作者：李英丽
出版社：安徽科学技术出版社
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核能：威力惊人的能量试读：
前言
科学是人类进步的第一推动力，而科学知识的普及则是实现这一推动的必由之路。在新的时代，社会的进步、科技的发展、人们生活水平的不断提高，为我们青少年的科普教育提供了新的契机。抓住这个契机，大力普及科学知识，传播科学精神，提高青少年的科学素质，是我们全社会的重要课题。
科学教育，是提高青少年素质的重要因素，是现代教育的核心，这不仅能使青少年获得生活和未来所需的知识与技能，更重要的是能使青少年获得科学思想、科学精神、科学态度及科学方法的熏陶和培养。
科学教育，让广大青少年树立这样一个牢固的信念：科学总是在寻求、发现和了解世界的新现象，研究和掌握新规律，它是创造性的，它又是在不懈地追求真理，需要我们不断地努力奋斗。
在新的世纪，随着高科技领域新技术的不断发展，为我们的科普教育提供了一个广阔的天地。纵观人类文明史的发展，科学技术的每一次重大突破，都会引起生产力的深刻变革和人类社会的巨大进步。随着科学技术日益渗透于经济发展和社会生活的各个领域，成为推动现代社会发展的最活跃因素，并且是现代社会进步的决定性力量。发达国家经济的增长点、现代化的战争、通讯传媒事业的日益发达，处处都体现出高科技的威力，同时也迅速地改变着人们的传统观念，使得人们对于科学知识充满了强烈渴求。
对迅猛发展的高新科学技术知识的普及，不仅可以使青少年了解当今科技发展的现状，而且可以使之从小树立崇高的理想：学好科学知识，长大为人类文明作出自己应有的贡献。
为此，我们特别编辑了这套丛书。这些内容主要精选现代前沿科技的各个项目或领域，介绍其研究过程、科学原理、发展方向和应用前景等，使青少年站在当今科技的新起点寻找未来科学技术的契入点和突破口，不断追求新兴的未来科学技术。
本套青少年科普知识读物综合了中外最新科技的研究成果，具有很强的科学性、知识性、前沿性、可读性和系统性，是青少年了解科技、增长知识、开阔视野、提高素质、激发探索和启迪智慧的良好科谱读物，也是各级图书馆珍藏的最佳版本。
探索微观世界的奥秘
望着茫茫天宇、壮丽山河，从古至今，多少人在思索：世界万物是由什么构成的？它们是怎样组成了这多姿多彩的世界？可以说，这是一个古老而年轻的话题，人们对这一问题的认识，经历了漫长的岁月，至今仍在进行着不懈的探寻。
早在周代，我国古代学者就提出，世界是由金、木、水、火、土五种基本物质构成。这五种基本物质相生、相克，构成了万物的变化。公元前400多年，古希腊学者德漠克利特把构成物质的最小单元称为原子，原子在希腊文中是“不可分割”的意思，认为正是原子和空间，构成了一切事物的本源。
古代学者的这种对物质结构的认识，只是靠思辩而进行的哲学推论，真正对物质构成进行科学的研究和解释，是近两个世纪以来的事情。
18世纪后半期至19世纪中期，科学家通过大量化学、物理实验，对物质构成的认识取得了一系列突破性的进展。先是300年前英国科学家玻意耳提出了化学元素的概念，接着，1808年化学家道尔顿创立了科学原子论，为人类探索物质之谜奠定了重要的理论基础。1869年，俄国著名化学家门捷列夫发现了元素周期规律，制成了元素周期表，并根据元素周期规律预测了未发现的元素的特征，元素周期规律本身的奥妙和门捷列夫的推测，引起了人们的极大兴趣。元素周期律的发现被称为“科学史上的里程碑”，元素周期律成了打开原子构造大门的第一把钥匙。1897年，英国物理学家汤姆逊发现了电子，使人们对原子结构有了进一步的认识，它证明了原子不是不可分的物质最小单位，原子本身也还有它自身的结构。经过一个世纪的努力，从原子论的创立到电子的发现，“原子”这个概念在人们心中终于失去了古希腊文原有的意义。
直到本世纪初，英国科学家卢瑟福和丹麦物理学家玻尔提出原子模型的设想，人们才对原子结构有了比较直观立体的印象：在原子的-12中央有一个极小的核，核的直径在10厘米左右，如果把原子比做一幢大楼的话，原子核只是一粒小黄豆而已。这个核集中了原子的几乎全部的质量，带有正电荷。原子核周围有相当于它所带正电荷数量的电子围绕着它旋转，就像行星绕着太阳转一样。这是一个微小的“太阳系”，“太阳”是原子核，绕着太阳转的“行星”就是电子。那么，原子核和电子又是由什么构成的？它们可分吗？这个问题是当时的原子模型还不能给以解答的。
虽然到现在为止，人类还没有敲碎过电子，而原子核却已经被人们征服了。
提出原子模型后不久，卢瑟福又发现了原子中还有带正电的微粒——质子，而且预言，在原子的内部；还可能存在着一种尚未被发现的不带电的中性微粒，即中子。1932年，卢瑟福的预言被英国的一位科学家查德威克证实了。为了探索自然的奥秘，必须拥有高效能的仪器和设备。随着现代科学技术的发展，人们相继有了被称为“原子粉碎机”的高能加速器，科学家们把粒子用高能加速器加到很高能量时去撞击原子核，原子核破碎了，令人惊异的是，原子核中居然有二三百种微小颗粒！科学家把这些微粒称为“基本粒子”。目前，人们已知道的基本粒子有质子、中子、光子、电子、中微子、超子、介子、胶子等三百多种，而且还在不断地发现中。
基本粒子要比原子小得多，大的也只有原子的十万分之一。原子核把众多的粒子用巨大的核力紧紧聚在它的周围，所以，想破坏原子核是相当困难的。如果能使原子核发生分裂，就可获得巨大的能量，人们正是利用这一点，演出了宏伟壮观的核变奏曲，开创了能源利用的新时代——核能时代。
按照目前近代物理研究的成果，物质的最小构成单元不再是分子、原子、“基本粒子”，也不会是“最基本”的微粒，随着人类对微观世界认识的加深，人们还会发现更“基本”的微粒。尽管微观世界如此难以捉摸，人们对它的认识尺度必定会逐步加深，从而逐步揭开微观世界的奥秘。
放射性的发现
在探索微观世界的道路上，科学家们经过艰辛的不懈的努力，攻克了一个又一个难关，最终敲开了原子的大门。放射性的发现，可以说是奏响了人们跨入原子时代的前奏曲。
1895年11月一个寒冷的夜晚，德国匹茨堡大学的伦琴教授还在实验室里忙碌着。为了弄清阴极射线的性质，几个月来，他投入了极大的热情，夜以继日地工作。这时，他熄了灯，准备再做一次阴极射线实验。
