神马文学网原子能利用前程无量
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几千年来，人类一直在顽强地同自然界作斗争，不断寻找各种各样自然能源为自己服务。二十世纪三十年代终于找到了比煤资源还要丰富、还要有效的新能源棗核能源。掌握原子核能的奥秘，更有效地驾驭自然力量，无疑能把人类的物质生活、文化生活引向更高更新的阶段，并且大大促进科学技术的发展，为人类繁荣带来广阔的前景。这里把它已经开展的工作和正在设想的计划的轮廓介绍一下。
http://rcs.wuchang-edu.com/Resource/GZ/GZWL/WLBL/WLS00041/4189_SR.htm
一、原子能发电
（一）核电站的特殊优点
随着工农业生产突飞猛进地发展，电力的消耗量与日俱增。据有人估计，目前世界上能源的消耗是每八到十年就要翻一番。目前每年消耗的各种能源折合成煤，大约每年要消耗九十亿吨煤。据估计到2000年以后，每年大约要消耗三百五十亿吨煤。所以，积极发展新的能源便具有极为重要的政治、军事和经济上的意义。原子能电站，也就是通常说的核电站，就是当前比较现实的能提供新能源的重要途径。目前世界上已经有二、三十个国家，建成了二、三百座核电站，总发电功率为一亿多千瓦。尚有数百座总功率达几亿千瓦的核电站正在建设之中，估计到本世纪末，将有一半以上电站是靠原子能发电的。
核电站究竟有什么独特的优点呢？
我们知道普通的火力发电厂，是利用煤或者石油燃烧发出的热量，使锅炉里产生大量高压蒸汽，利用这蒸汽推动气轮机高速转动，从而再带动发电机转动发出电来。
核电站中的裂变反应堆就相当于火力发电厂的锅炉，只不过燃烧的不是煤或石油，而是铀原子核。我们利用铀原子核在反应堆里进行链式反应，由裂变过程产生的裂变碎块以极大的动能转变为热能。此外，裂变过程中释放的中子以及γ光子等射线的能量也转化成热能。当我们用重水或普通水（轻水）通过堆中心裂变反应区时，就把这热能带出来，去推动透平（汽轮机），再推动发电机发电。
核反应涉及的是原子核的变化，从质量亏损来说，要比普通化学反应大几百万倍到一千万倍，因而裂变过程释放能量也就比化学反应过程的能量大好几百万倍。一公斤铀235全部裂变时放出的原子核能就相当于2，500吨好煤燃烧时放出的热量。例如，据目前设计的五百万千瓦超级核电站，在它的堆芯活动区只需要360公斤的铀235，而这仅仅是反应堆的一次投料，即达到临界体积所要求的数量。一般一次投料可以烧好长好长时间，一年也只要补充若干铀的燃烧棒就可以。即使全世界所有发电站都改成原子能发电，每昼夜也只是烧几千公斤铀235。象上海这么大的城市，一天一夜烧几公斤铀235就足够了，但是目前烧的是煤或石油，那就不得不每天用巨轮或者许多列火车不停地运输才能满足需要。
由于核电站免去了一般电站的繁重运输任务，所以核电站可以建在交通不便、缺乏燃料的偏僻山区。同时由于核电站裂变反应根本不象普通电站烧煤那样需要氧气，所以只要有充足的水源，即使空气稀薄、交通极为不便的青藏高原也可以建堆。核电站是利用裂变得到能量，不象火力发电厂烧大量煤，造成黑烟滚滚污染空气，所以核电站比烧煤电站干净，核电站常建在大江大河边上或者风景优美幽静的海滨。此外，核电站还有一个很大的好处，就是可以产生新的裂变材料，即钚239，它是比铀235更好的核燃料，而且是制造高效力核武器的材料。钚可以通过核电站中铀棒经链式裂变反应之后，从废铀棒中加以分离提取，一个功率为一百万千瓦的核电站，每年可以从废铀棒中提出好几公斤的钚239，除了可以制造原子弹用外，也可用于核电池等其他用途。
（二）几种主要的堆型介绍
1．热中子堆。这是目前最常见的堆型。它的原理是在堆的活性区，放入原子序数Ｚ比较小的物质，如水、重水以及主要含碳成分的石墨作为减速剂（或称慢化剂），使由裂变释放出来的能量很大的快速中子慢化，直到中子能量减少到和在普通物质中原子热运动那样小的能量。这时中子的运动速度很慢，它与堆中核燃料铀235原子核相碰引起裂变的几率比较大。大约铀核裂变后产生的快中子与普通水相碰18次就可以慢化到热能中子程度，普通水也称轻水，作慢化剂效率不如重水效率高，但轻水非常便宜，因而经常被采用。重水它本身吸收中子的截面小（即直接吃掉中子的机会小），慢化效率又很高，但它的价格较贵。
在热中子堆中，一般使用的核燃料大都是含铀235仅2～4％的低浓缩铀，由于水（包括重水）不仅可以做慢化剂，还可以同时兼作载热剂，让水通过堆的活性区，不停循环，直接可以把裂变时释放的能量热能携带出来。而水的载热效率很高，所以这样堆芯可以做得小。堆的其他设备加压力壳等均可以相应做得小一些，大大减轻了工艺制造上的麻烦。
在堆芯中既充当减速剂作用，又担任循环载热剂作用的水，可以处于两种工作状态。一种是让水处于高温沸腾状态，称高温沸水堆。它只要一次回路把热能取出，热能利用率高，设备简化，但防护措施比较复杂。另一种是采用二次回路，使经过堆芯的水处于一百几十个大气压、几百度高温但并不沸腾的情况下工作，这种堆回路设备复杂，但较安全可靠。热中子堆还常用另一种堆型，即用石墨作慢化剂，用CO2作载热剂的石墨气冷堆。它是把石墨加工成某种蜂窝状特定结构，让铀燃料做成棒状，分别置于石墨当中。CO2气体通过石墨空隙或孔道载热。它是一种非均匀反应堆。
2．快中子堆，也称快堆。它是让裂变后产生的快中子不经任何慢化，直接与核燃料中铀235以及大量的铀238起链式裂变反应，这样就可以充分利用铀239这种核燃料。这种堆体积可以做得很小，单位体积内功率密度高，可以用远比水热容量高的金属钠作载热剂。由于快堆中铀238直接吸收大量快中子，可以变成铀239，此后铀239经过两次β衰变，可以变成钚239。钚239是极好的核燃料，因此快堆的运行过程在消耗核燃料铀的同时，又会产生出新的核燃料钚，这当然是极为可取的一种核能利用方案。但快堆需要较纯的核燃料，而且控制问题复杂，制造工艺要求苛刻。目前法国的“凤凰”堆就属这种堆型，在技术上居世界的前列。
3．其他堆型。反应堆还有很多堆型，譬如：砾石床堆，它象一个煤球炉，把核燃料和一定数量的慢化剂混合，做成象煤球大小的陶瓷燃料小球，堆到一定体积，即堆到链式反应的临界状态，使裂变反应连续不断进行，释放出大量能量。当链式反应过程中，中子的增殖系数减少到一定程度，经过充分反应，即铀235燃料小球消耗到一定程度，让它从堆的底部小洞漏下取出。堆的上部再添加新的核燃料小球，使链式反应继续维持下去。
近年来，美国也有人研究熔盐式堆型。把核燃料预先配制成含铀、锂、铍等氟化物的高温液体，与减速剂均匀混和。核燃料不断在管道上起链式反应，液体核燃料也不断循环，利用二次回路把裂变反应释放的热能取出供发电。这样设计可以免去核燃料棒的精密加工麻烦，而且经长期运行后，废燃料可以经另一回路直接流出来，加以后处理，提取核燃料在燃烧过程中再生的新核燃料棗钚等。这种设计方案，看来很理想，但工艺问题非常复杂，困难很多，目前仅仅是试验阶段。
（三）高压轻水堆工作原理
核电站的堆型是各种各样，现在就较常见的高压轻水堆情况作进一步介绍。
图9-1 核电站原理
高压轻水堆是目前核电站建设技术比较成熟的一个堆型。它利用普通水做慢化剂兼载热剂。核燃料棒是利用稍稍加浓到 2～4％的低浓缩铀做成一根根铀棒，再把每二、三百根这样的铀棒，按一定的物理要求组成为一组组件。这样几十或者一百多组的组件，组成结构极精密的反应堆中的活性区，在活性区下部通以二、三百个左右大气压的大流量普通水，高速地从组件中燃料棒间隙通过，带走裂变释放的热能。为了确保在大功率高效率的条件下运行安全，整个反应堆置于一个非常坚固的、特制的耐高压大钢筒里，另外在钢筒外还设有安全保护的钢筋混凝土和一系列耐高温高压的热力设备与电气设备。
核电站建设既包括极其精密的核燃料组件加工制造，也包括规模十分庞大的堆主体重好几百吨、耐高压的压力壳制造，以及许多超高压大流量大水泵的研制和种种耐高辐射、耐腐蚀、远距离安全监察监测遥控系统。所以，核电站的建造反映了一个国家核工艺技术、精密机械制造、冶金锻造、电气设备制造等多方面综合的工业水平。我们相信，在优越的社会主义制度条件下，有党的领导，我们一定会在不远的时间里看到这样的核电站为祖国大地送来光和热，让核技术和我们每个人的生活紧紧相连。
谈到这里，可能读者还有一个问题没解决，即核电站安全可靠吗，会不会爆炸？所以我们再说说核电站的安全问题。
首先是放射性辐射问题，这点完全可以放心。真正起裂变链式反应的堆主体仅仅有一间小房间那样大小，它处于一层又一层的装置密闭包围之中，射线是跑不到外头来的。正象柴火总是在灶膛里燃烧，你隔了几间房间不可能感到灶里的火对你的影响。
至于极其微量的一点废气排空，老早被大气稀释了，就象一个大水池，放进几粒盐再均匀拌和之后，如果再从这池里取一碗水喝，那无论如何也尝不出咸味道来的。
堆芯会不会失去控制，超过临界状态爆炸？这也是不可能的。一系列多种措施可以确保在任何情况下运行安全。而实际上国际核电站建造数量已超过二百座，运行时间长的已有二十余年历史，尚未发现有此类事故发生，所以核电站安全性是比较可靠的。
二、原子能在交通上的应用
《西游记》中描写的孙悟空，打一个斤斗就有十万八千里，这种腾云驾雾的飞天技术，是我们祖先伟大的幻想！近年来，随着科学技术的发展，飞机的速度都在加快，但如果要从我们祖国的首都北京飞往欧洲或非洲，还是要消耗一百多吨汽油，中途不得不几次停航加油。这样，速度如果再提高，受到的限制就很大，其中燃料携带将占去这些交通工具本身很大的有效载荷，这是一个较难克服的限制。原子能技术将会在交通事业上发挥它的特有作用，由于原子燃料的能量非常集中，很小的一块铀235，就会放出巨大的能量。所以，很少重量的核燃料，就可以实现长距离的航行和运行。而且由于燃料轻，占的体积小，这就大大提高了有效的载荷。
利用核燃料做为动力能源的原子发动机的原理，简单地说，它不过是一个小型的、结构相当紧凑的原子核电站，或者是某种特别结构的核反应堆。原子能在交通事业上将会出现创新的局面，它在客观上等于缩短世界各国的彼此距离。
（一）航海
汽核潜艇我们对它早就不陌生。美苏两霸为了相互争夺，曾拚命建造核潜艇，到目前为止，已达二、三百艘。一般常规的潜水艇是靠柴油内燃机推进，柴油必需在缸里与氧气充
图9-2 核潜艇
分燃烧才行。所以潜艇必须在海面上运行，让柴油内燃机发动，带动发电机发电，给蓄电池充电，以便当潜艇潜入海底后，靠蓄电池放电作动力推进。而用核反应堆作动力，可以在没有氧气的海底正常运行，所以，核潜艇原则上可以长期地在一定深度海底航行而不必浮于海面，这样它就比较便于隐蔽，可以进行突然袭击。
除了核潜艇之外，大型的新式航空母舰也有许多是靠核能作动力（见图9梍3）。它的好处也相当显著，它可以长期在海洋游弋而不需靠岸补充燃料。1957年下水的一艘原子破冰船，发动机的功率是四万四千马力，排水量一万六千吨。它装一次核燃料可以足足在北冰洋破冰运行一年。近一时期国际上还克服种种技术上的困难，建造了好几艘几万吨级的大型商船，它仅需携带很少核燃料就可以在海上航行几个月。最近日本下水一艘商船，一次装料可绕地球运行七圈半。这样在缩短航行时间，降低运输成本方面变得特别有利。
