慢化剂，用重水或普通水作冷却剂。
轻水堆又分为压水堆和沸水堆。这类反应堆用普通水作为慢化剂和冷却剂。虽然普通水具有良好的中子慢化性能和导热性质，但由于它吸收中子的能力很强，所以这类反应堆必须采用低加浓铀作燃料。在目前运行的核电站中，轻水堆所占的比例最大。
快中子增殖堆简称快堆，没有慢化剂，直接利用快中子进行链式反应。快堆有一个非常突出的优点，就是在这种反应堆内，每消耗掉一个裂变物质的原子核，还同时能生成一个以上新裂变物质的原子核，因此当这种过程继续下去时，一方面释放出大量的能量，以供发电之用，另一方面反应堆内的核燃料也越积越多。这种反应堆能更有效地利用铀资源，并且还可以利用储量比铀还丰富的钍资源，因此被认为是一种最有发展前途的反应堆。目前许多国家都在对这种反应堆进行积极研究，有些国家已建成了原型快堆。
核反应堆还可用作运输工具的动力，其主要优点是续航力大，只需消耗几公斤裂变物质，就足以使万吨巨轮作环球航行。特别是对于潜艇来说，反应堆的出现，使其性能有了根本性的变革。近代的快速核潜艇，其水下航速已经超过水面大型舰只的速度，续航力可达90万公里(即可环球航行二十二圈半)，燃料可十年不换。由于核反应堆动力推进不需要氧气，核潜艇能长期潜在水下航行，成为名副其实的潜水艇。由于海洋这个特殊的环境，船舶推进用的反应堆，一般都是压水堆。
核反应堆的另一个重要用途是生产钚239。钚239是原子弹的一种装药，它是铀238在反应堆内吸收中子后经两次β衰变而生成的。用于生产钚239的反应堆一般是石墨水冷堆。另外，氢弹的装药氚也是在反应堆内生产的。
反应堆还有其它许许多多的用途，例如利用反应堆内的中子来生产多种有用的放射性同位素，供国民经济各部门之用；利用反应堆产生的能量来炼铁、炼油，进行煤的气化和焦化，以及海水淡化；利用反应堆来进行各种科学研究等等。
核反应堆的出现，使人类真正进入了原子能世纪，最重的天然元素铀也因此而变成了最重要的化学元素之一。由于化学燃料的储量有限，又由于可控热核反应尚处于研究阶段，预计今后相当长一个时期内，裂变能源铀(以及社)将在各种能源中占有越来越重要的地位。
解放以后，我国原子能工业从无到有，获得了迅速的发展。1958年第一座重水型实验反应堆的建成，标志着我国原子能事业进入了一个新的阶段。在这座反应堆上，我国科学工作者开展了各种核物理实验，并且还进行了放射性同位素的生产，为我国原子能事业的发展作出了贡献。
在第一座反应堆运行以后，我国又建成了一批各种用途的核反应堆。我们相信，今后我国的原子能工业一定会以前所未有的速度向前发展，到本世纪末，在我们伟大祖国的辽阔土地上，定将揭开原子能工业的鲜花。
7．原子弹
原子弹主要是利用核裂变释放出来的巨大能量来起杀伤作用的一种武器。它与核反应堆一样，依据的同样是核裂变链式反应。
按理，反应堆既然能实现链式反应，那么只要使它的中子增殖系数k大于1，不加控制，链式反应的规模将越来越大，则最终会发生爆炸。也就是说，反应堆也可以成为一颗“原子弹”。实际上也是这样，若增殖系数k大于1而不加控制的话，反应堆确实会发生爆炸，所谓反应堆超临界事故就是属于这样一种情况。
但是，反应堆重达几百吨、几千吨，无法作为武器使用。而且在这种情况下，裂变物质的利用率很低，爆炸威力也不大。因此，要制造原子弹，首先要减小临界质量，同时要提高爆炸威力。这就要求原子弹必须利用快中子裂变体系，装药必须是高浓度的裂变物质，同时要求装药量大大超过临界质量，以使增殖系数k远远大于1。
在讲述原子弹的结构原理之前，我们先来介绍一下原子弹的装药。到目前为止，能大量得到、并可以用作原子弹装药的还只限于铀235、钚239和铀233三种裂变物质。
铀235是原子弹的主要装药。要获得高加浓度的铀235并不是一件轻而易举的事，这是因为，天然铀235的含量很小，大约140个铀原子中只含有1个铀235原子，而其余139个都是铀238原子；尤其是铀235和铀238是同一种元素的同位素，它们的化学性质几乎没有差别，而且它们之间的相对质量差也很小。因此，用普通的化学方法无法将它们分离；采用分离轻元素同位素的方法也无济于事。
为了获得高加浓度的铀235，早期，科学家们曾用多种方法来攻此难关。最后“气体扩散法”终于获得了成功。
我们知道，铀235原子约比铀238原子轻1.3％，所以，如果让这两种原子处于气体状态，铀235原子就会比铀238原子运动得稍快一点，这两种原子就可稍稍得到分离。气体扩散法所依据的，就是铀235原子和铀238原子之间这一微小的质量差异。
这种方法首先要求将铀转变为气体化合物。到目前为止，六氮化铀是唯一合适的一种气体化合物。这种化合物在常温常压下是固体，但很容易挥发，在56.4℃即升华成气体。铀235的六氟化铀分子与铀238的六氟化铀分子相比，两者质量相差不到百分之一，但事实证明，这个差异已足以使它们分离了。
六氟化铀气体在加压下被迫通过一个多孔隔膜。含有铀235的分子通过多孔隔膜稍快一点，所以每通过一个多孔隔膜，油235的含量就会稍增加一点，但是增加的程度是十分微小的。因此，要获得几乎纯的铀235，就需要让六氟化铀气体数千次地通过多孔隔膜。
气体扩散法投资很高，耗电量很大，虽然如此，这种方法目前仍是实现工业应用的唯一方法。为了寻找更好的铀同位素分离方法，许多国家做了大量的研究工作，已取得了一定的成绩。例如目前离心法已向工业生产过渡，喷嘴法等已处于中间工厂试验阶段，而新兴的冠醚化学分离法和激光分离法等则更有吸引力。可以相信，今后一定会有更多更好的分离铀同位素的方法付诸实用，气体扩散法的垄断地位必将结束。
原子弹的另一种重要装药是钚239。钚239是通过反应堆生产的。在反应堆内，铀238吸收一个中子，不发生裂变而变成铀239，铀239衰变成镎239，镎239衰变成钚239。由于钚与铀是不同的元素，因此虽然只有很少一部分铀转变成了钚，但钚与铀之间的分离，比起铀同位素间的分离来却要容易得多，因而可以比较方便地用化学方法提取纯钚。
铀233也是原子弹的一种装药，它是通过钍232在反应堆内经中子轰击，生成钍233，再相继经两次β衰变而制得。
从上面我们可以看到，后两种装药是通过反应堆生产的。它们是依靠铀235裂变时放出的中子生成的，也就是说，它们的生成是以消耗铀235为代价的，丝毫也离不开铀235。从这个意义上来说，完全可以把铀235称作“核火种”，因为没有铀235就没有反应堆，就没有原子弹，就没有今天大规模的原子能利用。
有了核装药，只要使它们的体积或质量超过一定的临界值，就可以实现原子弹爆炸了。只是这里还有一个原子弹的引发问题，也就是如何做到：不需要它爆炸时，它就不爆炸
；需要它爆炸时，它就能立即爆炸。这可以通过临界质量或临界尺寸的控制来实现。
从原理上讲，最简单的原子弹采用的是所谓枪式结构。两块均小于临界质量的铀块，相隔一定的距离，不会引起爆炸，当它们合在一起时，就大于临界质量，立刻发生爆炸。但是若将它们慢慢地合在一起，那么链式反应刚开始不久，所产生的能量就足以将它们本身吹散，而使链式反应停息，原子弹的爆炸威力和核装药的利用率就很小，这与反应堆超临界事故爆炸时的情况有些相似。因此关键问题是要使它们能够极迅速地合在一起。