高压电源接通了。忽然，一种奇异的现象映入了他的眼中：距阴极射线管不远的涂着铂氰化钡的屏幕上，不知什么原因竟闪出了一片黄绿色的荧光。
阴极射线管被黑纸板裹着，阴极射线是不会透射出来的，难道从阴极射线管中还能发出另一种射线，它能穿透黑纸板，映射到屏幕上吗？
伦琴试着把手挡在射线管和屏幕之间，屏幕上竟出现了一个吓人的图像——一只手的骨骼的图像！这肯定是一种新的神秘的射线，它能穿透黑纸、肌肉，但被骨骼挡住了。
这一发现使伦琴兴奋不已，他一连几个星期把自己关在实验室里，研究着这种射线的性质。当他发现这种射线还能使底片感光时，便为妻子拍下了一张手部骨骼的照片。
1895年12月28日，伦琴正式向科学界宣布了他的新发现，并在第二年初的一次学术报告会上，用这种射线当场为解剖学家克利克尔拍下了一张手的骨骼照片。伦琴的发现，震惊了世界，各地的学者、专家、新闻记者都千里迢迢地来登门求教。这种射线究竟是什么呢？是光？是带电微粒？当记者问他时，伦琴实事求是地说：“我真的不知道，它好像数学中的未知数X，我只好称它为X射线。”
X射线就这样问世了。17年以后，德国物理学家劳厄证实了X射线是一种电磁波，或者说是一种光。后来，科学家还测出了X光的波长，并把它用于医学、金属探伤、研究物质分子和结晶结构等众多领域。
伦琴发现X射线以后，世界曾掀起一股研究X射线的热潮。当时，不少人认为荧光来源于X射线。为了证实这点，法国物理学家贝克勒尔做了一个有趣的实验：他用一种晶体铀盐作为荧光物质，放在阳光下照射。然后把它拿进暗室，放在用黑纸包好的照相底片上，结果，密封的底片感光了。贝克勒尔认为，荧光中真的含有X射线。为此，他准备重复几次实验，确实验证后，再公布他的实验结果。意想不到的是，天公不做美，一连几天的阴雨天，使贝克勒尔难以完成他的实验。他懊丧地从抽屉里取出样品，把底片冲洗出来以检查纸包是否漏光，然而，一个现象使他大吃一惊：照相底片居然被感光了，而且感光影像正好是铀盐的像。荧光物质没见阳光，不会发出射线，也就是说，底片感光与荧光无关，底片的感光必定另有原因。
经过反复实验，贝克勒尔发现，只要把铀盐和照相底片放在一起，不管在多么黑暗的地方，底片都会感光。贝克勒尔断定，含铀的物质能自发地产生一种射线，这种射线是不同于X射线的新射线，它同样可使底片感光。这是科学界最早发现的放射性现象，铀也是人们发现的第一个放射性元素。
贝克勒尔发现放射性的消息公布以后，立刻引起了一对从事科学研究的年轻夫妇的注意，他们就是人们熟悉而尊敬的居里夫妇。
含铀物质为什么会放出射线？这种射线有什么性质？是否只有铀能放出射线？别的物质能不能放出其他射线呢？带着这些问题，居里夫妇花了三年多时间，从几吨沥青铀矿中分离出了比铀放射性强400倍的新元素钋。不久，他们又发现了另一种放射性化合物。9年以后，在居里去世后的第二年，居里夫人终于异常艰苦地从30吨铀沥青残渣中提炼出0.1克镭盐，并确定了镭的放射性比铀强200多万倍。
钋和镭的发现，不仅给科学界提供了两种用途广泛的放射性元素，而且给人们提供了一种提炼制取放射性元素的方法。居里夫妇因而也在科学史上写下了光辉的一页。
放射性物质每时每刻都在不停地向外放出射线，这些射线又是由什么构成的呢？解开这个谜的是英国物理学家卢瑟福。
卢瑟福把铀、镭之类的放射性元素放进一个铅制容器中，容器上端有个小孔。由于铅能阻挡放射线，所以只能从容器的小孔中放出一束射线。卢瑟福把一块磁力很强的磁铁放在小孔附近，于是放射线受磁铁的不同作用分成三束：一束是不受磁铁影响，穿透力较强的γ射线，一束在磁场作用下发生偏转的α射线，还有一束与α射线偏转方向相反，偏转角度最大的β射线。
α射线、β射线、γ射线都来自原子内部。原子放出α射线或β射线后，变成了另一种新的原子。原子既不是不可分的，也不是一成不变的。放射性的发现，使人们开始步入神秘的原子世界，开创了科学研究的新纪元。
引发核裂变的中子“炮弹”
自从贝克勒尔发现了放射性现象，居里夫妇提炼出具有放射性的新元素镭和钋，卢瑟福的原子行星模型诞生后，科学界便把目光集中到了原子核的结构上。
1930年，贝克勒尔和德国物理学家玻特，用放射性元素钋发出的α粒子轰击铍片时，发现从铍片里产生一种穿透力非常强的射线，两年后，居里夫人的女儿和女婿用这种射线的粒子轰击石蜡时，竟然打出能量很高的质子来。不过，这一现象未能引起他们的深刻注意，他们从经验出发，误认为这种“铍射线”是一种能量极高的γ射线，因而错过了一次重大发现的良机。
卢瑟福的学生，英国科学家查德威克捕捉了这一良机，对这种现象做了进一步的研究。他发现，这种射线的粒子的质量和质子非常接近，是一种不带电的中性粒子，于是命名为“中子”。中子就这样被一位年轻的学者发现了。它使人们确认了原子核是由质子和中子构成的，对原子结构的探索又深入了一步。
中子被发现以后，科学家们就利用它去轰击各种元素的原子核，来研究原子核破裂时的反应。但命中率太低，多少次实验毫无结果，以致被誉为“原子物理之父”的卢瑟福失去信心地断言：人类任何时候也休想利用原子能！
1934年春，意大利物理学家费米用中子去轰击铀原子核，发现铀被强烈地激活了，并产生出许多种元素。由于当时缺乏有效的手段，所以难以对这些元素进行精确的分离和分析。4年后，德国化学家哈恩和奥地利的迈特纳，用化学方法分离和检验核反应的产物，初步确认，铀核在中子的轰击下，分裂成大致相等的两半，而且计算出一个铀核裂变时会释放2亿电子伏特的能量！
与此同时，居里夫人的女儿和费米等人，在各自的实验中，几乎同时得到了肯定的答案。他们发现，核裂变时除去产生两个裂变原子核并释放出能量外，还会产生出两三个新的中子，新产生的中子又去轰击铀核，还会产生出更多的“中子炮弹”来。于是就会发生一连串的反应。这种按几何级数陡然增加的中子，可以使铀核在极短的时间内全部分裂，同时放出巨大的能量。如果制成炸药，1公斤铀核裂变放出的能量，相当于2万吨TNT炸药的爆炸力！
这种“链式反应”的发现，为人类利用核能打开了迷宫的大门，使人类找到了巨大的能源。