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（二）航空
核反应堆在航空上应用将会有它独特的优点。航空上对飞行器的发动机要求特别高，它要求发动机发出的总功率与发动机自身重量之比越大越好，对燃料则要求每公斤燃料所提供的推力也越大越好。核燃料既然是新的高密度能量物质，所以它在航空上使用可以更显示出优越性。目前正在研究制造原子飞机，其基本原理，无论是冲压式、涡轮式或者涡轮螺
图9-3 核动力航空母舰
旋桨式喷气发动机，主要都是以原子反应堆代替原来这些飞机的动力装置。如冲压式核动力发动机就是从前方吸入冷空气，迅速通过原子反应堆加热成高温气体，通过热空气膨胀室从尾部喷气口高速喷出，推动飞机向前飞去。
图9-4 原子能飞机
因为1克铀235产生的功率与2吨汽油燃烧产生的功率相当，所以初步估计，从上海直飞西欧一些国家，单程只需消耗几十克的核燃料。当然，如何确保飞行万无一失、安全可靠，如何避免在起飞与着落时极微量的放射性空气污染，以及核动力发动机的辐射屏蔽等问题，还需做出很大努力。
（三）陆上交通
火车：原子火车早在五十年代就已经着手研制。显然，
图9-5 原子能火车
一旦制造成功投入运行，据估计，如果发动机功率是八千马力，则行驶一千公里只要十五克重的核燃料。这样牵引力大，又不冒烟，比较干净，长期运行不必添加燃料，因此，原子能火车是未来理想的交通工具。
汽车：可以这样设想，用一部超小型的原子反应堆加一个蒸汽机或者汽轮机代替汽车发动机。这样，除了经常补充些水之外，几乎可以在汽车出厂时装进十几克铀235核燃料就能行驶十几万公里，直到大修时再换个燃料。原子汽车排出的仅是水蒸汽，所以不会造成大气污染。这里遇到的关键问题是设计链式反应临界质量仅仅是十几克的裂变反应堆。
图9-6 原子能汽车
由于超小型化核武器技术进展，目前临界质量工艺设计已经达到几克数量级水平了。如果对链式反应中伴随产生γ射线的防护问题能够用新的办法，用较轻、较少物质进行屏蔽，那末，原子汽车在未来也将是一种理想的交通工具。
（四）航天
人造卫星的发射，在军事上，经济上和科学研究上都有很大的意义，而原子反应堆在燃烧时不需氧气，所以更加适宜于在宇宙空间运行。曾经设计过的原子航天火箭，它的第一级、第二级火箭是采用普通液体或固体燃料的发动机，把火箭送入高空，第三级主发动机是用原子反应堆作发动机，而最后重返大气层时可以使用普通燃料的发动机。由于核燃料能量的高度集中，原子火箭的航程非常之大，可以在宇宙空间连续航行数月之久，所以完全能挣脱地球引力，不仅可以方便地到
图9-7 原子能火箭
月亮去旅行，而且可以到太阳系中其他行星，如金星、火星、土星上面去进行科学探索，开发财富，更好地为人类服务。
三、核爆炸的和平利用
强烈的核爆炸被超级大国作为进行核讹诈政策服务，因而“核爆炸”一词听起来似乎令人生畏。但是，核爆炸也完全可以为和平建设服务。原子爆炸可以使大规模的治山治水的工程得以加速进行，据计算，一公斤核燃料爆炸，就可以搬走相当于二十五万人工一天劳动开挖的土方。美国早在多年以前就计划过“犁头”规划，准备爆炸几颗核弹头来改造自然。核爆炸形成的巨大土方，可以形成很大堆积，几分钟时间能在一条大的河流上形成一个土方大坝来改变河流方向。譬如说，在我国西北地区有不少浩瀚无边的大沙漠，就因终年缺水成为不毛之地，如新疆塔里木盆地，有
图9-8 核爆炸的和平利用
一块面积接近江、浙两省面积的大沙漠，叫塔克拉玛干大沙漠，一条很大的塔里木河就绕着它白白流去。如果能用核爆炸在塔里木河中段筑起大坝，迫使河流改道流入大沙漠中部。同时再纵横交错开出二条大运河，把塔里木盆地北部的塔里木河，与南部的克里雅河相沟通，那么赤地千里的沙漠将变成无垠的绿洲。我们还可以按自己的意志，在需要蓄水的地区，用核爆炸开挖出一系列直径从几百公尺到几千公尺大小不等的人工湖泊，把祖国的西北大地点缀起来。这样，西北地区的气候将发生很大变化，也许会变得温暖宜人，风调雨顺，遍地郁郁葱葱。正如毛主席在一九三五年长征路过昆仑山时写下的《念奴娇防ヂ亍纺茄骸岸裎椅嚼ヂ兀翰灰飧撸灰舛嘌０驳靡刑斐楸＃讶瓴梦兀恳唤匾排罚唤卦溃唤鼗苟Ｌ绞澜纾非蛲肆谷取薄?
我国的西南有世界上最高的青藏高原，横亘着连绵不断的高山峻岭，将来也可以考虑用核爆炸在沉睡千年的深山里，炸开一个个通道，更紧密地把西藏和祖国东部地区联系在一起。
核爆炸更可以应用在石油的开采和大型铁矿、煤矿露天开采的剥离土方工作上。有些油田地质比较特殊，岩层过于紧密，含油层处于较深的地层下，开采比较困难，如果采用适当的地下核爆炸，压碎岩层结构，增加岩层的空隙度，就可以使深部高压的含油层、含气层，逐步通过岩层缝隙跑到上部，这样只要钻探一些浅井即可采油。对于某些离地表不是太深的铁矿或煤矿等，要做到露天开采，需要剥离的土方太多，可以用定向核爆炸，快速地把大量土方剥离，让祖国的地下宝藏显露出来，便于我们开采。
当然，在核爆炸和平利用方面，如何解决常规核爆炸中必然遇到的放射性污染问题很关键，随着研究工作进展，象很少污染、很少冲击波而又有很大辐射能力的中子弹已经问世，另方面，具有强大冲击波、又较少污染的新型弹头，也正在研制之中，这后一种的核爆炸，就非常适合于和平应用。
四、超重岛
向Ｚ＞107进军，寻找新元素，开辟新天地，这是摆在人类面前的一个艰巨任务。我们都看过周期表，表上的原子序数Ｚ从1一直列到107。那末，107以外，还有没有新元素？还可能有多少新的元素？这也许是最容易引起我们发问的问题了。就是周期表中已知的元素，在地球上天然存在的也不是107种，而是只有88种，其余都是人工合成的。天然存在的最重的元素，就是制造核武器的铀元素Ｚ＝92。但近来陆续发现比铀重的元素钚在自然界中也有微量存在。比铀轻的元素中，锝（Ｚ＝43），砹（Ｚ＝85），钷（Ｚ＝61）和钫（Ｚ＝87）却是要用人工的办法制造的。比铀原子序数更大的元素，叫超铀元素。一般来说，人工制造的这些元素全都是放射性的，而且很可惜，比铀重的合成的新元素，如钔（Md）、锘（No）直到最后的Ha，其寿命只是从几分钟到1秒钟左右。所以，即使我们花很大精力把它制造出来，也不过是昙花一现。
我们知道，目前已经有近一千多种核素了，它们之中大部分是人工制造的。理论估计，我们应该可以有近6，000种核素，这数千种核素，彼此之间区别在于它们具有不同的中子数和质子数。如果我们把这么多核素，以它们的中子数和质子数作坐标绘图，我们可以发现它们是沿着Ｎ＝Ｚ或两者比较接近、类似地图经纬线一样连成一片的“大陆”。在这片大陆上，每个居民（核素）虽然它们寿命长短相差极大，然而它们都有一些起码可观的寿命。而在这大陆之外，却是一片茫茫的海洋，在这些海洋里，没有任何Ｎ与Ｚ为某个数值的核素具有足够长的寿命，我们只能说它们都是一些“活不成”的核素。但是，除了这片可居住“核素”的绿洲之外，在那广阔的海洋中还能找到可以居住寿命足够长的“核素”的小岛吗？从原子核结构理论推算，大约在Ｚ＝114和Ｎ＝126附近，还有二个可以居住核素的小岛，这就是近年来随着重离子物理兴起之后，世界各国核物理工作者投入极大人力、物力，奋力“强渡登陆”的两个稳定的超重核素岛，在那里，各种稳定核素比现在已经知道的原子核都重得多。也就是说，一个核当中有更多的质子和中子。哥伦布是看到新大陆，然后登上新大陆，而我们的“稳定岛”目前却是理论推测的结果。
原子核结构的壳模型理论，是从大量的实践中归纳出来的模型理论，它从理论上较圆满地解释原子核的结构。核子数的变化有壳层结构，当原子核内的核子棗中子（或质子）数是处于2，8，20，28，50，82，126即满壳或满壳附近时，原子核是比较稳定的。我们借助于壳模型的理论，加上其他理论计算，可以预言新的核素岛是可能存在的。
当质子数Ｚ＝114与Ｚ＝126、中子数Ｎ＝184的附近还有两个新的稳定壳层，也就是说，理论预言总的核子数Ａ＝308和Ａ＝320左右有两个新的稳定岛。在这两个岛附近，△Ｚ＝?0，△Ｎ＝?0范围内，将近有一百多个原子核的半衰期较长。用前面的话来说，两个小岛可以居住寿命足够长的一百多个“居民”（核素）。这当然是极其令人兴奋的消息，为什么呢？
首先，这意味着我们人类又掌握了一批新的超重元素，这新的元素将会是有一系列新的特种性质为我们人类服务。现仅举其中一个很小的、比较现实的优点来说：新的超重元素，它的最显著特点是富中子数的元素，如第一个新的稳定岛，中子数比质子数将超过七十多个，所以，这些新元素至少可以作为极好的强中子源。再如不是太重的超铀元素以Cf252，每克每秒钟就可以发出2.34?012个中子，在它的各种变化过程中，除了放出大量的中子外，还要放射γ射线等。另外，这些超重元素每个核每次裂变时释放出来的中子数目将肯定不止二、三个，而可能是多达十几个以至几十个。所以由此可以推想，由超重元素引起的链式反应所需的临界质量或临界体积将是非常小。对于数量小于临界体积的超重元素，我们可以把它当作一个强中子源使用。我们将来就可以指望用一个芝麻大的新超重元素，装在一支象钢笔大小的特殊中子笔里，由它前端不断地放出中子。我们知道中子可以治疗癌症，但目前产生中子的装置如中子发生器却是非常庞大和笨重的装置，而且中子的流强也不够。将来用超重元素做的钢笔式中子源，可以超过目前D梍D或D梍T中子发生器流强几倍到几十倍，结构方面却变得小巧玲珑。医生治疗癌症时，在采取适当的保护措施之后，只要拿着这支笔，在癌的部位写写画画就行。当然，新元素的重大意义却并不在此。由于它的链式反应临界体积特别小，可想而知在军事上就可能把核弹头超级小型化，一颗绿豆大小的这种物质，就可以制造出一颗原子弹；在工业上，由于这个新的超重元素作的核燃料，可以设计很小临界体积的核反应堆，那么，也许一个数以百万千瓦的核电站，堆主体部分可以造得很小很小，完全可以装在飞机上，轻易地搬来搬去，如果我国西北、西南的深山密林里要搞大型工程建设，需要强大电力，那末就可以方便地从空中运去一个，就地安装使用。
由于超重元素有它极为重大的政治、军事、经济意义，国际上都不惜代价地在地上找、在海底找、在月球上找；同时，也积极地运用大型加速器，用人工的办法设法去合成它。我们知道在人工合成超铀元素时，是通过重元素如铀、钍等元素，大量的俘获中子，然后进行β衰变而使Ｚ不断增加，使元素在稳定的条件下不断加重。同时也有用较重的离子，如C12、N14、O16等去轰击重核，形成比铀更重的复合核，使新的元素Z与N都比铀大。现在我们要越过β不稳定的海洋登上稳定岛，因而，我们也可以设想是否用更重的离子，如 Ca48去轰击重元素靶核，如Pu248（钚）、Cf252（锎），产生复合核-中子蒸发反应。或者干脆用U238和U238直接相碰撞产生熔合-裂变反应，来形成超重元素稳定岛上的新住客，即Z=114、N=176或Z=126、N＝178，这相当于我们从空中飞渡海洋直接降落在岛上。目前这些工作都在积极地进行之中，然而，尽管登陆的冲锋号吹得震天响，至今还未见到岛上有人真正登上去。