这可以象旁图所示的那样，将一部分铀放在一端，而将另一部分铀放在“炮筒”内，借助于烈性炸药，极迅速地将它们完全合在一起，造成超临界，产生高效率的爆炸。为了减少中子损失，核装药的外面有一层中子反射层；为了延迟核装药的飞散，原子弹具有坚固的外壳。
1945年8月，美国投到日本广岛的那颗原子弹(代号叫“小男孩”)采用的就是枪式结构，弹重约4100公斤，直径约71厘米，长约305厘米。核装药为铀235，爆炸威力约为14000吨梯恩梯当量。
在枪式结构中，每块核装药不能太大，最多只能接近于临界质量，而决不能等于或超过临界质量。因此当两块核装药合拢时，总质量最多只能比临界质量多出近一倍。这就使得原子弹的爆炸威力受到了限制。
另外在枪式结构中，两块核装药虽然高速合拢，但在合拢过程中所经历的时间仍然显得过长，以致于在两块核装药尚未充分合并以前，就由自发裂变所释放的中子引起爆炸。这种“过早点火”造成低效率爆炸，使核装药的利用率很低。一公斤铀235(或钚239)全部裂变，大约能释放18000吨梯恩梯当量的能量，一颗原子弹的核装药一般为15～25公斤铀235(或6～8公斤钚239)，以此计算，“小男孩”的核装药利用率还不到百分之五。
铀在正常压力下的密度约为19克/厘米³。在高压下，铀可被压缩到更高的密度。研究表明，对于一定的裂变物质，密度越高，临界质量越小。
根据这一特性，在发展枪式结构的同时，还发展了一种内爆式结构。在枪式结构中，原子弹是在正常密度下用突然增加裂变物质数量的方法来达到超临界，而内爆式结构原子弹则是利用突然增加压力，从而增加密度的方法达到超临界。
在内爆式结构中，将高爆速的烈性炸药制成球形装置，将小于临界质量的核装料制成小球，置于炸药中。通过电雷管同步点火，使炸药各点同时起爆，产生强大的向心聚焦压缩波(又称内瀑波)，使外围的核装药同时向中心合拢，使其密度大大增加，也就是使其大大超临界。再利用一个可控的中子源，等到压缩波效应最大时，才把它“点燃”。这样就实现了自持链式反应，导致极猛烈的爆炸。
内爆式结构优于枪式结构的地方，在于压缩波效应所需的时间远较枪式结构合拢的时间短促，因而“过早点火”的几率大为减小。这样，内爆式结构就可以使用自发裂变几率较大的裂变物质，如钚239作核装药；同时使利用效率大为增。
美国投于日本长崎的那颗原子弹(代号叫“胖子”)，采用的就是内爆式结构，以钚239作核装药。弹重约4500公斤，弹最粗处直径约152厘米，弹长约320厘米，爆炸威力估计为20000吨梯恩梯当量。
原子弹的进一步发展就是氢弹，或称为热核武器。氢弹利用的是某些轻核聚变反应放出的巨大能量。它的装药可以是氘和氚，也可以是氘化锂6，这些物质称为热核材料。按单位重量的物质计，核聚变反应放出的能量比裂变反应更多，而且没有所谓临界质量的限制，因而氢弹的爆炸威力更大，一般要比原子弹大几百倍到上千倍。
不过热核反应只有在极高的温度(几千万度)下才能进行，而这样高的温度只有在原子弹爆炸时才能产生，因此氢弹必须用原子弹作为点燃热核材料的“雷管”。
氢弹爆炸时会放出大量的高能中子，这些高能中子能使铀238发生裂变。因此在一般氢弹外面包一层铀238，就能大大提高爆炸威力。这种核弹的爆炸，经历裂变一聚变—裂变三个过程，所以称为“三相弹”。它的特点是成本低、威力大、放射性污染多。
还有一种新型核弹，即所谓中子弹。中子弹实际上可能是一种小型氢弹，只不过这种小型氢弹中裂变的成分非常小，而聚变的成分非常大，因而冲击波和核辐射的效应很弱，但中子流极强。它靠极强的中子流起杀伤作用，据称能做到“杀人而不毁物”。
我们看到，原子弹是用铀制造的，也可以用钚制造，但钚是通过铀而制得的。而氢弹则必须用原子弹来引瀑。因此，归根结帮，核武器、热核武器的制造都离不开铀。因此，在过去，在今天，在今后相当长一个时期内，最重的天然元素之所以重要，首先在于军事上的需要。
我国在1964年10月16日成功爆炸了我国第一颗原子弹，1967年6月17日又成功地进行了首次氢弹试验，打破了超级大国的核垄断、核讹诈政策，为人类作出了贡献。我们相信，作为武器的原子弹和氢弹终究是要被消灭的。但是作为放出巨大能量的核爆炸，却在和平建设中有着吸引入的应用前景。
由于核爆炸释放出的能量特别巨大，所以它能使许多用其它方法不可能完成的工作得以完成。核爆炸可以用来开山、辟路、挖掘运河、建造人工港口等。例如，有一个方案，只需四次核爆炸就可开凿一个能停泊万吨巨轮的海港。
首先，进行一次百万吨梯恩梯当量级的核爆炸，就可炸出一个直径300多米、深30多米的大坑。然后进行三次规模较小的核爆炸，开出一条运河来把大坑和深海连接起来(这样的爆炸当然应尽量减少放射性物质的产生)。只要经过几个月的时间，当海潮把产生的少许放射性物质冲走后，这个海港就可安全使用了。
又如，许多地区有大量石油沥青沙层和油页岩，靠钻井并不能开采这种石油，但是核爆炸的高温高压能迫使这种石油流动，因而可以把它开采出来。据称，单把美国西部一个区域内的油页岩中的石油取出来，就可供全世界使用很长一段时间。
至于利用地下核爆炸的高温高压，将石墨变成金刚石，利用地下核爆炸的强大中子流生产超铀元素，则已开始实践了。
核爆炸还可以改造沙漠，使沙漠变成良田。很多干旱的沙漠地带其实也有一些雨水，但是这些雨水多半从地面流进地下河流、流入海中，剩下的一点则很快蒸发淖了，因此地面上没有一点水分，沙漠成了不毛之地。核爆炸可以造成巨大的积水层—“地下水库”。雨季时，雨水储在积水层中，然后慢慢地透过多孔的泥土湿润地表，使之适合于植物的生长。
和平利用核爆炸的前景确实是令人神往的。历史将雄辩地证明：人民将彻底埋葬超级大国的原子弹；几代科学家的辛勤劳动成果，必将完全用来造福于人类。
8．铀的提炼
最重的天然元素铀已经成为新能源的主角，那么铀又是怎样提炼出来的呢？
在居里夫妇发现镭以后，由于镭具有治疗癌症的特殊功效，镭的需要量不断增加，因此许多国家开始从沥青铀矿中提炼擂，而提炼过镭的含铀矿渣就堆在一边，成了“废料”。
然而，铀核裂变现象发现后，铀变成了最重要的元素之一。这些“废料”也就成了“宝贝”。从此，铀的开采工业大大地发展起来，并迅速地建立起了独立完整的原子能工业体系。
铀是一种带有银白色光泽的金属，比铜稍软，具有很好的延展性，很纯的铀能拉成直径0.35毫米的细丝或展成厚度0.1毫米的薄箔。铀的比重很大，与黄金差不多，每立方厘米约重19克，象接力棒那样的一根铀棒，竟有十来公斤重。
铀的化学性质很活泼，易与大多数非金属元素发生反应。块状的金属铀暴露在空气中时，表面被氧化层覆盖而失去光泽。粉末状铀于室温下，在空气中，甚至在水中就会自燃。美国用贫化铀制造的一种高效的燃烧穿甲弹—“贫铀弹”，能烧穿30厘米厚的装甲锕板，“贫铀弹”利用的就是铀极重而又易燃这两种性质。