那么，原子核里为什么能有如此巨大的能量呢？科学家们认为，直径仅为原子直径十万分之一的原子核里，拥挤着许多带正电的质子和不带电的中子，它们能排除互相排斥的静电力而共聚一堂，必然还存在着强大的吸引力，科学家称这种吸引力为核力。一旦原子核发生裂变，核力就会被释放出来。但是核力究竟有多大？这个问题由著名科学家爱因斯坦提出的质量和能量的关系式后给出了较圆满的答案。
爱因斯坦认为，质量和能量都是物质存在的形式，两者之间的关系式为：2E=mc
关系式中，E是能量，m是质量，c是光速。按照这个公式，任何一克物质都具有相当于2500万千瓦·小时的电能。原子中原子核的质量稍稍小于它所含的质子和中子的质量总数，这个微小的差别用爱因斯坦的公式计算，也是一个十分巨大的能量，由此可以知道原子核里有着惊人能量的道理了。
目前，使原子核内的能量释放出来，主要有两种方法：一种是将较重的原子核打碎，产生核裂变反应。目前的核电站、原子弹就是采用这种反应的结果。另一种是把两个较轻的原子，聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量，这种反应叫核聚变反应，氢弹爆炸就属于这种反应。
人们利用核能，首先是从核裂变反应开始的，中子就是引发核裂变的炮弹。如果说核能是人类的又一能源宝库，那么中子就是打开这座宝库的钥匙。
粒子加速器
世界就是这样矛盾和奇妙，打破越小的东西往往需要越大的能量。要想把肉眼看不到的细小微粒——原子打破，把一个质子或中子从原子核中分离出来，需要用具有800万电子伏能量的粒子去轰击原子核才能奏效。有的粒子，要想从核内打出来，甚至需用上亿电子伏的粒子做“炮弹”，真可谓名符其实的攻坚战。
怎样才能获得具有高能量的粒子呢？这就要靠高效率的仪器和设备。粒子加速器就是一种能够产生很大能量的粒子“炮弹”的大型机器。它可以使带电粒子获得极大的速度，因而具有极大的动能，而且能够密集地接连不断地发射出来，去轰击要研究的原子，把原子打破，使人们得到所需要的基本粒子。因此，科学家们把它称为“粒子炮”。
自然界虽然也有一些放射性的物质，可以作为轰击原子的炮弹，但是人们难以对它们进行控制，而且这些天然物质放射出的粒子能量都不够高，所以轰击的效率比较低。1919年卢瑟福用天然放射性镭发出的a粒子去轰击氮原子，得到了氧和氢，但是这次实验用了几个星期的时间。
科学工作者渴望有一种能够加大粒子速度，提高粒子能量的机器，来探索原子的奥秘，征服原子世界。为此，许多科学家进行了长期的艰苦的努力。
1928年，英国物理学家科克罗夫特和沃尔顿建造了最初的粒子加速器——电压倍加器。他们利用这台能把质子加速到40万电子伏能量的装置，击碎了锂的原子核，为此获得了1951年的诺贝尔物理奖。
与此同时，美国物理学家范德格拉夫也设计了一种静电加速器。它的高压电极是半球状的金属筒，由绝缘柱高高支起，电极里产生的粒子经强电场加速可到24000万电子伏。
这两种加速器都是一次加速，能不能让粒子在机器中受到多次加速，从而提高它的能量呢？1938年科学家维德罗用交变电场作为驱动力，使粒子在分段的管道中，每经过一段管道受到一次推动，建成了第一台加速离子的直线加速器。这种加速器大大提高了被加速粒子的能量，但缺点是管道长，而且没有充分利用。像美国斯坦福直线加速器中心的一台机器，加速管长达3公里，可想而知，整台机器是多么庞大。
那么，能不能把管道做成一个圆圈状，使粒子在圆圈中周而复始地加速？第一个实现这种想法的是被称为“加速器之父”的美国物理学家劳伦斯。他于1931年制成了第一台回旋加速器。这台加速器直径不过0.3米，但能使粒子加速到125万电子伏。
随着人们对粒子能量不断加大的要求，回旋加速器也从最初的“苗条”渐渐巨大起来。1951年，芝加哥大学内的回旋加速器，磁体就重2200吨，它由一个钢芯和缠绕它的铜线组成。铜线由直径为1英寸的铜管做成，总长度约7公里，仅磁体就有一间房那么大。1967年，前苏联建成一台能产生700亿电子伏能量粒子的加速器，直径超过1500米。美国的一台质子同步回旋加速器直径为2公里，可把质子加速到5000亿电子伏。加速器已经成为一个能量和体积都十分可观的“巨人”。
从本世纪60年代起，科学家们开始研制使粒子和要轰击的原子都动起来的对撞机。这种碰撞无疑比运动的粒子撞击静止的原子要产生更大的能量。70年代后，对撞机已成为世界研制加速器的主要趋势。
西欧核子研究中心的质子——反质子对撞机，能量可达5400亿电子伏特。我国科学院高能物理研究所研制的北京正负电子对撞机，已于1988年开始运行。美国计划建一台20万亿电子伏的对撞机，其工程可同挖凿巴拿马运河相比。
加速器从诞生以来，在半个多世纪的时间里，帮助人们发现了300多种基本粒子。这尊强大的“粒子炮”，轰开了原子世界的大门，为人们洞察微观世界立下了汗马功劳。
核反应堆的秘密
提起核反应堆，也许有人会问：既然它是一种核反应装置，为什么不叫“装置”而叫“堆”呢？要揭穿这个秘密，我们来说一段故事。
原子能的实际试验，是在美国进行的。那是在1942年，当时欧洲正处于第二次世界大战中，许多原子科学家都集中到了美国。这一年12月，流亡到美国的意大利科学家恩里柯·费米等人，在美国芝加哥大学操场的地下，建造了世界上第一个原子核裂变反应装置。由于实验极为保密，工作人员一律不许对外讲出自己的工作情况，所以外界一般人是不知道这里的秘密的。
这个反应装置是由铀和石墨一层隔一层堆积而成的，共有57层，组成一个“堆”。这个“堆”极其庞大，据说光是使用的石墨，就够为当时全球每个人做一支铅笔。
当时的工作人员为了保密，在对外联系时，不能暴露真相。在打电报时，就只用一个简单的词“Pile”来代表实验装置，这个词的意思就是“堆”。后来，原子核裂变反应装置为世人所知，已经不成为秘密了，但是那个代号“堆”却沿用了下来，成为反应装置的正式名称。
有了反应堆，就可以控制原子核裂变反应的速度，使核能得到和平应用，如发电等。
现在反应堆的种类很多，有压水堆、天然铀石墨气冷堆等等，一般核电站用的是压水堆。压水堆就是加压水型反应堆。在这种反应堆里，装有核燃料，如铀235等。为了控制反应速度，反应堆里还装有许多组控制棒。控制棒一般都是用能吸收中子的材料制成，如银铟镉合金、硼钠等。核燃料在反应堆中排成有规则的堆芯，放在一种坚固的钢容器里。控制棒由电动机驱动，根据需要来控制中子的多少，从而掌握裂变反应的速度。反应堆在裂变反应时会产生巨大的热量，这些热量可以用高压水带走。