寻找或合成超重稳定岛元素，无疑是近代科学史上的一项大的创举。我们中国人民有志气，在党的领导下也要积极地开展这项工作，迎头赶上，积极筹备实验条件和加强实现超重岛元素理论研究等工作，争取在这项为人类寻找新的一大批稳定超重元素的工作中，作出应有的贡献。
五、其他
（一）一把揭开许多物质秘密的钥匙
我们依靠放射性同位素，还可揭示更多的物质世界秘密，给我们的生活带来巨大的影响。
1．光合作用
光合作用的机制至今仍然是一个谜。原子核技术对揭开这个谜能帮上什么忙吗？
我们借助于放射性碳棗C14代替空气中二氧化碳的C12，就可以研究植物吸收二氧化碳并从根部吸收大量水份之后，在植物的绿叶上如何经太阳光照射变成碳水化合物，由它再制造植物的淀粉和维生素；而另一方面，植物中许多有机酸又如何与植物吸收的氮变成氨基酸，而各种各样氨基酸又串成链合成蛋白质，这些生命物质的复杂变化的一步步演变过程，看来可能被揭示出来。
因为 C14它每时每刻都会放射出能量为 0.156MeV能量的电子。不管它是处于高温的钢水还是处于植物吸收进CO2的化学状态，或者是变成几万个分子量的生物大分子中的成分，C14总是要时时刻刻地衰变，放出一个能量严格相同的电子。这样我们设想一下，如果我们把具有发射特征 0.156MeV能量电子的C14，代替C12扮演的角色参与了所有变化过程，那岂不是等于我们在光合作用过程中，潜伏进带有秘密电台的特工人员 C14了吗？这样，放射性C14不断向我们提供它在光合作用过程中受到的种种遭遇和变化规律这些极为重要的情报消息。人类一旦掌握了这些光合作用秘密，那么我们就有希望把这些原先大量存在的普通的水、空气中的氮和二氧化碳等通过大型工厂生产规模，去昼夜不停地生长出原先只能靠绿色作物通过光合作用制造出来的东西，再生产出面包、脂肪、牛奶、蔬菜以及各种美味食品来。这该是多么大胆的变革啊！
2．生命的起源
地球上的生命，最初是怎样出现的？这肯定是人类将要积极探索的一个重要问题。
经过人类长期的努力，我们终于在五十年代通过实验证实：用甲烷、氨、氢和水汽等简单的无机和有机的基础原料，在一定的物理条件下，如紫外线、X射线、γ射线和加热等条件下，可以构成许多氨基酸。在六十年代，所有组成蛋白质的二十多种氨基酸，均已通过人工合成的办法制造出来了，而组成细胞的另一个重要组成部分，去氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的重要组分棗核苷酸，也可以用人工合成办法制造出来。嘌呤、嘧啶也可以通过氰氢酸聚合作用人工合成。这样，无机物就向有机物转化，有机物再从简单到复杂转化，这就为生命的起源研究孕育了良好基础。
我们知道，二十多种氨基酸相当于二十几个不同字母，蛋白质就是由成千上万个这样的氨基酸字母书写出来的字。我们知道三个字母就有6种不同前后搭配，写出六种不同字；而四个字母不同的前后搭配，则可构成24种不同的字；因此，二十几个字母不同方式的搭配，构成的字就很多很多，所以，蛋白质的种类是成千上万。一个蛋白质分子是由成千上万个各种氨基酸首尾相接钩搭成的，在这过程中，由于氨基酸中的碳原子有特别性质，即它一方与羧基（COOH）相连接，而另一方又和氨基相连接。而羧基与氨基有两种截然相反的性质，这就使它能够首尾相接而形成一长串，象链条状的肽链。几十个、几百个氨基酸形成的肽链就是蛋白质。一个蛋白质分子不仅表现出它分子量大，而且空间结构也很复杂。以我国在世界上首先人工合成的胰岛素来说，它是由五十一个氨基酸组成的两根肽链蛋白质，在一根主链两旁“长”了许多桠枝状侧链，在主侧链上一共挂了七百多个原子，按一定方式排成特定的空间结构，正象一株果实累累的葡萄藤。但是，这仅仅是人工合成的极个别蛋白质，那千千万万种的蛋白质，我们只知道它是许多氨基酸组成，但如何组成，它的详细构造又是怎样，目前尚在蒙昧时期，我们还只是站在解决这个蛋白质谜宫的大门前，门至今还锁着，我们只能对此现象感到发愁和不满。我们是否能借助于在整个生命过程中自始至终扮演重要角色的碳原子，加以放射性标志，让它每走一步都给我们门外汉用无线电波棗γ射线通个消息，以便我们刺探到里面生命形成之谜呢？在这里又要用具有放射固定的0.156MeV电子的C14去巧妙地调换蛋白质合成中担任主角的稳定的 C12元素，看来利用放射性C14“窃居”一切生命过程要位而又能随时随地显示它自己踪迹的原子示踪，是打开生命之谜的一把钥匙。
3．“癌”的成因究竟是什么？
“癌症”现在已经成为今天常见病，多发病的一种。它肆无忌惮地到处吞噬着人类的生命，造成了多少人的痛苦，提起它真是“谈癌色变”。然而，癌的成因究竟是什么？至今医学界仍然无法给出令人满意的回答。既然我们可以从分子的水平上去认识生命现象，我们能否从分子的水平上去揭示癌成因的秘密呢？
从上面介绍的内容，我们已经接触到在分子的水平上看到无机物变为有机物，以及它们进一步演化到有生命存在形式棗蛋白质，是靠这复杂变化中若干重要的分子，如氨分子、碳氢化合物分子，各自组成它们的原子外层电子，在化学变化过程中，不断改变它们之间在空间的分布形状。如碳原子，由于它外层有四个电子，这时它常常可以从别的原子中拉进电子，或者把自己的电子抛些给别的原子而造成它有特别的活泼性。这就是说，碳原子的电子，经常可以与其他原子的电子相搭档共同绕着两者的核沿着一个奇特的、稳定的新轨道旋转。而癌的细胞里面，许许多多蛋白质都有什么样奇特的分子轨道？据某些研究结果判明，癌细胞与正常细胞在细胞内含蛋白质的分子量分布上，有明确差异。而且，据不久前研究还表明，癌细胞中蛋白质在它的长肽链中，大分子与其他元素或分子结合的化学键，是和正常细胞不同的，它常常把它的疏水基释放或者说暴露出来，这样，在癌的蛋白质中，结合水无序程度就增加，好象整个蛋白扭扭曲曲，七零八落。如果这样情况是存在的话，我们就可以借助原子核科学技术，来探索一下癌的结构秘密。因为结合水中的氢（H）原子也是与其他一般氢原子一样，是质子和它外围的一个电子组成的，而整个氢原子象一个陀螺一样不断旋转。然而，带电物质旋转就必然产生磁矩，磁矩就会在特定的癌蛋白条件下，与周围其他的原子相互影响，这个影响大小，当然可能与正常细胞中相对比较有序情况中的结合水中的氢原子磁矩和其他原子的相互影响是不会相同的，因为正常细胞蛋白质结合水的结构上比较有序，疏水基主要处于蛋白质内部。我们用核技术中常用的核磁共振方法，即利用水中的质子磁矩在外磁场中会绕着磁场方向做“拉摩进动”，可望测出这两种不同情况下，结合水中氢原子磁矩受到周围不同环境情况相互影响的程度，这或许可能对蛋白质分子结构的有序无序程度作出判断，也许能对揭示癌细胞结构上做出一些贡献。当然，我们也可以考虑如果我们在正常细胞与癌细胞中，分别结合进一种放射性元素，如能接连发射二种γ射线的In111、Fe57等元素，这些元素结合在蛋白质大分子的链上，它们当然仍然照常不断接连要放射两个γ射线，然而，不同的蛋白质环境，可能对这些原子核接连发射两个γ射线中那个能级发生影响，于是可能导致接连发射的γ射线相互之间角度的关联情况发生变化。如果角关联情况因受扰而发生变化，就好比我们预先埋进蛋白质中一个秘密电台，由于这电台受到严重环境干扰，它们发射讯号的情况发生了明显改变，我们或许能从干扰的变化情况，间接地对癌病变机理得出一些可贵的情报。
（二）γ激光
γ激光或者叫伽玛射线激光器，它已有十几年的研究历史了。虽然目前详细报导不多，但是，它一旦研制成功，那将是核技术一项很大的突破。
我们知道，近年来，由于激光技术的迅速发展和广泛的应用，激光为近代科学和工农业生产开辟了一系列新技术领域。光的受激发辐射，它的前身是从分子结构中，感应辐射得到微波量子放大器即脉塞（maser）演变发展而来的。而激光器即莱塞（laser）的主要工作原理，是利用物质中原子不同激发能级或激发能级到基态感应辐射而得到的。激光的绝妙性能是在于它辐射的光量子频率相同、相位一致、方向一致，而且有极高的辐射能量密度。显然，分子、原子、原子核……是人们揭示微观世界的不同阶梯，而无论是微波量子放大器、激光器或者γ激光（有人把核的γ激光称作gaser），它们发射和吸收的都是电磁波，只不过它们的波长，从长到短地逐步过渡。而且相互之间波长还有交迭。如来自原子内壳层电子能级的电磁跃迁，波长是100～0.1，而原子核不同能级之间跃迁发射的电磁跃迁是1或比这更短的波长。所以，把普通的原子世界中的受激发电磁辐射原理推广到原子核世界中的γ受激发辐射，应该是容易想象和一个较为合理的推广。
当然，唯物辩证法也告诫我们既要看到客观事物矛盾的同一性，更要注意矛盾的特殊性，尤其是事物在不同质阶段的矛盾的特殊性。由于γ激光是核世界中的能级感应辐射，所以情况要比原子世界复杂得多。但是，1958年在核世界能级中已经顺利地实现了无反冲共振吸收，即所谓穆斯堡尔效应。这就为我们实现它的逆过程受激发电磁辐射跃迁增强了信心。
从六十年代普通原子激光问世以来，紧接着就有人考虑到原子核的激光问题。尤其是美国、苏联，立即加紧了这项所谓“超死光”武器的研制。
我们从量子力学知道，在微观体系的二个能级之间，可能发生三种跃迁过程：较高能级的自发跃迁、诱导辐射和较低能级的共振吸收。放射性现象就是原子核较高能级向较低能级的自发跃迁现象。诱导辐射是由处于较高能态核受到能量恰巧等于较高能态与较低能态之间二能级差的那一辐射场激励下而感应（或诱导）引起的辐射现象，所以诱导辐射不消耗光子，相反却能成倍地增加光子的数目。这意思我们可以简单地这样理解：诱导辐射效应就是能把处于激发态而储存着、原来只能以自发跃迁速率释放的原子核能，在一瞬间好象雪崩一样地释放出来，而且辐射出电磁波，具有相干、单色平行光源。我们知道，一般来说γ量子要比可见光波段的光量子能量大几万倍到几十万倍，所以，一旦γ激光实现，那将是一个超强光源（在西方杂志上称为超死光），它将可以穿透树木、钢铁、混凝土等，在军事上可能制成新型的超激光辐射器。由于它具有比普通激光更为强大的贯穿本领，而且具有极强的功率密度，据说一根30微米粗5毫米长的同质异能核晶须，可以瞬间辐射出上万伦琴射线，相当几百焦耳的能量。由于它有特好的方向性，即发散角特别小，据估计它在50公里处的光斑也不过φ16厘米的面积，所以，作为反导弹武器，它可以在极远距离的高空把敌方的导弹内制导系统的绝缘材料以及各种电子器件的晶体管击毁，使导弹失去作用。由于它具有比普通激光更高的贯穿本领，它可以穿透阻碍普通激光的云层以及导弹的高反射率的金属外壳，所以它是一种较为理想的、用于摧毁敌人入侵导弹、火箭，担负起反导弹任务的新型武器，在地质钻探、地下铁道和山区隧道等方面，它也可能获得用处。而在一般工业探伤、工业自动化、农业上辐射育种、医学上抗癌辐射以及特大容量的超微波量子通讯中，都将可能获得广泛的应用。
由于普通激光的全息照相已经获得很大成功，如果一旦γ激光研究成功，那末由于它的波长极短，可以与蛋白质、病毒等高分子空间结构的线度相比拟，所以它还可以实现在分子生物学领域的γ激光三维全息照相。那时，许多对人类危害极大的常见病、多发病的病毒，将在γ激光中全部暴露出它们“凶恶的嘴脸”，如果作为动态观察，还可以把它们进行的“罪恶活动”过程揭露出来。