铀元素在自然界的分布相当广泛，地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5，即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀，这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。铀在各种岩石中的含量很不均匀。例如在花岗岩中的含量就要高些，平均每吨含3.5克铀。依此推算，一立方公里的花岗岩就会含有约一万吨铀。海水中铀的浓度相当低，每吨海水平均只含3.3毫克铀，但由于海水总量极大，且从水中提取有其方便之处，所以目前不少国家，特别是那些缺少铀矿资源的国家，正在探索海水提铀的方法。
由于铀的化学性质很活泼，所以自然界不存在游离的金属铀，它总是以化合状态存在着。已知的铀矿物有一百七十多种，但具有工业开采价值的铀矿只有二、三十种，其中最重要的有沥青铀矿(主要成分为八氧化三铀)、品质铀矿(二氧化铀)、铀石和铀黑等。很多的铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色。有些铀矿物在紫外线下能发出强烈的荧光，我们还记得，正是铀矿物(铀化合物)这种发荧光的特性，才导致了放射性现象的发现。
虽然铀元素的分布相当广，但铀矿床的分布却很有限。国外铀资源主要分布在美国、加拿大、南非、西南非、澳大利亚等国家和地区。据估计，国外已探明的工业储量到1972年已超过一百万吨。随着勘探活动的广泛和深入，铀储量今后肯定还会增加。我国铀矿资源也十分丰富。
铀矿是怎样寻找的呢？铀及其一系列衰变子体的放射性是存在铀的最好标志。人的肉眼虽然看不见放射性，但是借助于专门的仪器却可以方便地把它探测出来。因此，铀矿资源的普查和勘探几乎都利用了铀具有放射性这一特点：若发现某个地区岩石、土壤、水、甚至植物内放射性特别强，就说明那个地区可能有铀矿存在。
铀矿的开采与其它金属矿床的开采并无多大的区别。但由于铀矿石的品位一般很低(约千分之一)，而用作核燃料的最终产品的纯度又要求很高(金属铀的纯度要求在99．9％以上，杂质增多，会吸收中子而妨碍链式反应的进行)，所以铀的冶炼不象普通金属那样简单，而首先要采用“水冶工艺”，把矿石加工成含铀60～70％的化学浓缩物（重铀酸铵)，再作进一步的加工精制。
铀水冶得到的化学浓缩物(重铀酸氨)呈黄色，俗称黄饼子，但它仍含有大量的杂质，不能直接应用，需要作进一步的纯化。为此先用硝酸将重铀酸铵溶解，得到硝酸铀酰溶液。再用溶剂萃取法纯化(一般用磷酸三丁酯作萃取剂)，以达到所要求的纯度标准。
纯化后的硝酸铀酰溶液需经加热脱硝，转变成三氧化铀，再还原成二氧化铀。二氧化铀是一种棕黑色粉末，很纯的二氧化铀本身就可以用作反应堆的核燃料。
为制取金属铀，需要先将二氧化铀与无水氟化氢反应，得到四氟化铀；最后用金属钙(或镁)还原四氟化铀，即得到最终产品金属铀。如欲制取六氟化铀以进行铀同位素分离，则可用氟气与四氟化铀反应。
至此，能作核燃料使用的金属铀和二氧化铀都生产出来了，只要按要求制成一定尺寸和形状的燃料棒或燃料块(即燃料元件)，就可以投入反应堆使用了。但是对于铀处理工艺来说，这还只是一半。
我们知道，核燃料铀在反应堆中虽然要比化学燃料煤在锅炉中使用的时间长得多，但是用过一段时间以后，总还是要把用过的核燃料从反应堆中卸出来，再换上一批新的核燃料。从反应维中卸出来的核燃料一般叫辐照燃料或“废燃料”。烧剩下的煤渣一般都丢弃不要了，可这种不能再使用的废燃料却还大有用处呢！
废燃料之所以要从反应堆中卸出来，并不是因为里面的裂变物质(铀235)已全部耗尽，而是因为能大量吸收中子的裂变产物积累得太多，致使链式反应不能正常进行了。所以，废燃料虽“废”，但里面仍有相当可观的裂变物质没有用掉，这是不能丢弃的，必须加以回收。而且在反应堆中，铀238吸收中子，生成钚239。钚239是原子弹的重要装药，它就含在废燃料中，这就使得用过的废燃料甚至比没有用过的燃料还宝贵。除此而外，反应堆运行期间，还生成其它很多种有用的放射性同位素，它们也含在废燃料中，也需要加以回收。
从原理上讲，废燃料的处理与天然铀的生产并无多大差别。一般先把废燃料溶解，再用溶剂萃取法把铀、钚和裂变产物相互分开，然后进行适当的纯化和转化。但实际上，废燃料的处理是十分困难的。世界上很多国家都能生产天然铀，很多国家都有反应堆，但是能处理废燃料的国家却并不多。
废燃料的处理有三个特点：一是废燃料具有极强的放射性，它们的处理必须有严密的防护设施，并实行远距离操作；二是废燃料中钚含量很低而钚又极贵重，所以要求处理过程的分离系数和回收率都很高；三是钚能发生链式反应，因此必须采取严格的措施，防止临界事故的发生。目前，废燃料的处理大都采用自动化程度很高的磷酸三丁酯萃取流程。
我们看到，在铀处理的工艺链中，相对于反应堆而言，铀水冶工艺在反应堆之前进行，所以通常叫做前处理，废燃料处理在反应堆之后进行，所以通常叫做后处理。而从铀矿石加工开始的整个工艺过程，包括铀同位素分离以及核燃料在反应堆中使用在内，一般总称为核燃料循环。
从以上极为简单的介绍就可以看出，铀和钚确是得之不易的。原子能工业犹如一条长长的巨龙，要最重的天然元素铀做出轰轰烈烈的事业，得经过多少次加工和处理、分析和测量、计算和核对啊！原子能工业又犹如一座高高的金字塔，要制造一颗原子弹，就要使用一、二十公斤铀235或钚239；要生产一、二十公斤铀235或钚239，就要消耗十来吨天然铀；要生产十来吨天然铀就要加工近万吨铀矿石。我们赞赏核电站的雄姿，惊叹原子弹的威力，可千万不能忽视支撑这座金字塔塔尖的无数块砖石啊！
9．优良的天然时钟
在日常生活中，我们通常用时钟和手表来计量时间。但在科学研究和技术测量中，有时要求测定短至百万分之一秒内发生的过程，有时又希望测定远至几十亿年前发生的历史事件。在这些情况下，就需要使用各种特殊的计时机构。但是，无论哪种计时机构，都有一个共同的特点，就是它们的运行规律必须是恒定的。
放射性同位素的衰变是一种自发进行的核过程，衰变的速率恒定不变，且不受一般的物理和化学条件的影响。所以放射性同位素也可用来计量时间，每种放射性同位素都好象是一架天然时钟。在放射性现象发现后不久，皮埃尔·居里和卢瑟福很快就领悟到了这一点。后来，逐渐建立起了同位素年代学这一门学科，目前它已渗透到天文学、地球科学、考古学等许多领域。这里只是扼要介绍最重的天然元素铀在这方面所起的重要作用。
放射性同位素是如何起到天然时钟的作用的呢？我们知道，放射性同位素衰变掉一半所需要的时间称为半衰期。每种放射性同位素都有自己特征的半衰期，例如铀238的半衰期约为45亿年，铀235的半衰期约为7亿年，而铀234的半衰期约为25万年等等。假定某放射性同位素原有N个原子，那么经过一个半衰期后就衰变掉一半，剩下0.5N个原子；再经过一个半衰期又衰变掉剩下的一半，就只剩下0.25N个原子了……，依此类推，一直到全部衰变掉为止。