在核电站里，反应堆是关键性装置。为了将原子核裂变的能量用来发电，还得有一套完整的设备。它除反应堆外，还有蒸发器、汽轮机和发电机等。此外，还有蒸汽和水的管路等。
在用压水堆作反应堆的核电站里，总共有两套管道回路。第一套回路是通过主泵输入高压水，水进入反应堆后，被裂变反应的热能加温，高温水经稳压器进入蒸发器中，将第二套回路里的水加温，变成蒸汽。蒸汽进入汽轮机，带动汽轮机，汽轮机带动发电机发电。从汽轮机出来的蒸汽还可以通过冷凝器和泵，进入蒸发器中再次利用。从蒸发器中出来的另一部高压水还可以返回到反应堆中。
也许有人会担心，原子能发电站安全吗？它不会像原子弹那样爆炸吧？这种担心是多余的。首先，原子能发电站和原子弹虽然都是利用原子核释放的能量工作的，但它们的工作原理和过程是不同的。原子弹的能量释放速度不能控制，在瞬间进行；而原子能发电站的能量可以通过控制棒控制，按需要慢慢释放。可见，原子能发电站决不会爆炸。此外，原子能发电站还有多种保护措施。核燃料是放在坚固的钢容器里，反应堆又装在用金属制作的耐压容器中，而且埋在地下很深的地方。周围又用水泥等材料，把它严密地封锁起来。即使万一有原子辐射线泄漏，严密的封锁线也会把它们封锁在地下，不致泄漏到外面。
人造小太阳
你知道太阳为什么会不停地发出巨大的光和热吗？原来太阳上也在进行原子核反应哩。
早在1938年，科学家贝特就指出，在太阳的炽热的核心里，正在发生核聚变反应，即在不断地由许多质子合成原子核的反应。
我们在前面已经讲过原子核的裂变反应，这里说的却是原子核的聚变反应，这是怎么回事呢？
前面讲过，像铀这样的重元素，它在裂变时，会有质量亏损，这些亏损的质量会变成巨大的能量，这就是裂变能。原子弹和原子发电站都是利用这种原理工作的。
我们现在来看轻元素，如氢和氦。氢原子核是由1个质子组成的。氦原子核则是由2个质子和2个中子组成的。根据计算，氦原子的质量应该是4.031872“原子质量单位”。但是，科学家阿斯顿在用他的仪器实测氦原子质量时，却只有4.001507“原子质量单位”。这就是说，氦原子质量的理论值与实际值亏了0.30365“原子质量单位”。
又是产生了质量亏损。根据物质守恒定律，这些质量亏损是化成了原子的结合能，原子核就是靠这种结合能把质子和中子“粘”在一起。这种结合能在科学上就叫聚变能。由此可见，原子核裂变可以施放出能量，同样，原子核聚合也可以施放出能量。这种聚变能就是聚变反应的产物。
在太阳的核心里，正在发生4个质子合成一个氦核的反应，所以它会发出巨大的聚变能，光和热就是聚变能产生的。
聚变反应的燃料一般是轻元素，如氦、氢及其同位素等。一个氢同位素氘核和一个氢同位素氚核互相碰撞，发生聚变反应，可生成一个氦核。聚变时同时释放出很大的能量，这种能量比裂变反应时发出的能量还要大。生成1克氦核的聚变反应，释放出来的能量就大约与燃烧12吨煤相当，这要比同样重量的核燃料裂变反应产生的能量大好几倍。
根据这个道理，科学家准备用人工的方法来重现太阳核心的反应，也就是人工制造“小太阳”。
不过，实行原子核的聚变反应有一个条件，必须加温，使原子核以极高的速度运动，才有可能叫它们聚在一起。不过，一旦聚变反应发生，就不必再加温了，它自己产生的能量就可以维持反应的要求了。这就像一般燃料，只要点着，它就不必老加温，自己就可以燃烧起来一样。正因为这个原因，人们才把原子核的聚变反应称作热核反应。比如为了使两个氘核或氢核发生聚变，就必须使它们充分靠近，近到只有十万分之一厘米的距离，要做到这一点，必须具有几千万摄氏度到两亿摄氏度的高温才行。因此，要实现聚变反应，获取这种反应的高能量，首先要付出高的温度。
1952年，美国首先用人工方法实现了核聚变，这就是氢弹爆炸。氢弹原来就是用氢等轻元素作原料，用高温来促使这些元素的核聚变的产物。那么，氢弹里的高温是怎么得到的呢？是用原子弹爆炸得到的。也就是说，一颗氢弹里其实还藏有一个小小的原子弹。这个小小的原子弹就像普通炸弹里的雷管，它先爆炸，产生几百至几千万摄氏度的高温。在这种温度的“引燃”下，氢弹里的重氢发生核聚变，变成了氦核。在一瞬间，产生比原子弹还大的爆炸能量。1952年11月1日，美国在太平洋一个小岛爆炸的一枚叫“麦克”的氢弹几乎把这个小岛削平了。
后来，人们又制造了威力更大的氢弹。这种氢弹里装的聚变原料是氢化锂或氘化锂，其中的“引爆”原子弹有多个普通的铀弹，或钚弹。1千克氘化锂的爆炸能力相当于5万吨烈性炸药梯恩梯。我国于1969年6月17日也爆炸成功了第一颗氢弹。这颗氢弹里面装的核“炸药”就是氢化锂和氘化锂。
还有一种更厉害的氢弹叫钴弹。它是在氢弹外面包上一层金属钴。当氢弹爆炸时，释放出中子，撞击钴核，产生钴同位素。这种钴同位素放射性极强，杀伤力极大。它产生的烟尘所到之处，一切生命都会死亡。
氢弹，实际上是战争之“神”。能不能变战争之“神”为和平的使者呢？也就是说，能不能让原子核的聚变反应也变得可以控制，使它像原子能发电站那样，慢慢释放出能量来，为人类造福呢？
这种可以控制的热核反应，科学家叫它受控热核反应。从1952年氢弹爆炸之时起，就有许多国家在秘密研究这个问题。我国也已经有了自己的受控热核反应试验装置。
要使热核反应得到控制，必须保证参加反应的热核材料得到充分的约束。由于裂变反应堆的燃料是固体，反应温度只有几百摄氏度到两千多摄氏度，可以装在壳体中，用控制棒让它慢慢反应，这样做困难不是很大；而聚变反应是在几千万摄氏度的高温下进行，这时所有的物质都被电离，变成了等离子体，控制起来就十分麻烦，因为至今还没有一种材料可在几千万摄氏度高温下不化，所以找到不化的容器来装核燃料就成了难题。后来，科学家找到一种“磁约束”的办法。据说，已经建成的大型磁约束受控热核反应装置，这种装置可以在6千万摄氏度高温度下，约束核聚变反应。当然，这并不是说热核反应完全可以控制了。但是，和平利用热核反应的前景还是很美好的。有人预计，热核反应的实际应用，即热核发电站的运行，大约在下世纪可以实现。