另外，尚值得提一下激光的聚焦，其焦点处能量密度是与波长的三次方成反比，所以如果实现γ激光的聚焦，将使聚焦点处有惊人的能量密度，或许可以直接点燃等离子体，实现受控热核聚变。
γ激光的确象是给我们插上了一副幻想的翅膀，令人甘愿为之绞尽脑汁，想方设法去实现它。现在，我们具体分析一下，实现它有一些什么特殊要求和困难。
能量共振问题。γ诱导辐射和γ共振吸收是出现在二个能级间的相反的跃迁过程，过去，特别是1958年以来，人们对无反冲γ共振吸收，即穆斯堡尔现象已经进行了大量研究，指出了实现γ共振吸收的一个必要条件是能量的严格共振，而共振吸收与诱导辐射是彼此成正逆过程。所以，同样能量的严格共振，也是实现诱导辐射的关键问题。
我们知道，原子核如果说它以某一能量E0发射γ量子，通常这能量不是严格单值的，而是在E0附近有一个小的分布，即洛伦兹分布，所以，原子核的能级有一个以该能级能量E为中心的自然宽度展布。诱导辐射时，必须是诱导的γ量子能量与被诱导的能级严格相同，才能发生诱导辐射；或者说，诱导的γ量子能量必须落在被诱导的核能级的自然宽度以内。原子核能级寿命长的，这个自然宽度就窄，核能级寿命短的，自然宽度就宽。但是，即使是较短原子核能级的寿命，能级一般自然宽度也是小于 10-3eV左右。所以，一般地说只可能由同种同位素同一激发态发射的γ光子，才能办到在能量严格共振条件下诱导辐射。但由于原子核发射γ光子的同时，动量守恒定律要求原子核有一个反冲，这部分核反冲的能级，显然由跃迁能量供给。所以，在发射γ光子的同时，必然有一个Er的反冲能量损失。在原子核中，Eγ能量一般很大，比自然宽度要大得多，以致能量严格共振条件非常难以得到保证。
除了因核反冲动量损失破坏共振条件外，还由于重力位移、二级多普勒效应（温度位移、化学位移、同位素位移、晶格结构影响……）等因素的存在，使γ发射谱线的半宽度不再等于能级的自然宽度。或者由于γ量子能量分布的加宽，结果也使共振截面相应减少，有时甚至达到很坏的程度。关于反冲能量损失和线加宽问题，在微波量子放大器和激光器中也是存在的，但它们的影响极小，可以不必加以考虑，而在γ激光中却是一个极为严重的问题，这也许是电磁辐射在γ波段矛盾的特殊性，也是目前gaser仍然无法顺利研制成功的一个重要原因。看来，我们只有抓住这个不同阶段中的矛盾特殊性，才能使这问题迎刃而解。
关于γ射线反冲能量损失这个问题，可以利用穆斯堡尔效应，把源做成结晶体，使反冲不是由单个原子核承当，而是由整个晶体所承当，这样可以大大地把反冲损失的Er减小到最小程度。同时还可采用多普勒效应给源一机械速度，以增加发射体的能量，预先补偿反冲损失。另外还有谱线的热运动加宽等办法，使发射谱线与吸收谱线可以重迭。最近，有人曾想采用核磁共振的办法，突然地使线宽压缩几个数量级，其详细技术条件尚未披露。
除了γ量子诱导辐射存在谱线加宽困难之外，还有许多困难。在诱导辐射过程中还存在与它相竞争的其他效应，如γ射线的共振吸收效应，同时有γ射线与物质的相互作用的光电效应，以及康普顿效应、电子对效应等。这些效应的存在会大量消耗γ光子以至使雪崩式的诱导辐射无法观测得到，这也是γ激光研制中必须解决而又难以解决的若干问题。
目前正在探索中的若干途径：我们知道，普通激光的一个前提条件，是使工作物质中处于高能态的原子数目大大地超过低能态的原子数目，也就是所谓产生粒子数反转的条件。这一条件在laser中是使用强力的光泵抽运而达到要求的。在gaser中我们是否亦可以采用反应堆或加速器，通过核反应的途径，把大部分的原子核都激活（或者说泵到高的激发态），即造成原子核的激发态比基态数目多的所谓核粒子数反转条件，这个途径几乎是完全模拟普通激光的技术路线。我们还可以考虑另一个途径，即制备同质异能核的技术路线，把经过堆或加速器激发后的元素（某种情况亦可选择β衰变或K俘获等办法）取出加以分离，把大部分的杂质和不是我们工作所需要的其他能级原子核统统去掉，这样我们就造成了粒子数反转的条件。
我们不妨拿铱（77Ir183）这个同位素来分析一下。77Ir183有三条能级，分别是3/2 （基态）、5/2 （第一激发态）、11/2-（第二激发态），其能级的寿命分别是6?0-9秒和 11.9天（详见图9-10）。如果我们能够把 Ir182在反应堆里照射，经堆中大量中子（n，γ）反应，把 Ir182变成 Ir183，并且使它们大部分都处于11/2-的激发态，从堆中取出并把处于基态的核全部分离去掉（由于第一激发态寿命极短，它们迅速跃迁到基态上），这样就可以制备出较纯的Ir18311/2-的激发态同位素。但这样的同质异能核的分离过程，必须在该同位素所处的较高激发态能级寿命期以内就加以完成，否则，粒子数反转的条件就不满足了。象上面提出的Ir183这个元素，就必须在11.9天以内完成全部的分离和结晶工作。这就意味着我们还需要快速的同质异能态的分离技术和快速结晶的办法。
图9-10 Ir183（铱）能级图
由于同位素分离技术已经不甚容易，何况同质异能核的分离技术更是困难，但目前国际上正在发展一种激光分离同位素的办法，是否可用于这个同质异能核的快速提纯呢？另外，在较高激活态母核放出γ量子的同时，利用它必然产生的反冲动量，可以使母核打断原来化合物状态的分子之间结合键，从而造成母核分离出来，即所谓西拉凡棠罚⊿elard Char-mer）效应，作为分离的手段加以考虑。据国外报导，化学程序的方法，可以提纯半衰期为9小时左右的同质异能核。如对天然存在的Co59元素，在高通量的反应堆中照射，经（n，γ）反应变成Co60m（半衰期107分），然后从“分”数量级时间里，把Co59、Co60m、Co60分离并拉成晶须。因此看来，沿着制备尽量纯（由于自发衰变的存在，绝不可能完全纯的）的结晶高激发态的工作物质来实现γ激光的道路是充满崎岖艰险的小道，攀登这一高峰过程困难不少。但有志者事竟成，我们仍然应该去探索。
另外，我们还可以顺着另一个途径去思考，下面是这另一条途径设想的简单构思。
由于能级的寿命越短，它的自然线宽就越宽。那末，由各种因素引起的线加宽，就可能和原来的自然线宽相接近，相对而言，线加宽现象就不十分明显。譬如我们设想一个短寿命同质异能素寿命小于10-6秒，在极强的中子束作用下进行（n，γ）反应，把它在一瞬间全部变成激发态。这装置的当中是一根细长的铍丝，铍丝内均匀地掺杂有我们选择的、寿命只有10-6秒左右的工作物质，如 Ta180（钽）。铍丝由钚和铀包裹，而在钚和铀的外面再包上一层氘和氚，这样做成一个γ激光棒（图9-11）。当一束激光脉冲从左边轰击这根棒的左端时，由于大功率激光的极强光压，受到极快地向轴心压缩，这时，铀和钚密度也就急速增加，因而它的裂变临界体积迅速地减小，以至在有限的很细的γ激光棒体积内达到超临界，引起强烈的裂变链式反应而发生爆炸。
图9-11 γ激光棒
虽然说在通常的常压下，铀与钚裂变链式反应临界体积要10公斤铀，但在高密度情况下，临界体积只要毫克数量级就可以发生裂变链式反应。在这个反应过程中，氘与氚将起反射层作用，使由裂变而释放的极高密度的中子在一瞬间全部朝轴线方向集中。当然氘与氚也可能在大量中子作用下发生聚变反应，而使中子数更加增加，同时亦可加快裂变反应，它显然就足以使铍丝内的工作同位素快速泵到我们所希望的激发态，造成瞬间的粒子数反转。铍在这过程主要是使铀、钚裂变产生的快中子，迅速减速为慢中子，加大（n，γ）反应的截面，在这里就是Ta180（n，γ）Ta181。而使6.2KeV能级实行粒子数反转，大量处于6.2KeV， 9/2 同质异能态，发射6.2KeVγ射线，并使相同于这能级的激发核产生受激发辐射。
据估计，这样一根γ激光棒直径只要零点几毫米就可以。由氘与氚作为包壳，里面充有钚与铀，在激光作用下引起的裂变，这部分已在受控热核反应中作过介绍，不过那里谈的是小丸，而这里是细棒。这方面的技术曾给以一个名称叫“微裂变”（microfission）工作，目前已经取得一定的进展。读者在前面热核裂变一章中已经知道激光核聚变的困难情况，但据估计，这里介绍的γ激光棒的技术所需的激光能量，可以比前者小二个数量级，因此，走“微裂变”的途径探索核激光是可行的。
当然，除了上面两个途径之外，还可以设想其他的途径加以探索，由于核激光在国防上和经济上的重大意义，应该引起我们足够的重视。
对于能级寿命≤10-6秒的同质异能核，除了考虑中子泵浦外，还可考虑完全类似普通激光一样，直接用强γ射线的泵浦，譬如60Nd145（钕）的能级结构（图9-12）。
图9-12 Nd能极结构
由于基态到第二激发态，以及第二激发态到第一激发态，角动量只相差1，而第一激发态到基态的角动量相差2，因此，从核物理知识可知，实现基态到第二激发态，以及第二激发态到第一激发态的跃迁是容易的。所以我们只要有强的电磁辐射源，就容易实现把处于基态的核都激发到居于第一激发态上，实现占居数的反转。目前可以考虑用高能电子同步加速器的电磁辐射作为这个过程的泵浦，由于电子在一个强的磁场作用下，会绕着磁力线（即垂直于磁场方面）作回旋圆周运动，伴随着这种圆周运动产生的向心加速度，会不断向外发出电磁辐射，电子动能愈大，辐射电磁波愈向短波段移动，因此可以考虑调节某一辐射波段与我们需要实现的γ跃迁泵浦相一致。初步计算表明，当建立一个强度为150千奥斯特垂直磁场时，电子圆周运动动能可达5000MeV，其辐射的电磁波将达100KeV，显然对上例60Nd145已经是足够了。
上面我们简单介绍了一些实现γ激光的几种设想，当然，这几条途径都几乎是悬崖峭壁，难以攀登。由于γ激光毕竟有其诱人的前景，想在这荆棘丛生的崎岖小路中不断开拓前进的人还是大有人在。事物也常常是“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”的，只有勇于探险的人，才能不断有所发明。如光电效应的克服问题，近来有人考虑利用晶面衍射异常透射效应，来减少光电效应，据说可以减少20～100倍。此外还有人想用 X射线脉冲，在极短时间（10-11秒）内把光电子大部除去，造成裸原子，又不致于破坏晶格的结构。
U235m的半衰期为26.6分，可以用上面长寿命泵浦以纯同质异能态的办法制备。同样也有考虑用锝（43Tc99m）来实现7/2 140KeV能级的γ射线受激辐射（图9-14）。
图9-14锝（43Tc99m能级
看来，γ激光正处于即将有重大突破的前夕，可以设想γ激光也许会成为下一世纪初的惊雷给人类报春。
由于我们知识的限制，目前还无法描绘原子能科学利用 的全部远景，但人类不断从必然王国向自由王国过渡的历史，会沿着分子、原子、原子核、基本粒子……一层层微观阶梯，揭示出更多的自然奥秘。可以相信，人类无穷的智慧，将把今天的幻想变成明天的现实。
当然，科学的创造绝不是一条铺满鲜花的康庄大道。科学实验无一例外都是和艰苦奋斗联系着的。我们要牢记马克思的名言：“在科学上面是没有平坦的大路可走的，只有那在崎岖小路的攀登上不畏劳苦的人，有希望到达光辉的顶点。”大自然留下了多少奥秘，有志者勇敢地投入自己的智慧和力量吧！