这样，知道了放射性同位素原有的原子数、衰变剩下的原子数和衰变常数(它的物理意义是单位时间内发生衰变的原子数)，即可很方便地算得它所经历的衰变时间。对于历史事件的年龄测定而言，原有的原子数已无法直接测定了，但是剩下的原子数是知道的。如果衰变生成的原子是稳定的，不再发生衰变，那么它的原子数也是可以直接测定的。
同位素年龄测定法已在许多领域中得到了广泛的应用。但是这种方法有一个要求，就是所使用的放射性同位素的半衰期要与欲测量的年龄相当，既不能太长，也不能太短。否则不是测不准确，就是根本无法测量。这是因为，若半衰期太长，则放射性同位素衰变生成的原子数太少了；若太短，则早就全部衰变掉了。
因此，对于古老地质年龄测定而言，所使用的放射性同位素的半衰期应与地球的年龄(约45亿年)相当，即在几亿年到几百亿年的范围内。符合这一要求的放射性同位素只少数几种。铀238和铀235的半衰期分别为45亿年和7亿年，它们正是属于最适合于测定地质年龄的放射性同位素之列(其它还有钾40、铷87和钍232等)。
我们知道铀238经8次α衰变和6次β衰变，最终衰变为铅206；铀235经7次α衰变和4次β衰变，最终衰变为铅207。由于铀放射系和锕铀放射系的各中间成员的半衰期，与其始祖同位素铀238和铀235的半衰期相比要短得多，因此对于年龄测定来说，可以把铀看作是直接衰变成了铅。于是，通过岩石中铀238的量和铅206的量的测定，或通过其中铀235的量和铅207的量的测定，就可根据年龄公式方便地计算出岩石(或矿物)的年龄。这种年龄测定法基于铀量和铅量的测定，所以称为铀—铅法。
铀衰变成铅时，放出的α粒子就是氦的原子核，它们捕获两个电子就成了氦原子。因此，通过岩石(或矿物)中铀量和氦量的测定，也可以把年龄计算出来。这种方法叫做氦法。
另外，铀238和铀235这两个同位素目前在岩石(或矿物)中的比值是恒定的(为137.8)，根据简单的推导可知，只要知道了铅206和铅207的比值，也就可以计算出年龄来。这种年龄测定法不需测铀，只需测铅，所以称为铅法。
以上讲的是铀—铅法、氦法和铅法的一般原理，在实际测定年龄时，当然还要考虑一些复杂的情况，例如在岩石(或矿物)形成时，可能原来就含有一些铅或氦，铀、铅或氦在各地质时期有可能丢失或加进等等。这些因素都必须用适当的方法加以修正。铀在地壳中广泛分布，存在于多种岩石中，所以基于铀的年龄测定法适应性很强。
铀234是铀放射系的一个中间成员，它在天然铀中只含约0.0055％。不过铀234在地壳中的总量，比某些稳定元素如氙在地壳中的总量还多，与稳定同位素铼185差不多，比金只低一个数量级。由于铀234的性质很平常，很长时间内没发现它有什么实际用途。但近年来，在年龄测定方面却找到了它的应用价值。
上面讲过，同位素年龄测定法要求放射性同位素的半衰期与欲测对象的年龄相当，由于这个原因，一百万年左右的年龄数据一直很缺乏。铀234的半衰期约为25万年，所以铀234的年龄测定法正好可以填补这一空白，现在在这方面已经取得不少成果。
铀238(及铀235)除了发生α衰变外，还发生自发裂变。它的自发裂变半衰期约为一亿亿年。自发裂变产生的裂变碎片会使晶格发生损伤，通过适当的化学处理可使之显露出来，一般称之为裂变径迹。借助于显微镜或甚至凭肉眼，测定了矿物或其它样品的径迹密度，就可以计算出年龄来，称为裂变径迹法。
由于裂变径迹法可对单个径迹进行计数，所以它有一个突出的优点，就是测量范围很广，既能测定长至几十亿年的年龄，又能测定短至几百年的年龄。我国科学工作者就用这种方法首次对北京猿人的用火年龄进行了成功的测定。
下面，我们来谈一谈很有趣味的地球年龄和元素年龄的测定问题。
关于地球的年龄，历史上曾有过热烈的争论。有人认为地球是永恒的，地球的年龄是无限大的。但由天文观测得知，宇宙中的星球都处在不同的发展阶段，有新生的、成年的、衰老的，难道只有地球是例外，是永恒的吗？这种看法显然是不符合客观实际的。
那么，地球的年龄有多大呢？1654年，爱尔兰的一位大主教引经据典，居然考证出地球是在公元前4000年10月16日上午9时，由上帝创造的，这当然是无稽之谈。
十九世纪后半叶，许多科学家从不同的角度出发，对地球的年龄作了估计。例如赫尔姆霍兹从太阳热的持续时间考虑，计算出地球的年龄为二千二百万年；凯尔文根据地球是由炽热的液体冷却凝固而成的假定，得出地球的年龄是二千万到四千万年；达尔文认为月球可能是从地球分裂出去的，由此计算出地球的年龄是五千七百万年。
这些年龄数值只有地球实际年龄的百分之—左右。当时的许多地质学家则认为地球的年龄要比这些数值高得多。例如，1893年里德根据沉积速率的研究，计算出地球至少已存在6亿年。但此值仍偏低很多。直到同位素地质年龄测定法出现以后，才使人们有可能对地球的年龄作出比较科学的回答。
铀是唯一含有两个适于作地质年龄测定的长寿命放射性同位素的元素，它在用作地球年龄测定时，具有独特的优点。基于铀的地球年龄计算公式表明，需要知道三组数据：目前铀同位素的比值；目前铅同位素的比值；地球形成时铅同位素的原始比值，即可。第一组数据是已知的，目前铀238和铀235的比值为137.8；第二组数据是可以直接测定的。但是第三组数据，即铅同位素的原始比值却并不那么容易确定。开始时，根据地球的铅同位素数据来进行计算，所的数据取得了比较满意的结果。
陨石是从哪儿来的？也许有很多读者没有亲眼看见过陨石，但一定领略过流星的神奇景象。在宁静晴朗的夜晚，谈淡的银河横贯长空，群星闪烁。忽然间，好象有一颗星星离开了天空，默默地在苍弯下划过，消失在天边。这转眼即逝的流星，实际上是从太空闯入地球大气层的尘埃或小石子，它们与空气摩擦生热，燃烧发光。极少数很大的石块没有烧尽而掉到地面上来，就是平常所说的陨石。
陨石分石陨石和铁陨石两大类。有一种假说认为，大部分陨石是太阳系里一颗行星炸裂后形成的碎块，至于这颗行星炸裂的原因，目前还不大清楚。但是这颗行星差不多与地球同时形成，且与地球相类似，外层是岩石圈，中心有个铁核，因此石陨石相当于地壳物质，而铁陨石则相当于地核物质。陨石物质成分的分析结果表明，铁陨石中铀含量极为微小。因此假定铁陨石中的铅不含有由铀衰变而来的铅，而相当于地球形成时的原始铅。
在铅中，一般含有四种铅同位素，即铅206、铅207、铅208和铅204，其中铅204是非放射性成因的，它的量不随时间而改变，因此通常取作铅同位素比值的参比标准。铁陨石中有一种矿物叫陨硫铁(主要成分为硫化铁)，其铅206与铅204的比值为9.46，铅207与铅204的比值为10.29。采用这组数据作为铅同位素的原始比值，算得的地球年龄为45亿年左右。
当然，铁陨石中的铅同位素比值究竟是否与地球形成时的铅同位素比值相同，需要进一步研究证实。但在目前，在所有的地球年龄数据中，这个结果是论据最足、最普遍为人们所接受的。
