第二十一部分
第一次實現原子核人工嬗變的裝置一個鈾235原子核裂變
前後的“質量虧損”大家都知道核能是一種神奇的新能源，科學家是怎麼發現它的呢?
19世紀末，隨著放射性元素的發現，人們遇到一個新的疑難問題，即這些放射性元素衰變時產生的能量究竟是從哪裏來的?例如，鈾衰變時發射出的粒子能量大得驚人，比碳原子化合時所釋放的能量大200萬倍。鐳除了輻射外還不斷地產生大量的熱，1 g鐳每小時可以釋放出140 Cal的熱量，這種過程能夠日複一日、年複一年地長期進行下去。和化學反應不同，這種能量的釋放與溫度無關，即使是在零下200℃的低溫下或是6 000℃的高溫中，也一如既往。
顯然，這裏涉及的是一種人們完全陌生的新的能量產生機理。而根據能量守恒定律，各種能量都不能憑空產生，它隻能存在於物質之中。可它究竟藏在哪兒呢?科學家為此絞盡了腦汁。
1905年，愛因斯坦發表狹義相對論，認為能量和質量都是物質的屬性，提出質量與能量可以互相轉化的關係式E=mc2，把以往人們一直認為相互毫無關係的質量和能量聯係在一起。它將以往由法國科學家拉瓦錫提出的質量守恒定律與德國科學家亥姆霍茲的能量守恒定律合並成一個定律，即質能守恒定律。這一理論可以合理解釋放射性元素衰變時釋放能量的現象，因為極少的質量就可以轉化為極大的能量。
最初人們以為放射能存在於原子內部，所以把這種放射能叫做“原子能”。自從英國科學家盧瑟福發現了原子的結構，證明絕大部分原子質量都集中在原子核內，人們很自然地認為放射能存在於原子核中，因此又把放射能改稱為“核能”。
此後，人們又陸續發現了質子和中子。1925年，英國科學家阿斯頓進行磁場偏轉實驗，利用質譜儀非常精確地測定了氦原子核的質量，發現其質量並不剛好是構成它的2個質子與2個中子的質量總和，其中存在566×10-26g的“質量虧損”。也就是說，單個核子的質量總是比結合在原子核裏的每個核子的質量大。原子核裏的質子和中子就是靠這些虧損的質量轉化成的能量而緊密結合在一起的，科學家們將這些能量稱為原子核的“結合能”。
1938年，科學家們發現中子轟擊鈾原子核後會產生核裂變現象。當他們將裂變後兩部分碎片的質量相加時，發現它們比裂變前的鈾核質量和作為“炮彈”的中子質量之和要小，說明在鈾核裂變反應過程中同樣發生了質量虧損，而且虧損的質量異常巨大。1個鈾235原子核裂變前後的質量虧損就達357×10-25g。1 g鈾235裂變釋放出的結合能相當於2 300kg燃煤所發出的熱能。這是人們首次認識到核能的巨大威力。
英國科學家阿斯頓，因發明質譜儀獲得1922年諾貝爾化學獎電子質量
人們對原子核的認識始自於電子，我們平常所用的電也來自於這種微小粒子的快速流動。科學家是怎麼發現電子的呢?這要從陰極射線說起。
19世紀後，科學家們對電有了更多的認識，開始從事與氣體放電現象有關的實驗研究。1867年，德國科學家希托夫發現，如果將金屬薄片放在真空放電管的陰極和產生熒光的管壁之間，會投射出清晰的陰影，說明產生熒光的是一種起源於陰極、沿直線前進的射線，而且它能被磁鐵偏轉，說明帶有電荷，人們稱此為“陰極射線”。
英國科學家克魯克斯後來，英國科學家克魯克斯發明一種新的高真空度氣體放電管，通上高壓電後，陰極發射出強烈的熒光，照射在陰極對麵的玻璃壁上，如果在陰極和玻璃壁之間放置一個小葉輪，輪葉就會轉動起來，說明這種射線具有熱效應和動量。
這一現象引起英國科學家湯姆遜的濃厚興趣。1897年，湯姆遜根據陰極射線在電場和磁場作用下的偏轉，判定這是一種帶電荷的粒子流，又用實驗測定出這些粒子的電荷與其質量的比率為氫離子的千分之一。
當時人們唯一知道的帶電粒子是原子的負離子，但陰極射線粒子不可能是這種負離子，因為它受電磁場的偏轉如此強。這隻有兩種可能，要麼就是它具有非常高的電荷，要麼就是它的質量很小。湯姆遜最終測定出陰極射線粒子的電荷同電解中氫離子所帶的電荷是同一數量級，從而證明了陰極射線粒子的質量確實隻是氫離子的千分之一。