几千年来，人类一直在顽强地同自然界作斗争，不断寻找各种各样自然能源为自己服务。二十世纪三十年代终于找到了比煤资源还要丰富、还要有效的新能源棗核能源。掌握原子核能的奥秘，更有效地驾驭自然力量，无疑能把人类的物质生活、文化生活引向更高更新的阶段，并且大大促进科学技术的发展，为人类繁荣带来广阔的前景。这里把它已经开展的工作和正在设想的计划的轮廓介绍一下。
http://rcs.wuchang-edu.com/Resource/GZ/GZWL/WLBL/WLS00041/4189_SR.htm
一、原子能发电
（一）核电站的特殊优点
随着工农业生产突飞猛进地发展，电力的消耗量与日俱增。据有人估计，目前世界上能源的消耗是每八到十年就要翻一番。目前每年消耗的各种能源折合成煤，大约每年要消耗九十亿吨煤。据估计到2000年以后，每年大约要消耗三百五十亿吨煤。所以，积极发展新的能源便具有极为重要的政治、军事和经济上的意义。原子能电站，也就是通常说的核电站，就是当前比较现实的能提供新能源的重要途径。目前世界上已经有二、三十个国家，建成了二、三百座核电站，总发电功率为一亿多千瓦。尚有数百座总功率达几亿千瓦的核电站正在建设之中，估计到本世纪末，将有一半以上电站是靠原子能发电的。
核电站究竟有什么独特的优点呢？
我们知道普通的火力发电厂，是利用煤或者石油燃烧发出的热量，使锅炉里产生大量高压蒸汽，利用这蒸汽推动气轮机高速转动，从而再带动发电机转动发出电来。
核电站中的裂变反应堆就相当于火力发电厂的锅炉，只不过燃烧的不是煤或石油，而是铀原子核。我们利用铀原子核在反应堆里进行链式反应，由裂变过程产生的裂变碎块以极大的动能转变为热能。此外，裂变过程中释放的中子以及γ光子等射线的能量也转化成热能。当我们用重水或普通水（轻水）通过堆中心裂变反应区时，就把这热能带出来，去推动透平（汽轮机），再推动发电机发电。
核反应涉及的是原子核的变化，从质量亏损来说，要比普通化学反应大几百万倍到一千万倍，因而裂变过程释放能量也就比化学反应过程的能量大好几百万倍。一公斤铀235全部裂变时放出的原子核能就相当于2，500吨好煤燃烧时放出的热量。例如，据目前设计的五百万千瓦超级核电站，在它的堆芯活动区只需要360公斤的铀235，而这仅仅是反应堆的一次投料，即达到临界体积所要求的数量。一般一次投料可以烧好长好长时间，一年也只要补充若干铀的燃烧棒就可以。即使全世界所有发电站都改成原子能发电，每昼夜也只是烧几千公斤铀235。象上海这么大的城市，一天一夜烧几公斤铀235就足够了，但是目前烧的是煤或石油，那就不得不每天用巨轮或者许多列火车不停地运输才能满足需要。
由于核电站免去了一般电站的繁重运输任务，所以核电站可以建在交通不便、缺乏燃料的偏僻山区。同时由于核电站裂变反应根本不象普通电站烧煤那样需要氧气，所以只要有充足的水源，即使空气稀薄、交通极为不便的青藏高原也可以建堆。核电站是利用裂变得到能量，不象火力发电厂烧大量煤，造成黑烟滚滚污染空气，所以核电站比烧煤电站干净，核电站常建在大江大河边上或者风景优美幽静的海滨。此外，核电站还有一个很大的好处，就是可以产生新的裂变材料，即钚239，它是比铀235更好的核燃料，而且是制造高效力核武器的材料。钚可以通过核电站中铀棒经链式裂变反应之后，从废铀棒中加以分离提取，一个功率为一百万千瓦的核电站，每年可以从废铀棒中提出好几公斤的钚239，除了可以制造原子弹用外，也可用于核电池等其他用途。
（二）几种主要的堆型介绍
1．热中子堆。这是目前最常见的堆型。它的原理是在堆的活性区，放入原子序数Ｚ比较小的物质，如水、重水以及主要含碳成分的石墨作为减速剂（或称慢化剂），使由裂变释放出来的能量很大的快速中子慢化，直到中子能量减少到和在普通物质中原子热运动那样小的能量。这时中子的运动速度很慢，它与堆中核燃料铀235原子核相碰引起裂变的几率比较大。大约铀核裂变后产生的快中子与普通水相碰18次就可以慢化到热能中子程度，普通水也称轻水，作慢化剂效率不如重水效率高，但轻水非常便宜，因而经常被采用。重水它本身吸收中子的截面小（即直接吃掉中子的机会小），慢化效率又很高，但它的价格较贵。
在热中子堆中，一般使用的核燃料大都是含铀235仅2～4％的低浓缩铀，由于水（包括重水）不仅可以做慢化剂，还可以同时兼作载热剂，让水通过堆的活性区，不停循环，直接可以把裂变时释放的能量热能携带出来。而水的载热效率很高，所以这样堆芯可以做得小。堆的其他设备加压力壳等均可以相应做得小一些，大大减轻了工艺制造上的麻烦。
在堆芯中既充当减速剂作用，又担任循环载热剂作用的水，可以处于两种工作状态。一种是让水处于高温沸腾状态，称高温沸水堆。它只要一次回路把热能取出，热能利用率高，设备简化，但防护措施比较复杂。另一种是采用二次回路，使经过堆芯的水处于一百几十个大气压、几百度高温但并不沸腾的情况下工作，这种堆回路设备复杂，但较安全可靠。热中子堆还常用另一种堆型，即用石墨作慢化剂，用CO2作载热剂的石墨气冷堆。它是把石墨加工成某种蜂窝状特定结构，让铀燃料做成棒状，分别置于石墨当中。CO2气体通过石墨空隙或孔道载热。它是一种非均匀反应堆。
2．快中子堆，也称快堆。它是让裂变后产生的快中子不经任何慢化，直接与核燃料中铀235以及大量的铀238起链式裂变反应，这样就可以充分利用铀239这种核燃料。这种堆体积可以做得很小，单位体积内功率密度高，可以用远比水热容量高的金属钠作载热剂。由于快堆中铀238直接吸收大量快中子，可以变成铀239，此后铀239经过两次β衰变，可以变成钚239。钚239是极好的核燃料，因此快堆的运行过程在消耗核燃料铀的同时，又会产生出新的核燃料钚，这当然是极为可取的一种核能利用方案。但快堆需要较纯的核燃料，而且控制问题复杂，制造工艺要求苛刻。目前法国的“凤凰”堆就属这种堆型，在技术上居世界的前列。
3．其他堆型。反应堆还有很多堆型，譬如：砾石床堆，它象一个煤球炉，把核燃料和一定数量的慢化剂混合，做成象煤球大小的陶瓷燃料小球，堆到一定体积，即堆到链式反应的临界状态，使裂变反应连续不断进行，释放出大量能量。当链式反应过程中，中子的增殖系数减少到一定程度，经过充分反应，即铀235燃料小球消耗到一定程度，让它从堆的底部小洞漏下取出。堆的上部再添加新的核燃料小球，使链式反应继续维持下去。
近年来，美国也有人研究熔盐式堆型。把核燃料预先配制成含铀、锂、铍等氟化物的高温液体，与减速剂均匀混和。核燃料不断在管道上起链式反应，液体核燃料也不断循环，利用二次回路把裂变反应释放的热能取出供发电。这样设计可以免去核燃料棒的精密加工麻烦，而且经长期运行后，废燃料可以经另一回路直接流出来，加以后处理，提取核燃料在燃烧过程中再生的新核燃料棗钚等。这种设计方案，看来很理想，但工艺问题非常复杂，困难很多，目前仅仅是试验阶段。
（三）高压轻水堆工作原理
核电站的堆型是各种各样，现在就较常见的高压轻水堆情况作进一步介绍。
图9-1 核电站原理
高压轻水堆是目前核电站建设技术比较成熟的一个堆型。它利用普通水做慢化剂兼载热剂。核燃料棒是利用稍稍加浓到 2～4％的低浓缩铀做成一根根铀棒，再把每二、三百根这样的铀棒，按一定的物理要求组成为一组组件。这样几十或者一百多组的组件，组成结构极精密的反应堆中的活性区，在活性区下部通以二、三百个左右大气压的大流量普通水，高速地从组件中燃料棒间隙通过，带走裂变释放的热能。为了确保在大功率高效率的条件下运行安全，整个反应堆置于一个非常坚固的、特制的耐高压大钢筒里，另外在钢筒外还设有安全保护的钢筋混凝土和一系列耐高温高压的热力设备与电气设备。
核电站建设既包括极其精密的核燃料组件加工制造，也包括规模十分庞大的堆主体重好几百吨、耐高压的压力壳制造，以及许多超高压大流量大水泵的研制和种种耐高辐射、耐腐蚀、远距离安全监察监测遥控系统。所以，核电站的建造反映了一个国家核工艺技术、精密机械制造、冶金锻造、电气设备制造等多方面综合的工业水平。我们相信，在优越的社会主义制度条件下，有党的领导，我们一定会在不远的时间里看到这样的核电站为祖国大地送来光和热，让核技术和我们每个人的生活紧紧相连。
谈到这里，可能读者还有一个问题没解决，即核电站安全可靠吗，会不会爆炸？所以我们再说说核电站的安全问题。
首先是放射性辐射问题，这点完全可以放心。真正起裂变链式反应的堆主体仅仅有一间小房间那样大小，它处于一层又一层的装置密闭包围之中，射线是跑不到外头来的。正象柴火总是在灶膛里燃烧，你隔了几间房间不可能感到灶里的火对你的影响。
至于极其微量的一点废气排空，老早被大气稀释了，就象一个大水池，放进几粒盐再均匀拌和之后，如果再从这池里取一碗水喝，那无论如何也尝不出咸味道来的。
堆芯会不会失去控制，超过临界状态爆炸？这也是不可能的。一系列多种措施可以确保在任何情况下运行安全。而实际上国际核电站建造数量已超过二百座，运行时间长的已有二十余年历史，尚未发现有此类事故发生，所以核电站安全性是比较可靠的。
二、原子能在交通上的应用
《西游记》中描写的孙悟空，打一个斤斗就有十万八千里，这种腾云驾雾的飞天技术，是我们祖先伟大的幻想！近年来，随着科学技术的发展，飞机的速度都在加快，但如果要从我们祖国的首都北京飞往欧洲或非洲，还是要消耗一百多吨汽油，中途不得不几次停航加油。这样，速度如果再提高，受到的限制就很大，其中燃料携带将占去这些交通工具本身很大的有效载荷，这是一个较难克服的限制。原子能技术将会在交通事业上发挥它的特有作用，由于原子燃料的能量非常集中，很小的一块铀235，就会放出巨大的能量。所以，很少重量的核燃料，就可以实现长距离的航行和运行。而且由于燃料轻，占的体积小，这就大大提高了有效的载荷。
利用核燃料做为动力能源的原子发动机的原理，简单地说，它不过是一个小型的、结构相当紧凑的原子核电站，或者是某种特别结构的核反应堆。原子能在交通事业上将会出现创新的局面，它在客观上等于缩短世界各国的彼此距离。
（一）航海
汽核潜艇我们对它早就不陌生。美苏两霸为了相互争夺，曾拚命建造核潜艇，到目前为止，已达二、三百艘。一般常规的潜水艇是靠柴油内燃机推进，柴油必需在缸里与氧气充
图9-2 核潜艇
分燃烧才行。所以潜艇必须在海面上运行，让柴油内燃机发动，带动发电机发电，给蓄电池充电，以便当潜艇潜入海底后，靠蓄电池放电作动力推进。而用核反应堆作动力，可以在没有氧气的海底正常运行，所以，核潜艇原则上可以长期地在一定深度海底航行而不必浮于海面，这样它就比较便于隐蔽，可以进行突然袭击。
除了核潜艇之外，大型的新式航空母舰也有许多是靠核能作动力（见图9梍3）。它的好处也相当显著，它可以长期在海洋游弋而不需靠岸补充燃料。1957年下水的一艘原子破冰船，发动机的功率是四万四千马力，排水量一万六千吨。它装一次核燃料可以足足在北冰洋破冰运行一年。近一时期国际上还克服种种技术上的困难，建造了好几艘几万吨级的大型商船，它仅需携带很少核燃料就可以在海上航行几个月。最近日本下水一艘商船，一次装料可绕地球运行七圈半。这样在缩短航行时间，降低运输成本方面变得特别有利。