地球是在大约45亿年前形成的，那么更有意思的是，组成地球本身的元素是否有一定的年龄呢？究竟有多大的年龄呢？著名的核物理学家卢瑟福首先回答了这个问题，他在1929年第一次科学地测定了元素的年龄，这个元素就是最重的天然元素铀。
要确定铀的年龄，关键是要知道铀形成时的原始同位素比值。知道了这个数值就可方便地计算出铀的年龄来。譬如说，假定铀238与铀235的原始比值为1，则可算得铀的年龄为60亿年；原始比值为2，则铀的年龄为52亿年。
不过，铀形成时的原始同位素比值要比地球形成时铅的原始同位素比值还难于确定。不同的方法所推得的数值有很大的差别，比较合理的数值为1.64，或1.97，或1.80，由此得出的铀的年龄为55亿年左右。这个数值与其它方法估算的元素年龄数值是大致吻合的。
卢瑟福在1929年算得的铀年龄约为34亿年，此值与现代的数值还相差一段距离。不过，这已经是难能可贵的了，因为在当时铀235还没有被发现，更无从知道它的半衰期究竟是多少了。
现在，我们可以着手编制一张古老历史的年表了，为了完整起见，我们把银河系的年龄也列在表里：银河系的年龄约120亿年；某些元素的年龄约55亿年；地球的年龄约45亿年；地壳的年龄约35亿年。编制这张历史年表，铀在其中起着重要的作用，铀真不愧为一架优良的天然时钟。
由于天体演化和地球起源等问题都还处于假说阶段，因此要科学地回答地球年龄等一系列问题都还存在不少困难。但毫无疑义，随着科学技术的发展，这些问题必然会越来越清楚，假说将由于科学根据越来越充分而发展成为科学理论。铀作为天然时钟，必将在这一重要领域中始终起重要的作用。
10．“化石”反应堆
地球上存在着各种各样的天然核转变过程：例如放射性衰变，自发裂变，中子诱发裂变以及其它许多类型的核反应。这些核转变过程，释放出巨大的能量，它们是地球演化的主要内部能源。最重的天然元素铀，在这方面起着十分重要的作用：
首先，对于衰变能而言，只有那些半衰期与地球年龄相当的放射性同位素，才对地球的演化具有实际意义，这类同位素为数并不多，而铀238和铀235就是其中的两种(其它还有钍232和钾40等)；第二，天然存在的自发裂变元素只有两种，铀就是其中一种(另一种是钍)；第三，铀235是唯一天然存在的能在中子作用下发生裂变(中子诱发裂变)的同位素。尤其值得指出的是，计算表明，在地球历史开始的三十亿年内，铀235的中子诱发裂变能，是各种核转变能中最重要的能源。
核转变能的考虑，使地球的演化学说发生了根本性的变革。这里我们不打算讨论这方面的各个细节，而只是向读者扼要地介绍一下饶有趣味的天然反应堆问题。
1942年，当费米领导下的小组，在芝加哥大学一个严格保密的实验室里启动他们的核反应堆时，无论谁都以为，这是开天辟地第一个核反应堆。但是有谁知道，实际上早在大约十八亿年前，天然的反应堆就开始在地球上运行了。
在非洲西海岸四季如夏的赤道附近，加蓬共和国的奥克洛铀矿中，就埋藏着六个天然反应堆的遗迹—“化石”反应堆。这些反应堆在奥克洛矿的富铀矿体中达到过临界，消耗了部分燃料，然后停息了下来，在地下沉睡了十八亿年，终于在1972年被法国的科学工作者所揭露。
存在天然反应堆的第一个线索是由法国的鲍齐奎斯发现的。鲍齐奎斯是法国彼埃尔拉特气体扩散工厂的一个工作人员，他的工作是对天然铀进料进行常规分析。天然铀中，铀235含量的精确数值是0.7202％，这个数值是相当恒定的，最大偏差也过不了千分之一。这样看来鲍齐奎斯的工作是相当乏味的，成天就跟那些与0.7202％相差无几的数据打交道。
但是，1972年5月的一天，当鲍齐奎斯和往常一样对天然铀进料作常规分析时，得到了一个奇怪的结果，一个天然铀样品中铀235的含量为0.7171％，这个数值比正常的数值偏低千分之四。这样大的偏差在很多情况下是微不足道的，但是在这里却具有重要的意义，因为它已远远超出了统计误差所允许的范围。鲍齐奎斯没有放过它，法国原子能委员会也没有忽视它。
这一偏差是怎样产生的呢？开始他们考虑，可能是由于气体扩散工厂的贫化铀“尾料”的沾污所引起的。因为只要有一点点贫化铀混进了天然铀样品，就会使该样品的铀235含量显著偏低。于是，他们对其它一些绝对不会被贫化铀沾污的样品作了分析，结果发现，这些样品中的铀235含量也都偏低，这就排除了贫化铀沾污的可能性。
为了查清产生这一偏差的原因，他们通过生产过程的工艺链，做了一系列的“侦探”工作，从法国的铀处理工厂到加蓬共和国的铀矿石加工工厂，一直追踪到奥克洛露天铀矿。最后终于查明，这个铀235含量偏低的天然铀样品，确是来自奥克洛铀矿。当他们对该矿的样品进行分析时，十分惊讶地发现，该矿富铀矿体铀样品中的铀235，竟贫化50％之多。
那么，奥克洛矿的铀为什么会发生贫化呢？短缺的铀235又到哪里去了呢？
铀同位素的组成在整个太阳系的范围内都是相当恒定的，不仅对于地球样品是如此，就是对于月球样品和许多陨石样品也是如此。普通的物理和化学过程可使铀从一个区域迁移到另一个区域，使分散的铀集中(当然也可使集中的铀分散)。所有的铀矿，包括奥克洛铀矿在内，都是以这样的方式形成的。然而这样的过程对于铀235和铀238的作用是相同的，不能引起铀235的显著贫化或浓缩。也就是说，这样的过程不能使奥克洛铀矿中的铀235贫化如此之多。
随着研究工作的深入，问题逐渐明朗化了。原来，短缺的铀235不是由于普通的物理和化学过程迁移走的，而是由于核物理过程(裂变)在原地破坏的。奥克洛铀矿的富铀矿体中，铀235大大贫化，同时含有大量的裂变产物元素。这些元素的同位素组成与正常的同位素组成很不一样，而与由核裂变产生的同位素组成极为一致。
种种证据都表明，在遥远的过去，奥克洛铀矿中曾有六个富铀区域以天然反应堆的形式运行过。法国的科学工作者经过三个月的精心侦探，终于证实：是大自然，而不是人，构筑了地球上的第一座核裂变链式反应堆；人不是反应堆的发明者，而是大自然的不自觉的模仿者。
在法国科学工作者宣布发现奥克洛天然反应堆时，不少人，尤其是一些核物理学家曾对此消息抱有怀疑：费米等一批世界上最优秀的物理学家，对材料的纯度、结构的几何配置等，作了异常精心的考虑之后，才在芝加哥大学建成了一座核裂变链式反应堆，难道大自然有同样的能力构筑这样的反应堆吗？
表面上看来，似乎确实是不可能的。要造成核裂变链式反应，首先要有相当大量浓度很高的铀；其次，由于天然铀中只含有0.72％的铀235，只有用重水作慢化剂才有可能达到临界；第三，即使上述两个条件满足了，也并不等于真能达到临界了，还必须使铀与慢化剂之间有某种适宜的几何配置。显然，自然界虽有浓度很高的铀矿存在，但是自然界从未存在过足够纯的重水。
那么，奥克洛反应堆的遗迹究竟是从何而来的呢？或许是很早以前，遥远的天外来客丢弃在地球上的废核燃料吧！这种想法过于浪漫了一点。其实，我们完全用不着借助于天外来客，而只要回到十八亿年前，就可以对“化石”反应堆的来源作极为合理的解释了。
我们知道，铀235的半衰期约为7亿年，铀238的半衰期约为45亿年，也就是说，铀235要比铀238衰变得快得多，因此越是在地球历史的早期，天然铀中铀235的含量就越高。