据计算，建成一座可控热核聚变反应发电站的投资是烧煤的火力发电站的6倍，是裂变反应核发电站的4倍。一座功率为150万千瓦的可控热核发电厂，光要使用的钢材就要5万吨，仅此一项，就相当于同功率火力发电厂的全部投资。看来，建成热核发电站的任务是艰巨的，但是它产生的能量却是无可比拟的，人类一定会在地球上造出许多可以控制的“小太阳”，而不需要像神话中的盗火神普罗米修斯那样，去天上“盗火”。
原子反应堆
美国芝加哥大学的校园里，有一座废弃不用的运动场。在运动场西看台的前面外墙上，挂着一块镂花金属匾，上面用英文写着：“1942年12月2日，人类在此实现了第一次自持链式反应，从而开始了受控的核能释放。”
这就是原子时代的出生证明。
人类制成的第一座原子反应堆，就是在这个运动场看台下面的网球场中建造起来。
那是1942年11月，美国芝加哥大学校园里一片冷清。由于美国卷入了第二次世界大战，学生们各奔东西，校园一时失去了昔日欢乐喧闹的气氛。
细心的人们却惊异地发现，在校园体育馆的室内网球场入口处，挂着一块醒目的牌子，上面写着“冶金技术研究所”，禁止外人人内。
其实，这里来了一批举足轻重的人物，为首的是意大利物理学家恩里科·费米，他带领一批物理学家，在这里研制原子反应堆。
早在1939年1月，国际理论物理学年会上，费米得知德国的物理学家哈恩发现了铀核裂变现象。
当时，费米十分震惊，他似乎已预感到它的重大价值：铀核俘获一个中子后，会分裂成两个大致相等的部分。这样，如果铀核每次裂变放出一个以上中子，将又会引起下一次裂变。如此循环，就有可能发生链式反应。
继而，费米又计算出铀核分裂可能释放出令人难以想像的巨大能量。
接着，费米继续进行着他的实验。运用先进的回旋加速器，证实了链式反应的可能性，而且反应速度极快，前后两次反应的时间间隔仅为五十万亿分之一秒。
而对如此的成就，费米激动不已。他认为一旦能够人为地控制铀核裂变的速率，链式反应自动持续下去，它将会在极短的时间内释放出巨大能量！人类将会开辟出新的能源！
只是，促使铀核裂变要形成链式反应的关键在于中子。然而，在绝大多数情况下，中子释放速度极快，很难被铀核“俘获”。
要解决这一问题的关键，是找到一种减速剂，使中子被释放出来之后运动速度变慢，让铀核俘获，从而导致下一次裂变。
几经大量的实验和探索，费米等人终于找到了理想的减速剂——纯石墨。
实验得到了根本性的突破后，费米带领一批物理学家在芝加哥大学的网球场内，要建造世界上第一座原子反应堆。
根据设计要求，反应堆长近10米，宽9米，高6.5米，总重量1400吨，一层石墨一层铀，总共57层，其中有56吨天然金属铀和氧化铀。看上去，反应堆就像偏球形的“炉灶”。
在这个“炉灶”里，还插着一根特制的镉棒。它能吸收中子，只要调节它的深入尺寸，就可以控制裂变反应速率。
为了预防事故的发生，科学家们采取了几套预防措施，将反应堆内控制棒分3组：一组是电动的自动控制棒；另一组是用绳子拴着一个重物的紧急安全棒，当发生意外故障时，立即砍断这根绳子，使安全棒迅速掉人堆内；最后一组是一根控制棒，移动这根棒可以使链式裂变反应开始发生、加速或停止。
1942年12月2日，原子反应堆试运转，大家都在紧张地为此准备着。
费米抬起手腕看了一下表，9时45分。他大声喊道：“大家注意，现在启动反应堆。”
此时此刻，在场的所有人员的注意力都集中在“炉灶”上，等候费米的命令。
15分钟后，费米下达命令：“抽出控制棒！”
当把镉棒慢慢地向外抽出一些时，只听得计数器“咔咔咔”的声响越来越快——铀核裂变开始了！只是声音不稳。
到了下午3时20分，费米再次下命令：“再把控制棒往外抽一英尺！”
3分钟后，计数器的“咔咔”声终于变成了稳定的响声。反应堆达到临界点，人类历史上第一次核的链式反应开始自持地进行了……
它以小于0.5瓦的功率运行28分钟。
费米主持的世界上第一座核反应堆的成功运转，标志着人类进入了原子能时代。
这一反应堆，人们还叫它“芝加哥一号”反应堆。
其实，在反应堆里，铀原子受到慢中子的轰击，发生核裂变，产生大量的能量，可以用来发电，产生高温，这就是核电；当能量集中、短时间突然释放出来时，就产生大爆炸，这就是原子弹。
原子弹爆炸
最简单的原子连锁反应，是在原子弹中发生的反应。那么，原子弹是如何爆炸的呢？
在原子弹中，有两块或更多的同位素微块。每一块的重量小于临界质量，但是，如果把它们加起来则大于临界质量。它们又相处在一个安全的距离。
在它们的背面放着微小的普通炸药块，在规定的时刻，炸药块爆炸。这使同位素微块彼此间互相射击。于是，形成了临界质量，原子弹就爆炸了！
实际上，这里发生着剧烈的裂变，速度是相当快的。
首先，出现1个裂变。
其次，两个中子引起了2个裂变。
继而，每个引起2个裂变，因此，出现4个、8个、16个、32个、64个……
看起来这个速度不是很快。但是，如果连续地以2来乘的话，那增长的速度是十分惊人！
例如，在第10“代”裂变时就有512个。到了第20“代”则为524288个裂变。第80“代”，超过了1，2089×1024。所有这一切都是发生在不到1秒钟的极短时间内。
这样，原子弹就爆炸了。
纳粹德国在行动
20世纪20年代，美国的一些优秀青年，如拉比、奥本海默等纷纷到了英国、德国和丹麦等欧洲国家，求教于当时世界上一些著名的物理学家，如卢瑟福、玻尔、玻恩、海森堡等，在他们的指导下，学习与原子和原子核有关的现代物理学。待学成之后，他们怀着振兴美国物理学研究的雄心，带着最新的量子力学、原子物理和核物理知识回到自己的故乡。这些新知识和新发明就像16世纪西班牙航海家抢来的金子一样稀奇与珍贵，给自己的祖国带来巨大而又令人吃惊的利益。
1932年是一个不寻常的年份，在那一年的2月，发现了中子；11月，罗斯福当选为美国总统；次年的1月，希特勒当上了德国政府的首脑。30年代，希特勒的反犹太和反现代科学的政策，给美国送来了一大批欧洲优秀的物理学家，如弗兰克、费米、维格纳等，使美国的现代物理学，特别是核物理学的研究队伍日益壮大。
1939年1月，玻尔应邀去普林斯顿高级研究院访问。弗里施在他临行前仓促从瑞典赶回来，告诉他铀可能裂变成了两块。玻尔把这一消息带到了美国，立即引起了轰动。当时弗里施正在丹麦做实验，以证实他们的解释。玻尔的儿子奥格通过电话给玻尔通报了弗里施已经看到裂变碎片产生的大电流信号的消息。