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（二）航空
核反应堆在航空上应用将会有它独特的优点。航空上对飞行器的发动机要求特别高，它要求发动机发出的总功率与发动机自身重量之比越大越好，对燃料则要求每公斤燃料所提供的推力也越大越好。核燃料既然是新的高密度能量物质，所以它在航空上使用可以更显示出优越性。目前正在研究制造原子飞机，其基本原理，无论是冲压式、涡轮式或者涡轮螺
图9-3 核动力航空母舰
旋桨式喷气发动机，主要都是以原子反应堆代替原来这些飞机的动力装置。如冲压式核动力发动机就是从前方吸入冷空气，迅速通过原子反应堆加热成高温气体，通过热空气膨胀室从尾部喷气口高速喷出，推动飞机向前飞去。
图9-4 原子能飞机
因为1克铀235产生的功率与2吨汽油燃烧产生的功率相当，所以初步估计，从上海直飞西欧一些国家，单程只需消耗几十克的核燃料。当然，如何确保飞行万无一失、安全可靠，如何避免在起飞与着落时极微量的放射性空气污染，以及核动力发动机的辐射屏蔽等问题，还需做出很大努力。
（三）陆上交通
火车：原子火车早在五十年代就已经着手研制。显然，
图9-5 原子能火车
一旦制造成功投入运行，据估计，如果发动机功率是八千马力，则行驶一千公里只要十五克重的核燃料。这样牵引力大，又不冒烟，比较干净，长期运行不必添加燃料，因此，原子能火车是未来理想的交通工具。
汽车：可以这样设想，用一部超小型的原子反应堆加一个蒸汽机或者汽轮机代替汽车发动机。这样，除了经常补充些水之外，几乎可以在汽车出厂时装进十几克铀235核燃料就能行驶十几万公里，直到大修时再换个燃料。原子汽车排出的仅是水蒸汽，所以不会造成大气污染。这里遇到的关键问题是设计链式反应临界质量仅仅是十几克的裂变反应堆。
图9-6 原子能汽车
由于超小型化核武器技术进展，目前临界质量工艺设计已经达到几克数量级水平了。如果对链式反应中伴随产生γ射线的防护问题能够用新的办法，用较轻、较少物质进行屏蔽，那末，原子汽车在未来也将是一种理想的交通工具。
（四）航天
人造卫星的发射，在军事上，经济上和科学研究上都有很大的意义，而原子反应堆在燃烧时不需氧气，所以更加适宜于在宇宙空间运行。曾经设计过的原子航天火箭，它的第一级、第二级火箭是采用普通液体或固体燃料的发动机，把火箭送入高空，第三级主发动机是用原子反应堆作发动机，而最后重返大气层时可以使用普通燃料的发动机。由于核燃料能量的高度集中，原子火箭的航程非常之大，可以在宇宙空间连续航行数月之久，所以完全能挣脱地球引力，不仅可以方便地到
图9-7 原子能火箭
月亮去旅行，而且可以到太阳系中其他行星，如金星、火星、土星上面去进行科学探索，开发财富，更好地为人类服务。
三、核爆炸的和平利用
强烈的核爆炸被超级大国作为进行核讹诈政策服务，因而“核爆炸”一词听起来似乎令人生畏。但是，核爆炸也完全可以为和平建设服务。原子爆炸可以使大规模的治山治水的工程得以加速进行，据计算，一公斤核燃料爆炸，就可以搬走相当于二十五万人工一天劳动开挖的土方。美国早在多年以前就计划过“犁头”规划，准备爆炸几颗核弹头来改造自然。核爆炸形成的巨大土方，可以形成很大堆积，几分钟时间能在一条大的河流上形成一个土方大坝来改变河流方向。譬如说，在我国西北地区有不少浩瀚无边的大沙漠，就因终年缺水成为不毛之地，如新疆塔里木盆地，有
图9-8 核爆炸的和平利用
一块面积接近江、浙两省面积的大沙漠，叫塔克拉玛干大沙漠，一条很大的塔里木河就绕着它白白流去。如果能用核爆炸在塔里木河中段筑起大坝，迫使河流改道流入大沙漠中部。同时再纵横交错开出二条大运河，把塔里木盆地北部的塔里木河，与南部的克里雅河相沟通，那么赤地千里的沙漠将变成无垠的绿洲。我们还可以按自己的意志，在需要蓄水的地区，用核爆炸开挖出一系列直径从几百公尺到几千公尺大小不等的人工湖泊，把祖国的西北大地点缀起来。这样，西北地区的气候将发生很大变化，也许会变得温暖宜人，风调雨顺，遍地郁郁葱葱。正如毛主席在一九三五年长征路过昆仑山时写下的《念奴娇防ヂ亍纺茄骸岸裎椅嚼ヂ兀翰灰飧撸灰舛嘌０驳靡刑斐楸＃讶瓴梦兀恳唤匾排罚唤卦溃唤鼗苟Ｌ绞澜纾非蛲肆谷取薄?
我国的西南有世界上最高的青藏高原，横亘着连绵不断的高山峻岭，将来也可以考虑用核爆炸在沉睡千年的深山里，炸开一个个通道，更紧密地把西藏和祖国东部地区联系在一起。
核爆炸更可以应用在石油的开采和大型铁矿、煤矿露天开采的剥离土方工作上。有些油田地质比较特殊，岩层过于紧密，含油层处于较深的地层下，开采比较困难，如果采用适当的地下核爆炸，压碎岩层结构，增加岩层的空隙度，就可以使深部高压的含油层、含气层，逐步通过岩层缝隙跑到上部，这样只要钻探一些浅井即可采油。对于某些离地表不是太深的铁矿或煤矿等，要做到露天开采，需要剥离的土方太多，可以用定向核爆炸，快速地把大量土方剥离，让祖国的地下宝藏显露出来，便于我们开采。
当然，在核爆炸和平利用方面，如何解决常规核爆炸中必然遇到的放射性污染问题很关键，随着研究工作进展，象很少污染、很少冲击波而又有很大辐射能力的中子弹已经问世，另方面，具有强大冲击波、又较少污染的新型弹头，也正在研制之中，这后一种的核爆炸，就非常适合于和平应用。
四、超重岛
向Ｚ＞107进军，寻找新元素，开辟新天地，这是摆在人类面前的一个艰巨任务。我们都看过周期表，表上的原子序数Ｚ从1一直列到107。那末，107以外，还有没有新元素？还可能有多少新的元素？这也许是最容易引起我们发问的问题了。就是周期表中已知的元素，在地球上天然存在的也不是107种，而是只有88种，其余都是人工合成的。天然存在的最重的元素，就是制造核武器的铀元素Ｚ＝92。但近来陆续发现比铀重的元素钚在自然界中也有微量存在。比铀轻的元素中，锝（Ｚ＝43），砹（Ｚ＝85），钷（Ｚ＝61）和钫（Ｚ＝87）却是要用人工的办法制造的。比铀原子序数更大的元素，叫超铀元素。一般来说，人工制造的这些元素全都是放射性的，而且很可惜，比铀重的合成的新元素，如钔（Md）、锘（No）直到最后的Ha，其寿命只是从几分钟到1秒钟左右。所以，即使我们花很大精力把它制造出来，也不过是昙花一现。
我们知道，目前已经有近一千多种核素了，它们之中大部分是人工制造的。理论估计，我们应该可以有近6，000种核素，这数千种核素，彼此之间区别在于它们具有不同的中子数和质子数。如果我们把这么多核素，以它们的中子数和质子数作坐标绘图，我们可以发现它们是沿着Ｎ＝Ｚ或两者比较接近、类似地图经纬线一样连成一片的“大陆”。在这片大陆上，每个居民（核素）虽然它们寿命长短相差极大，然而它们都有一些起码可观的寿命。而在这大陆之外，却是一片茫茫的海洋，在这些海洋里，没有任何Ｎ与Ｚ为某个数值的核素具有足够长的寿命，我们只能说它们都是一些“活不成”的核素。但是，除了这片可居住“核素”的绿洲之外，在那广阔的海洋中还能找到可以居住寿命足够长的“核素”的小岛吗？从原子核结构理论推算，大约在Ｚ＝114和Ｎ＝126附近，还有二个可以居住核素的小岛，这就是近年来随着重离子物理兴起之后，世界各国核物理工作者投入极大人力、物力，奋力“强渡登陆”的两个稳定的超重核素岛，在那里，各种稳定核素比现在已经知道的原子核都重得多。也就是说，一个核当中有更多的质子和中子。哥伦布是看到新大陆，然后登上新大陆，而我们的“稳定岛”目前却是理论推测的结果。
原子核结构的壳模型理论，是从大量的实践中归纳出来的模型理论，它从理论上较圆满地解释原子核的结构。核子数的变化有壳层结构，当原子核内的核子棗中子（或质子）数是处于2，8，20，28，50，82，126即满壳或满壳附近时，原子核是比较稳定的。我们借助于壳模型的理论，加上其他理论计算，可以预言新的核素岛是可能存在的。
当质子数Ｚ＝114与Ｚ＝126、中子数Ｎ＝184的附近还有两个新的稳定壳层，也就是说，理论预言总的核子数Ａ＝308和Ａ＝320左右有两个新的稳定岛。在这两个岛附近，△Ｚ＝?0，△Ｎ＝?0范围内，将近有一百多个原子核的半衰期较长。用前面的话来说，两个小岛可以居住寿命足够长的一百多个“居民”（核素）。这当然是极其令人兴奋的消息，为什么呢？
首先，这意味着我们人类又掌握了一批新的超重元素，这新的元素将会是有一系列新的特种性质为我们人类服务。现仅举其中一个很小的、比较现实的优点来说：新的超重元素，它的最显著特点是富中子数的元素，如第一个新的稳定岛，中子数比质子数将超过七十多个，所以，这些新元素至少可以作为极好的强中子源。再如不是太重的超铀元素以Cf252，每克每秒钟就可以发出2.34?012个中子，在它的各种变化过程中，除了放出大量的中子外，还要放射γ射线等。另外，这些超重元素每个核每次裂变时释放出来的中子数目将肯定不止二、三个，而可能是多达十几个以至几十个。所以由此可以推想，由超重元素引起的链式反应所需的临界质量或临界体积将是非常小。对于数量小于临界体积的超重元素，我们可以把它当作一个强中子源使用。我们将来就可以指望用一个芝麻大的新超重元素，装在一支象钢笔大小的特殊中子笔里，由它前端不断地放出中子。我们知道中子可以治疗癌症，但目前产生中子的装置如中子发生器却是非常庞大和笨重的装置，而且中子的流强也不够。将来用超重元素做的钢笔式中子源，可以超过目前D梍D或D梍T中子发生器流强几倍到几十倍，结构方面却变得小巧玲珑。医生治疗癌症时，在采取适当的保护措施之后，只要拿着这支笔，在癌的部位写写画画就行。当然，新元素的重大意义却并不在此。由于它的链式反应临界体积特别小，可想而知在军事上就可能把核弹头超级小型化，一颗绿豆大小的这种物质，就可以制造出一颗原子弹；在工业上，由于这个新的超重元素作的核燃料，可以设计很小临界体积的核反应堆，那么，也许一个数以百万千瓦的核电站，堆主体部分可以造得很小很小，完全可以装在飞机上，轻易地搬来搬去，如果我国西北、西南的深山密林里要搞大型工程建设，需要强大电力，那末就可以方便地从空中运去一个，就地安装使用。
由于超重元素有它极为重大的政治、军事、经济意义，国际上都不惜代价地在地上找、在海底找、在月球上找；同时，也积极地运用大型加速器，用人工的办法设法去合成它。我们知道在人工合成超铀元素时，是通过重元素如铀、钍等元素，大量的俘获中子，然后进行β衰变而使Ｚ不断增加，使元素在稳定的条件下不断加重。同时也有用较重的离子，如C12、N14、O16等去轰击重核，形成比铀更重的复合核，使新的元素Z与N都比铀大。现在我们要越过β不稳定的海洋登上稳定岛，因而，我们也可以设想是否用更重的离子，如 Ca48去轰击重元素靶核，如Pu248（钚）、Cf252（锎），产生复合核-中子蒸发反应。或者干脆用U238和U238直接相碰撞产生熔合-裂变反应，来形成超重元素稳定岛上的新住客，即Z=114、N=176或Z=126、N＝178，这相当于我们从空中飞渡海洋直接降落在岛上。目前这些工作都在积极地进行之中，然而，尽管登陆的冲锋号吹得震天响，至今还未见到岛上有人真正登上去。