经计算很容易得知，铀中铀235的含量在7亿年前为1.3％，在10亿年前为1.6％，在14亿年前为2.3％，在21亿年前为4.0％，在28亿年前为7.0％，在地球形成时为17％。象奥克洛那样在十八亿年前形成的古老铀矿，开始时铀中的铀235含量约为3％。铀中的铀235含量这么高，根据反应推理论，只要用普通水作慢化剂，就有可能达到临界了。那么，再加上其它合适的条件，天然链式反应就完全有可能发生了。
问题的关键就在于铀中铀235含量的不同：芝加哥反应堆使用的铀，铀235的含量只有0.72％，而十八亿年前奥克洛反应堆的铀，铀235的含量却高达3％。因此，核物理学家要是处在十八亿年前，他们就会发现，反应堆的建造要比现在容易得多了。
经详细研究得知，奥克洛矿富铀矿体的厚度约为1米，长度约为100米，平均铀浓度约为25％；链式反应涉及了约500吨以上的铀，持续了5000到1500000年；反应期间释放了大约相当于1000亿度电的能量。
关于天然链式反应的控制机制，一般认为水作为慢化剂在其中起着决定性的作用。我们可以设想，反应堆是这样运行的：链式反应首先以一系列局部“核火”的形式发生，开始只局限于反应区内最富铀的“热斑”处。以后，随着硼等毒物元素(吸收中子能力很大的元素)的“烧掉”，这种核火逐渐蔓延到铀浓度较小的邻近区域，产生的热量大大增加。
此时，起慢化剂作用的水因沸腾而逐渐除去，致使中子增殖系数逐渐降低，直至链式反应完全停息。过后，由于链式反应的停息，反应堆逐渐冷却下来，液态的水又重新注入反应堆堆芯，使中子增殖系数增加，链式反应重又开始。这样周而复始，链式反应得到了很好的自动控制。
关于地球历史上存在天然链式反应堆的可能性，也曾有一些科学家预言过。例如，早在六十年代初，我国地质学家侯德封教授就明确指出：“根据铀同位素丰度的计算，20～22亿年前天然铀中的铀235同位素丰度特别高，在岩石中存在有‘慢化剂’(如水、碳等)，根据反应堆中铀产生链式反应的理论计算，在岩石或矿石中有可能产生规模较大的链式反应。”
这里我们又一次看到了科学预言在科学发展中所起的指导作用。法国科学工作者之所以对天然铀样品中铀235含量的稍稍降低如此敏感，是因为原来就有了关于天然链式反应的科学预言，因而他们迅速而顺利地证实了天然链式反应的存在，而并没有产生象发现铀核裂变时所出现的那种混乱局面。
“化石”反应堆的研究，无论在科学理论上还是在实践上都有着重要的意义。在地球早期的历史中，天然反应堆为地球演化提供了重要的能源。“化石”反应堆的研究将有助于阐明沉积岩中铀矿床的成因和变化，从而有助于铀矿的查明。
“化石”反应堆的研究，还可为反应堆的运行和控制机制、材料的长期辐照行为等一系列重要问题提供极有价值的资料。尤其值得指出的是，“化石”反应堆的研究为放射性废物的最终处置指出了一条可能的途径。
原子能发电有许多优点，但也有它突出的缺点，就是会产生大量的放射性废物。随着原子能事业的不断发展，放射性废物的处置也就成了一个越来越严重的问题。放射性废物如果保存得不好，就会污染环境，危害人类，甚至危及子孙后代。因此，各国科学家一直在为寻找安全处置放射性废物的方法。人们早就设想，把放射性废物埋藏在废弃的探矿井中，但是苦于不知道放射性废物的长期迁移情况。要设计一个实验，来测定放射性废物在数百万年内的迁移情况，显然不是人类的能力所及的。
然而奥克洛“化石”反应堆已经为我们完成了这样的一个实验，表明放射性废物中的各种有害物质，经过了十几亿年的长期地质作用，仍然相当稳定地保留在原来的地方。这就说明，在适宜的地质建造中埋藏放射性废物，是一种很有希望的最终处置方法。
奥克洛“化石”反应堆是目前发现的仅有的一批“化石”反应堆，但显然不应该是独一无二的。据估计，在年龄大于10亿年、矿体厚度大于50厘米、铀含量大于20％(重量)的铀矿床中，都有可能发现“化石”反应堆。在加拿大、澳大利亚和美国的一些铀矿中都发现存在“化石”反应堆的迹象。另外，考虑到奥克洛“化石”反应堆是偶然被揭露的，因此不少的“化石”反应堆也有可能已被发掘，但没有引起注意。我们相信，随着时间的推移，一定会有更多的“化石”反应堆陆续被发现。
这里，我们不禁联想到一个更有趣味的问题，那就是在近代，尤其是在目前，地球上是否有可能存在天然链式反应呢？
前面已经讲过，由于铀235的同位素丰度目前只有0.72％，在一般条件下，用普通水作慢化剂是不可能使天然铀达到临界的。但是，若有性能更好的慢化剂如石墨存在、并与铀适当配置的话，那么天然链式反应目前看来也并不是绝对不可能发生的，当然发生的几率一定是极其微小的。
然而，这只是对地壳表层而言的，至于地球深处，情况就要复杂得多了。在那里，由于压力和温度极高，而使地质和地球化学过程，与地表温度和压力不太高的环境有很大的区别，因此，铀或许能以某种特殊的机制得以富集，那么在这种情况下，是否有可能发生天然链式反应呢？
看来，目前还不应该将这种可能性完全排斥。这是因为，地球深处压力和温度高得很，这对于造成临界是一个非常有利的条件。一方面，压力的增加势必使密度增高，而密度的增高又导致临界质量的减小；另一方面，在高温高压下，水对中子的慢化效果或许要好得多；再则，在此特殊条件下，中子反射体的性能或许能有所改进。因此，这些有利条件的综合，就有希望在地球深处构成一个临界体系。
上述假说如果真能得到证实，无疑会在地球科学中爆发一场革命，诸如火山活动、深部地震等一类悬而未决的古老问题，将因此而得到更为满意的解释。
当然，在目前的技术条件下，要验证这一点是非常困难的。看来对于地球内部中微子强度异常的探测，或许有助于这个问题的解决。铀核裂变时，会产生大量β放射性的裂变产物。这些裂变产物衰变时，除放出β粒子外，还会放出一种叫做中微子的基本粒子，中微子具有极强的穿透能力，能毫不费力地穿透整个地球。因此，地球深处若有核链式反应存在，就必然会有强大的中微子流作为链式反应的唯一直接信息，射达地面。可以相信，中微子探测技术的进展，迟早会对这一假说作出最终的检验。
11．比铀还重的元素
天王星是1781年由德国著名天文学家赫歇耳发现的，它绕太阳公转的轨道稍微有些反常。天文学家断定：在天王星轨道外面，一定还有某颗末被发现的行星在对天王星施加引力。年轻的英国天文学家亚当斯和法国天文学家勒维耶根据牛顿万有引力定律，各自独立地计算出了这颗假想行星的位置。
1846年，德国天文学家加勒将望远镜对准宝瓶星座内勒维耶所指的那一点，果然发现了一颗新行星，它被命名为海王星。海王星的发现轰动一时，是天文学史上的一个奇迹，至今令人赞叹。
但是，在化学元素中的“天王星”—铀的后面，还有更重的元素存在吗？自从门捷列夫确定了铀的最重元素地位以后，人们就开始提出这个问题。经过许多科学家的长期努力，终于证明铀后面确实存在着更重的元素。不过，化学元素中的“海王星”的发现，要比行星中的海王星的发现困难得多，也迟得多。