玻尔立即和普林斯顿的惠勒合作研究核裂变的机制。他们提出并在理论上证明，只有铀-235才会在吸收中子后发生裂变。玻尔怀疑铀-238吸收中子后会变成一种更重的元素，这个元素也可能会产生裂变。玻尔还提醒，铀-235在裂变时可能会产生两个以上的次级中子。他们的文章在1939年9月公开发表。
核裂变的实验立即在美国的很多实验室被重复和证实。随之而来的是对裂变过程的进一步研究和对裂变生成元素的鉴定，许多科学家不久就分别独立地证实了法国约里奥·居里小组的发现：铀元素在裂变时能产生多于一个的次级中子。这一发现使物理学家们想到了原子核的链式反应：一个中子引起一个铀原子核裂变，而裂变产生的更多中子又引起更多的裂变，因而形成连锁反应。原子核在这个反应过程中，释放出巨大的能量。
当核物理研究发生突变时，希特勒发动的战争也发生了跃变。1939年3月6日，德国军队开进了捷克斯洛伐克。物理学家们不仅看到战争的变化，也看到原子核裂变释放的巨大能量可能会对战争产生的影响。当世界上最大的铀供应国捷克斯洛伐克落入德国人的手中时，他们不能不为此担忧。因此，他们立即以自己的方式作出了反应，西拉德就是其中最为重要的一位。
利奥·西拉德，匈牙利物理学家，生于1898年。他在青年时代就饱受政治动荡之苦。在希特勒掌握政权以后，西拉德先到了维也纳，在那里呆了6个星期，又到英国去了。西拉德具有惊人的才能，他能根据今天的事实，用演绎法来预测明天的事变，他认识到，奥地利迟早是要被纳粹占领的。
1933年秋，在英国物理协会年会上，卢瑟福爵土在发言中指出，凡是谈论大规模地取得原子能的人，都是“胡说八道”。西拉德后来回忆说：“他的讲话使我考虑了这个问题。1933年10月，我的脑海里出现一个想法，就是说，如果能找到一种元素，它吸收一个中子并发射出另外两个，那么就可以实现链式反应，首先我觉得铍可以是这种元素，后来又觉得是某些其他元素，包括铀在内。但是由于种种原因，我没有进行临界试验。”
早在1935年，西拉德就向许多原子科学家提出了这个问题：他们是否认为应该理智地、起码是暂时地停止发表他们的工作结果，并且要考虑到他们的研究有着严重的、甚至是危险的后果。他所询问的科学家之中，大多数拒绝了他的建议。在当时，原子堡垒被攻下来的希望似乎是没有可能的，而西拉德却已经在谈论如何处理战利品了。由于这一“过早的担心”，他所得到的声誉是“荒唐”，即，没有做第一步和第二步，而竟考虑做第三步和第四步的事情了。
1939年4月末到7月末，西拉德和他的朋友们一直苦思，怎样以最好的方式让美国政府了解原子研究工作的巨大意义，以及它们对军事技术可能产生的影响。
1939年3月，费米请求哥伦比亚大学研究生院主任皮格勒姆给美国海军军械部部长、海军上将胡珀写一封信，请求他同意利用费米在华盛顿美国哲学学会作报告的机会，与费米见一次面。3月17日，费米拿着皮格勒姆的介绍信去见胡珀。皮格勒姆在信中以用于学术讨论的谨慎口气写道：“铀可能成为一种每磅可以释放出比通常炸药大100万倍的能量的爆炸物。我自己的感觉是，这种可能性是很小的。”在会见中，费米同胡珀讨论了制造原子弹的可能性，但是，费米的话对这位海军上将并没有产生多大的影响。胡珀只是礼节性地会见了他，希望费米能及时地把他们的研究结果转告海军。
费米在给海军科学家作报告时，提到了用慢中子实现可控核反应和用快中子实现核爆炸的可能性，他说：“然而，不可能对目前存在的实验数据作出任何精确的预言。”费米的报告引起了海军实验室一些在为潜艇寻找新动力的科学家的兴趣，他们也开始了铀分离和核裂变方面的工作。但是，海军不愿意提供用于核研究的经费。这种态度，无疑是给费米等科学家们的头上泼了一瓢冷水。
正当西拉德等人为怎样引起政府机构对核裂变的注意而伤脑筋时，他们得到了秘密报告说，“第三帝国”正在德国政府支持下顺利进行制造原子弹的工作。由此可见，他们的最坏设想已经得到证实了。
通过秘密渠道传到美国物理学家那里的最新消息说，德国人已经采取了坚决行动，他们突然禁止从他们所占领的捷克斯洛伐克出口铀矿石。欧洲另一个有储备铀的国家是比利时，它是由刚果的铀矿产地中得到这种金属的。现在，西拉德正在想方设法来保护这种具有重要战略意义的金属，不让希特勒夺去。可是，美国政府还一直没有认识到铀会有什么军事价值，这种稀有金属当时几乎全部用来制造钟表盘上的发光字码和用于陶瓷工业。
形势越来越明朗了，德国正在从事制造原子弹的工作。西拉德这时意识到，必须得到美国政府的支持，以遏制德国的核计划。
美国的核计划
铀委员会在给罗斯福的第一份报告中指出：由于核研究的军事特别是海军应用，“我们相信这个研究是值得政府给予直接财政支持的。”费米和西拉德等人因此而得到了美国政府的一部分拨款。他们利用这笔资金签订了购买材料的合同，将不断缓慢到来的氧化铀和石墨堆在一起，研究反应堆中材料的排列方式，各种中子吸收、逃离现象，用实验和外延的办法测量、推断和提高反应堆的中子增殖系数。
美国在战争时期制定科研和防务政策的任务主要落在大学校长们的肩上。一方面，这是因为华盛顿的政府办公室里没有人真正深入了解，并能指挥起美国的科学研究；另一方面，军事科研部门缺乏优秀人才。
罗斯福总统看到了这个弱点，他曾在科学家的聚会上讲话，希望科学家能成为保卫美国安全的一支重要力量。美国东海岸的一些大学校长也认为，国家科学院应对战争做一些事情，他们推荐华盛顿卡耐基大学校长布什出面与罗斯福总统商谈有关国防科研的问题。
布什曾是一位电子专家，精通应用数学，曾经担任过麻省理工学院的副院长。布什于1940年6月初与罗斯福总统进行了会谈。6月27日，罗斯福下令成立国家防卫研究委员会，布什担任这个委员会的主席。它的主要任务是在美国科学院和美国政府之间建立联系，使美国的科学研究能在美国政府的支持下，独立地和更有效地为美国的防务服务。布里格斯的铀顾问委员会演变成它的一个下属委员会。布什对它进行了改组，把这个委员会的两名军事成员换成了5名科学家，强化了美国的核研究计划。仅哥伦比亚大学的核研究在1940年1.1月就得到了4万美元的额外支持，材料的供应也得到了明显的改善。