寻找或合成超重稳定岛元素，无疑是近代科学史上的一项大的创举。我们中国人民有志气，在党的领导下也要积极地开展这项工作，迎头赶上，积极筹备实验条件和加强实现超重岛元素理论研究等工作，争取在这项为人类寻找新的一大批稳定超重元素的工作中，作出应有的贡献。
五、其他
（一）一把揭开许多物质秘密的钥匙
我们依靠放射性同位素，还可揭示更多的物质世界秘密，给我们的生活带来巨大的影响。
1．光合作用
光合作用的机制至今仍然是一个谜。原子核技术对揭开这个谜能帮上什么忙吗？
我们借助于放射性碳棗C14代替空气中二氧化碳的C12，就可以研究植物吸收二氧化碳并从根部吸收大量水份之后，在植物的绿叶上如何经太阳光照射变成碳水化合物，由它再制造植物的淀粉和维生素；而另一方面，植物中许多有机酸又如何与植物吸收的氮变成氨基酸，而各种各样氨基酸又串成链合成蛋白质，这些生命物质的复杂变化的一步步演变过程，看来可能被揭示出来。
因为 C14它每时每刻都会放射出能量为 0.156MeV能量的电子。不管它是处于高温的钢水还是处于植物吸收进CO2的化学状态，或者是变成几万个分子量的生物大分子中的成分，C14总是要时时刻刻地衰变，放出一个能量严格相同的电子。这样我们设想一下，如果我们把具有发射特征 0.156MeV能量电子的C14，代替C12扮演的角色参与了所有变化过程，那岂不是等于我们在光合作用过程中，潜伏进带有秘密电台的特工人员 C14了吗？这样，放射性C14不断向我们提供它在光合作用过程中受到的种种遭遇和变化规律这些极为重要的情报消息。人类一旦掌握了这些光合作用秘密，那么我们就有希望把这些原先大量存在的普通的水、空气中的氮和二氧化碳等通过大型工厂生产规模，去昼夜不停地生长出原先只能靠绿色作物通过光合作用制造出来的东西，再生产出面包、脂肪、牛奶、蔬菜以及各种美味食品来。这该是多么大胆的变革啊！
2．生命的起源
地球上的生命，最初是怎样出现的？这肯定是人类将要积极探索的一个重要问题。
经过人类长期的努力，我们终于在五十年代通过实验证实：用甲烷、氨、氢和水汽等简单的无机和有机的基础原料，在一定的物理条件下，如紫外线、X射线、γ射线和加热等条件下，可以构成许多氨基酸。在六十年代，所有组成蛋白质的二十多种氨基酸，均已通过人工合成的办法制造出来了，而组成细胞的另一个重要组成部分，去氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的重要组分棗核苷酸，也可以用人工合成办法制造出来。嘌呤、嘧啶也可以通过氰氢酸聚合作用人工合成。这样，无机物就向有机物转化，有机物再从简单到复杂转化，这就为生命的起源研究孕育了良好基础。
我们知道，二十多种氨基酸相当于二十几个不同字母，蛋白质就是由成千上万个这样的氨基酸字母书写出来的字。我们知道三个字母就有6种不同前后搭配，写出六种不同字；而四个字母不同的前后搭配，则可构成24种不同的字；因此，二十几个字母不同方式的搭配，构成的字就很多很多，所以，蛋白质的种类是成千上万。一个蛋白质分子是由成千上万个各种氨基酸首尾相接钩搭成的，在这过程中，由于氨基酸中的碳原子有特别性质，即它一方与羧基（COOH）相连接，而另一方又和氨基相连接。而羧基与氨基有两种截然相反的性质，这就使它能够首尾相接而形成一长串，象链条状的肽链。几十个、几百个氨基酸形成的肽链就是蛋白质。一个蛋白质分子不仅表现出它分子量大，而且空间结构也很复杂。以我国在世界上首先人工合成的胰岛素来说，它是由五十一个氨基酸组成的两根肽链蛋白质，在一根主链两旁“长”了许多桠枝状侧链，在主侧链上一共挂了七百多个原子，按一定方式排成特定的空间结构，正象一株果实累累的葡萄藤。但是，这仅仅是人工合成的极个别蛋白质，那千千万万种的蛋白质，我们只知道它是许多氨基酸组成，但如何组成，它的详细构造又是怎样，目前尚在蒙昧时期，我们还只是站在解决这个蛋白质谜宫的大门前，门至今还锁着，我们只能对此现象感到发愁和不满。我们是否能借助于在整个生命过程中自始至终扮演重要角色的碳原子，加以放射性标志，让它每走一步都给我们门外汉用无线电波棗γ射线通个消息，以便我们刺探到里面生命形成之谜呢？在这里又要用具有放射固定的0.156MeV电子的C14去巧妙地调换蛋白质合成中担任主角的稳定的 C12元素，看来利用放射性C14“窃居”一切生命过程要位而又能随时随地显示它自己踪迹的原子示踪，是打开生命之谜的一把钥匙。
3．“癌”的成因究竟是什么？
“癌症”现在已经成为今天常见病，多发病的一种。它肆无忌惮地到处吞噬着人类的生命，造成了多少人的痛苦，提起它真是“谈癌色变”。然而，癌的成因究竟是什么？至今医学界仍然无法给出令人满意的回答。既然我们可以从分子的水平上去认识生命现象，我们能否从分子的水平上去揭示癌成因的秘密呢？
从上面介绍的内容，我们已经接触到在分子的水平上看到无机物变为有机物，以及它们进一步演化到有生命存在形式棗蛋白质，是靠这复杂变化中若干重要的分子，如氨分子、碳氢化合物分子，各自组成它们的原子外层电子，在化学变化过程中，不断改变它们之间在空间的分布形状。如碳原子，由于它外层有四个电子，这时它常常可以从别的原子中拉进电子，或者把自己的电子抛些给别的原子而造成它有特别的活泼性。这就是说，碳原子的电子，经常可以与其他原子的电子相搭档共同绕着两者的核沿着一个奇特的、稳定的新轨道旋转。而癌的细胞里面，许许多多蛋白质都有什么样奇特的分子轨道？据某些研究结果判明，癌细胞与正常细胞在细胞内含蛋白质的分子量分布上，有明确差异。而且，据不久前研究还表明，癌细胞中蛋白质在它的长肽链中，大分子与其他元素或分子结合的化学键，是和正常细胞不同的，它常常把它的疏水基释放或者说暴露出来，这样，在癌的蛋白质中，结合水无序程度就增加，好象整个蛋白扭扭曲曲，七零八落。如果这样情况是存在的话，我们就可以借助原子核科学技术，来探索一下癌的结构秘密。因为结合水中的氢（H）原子也是与其他一般氢原子一样，是质子和它外围的一个电子组成的，而整个氢原子象一个陀螺一样不断旋转。然而，带电物质旋转就必然产生磁矩，磁矩就会在特定的癌蛋白条件下，与周围其他的原子相互影响，这个影响大小，当然可能与正常细胞中相对比较有序情况中的结合水中的氢原子磁矩和其他原子的相互影响是不会相同的，因为正常细胞蛋白质结合水的结构上比较有序，疏水基主要处于蛋白质内部。我们用核技术中常用的核磁共振方法，即利用水中的质子磁矩在外磁场中会绕着磁场方向做“拉摩进动”，可望测出这两种不同情况下，结合水中氢原子磁矩受到周围不同环境情况相互影响的程度，这或许可能对蛋白质分子结构的有序无序程度作出判断，也许能对揭示癌细胞结构上做出一些贡献。当然，我们也可以考虑如果我们在正常细胞与癌细胞中，分别结合进一种放射性元素，如能接连发射二种γ射线的In111、Fe57等元素，这些元素结合在蛋白质大分子的链上，它们当然仍然照常不断接连要放射两个γ射线，然而，不同的蛋白质环境，可能对这些原子核接连发射两个γ射线中那个能级发生影响，于是可能导致接连发射的γ射线相互之间角度的关联情况发生变化。如果角关联情况因受扰而发生变化，就好比我们预先埋进蛋白质中一个秘密电台，由于这电台受到严重环境干扰，它们发射讯号的情况发生了明显改变，我们或许能从干扰的变化情况，间接地对癌病变机理得出一些可贵的情报。
（二）γ激光
γ激光或者叫伽玛射线激光器，它已有十几年的研究历史了。虽然目前详细报导不多，但是，它一旦研制成功，那将是核技术一项很大的突破。
我们知道，近年来，由于激光技术的迅速发展和广泛的应用，激光为近代科学和工农业生产开辟了一系列新技术领域。光的受激发辐射，它的前身是从分子结构中，感应辐射得到微波量子放大器即脉塞（maser）演变发展而来的。而激光器即莱塞（laser）的主要工作原理，是利用物质中原子不同激发能级或激发能级到基态感应辐射而得到的。激光的绝妙性能是在于它辐射的光量子频率相同、相位一致、方向一致，而且有极高的辐射能量密度。显然，分子、原子、原子核……是人们揭示微观世界的不同阶梯，而无论是微波量子放大器、激光器或者γ激光（有人把核的γ激光称作gaser），它们发射和吸收的都是电磁波，只不过它们的波长，从长到短地逐步过渡。而且相互之间波长还有交迭。如来自原子内壳层电子能级的电磁跃迁，波长是100～0.1，而原子核不同能级之间跃迁发射的电磁跃迁是1或比这更短的波长。所以，把普通的原子世界中的受激发电磁辐射原理推广到原子核世界中的γ受激发辐射，应该是容易想象和一个较为合理的推广。
当然，唯物辩证法也告诫我们既要看到客观事物矛盾的同一性，更要注意矛盾的特殊性，尤其是事物在不同质阶段的矛盾的特殊性。由于γ激光是核世界中的能级感应辐射，所以情况要比原子世界复杂得多。但是，1958年在核世界能级中已经顺利地实现了无反冲共振吸收，即所谓穆斯堡尔效应。这就为我们实现它的逆过程受激发电磁辐射跃迁增强了信心。
从六十年代普通原子激光问世以来，紧接着就有人考虑到原子核的激光问题。尤其是美国、苏联，立即加紧了这项所谓“超死光”武器的研制。
我们从量子力学知道，在微观体系的二个能级之间，可能发生三种跃迁过程：较高能级的自发跃迁、诱导辐射和较低能级的共振吸收。放射性现象就是原子核较高能级向较低能级的自发跃迁现象。诱导辐射是由处于较高能态核受到能量恰巧等于较高能态与较低能态之间二能级差的那一辐射场激励下而感应（或诱导）引起的辐射现象，所以诱导辐射不消耗光子，相反却能成倍地增加光子的数目。这意思我们可以简单地这样理解：诱导辐射效应就是能把处于激发态而储存着、原来只能以自发跃迁速率释放的原子核能，在一瞬间好象雪崩一样地释放出来，而且辐射出电磁波，具有相干、单色平行光源。我们知道，一般来说γ量子要比可见光波段的光量子能量大几万倍到几十万倍，所以，一旦γ激光实现，那将是一个超强光源（在西方杂志上称为超死光），它将可以穿透树木、钢铁、混凝土等，在军事上可能制成新型的超激光辐射器。由于它具有比普通激光更为强大的贯穿本领，而且具有极强的功率密度，据说一根30微米粗5毫米长的同质异能核晶须，可以瞬间辐射出上万伦琴射线，相当几百焦耳的能量。由于它有特好的方向性，即发散角特别小，据估计它在50公里处的光斑也不过φ16厘米的面积，所以，作为反导弹武器，它可以在极远距离的高空把敌方的导弹内制导系统的绝缘材料以及各种电子器件的晶体管击毁，使导弹失去作用。由于它具有比普通激光更高的贯穿本领，它可以穿透阻碍普通激光的云层以及导弹的高反射率的金属外壳，所以它是一种较为理想的、用于摧毁敌人入侵导弹、火箭，担负起反导弹任务的新型武器，在地质钻探、地下铁道和山区隧道等方面，它也可能获得用处。而在一般工业探伤、工业自动化、农业上辐射育种、医学上抗癌辐射以及特大容量的超微波量子通讯中，都将可能获得广泛的应用。
由于普通激光的全息照相已经获得很大成功，如果一旦γ激光研究成功，那末由于它的波长极短，可以与蛋白质、病毒等高分子空间结构的线度相比拟，所以它还可以实现在分子生物学领域的γ激光三维全息照相。那时，许多对人类危害极大的常见病、多发病的病毒，将在γ激光中全部暴露出它们“凶恶的嘴脸”，如果作为动态观察，还可以把它们进行的“罪恶活动”过程揭露出来。