从发现天王星到发现海王星，前后经历了六十多年，而从发现铀(原意天王星)到发现镎(原意海王星)，前后却经历了一百五十多年。
在自然界探索超铀元素的工作很早就开始了。人们原先认为，92号元素铀与铬同族，所以推测93号元素应与锰同族，性质上更类似于铼。因此1925年就曾有人在商品锰和软锰矿中探索93号元素，但未获成功。
1934年，捷克化学家科布立克从沥青铀矿中分离出一种“铼的类似物”。重量分析测得其“原子量”为240，因此他认定这就是93号元素并进行了命名，声称沥青铀矿中含此元素达1％。科布立克把样品寄给当时公认的稀土元素分析方面的权威、元素铼的发现者诺达克夫妇，以便作最后的鉴定。但是诺达克夫妇鉴定结果表明，这种物质根本不是什么93号元素或其它未知的新元素，而实际上只是一种存在于矿石中的钨、钒和银的复杂混合物。
在探索未知事物的过程中，探索者的伴侣常常是失败而不是成功。但是暂时的挫折从未能动摇探索者前进的决心。
此起彼伏，年轻的意大利学者费米在罗马开辟了一条新的道路，用中子轰击铀的方法来合成超铀元素。如前所述，费米的工作导致了铀核裂变这一重要现象的发现。虽然费米、伊伦，居里和哈思等没有能发现真正的超铀元素，然而铀核的裂变并不排斥存在超铀元素的可能性。以后的工作证明，费米的道路确实是一条通向发现超铀元素的成功的道路。
1938年底发现核裂变现象后，人们的注意力都集中在裂变现象的研究上，而把超铀元素的问题搁在一旁了。裂变现象发现前，费米等把裂变产物误当成超铀元素，而这时又有个别科学家犯了相反的错误，把真正的超铀元素误当成裂变产物，放过了作出重大发现的机会。可是，美国科学家麦克米伦在核裂变的狂热中保持了冷静的头脑，终于完成了费米等未竟的事业。
当时(1939年裂变现象发现后不久)，麦克米伦正是采用中子轰击铀薄片的方法，来研究裂变产物的射程。他注意到，大部分裂变产物从薄片上反冲出来，但是半衰期为23分钟和2.3天的两种放射性物质留在薄片内。
这23分钟的放射性物质已经知道是铀239，它是由铀238俘获一个中子生成的。但这2.3天的放射性物质是未知的，它究竟是什么呢？若是裂变产物，它就应从薄片中反冲出来，它不反冲，就说明它可能也是简单中子俘获过程的一个产物。换句话说，麦克米伦推测它有可能是一个超铀元素。1940年的春天，他与艾贝尔森合作，用化学的方法证实，这种半衰期为2.3天的放射性物质，确是一种新元素—93号元素的一个同位素。
就这样，超铀元素的探索导致了裂变现象的发现；而裂变现象的进一步研究，却又导致了超铀元素的真正发现。鉴于铀的名称由天王星而来，按照太阳系行星的次序，下一个便是海王星，于是麦克米伦和艾贝尔森把93号新元素命名为镎(原意海王星，元素符号Np)。
镎的发现，终于动摇了铀的最重元素的地位，开辟了超铀元素这一全新的领域。
麦克米伦和艾贝尔森当时制得的镎同位素是镎239。现在知道，镎239是β放射体，它衰变为94号元素的一个同位素钚239(它就是我们前面介绍过的一种重要的裂变物质)。
钚239仿佛已是垂手可得的了，但当时麦克米伦和艾贝尔森只是考虑了这种可能性，由于钚239放射性较弱，未能把它鉴定出来。同年，西博格和麦克米伦等在用氘核轰击铀时发现了钚。
在镎和钚发现后，又用人工核反应的方法制取了95号元素镅(Am)、96号元素锔(Cm)、97号元素锫(Bk)和98号元素锎(Cf)。在氢弹爆炸的产物中发现了99号元素锿(Es)和100号元素镄(Fm)。后来又用重离子反应陆续合成了101号元素钔(Md)、102号元素鍩(No)、103号元素铑(Lr)以及104～107号元素。
苏、美两国科学家，都认为自己是104号和105号元素的发现者，按照国际惯例，新元素的发现者对新元素有命名权，这样就使这两个元素目前各有两个名称。苏联科学家用104号元素纪念苏联核物理学家库尔恰托夫，美国科学家则用它纪念核物理学的奠基者卢瑟福；美国科学家用105号元素纪念核裂变现象的发现者哈恩，而苏联科学家用它纪念原子物理学的奠基者玻尔。
这种情况的出现，不但反映了苏、美两国科学家在超铀元素领域内的激烈争夺，而且说明了合成和鉴定这些元素决不是一件容易的事。就拿101号元素钔来说吧。在1955年发现这个元素的实验中，美国科学家吉奥索等全力以赴，背水一战，把他们当时所拥有的大约十亿个锿253原子全部用来作为靶子，并用强大的α粒子流进行轰击。即便是这样，一次轰击时间为三小时的实验，估计也只能产生一个101号元素的原子。他们在头八次实验中，确实总共只不过得到了十七个101号元素的原子。地球诞生以来的几十亿年中，地球上大概从来没有一种物质，曾以这么微小的量存在过吧！
由此可知，鉴定和研究这些元素是多么困难，这往往是在一次实验中得到一个或几个原子的基础上进行的。要进行研究，在实验中起码要得到一个原子，但并非所有实验每次都能产生一个原子的！
超铀元素在它们被发现后不久，就找到了极为重要的用途。正象我们已知道的，钚239是一种极为重要的裂变物质，可以用作核反应堆的燃料和原子弹的装药。另外还有几种超铀同位素如锔245、镅242(同核异能态)等也是裂变物质，而且它们的临界质量很小，如镅242(同核异能态)的临界质量就只有23克，因此可以用来制造具有特殊用途的超小型反应堆和原子弹。有人猜测，所谓的中子弹有可能是用这类超小型原子弹引爆的小型氢弹。
超铀元素的另一个重要用途是作为辐射能源，制造核电池。其中钚238制造的核电池已在地面、水下、太空和医学等许多方面得到了应用。例如美国“阿波罗”登月飞船的宇航员，曾先后把五个钚238制造的核电池安放在月球上，为月面科学试验站提供动力。这种核电池输出功率为70瓦左右，重不到20公斤，能在月面恶劣的环境中正常工作，使用寿命一年以上。又如以钚238为能源的心脏起博器，已在1970年首次植入人体，获得成功，现正在逐步推广。
超铀元素都是放射性的，许多超铀同位素都是性能优良的辐射源。例如镅241作为低能γ源，可用来进行X荧光分析；作为α源可用来创造火灾报警器、避雷器等；还可用来制造用途广泛的中子源。又如锎252，它自发裂变时放出大量的中子，是一种理想的中子源。可以制成每秒几个中子到每秒一百万亿个中子的不同强度的中子源。高强度的锎252中子源，在强度上可以与小型反应堆相匹敌，而且结构紧凑，便于携带。
从以上列举的几个简单例子，我们就可以看到，超铀元素的用途是多么重要、多么广泛，比起铀来，真可谓青出于蓝而胜于蓝了。
超铀元素的人工合成，使人们掌握了超铀元素的性质，从而给探索自然界超铀元素的工作指明了方向。
1942年，西博格等第一次确证了钚在自然界的存在。他们用共沉淀法和氧化—还原循环，从400克沥青铀矿中分离出了微量的钚239，并用放射化学法作了特征性鉴定。
按照钚239的半衰期(约24,000年)，原始的钚239是不可能在地球上存在的，它们早已“死绝”了。这就怪了，它们是从哪儿来的呢？原来，地球上天然放射性物质放出的α粒子，与轻元素发生核反应，会产生中子；宇宙射线中也有一些中子射到地球上来；铀和钍等很重的重元素发生自发裂变，也会放出一些中子。总之，地球上存在天然的中子源，这种中子与铀238作用，就会象在反应堆中那样，生成钚239。铀矿中的钚239就是以这种方式产生的，它的含量十分微小，一般只为铀的千亿～万亿分之一。