美国国家防卫研究委员会成立后，实际上只控制了与国家科学院有关的研究人员。当时军队拥有另两个平行机构：军事服务实验室和国家航空顾问委员会。为了将所有的科研能力统一起来，更有效地为战争服务，在布什的提议下，罗斯福总统于1941年6月28日下令成立政府科学研究发展办公室，布什被委派为这个办公室的主任，成为美国战时军事科研的最高协调人，原国家防卫研究委员会成为科学研究发展办公室的一个下属机构。布什在核研究方面的主要助手，哈佛大学校长、化学家科南特接任国家防卫研究委员会主席。布里格斯的铀委员会升级为科学研究发展办公室的一个分部，也称S-1委员会。这样，核研究就变成了美国战时几个最重要的军事研究项目之一。
在西拉德、费米等人积极地争取美国政府的支持，以军事应用为最终目的而从事核研究的同时，另一个纯学术研究性质的实验室却在无意中接近了原子弹研究的大门。
在加州大学伯克利分校的辐射实验室，回旋加速器的发明人、诺贝尔物理学奖金获得者劳伦斯，很热心于加速器技术的改进和更大加速器的建造。1940年，他从洛克菲勒基金会获得100多万美元的资助，以建造重达4900吨的回旋加速器。他的一些物理学界的朋友，如麦克米伦和艾贝尔森等人则利用劳伦斯的回旋加速器产生的高能粒子束做各种核实验。
1940年初，麦克米伦和艾贝尔森在实验中发现了玻尔预言过的第94号元素钚-239存在的迹象。钚-239是由铀-238吸收一个中子，并经过两次衰变后产生的，具有24000年的寿命，与铀有着非常不同的化学性质。他们的这一发现在当年6月号的《物理评论》上公开发表。
1941年2月，伯克利的化学家西博格用化学方法正式证实了钚-239的产生，并开始对它的性质进行系统测定。根据玻尔的预言，钚-239也是一种可裂变元素。英国核研究主持人之一的查德威克看到文章后，立即通过外交途径请求美国方面制止更多消息的泄露。1940年12月28日，英国另一名重要核物理学家考克饶夫通过英国驻美科技代表福勒转给劳伦斯一封信，提醒他注意钚的潜在军事应用价值。麦克米伦不久因雷达研究而返回麻省理工学院，在他的建议和劳伦斯的帮助下，费米当年在罗马的同事西格雷接替了麦克米伦，他们在1941年3月就证实了钚-239的可裂变性。
1941年初，美国很多物理学家对布里格斯的铀委员会的工作提出了意见。布什请美国国家科学院院士、芝加哥大学物理系主任康普顿组织一些“有资格判断核研究”的人对核计划作全面的考证。经过与布里格斯委员会成员讨论后，康普顿的委员会于5月17日递交了第一份报告。报告讨论了慢中子的军事用途，包括利用裂变产生放射性污染、反应堆作为潜艇动力，以及由高纯度的铀-235或其他可裂变元素装配原子弹。报告虽然提出了核动力未来的重要性，但对成功的时间特别是同位素的分离持不乐观的估计，没有能够对原子弹在当时战争中的作用提出肯定的建议。
劳伦斯是国家防卫研究委员会雷达小组的成员，在核物理学的朋友，特别是英国朋友的影响下，他对核研究的军事应用兴趣日增。劳伦斯提出把他的37英寸回旋加速器改装成分离铀同位素的质谱仪。1941年3月，他正式要求布什在财政上支持伯克利搞核研究。7月11日，他给康普顿的委员会递交了一份报告，在美国的核研究史上第一次具体地提出了原子弹的构造，“如果有大量的94号元素，快中子也可以产生链式反应，这个反应释放能量的速度将是爆炸性的，因而可视为一种‘超级炸弹’。”
布里格斯的铀委员会和康普顿的两个报告都未能就原子弹问题作出肯定的推荐。与美国相反，这时英国却对原子弹的前景提出了肯定和乐观的建议。它使布什、科南特以及其他一些美国物理学家感到困扰，认为有必要重新考察整个核研究。布什又一次改组了铀委员会，增加了一名重要的核物理学家，他让科南特找劳伦斯和康普顿会谈，希望劳伦斯为核研究做更多的事情，再次请求康普顿组织国家科学院的物理学家，全面考察核研究。
1941年11月6日，康普顿正式提交了他的委员会的第三个报告，其中写道：“全力以赴研制原子弹，对于国家和自由世界的安全是必不可少的……必须认真考虑到，在几年之内，报告描述的原子弹或类似的铀裂变装置的使用，将决定军事上的优势。只要将足够质量的铀-235材料很快地合在一起，就可以产生具有超级摧毁力的裂变炸弹。”报告估计原子弹的临界质量为2～100公斤。由于原子弹爆炸时，核反应不能完全进行到底，1公斤铀-235爆炸时能产生相当于300吨TNT炸药产生的爆炸力。如果全力以赴的话，原子弹成功的时间为3～4年。
布什接到康普顿的报告后，立即报告罗斯福总统。罗斯福的回答是，如果原子弹是可行的，我们必须首先造出来！
S-1委员会的中心任务是，研究美国能否在战争结束之前造出原子弹。卡耐基大学核研究小组已经证明，快中子在铀中引起核裂变时，80%以上的裂变原于核是铀-235。加州大学伯克利分校的奥本海默根据最新的实验数据，估计原子弹的临界质量为2.5～5公斤。
原子弹的另一个关键问题是，能否在短期内获得足够的裂变材料。质量不同的同位素不能用化学方法分离，而且由于铀同位素质量大，而质量差小，分离它们是很困难的。当时美国的科学家已经在研究4种不同的铀同位素分离方法：（1）扩散法。它利用克劳修斯热平衡原理，把质量不同的同位素分离，美国海军实验室很热心于这一方法。这种方法的缺点是效率太低。（2）离心法。它利用不同质量的气体在旋转时所受的离心力不同而将同位素分离。原则上它可有很高的效率，哥伦比亚大学的尤里和弗吉尼亚大学的皮姆斯在这方面已经做了很多工作，主要涉及到材料和离心泵的问题。（3）气体扩散法。它利用不同质量的气体穿过一些多孔膜时的透过系数不一样，从而把同位素分离。哥伦比亚大学的邓宁估计，如果让天然铀的氟化物气体通过5000层膜，氟化铀中的铀-235含量可以达到原子弹材料的要求。（4）电磁分离法。它利用不同质量的带电粒子在磁场中的偏转不同，从而把铀同位素分离。1941年夏，劳伦斯从实验上突破了这一障碍，为铀同位素的大规模电磁分离开辟了道路。
另一种裂变材料钚-239的生产，首先要取决于自持式链式反应堆的建造成功，以及钚-239从铀中的化学分离。费米在哥伦比亚大学用石墨作缓冲剂的“晶格式”指数实验反应堆的中子增殖系数，已达到0.9以上，物理学家们认为这个系数可随材料纯度的提高而增大。另外一种用重水作缓冲剂的反应堆的研究也在进行，核工厂所需要的原料供应没有遇到很大的困难。