另外，尚值得提一下激光的聚焦，其焦点处能量密度是与波长的三次方成反比，所以如果实现γ激光的聚焦，将使聚焦点处有惊人的能量密度，或许可以直接点燃等离子体，实现受控热核聚变。
γ激光的确象是给我们插上了一副幻想的翅膀，令人甘愿为之绞尽脑汁，想方设法去实现它。现在，我们具体分析一下，实现它有一些什么特殊要求和困难。
能量共振问题。γ诱导辐射和γ共振吸收是出现在二个能级间的相反的跃迁过程，过去，特别是1958年以来，人们对无反冲γ共振吸收，即穆斯堡尔现象已经进行了大量研究，指出了实现γ共振吸收的一个必要条件是能量的严格共振，而共振吸收与诱导辐射是彼此成正逆过程。所以，同样能量的严格共振，也是实现诱导辐射的关键问题。
我们知道，原子核如果说它以某一能量E0发射γ量子，通常这能量不是严格单值的，而是在E0附近有一个小的分布，即洛伦兹分布，所以，原子核的能级有一个以该能级能量E为中心的自然宽度展布。诱导辐射时，必须是诱导的γ量子能量与被诱导的能级严格相同，才能发生诱导辐射；或者说，诱导的γ量子能量必须落在被诱导的核能级的自然宽度以内。原子核能级寿命长的，这个自然宽度就窄，核能级寿命短的，自然宽度就宽。但是，即使是较短原子核能级的寿命，能级一般自然宽度也是小于 10-3eV左右。所以，一般地说只可能由同种同位素同一激发态发射的γ光子，才能办到在能量严格共振条件下诱导辐射。但由于原子核发射γ光子的同时，动量守恒定律要求原子核有一个反冲，这部分核反冲的能级，显然由跃迁能量供给。所以，在发射γ光子的同时，必然有一个Er的反冲能量损失。在原子核中，Eγ能量一般很大，比自然宽度要大得多，以致能量严格共振条件非常难以得到保证。
除了因核反冲动量损失破坏共振条件外，还由于重力位移、二级多普勒效应（温度位移、化学位移、同位素位移、晶格结构影响……）等因素的存在，使γ发射谱线的半宽度不再等于能级的自然宽度。或者由于γ量子能量分布的加宽，结果也使共振截面相应减少，有时甚至达到很坏的程度。关于反冲能量损失和线加宽问题，在微波量子放大器和激光器中也是存在的，但它们的影响极小，可以不必加以考虑，而在γ激光中却是一个极为严重的问题，这也许是电磁辐射在γ波段矛盾的特殊性，也是目前gaser仍然无法顺利研制成功的一个重要原因。看来，我们只有抓住这个不同阶段中的矛盾特殊性，才能使这问题迎刃而解。
关于γ射线反冲能量损失这个问题，可以利用穆斯堡尔效应，把源做成结晶体，使反冲不是由单个原子核承当，而是由整个晶体所承当，这样可以大大地把反冲损失的Er减小到最小程度。同时还可采用多普勒效应给源一机械速度，以增加发射体的能量，预先补偿反冲损失。另外还有谱线的热运动加宽等办法，使发射谱线与吸收谱线可以重迭。最近，有人曾想采用核磁共振的办法，突然地使线宽压缩几个数量级，其详细技术条件尚未披露。
除了γ量子诱导辐射存在谱线加宽困难之外，还有许多困难。在诱导辐射过程中还存在与它相竞争的其他效应，如γ射线的共振吸收效应，同时有γ射线与物质的相互作用的光电效应，以及康普顿效应、电子对效应等。这些效应的存在会大量消耗γ光子以至使雪崩式的诱导辐射无法观测得到，这也是γ激光研制中必须解决而又难以解决的若干问题。
目前正在探索中的若干途径：我们知道，普通激光的一个前提条件，是使工作物质中处于高能态的原子数目大大地超过低能态的原子数目，也就是所谓产生粒子数反转的条件。这一条件在laser中是使用强力的光泵抽运而达到要求的。在gaser中我们是否亦可以采用反应堆或加速器，通过核反应的途径，把大部分的原子核都激活（或者说泵到高的激发态），即造成原子核的激发态比基态数目多的所谓核粒子数反转条件，这个途径几乎是完全模拟普通激光的技术路线。我们还可以考虑另一个途径，即制备同质异能核的技术路线，把经过堆或加速器激发后的元素（某种情况亦可选择β衰变或K俘获等办法）取出加以分离，把大部分的杂质和不是我们工作所需要的其他能级原子核统统去掉，这样我们就造成了粒子数反转的条件。
我们不妨拿铱（77Ir183）这个同位素来分析一下。77Ir183有三条能级，分别是3/2 （基态）、5/2 （第一激发态）、11/2-（第二激发态），其能级的寿命分别是6?0-9秒和 11.9天（详见图9-10）。如果我们能够把 Ir182在反应堆里照射，经堆中大量中子（n，γ）反应，把 Ir182变成 Ir183，并且使它们大部分都处于11/2-的激发态，从堆中取出并把处于基态的核全部分离去掉（由于第一激发态寿命极短，它们迅速跃迁到基态上），这样就可以制备出较纯的Ir18311/2-的激发态同位素。但这样的同质异能核的分离过程，必须在该同位素所处的较高激发态能级寿命期以内就加以完成，否则，粒子数反转的条件就不满足了。象上面提出的Ir183这个元素，就必须在11.9天以内完成全部的分离和结晶工作。这就意味着我们还需要快速的同质异能态的分离技术和快速结晶的办法。
图9-10 Ir183（铱）能级图
由于同位素分离技术已经不甚容易，何况同质异能核的分离技术更是困难，但目前国际上正在发展一种激光分离同位素的办法，是否可用于这个同质异能核的快速提纯呢？另外，在较高激活态母核放出γ量子的同时，利用它必然产生的反冲动量，可以使母核打断原来化合物状态的分子之间结合键，从而造成母核分离出来，即所谓西拉凡棠罚⊿elard Char-mer）效应，作为分离的手段加以考虑。据国外报导，化学程序的方法，可以提纯半衰期为9小时左右的同质异能核。如对天然存在的Co59元素，在高通量的反应堆中照射，经（n，γ）反应变成Co60m（半衰期107分），然后从“分”数量级时间里，把Co59、Co60m、Co60分离并拉成晶须。因此看来，沿着制备尽量纯（由于自发衰变的存在，绝不可能完全纯的）的结晶高激发态的工作物质来实现γ激光的道路是充满崎岖艰险的小道，攀登这一高峰过程困难不少。但有志者事竟成，我们仍然应该去探索。
另外，我们还可以顺着另一个途径去思考，下面是这另一条途径设想的简单构思。
由于能级的寿命越短，它的自然线宽就越宽。那末，由各种因素引起的线加宽，就可能和原来的自然线宽相接近，相对而言，线加宽现象就不十分明显。譬如我们设想一个短寿命同质异能素寿命小于10-6秒，在极强的中子束作用下进行（n，γ）反应，把它在一瞬间全部变成激发态。这装置的当中是一根细长的铍丝，铍丝内均匀地掺杂有我们选择的、寿命只有10-6秒左右的工作物质，如 Ta180（钽）。铍丝由钚和铀包裹，而在钚和铀的外面再包上一层氘和氚，这样做成一个γ激光棒（图9-11）。当一束激光脉冲从左边轰击这根棒的左端时，由于大功率激光的极强光压，受到极快地向轴心压缩，这时，铀和钚密度也就急速增加，因而它的裂变临界体积迅速地减小，以至在有限的很细的γ激光棒体积内达到超临界，引起强烈的裂变链式反应而发生爆炸。
图9-11 γ激光棒
虽然说在通常的常压下，铀与钚裂变链式反应临界体积要10公斤铀，但在高密度情况下，临界体积只要毫克数量级就可以发生裂变链式反应。在这个反应过程中，氘与氚将起反射层作用，使由裂变而释放的极高密度的中子在一瞬间全部朝轴线方向集中。当然氘与氚也可能在大量中子作用下发生聚变反应，而使中子数更加增加，同时亦可加快裂变反应，它显然就足以使铍丝内的工作同位素快速泵到我们所希望的激发态，造成瞬间的粒子数反转。铍在这过程主要是使铀、钚裂变产生的快中子，迅速减速为慢中子，加大（n，γ）反应的截面，在这里就是Ta180（n，γ）Ta181。而使6.2KeV能级实行粒子数反转，大量处于6.2KeV， 9/2 同质异能态，发射6.2KeVγ射线，并使相同于这能级的激发核产生受激发辐射。
据估计，这样一根γ激光棒直径只要零点几毫米就可以。由氘与氚作为包壳，里面充有钚与铀，在激光作用下引起的裂变，这部分已在受控热核反应中作过介绍，不过那里谈的是小丸，而这里是细棒。这方面的技术曾给以一个名称叫“微裂变”（microfission）工作，目前已经取得一定的进展。读者在前面热核裂变一章中已经知道激光核聚变的困难情况，但据估计，这里介绍的γ激光棒的技术所需的激光能量，可以比前者小二个数量级，因此，走“微裂变”的途径探索核激光是可行的。
当然，除了上面两个途径之外，还可以设想其他的途径加以探索，由于核激光在国防上和经济上的重大意义，应该引起我们足够的重视。
对于能级寿命≤10-6秒的同质异能核，除了考虑中子泵浦外，还可考虑完全类似普通激光一样，直接用强γ射线的泵浦，譬如60Nd145（钕）的能级结构（图9-12）。
图9-12 Nd能极结构
由于基态到第二激发态，以及第二激发态到第一激发态，角动量只相差1，而第一激发态到基态的角动量相差2，因此，从核物理知识可知，实现基态到第二激发态，以及第二激发态到第一激发态的跃迁是容易的。所以我们只要有强的电磁辐射源，就容易实现把处于基态的核都激发到居于第一激发态上，实现占居数的反转。目前可以考虑用高能电子同步加速器的电磁辐射作为这个过程的泵浦，由于电子在一个强的磁场作用下，会绕着磁力线（即垂直于磁场方面）作回旋圆周运动，伴随着这种圆周运动产生的向心加速度，会不断向外发出电磁辐射，电子动能愈大，辐射电磁波愈向短波段移动，因此可以考虑调节某一辐射波段与我们需要实现的γ跃迁泵浦相一致。初步计算表明，当建立一个强度为150千奥斯特垂直磁场时，电子圆周运动动能可达5000MeV，其辐射的电磁波将达100KeV，显然对上例60Nd145已经是足够了。
上面我们简单介绍了一些实现γ激光的几种设想，当然，这几条途径都几乎是悬崖峭壁，难以攀登。由于γ激光毕竟有其诱人的前景，想在这荆棘丛生的崎岖小路中不断开拓前进的人还是大有人在。事物也常常是“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”的，只有勇于探险的人，才能不断有所发明。如光电效应的克服问题，近来有人考虑利用晶面衍射异常透射效应，来减少光电效应，据说可以减少20～100倍。此外还有人想用 X射线脉冲，在极短时间（10-11秒）内把光电子大部除去，造成裸原子，又不致于破坏晶格的结构。
U235m的半衰期为26.6分，可以用上面长寿命泵浦以纯同质异能态的办法制备。同样也有考虑用锝（43Tc99m）来实现7/2 140KeV能级的γ射线受激辐射（图9-14）。
图9-14锝（43Tc99m能级
看来，γ激光正处于即将有重大突破的前夕，可以设想γ激光也许会成为下一世纪初的惊雷给人类报春。
由于我们知识的限制，目前还无法描绘原子能科学利用 的全部远景，但人类不断从必然王国向自由王国过渡的历史，会沿着分子、原子、原子核、基本粒子……一层层微观阶梯，揭示出更多的自然奥秘。可以相信，人类无穷的智慧，将把今天的幻想变成明天的现实。
当然，科学的创造绝不是一条铺满鲜花的康庄大道。科学实验无一例外都是和艰苦奋斗联系着的。我们要牢记马克思的名言：“在科学上面是没有平坦的大路可走的，只有那在崎岖小路的攀登上不畏劳苦的人，有希望到达光辉的顶点。”大自然留下了多少奥秘，有志者勇敢地投入自己的智慧和力量吧！