由于钚239是由铀238俘获中子而生成的，显然，也就说明镎239在自然界的存在，只是其含量比钚239还要低几个数量级。而存在量较大一些的是镎237(半衰期为214万年)，它是由铀238与快中子反应生成的。有人曾鉴定出，在某沥青铀矿中，镎237的含量约为铀的一万八千亿分之一。
上述的钚和镎的同位素，都是由天然核反应产生的(估计由天然核反应可能生成直至100号元素镄的一系列元素)，或许可以说它们不能算是真正的天然元素。但是有些超铀同位素却由于本身的半衰期相当长，而至今在地球上仍有微量存在。
钚244就是一例。钚244的半衰期为八千万年，约等于地球年龄的六十分之一，也就是说，从地球形成到现在，钚244的量已经减少了约2^60倍。而2^60与10^20。相接近，所以也可以说钚244的量减少了10^20倍。可见，目前地球上即使能找到钚244，其量也已经是微乎其微的了。
1971年，美国一个研究小组从约85公斤的氟碳铈镧矿中，分离出了极少量的钚244。他们先用萃取法纯化，得到9升原始溶液，再以钚236和钚242作示踪剂，用萃取法和离子交换法浓集钚244。钚244的量用质谱法测得为两千万个原子，相当于每吨氟碳铈镧矿约含一万亿分之一克。由于钚244的发现，就完全有理由认为钚是天然元素了。
另一个有可能独立地存在于地球上的超铀同位素是锔247。它的半衰期约为两亿五千万年。曾有人报道过，在较年轻的、铀235相对富集的矿物中，发现有锔247的痕迹，还发现有其衰变产物镅243和钚239的痕迹。
从以上叙述可以看到，随着科学技术的发展，既动摇了铀的最重元素的地位，也动摇了铀的最重天然元素的地位。但是至少从太阳系的范围而言，天然超铀元素的存在量是很微小的，能大量得到的天然元素仍数铀最重，至少目前还看不出提取比铀还重的天然元素会有什么实际价值。向元素周期表后面的发展，将依然是以铀为基础的。因此，称铀为最重的天然元素仍不失其合理性。
如果考察一下超铀元素的半衰期，我们就会看到，随着原子序数的增加，半衰期急剧地变短。据此推算，到了110号元素，其半衰期为十万分之一秒；到115号元素，半衰期就只有百亿分之一秒了。按照这种趋势，可能合成的新超铀元素的数目显然是已经屈指可数了，充其量不过十个左右。
看来，元素周期表很快就要到尽头了。但是，“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”，根据现代核物理理论的推测，超铀元素的半衰期随着原子序数的增加而急剧下降以后，还有回升的可能性。即预测超铀元素的后面还存在一批很重的所谓“超重元素”，其半衰期可能为千百年，甚至长达几千万年、几十亿年。
超重元素的可能存在，主要是根据核结构的壳层模型推测的。我们先看一看原子结构的情况。在原子中随着核外电子一个壳层一个壳层的填充，元素的化学性质发生周期性的变化，形成了元素周期表中一个一个的周期。每个周期的结束元素，即惰性气体，具有满壳层的电子结构，核外电子数分别是2、10、18、36、54和86。它们显得特别稳定，一般不与其它元素起化学反应。
在原子核的结构方面，也有类似的情况。原子核内的质子数或中子数每增加到一定的数目时，就构成一个满壳层。具有满壳层的原子核特别稳定。满壳层的质子数或中子数称为壳层数或幻数。已知的质子和中子幻数是2、8、20、28、50和82，对于中子，126也是幻数。当原子核内质子数相中子数都是幻数时，则核就显得更为稳定，这种原子核称为双幻核。例如，氧16(由8个质子和8个中子组成)就是一个双幻核，它特别稳定，是地球上存在量最大的一个同位素。又如铅208(由82个质子和126个中子组成)也是一个双幻核，它是最重的一个稳定同位素。
计算结果表明，下一个质子幻数为114，中子幻数为184，因此原子序数(即质子数)为114、质量数(即质子数加中子数)为298的原子核是一个双幻核。这个双幻核应该具有特殊的稳定性。而推测围绕着这个双幻核，在原子序数为108～126、中子数为176～196区域内，可能存在一批比较稳定的超重核。这一区域通常形象地称为超重元素“稳定岛”。
我们可以想象，所有已知元素的同位素构成了一个稳定性半岛，山峰和山脊表示更高的稳定性。过了稳定性半岛，就是不稳定性海洋(即原子核寿命极短或根本不可能存在原子核的区域)，海中有一个孤岛，即所谓超重元素稳定岛，它表示存在一些相当稳定的超重核。
据推测，超重元素可以用来制作没有放射性的超小型核武器和无放射性的热核武器引爆装置。同时，超重元素的研究，将给某些自然科学学科带来新的突破，为元素周期律、原子核结构、元素起源和天体演化等等，提供更加充分的科学论证。
超重元素的研究具有如此重大的理论意义和实际意义，所以受到世界各国的普遍重视。从六十年代中期起，许多国家的科学家为了登上超重元素稳定岛，作了巨大的努力。这包括两方面的工作：一是用人工的方法合成超重元素，二是在自然界寻找天然存在的超重元素。
使用人工合成的方法要想登上稳定岛，就必须越过不稳定性海洋。这就意味着，除了用很重的元素作靶子外，还必须使用很重的离子作为轰击炮弹，使原子序数一下子就增加很多，直接进入稳定性超重区域。这就需要加速很重的、包括铀在内的重离子。为了能得到较为稳定的超重核，要选择合适的同位素作轰击炮弹和靶子，使生成的超重核的质子数和中子数都是幻数，或者接近幻数。为此，科学家们设计了各种类型的核反应。
有人认为，最有希望的一个反应应该是两个铀238核相互碰撞的核反应。不过据称，这个反应已经有人试过，结果是令人失望的。铀轰击铀，产生了许许多多的放射性同位素，唯独没有找到超重元素。
由于预言超重元素的半衰期可能长达一亿年，甚至一百亿年，这表明，它们也可能在自然界天然存在。因此，在试图人工合成超重元素的同时，探索天然超重元素的工作也在以一个更大的规模进行着。为了寻找天然存在的超重元素，科学家们采用了最先进的探测方法，找遍了天推海角。他们在各种特殊的矿物中找，在来自地球深处的温泉水中找，在大洋底部取出的锰结核中找，在月球上带回的岩石样品中找，在“天外来客”陨石和宇宙射线中找，总而言之，在一切被认为有希望找到超重元素的物质中找。
经过十多年的努力，虽然关于发现超重元素的消息不时传来，也曾掀起过一阵阵激动，但肯定的结果至今尚未得到。这可能是由于实验技术和探测手段目前尚未达到足够高水平的缘故，或许是因为理论预测是错误的，根本不存在什么超重元素的“稳定岛”，那当然就谈不上有什么“新大陆”可发现了。
但是退一步讲，即使是后一种情况，我们只要回忆一下从费米开始的探索超铀元素的过程，就不禁要问，难道超重元素的探索就决不可能引出比裂变现象更为重要的现象发现吗？要知道，费米那时是用中子轰击铀，而现在是用铀袭击铀—用最重的天然元素轰击最重的天然元素！