1941年初，在北美洲大概存放有2000吨氧化铀，美国和加拿大的铀矿每月能提供几百吨铀产品。S-1委员会估计，最小的原子弹只需不到10公斤的铀-235，提炼每公斤铀-235需要的氧化铀将少于1吨。一个反应堆也只需要几百吨氧化铀。因此，氧化铀的供应是不成问题的。同时，S-1委员会还筹划为反应堆的研制购买大量的石墨和重水。
1941年12月6日，布什把康普顿等人召到华盛顿，并正式传达了罗斯福总统“全力以赴研制原子弹”的命令。科南特在S-1委员会的会议上宣布，他将作为布什在S-1委员会的私人代表，协调核计划的进展。他同意在4种铀同位素分离方法上同时努力，确保为原子弹研制提供核材料。会议确定了各项具体工程计划的负责人：标准石油公司研究部主任默弗里被委任主管一切与研究有关的工程计划问题；尤里负责铀同位素气体分离的研究；劳伦斯负责铀的电磁分离；康普顿负责反应堆的研制，钚的分离、生产以及快中子和原子弹本身的理论研究。
早在1940年，康普顿就开始在芝加哥大学物理系组织自己的核研究小组；逐步使芝加哥成为美国核研究情报交流中心。他在接到S-1委员会的指示后，立即把芝加哥的核研究小组进行改组，升级成代号为“金属计划”的大研究计划，使其有权调动全美国的核研究力量。康普顿还在物理系建立了一个专门从事核研究的实验室，代号为“金属实验室”，一大批杰出的物理学家应邀到该实验室工作。
美国的核研究计划从此形成了。于是，人类历史上最大的武器——政治联姻将在未来的几年内实现，原子外交时代将悄然降临人间。人类，包括总统、主席、首相和国王们，都不得不在思维中出现“原子”的影子，它让所有的人不得安生，特别是在漫长的“冷战”时期。
神秘的洛斯阿拉莫斯
原子核裂变被发现的前夕，奥本海默正致力于研究宇宙射线与原子核的相互作用。他听到原子核被劈裂的消息后，立即把自己的注意力转移到这一新发现上，甚至和朋友们谈起它对战争时期物理学研究和战争本身的影响。
1942年春天，奥本海默应康普顿的邀请，到芝加哥大学物理系讨论快中子与核的相互作用和原子弹问题。布赖特辞职以后，他被正式任命为“金属计划”理论部主任。奥本海默反对布赖特那种以过分的保密措施来限制学术自由的做法，鼓励大家进行自由讨论。在伯克利，他组织了一个包括物理学家贝特和泰勒等人在内的学术小组，讨论原子弹模型。考虑到他没有实验和组织经验，康普顿曾专门派另一位物理学家曼西作他的助手。奥本海默凭着自己的敏捷和特有的开朗、谦虚及随和，领导着这个小组取得了远比过去快的进展。奥本海默在1942年初，就感到有必要建立一个新的陔研究中心实验室，一方面为核科学家和武器专家提供一个自由讨论的场所，另一方面也便于保密和管理。格罗夫斯请求美国政府批准了这一建议。
1942年11月，奥本海默与格罗夫斯选择洛斯阿拉莫斯作为新的实验基地。洛斯阿拉莫斯在新墨西哥州的一片沙漠环绕的大山之中，距离最近的小镇圣菲大约50公里，是一个出口很少的闭塞地方。这里原有一所小学，附近还有不多的农场。当奥本海默他们选定这里后，美国军事工程部和其他军事单位立即开始了紧急的工程建设。奥本海默等一批科学家也带着小型加速器等仪器设备不断地进入实验室。
奥本海默开始时对困难估计不足，认为只要6名物理学家和100多名工程技术人员就足够了。但到1945年时，实验室发展到拥有2000多名文职研究人员和3000多名军事人员，其中包括1000多名科学家。
鉴于大多数科学家都反对实验室的军事化管理，格罗夫斯同意加州大学成为洛斯阿拉莫斯名义上的管理单位和合同保证单位，基地的军队负责实验室建设、后勤供应和安全保障。这就保证了实验室内部的自由学术讨论。奥本海默极力主张学术民主和学术讨论，他认为这是科学研究的基本原则，特别对于军事研究，它是激励优秀科学家创造性的最好方法。在开始时，出于保密考虑，他只允许在他的办公室和格罗夫斯的临时办公室里安装直接对外的电话。但在铁丝网的内部，他反对格罗夫斯提出的在每个实验室配备监视岗的意见，竭力降低军事当局对科学研究的影响。奥本海默鼓励科学家们大胆地讨论原子弹的有关科学问题，提出即使看门人的意见也会对原子弹的成功有一定的帮助。
奥本海默注意倾听任何人的意见，掌握着整个实验进程。有些参与核研究的物理学家后来回忆说，他们自己甚至都不如奥本海默清楚自己工作的细节和进展计划。在很多问题上，都是由于奥本海默的决断才取得突破，保证了原子弹研制时间表的执行。他在科学家、普通职工和政府官员中的威望越来越高。有一个人曾经说过：“在洛斯阿拉莫斯建筑工地上，必要时，每个人都愿意为奥比而赴汤蹈火。”
洛斯阿拉莫斯素有“诺贝尔奖获得者集中营”之誉，奥本海默没有获过诺贝尔奖，却拥有如此高的个人威望，担任着这个“集中营”的“营长”。他的组织才能与人格魅力由此可见一斑。
罗斯福总统在1942年为原子弹计划批准了4亿美元的财政支持，这笔款项分为2.2亿的曼哈顿计划研究费用，1.8亿的原材料采购费用。美国全国都为这个计划做出了牺牲，例如，橡树岭核基地曾一度耗用了美国电力供应的10%。洛斯阿拉莫斯的科学家负责整个计划的协调，他们在交通等方面拥有比国会议员还要高的优先权。在洛斯阿拉莫斯，军队一方面强化安全检查制度，另一方面昼夜为科学家和他们的家属创造良好的生活条件，成为美国历史上科学家和军队最成功的一次合作。
美国还与它的盟国英国和加拿大建立了多种联系和合作，得到了有价值的技术情报和铀原料供应。1943年，英国派出了以查德威克为首，包括玻尔的核研究小组来到洛斯阿拉莫斯、橡树岭等基地，与美国科学家一起研制原子弹。
原子弹的一个重要问题是如何触发它。在科南特的建议下，美国防卫研究委员会于1943年派出了美国军队中最优秀的爆炸专家之一——基斯塔科夫斯基到洛斯阿拉莫斯从事这方面的研究。最简单的触发办法是，把一个高于临界质量的球形裂变材料分为两块，在发射时利用普通枪机触发装在一个半球后面的普通炸药，炸药的推力在一个方向把一个半球推至与另一个半球相合。裂变材料中一般存在着自发裂变，如果推合时间大大小于自发裂变引起的链式反应的时间，使裂变材料在飞散前达到临界质量，原子弹就会发生爆炸。
来自华盛顿大学的物理学家尼德迈耶曾提出了一个向心爆炸的方案：把不同性质的炸药放在球形裂变材料外部的不同点上，炸药爆炸时，会类似透镜聚焦一样，产生一种向心力，它可以缩小触发时间，延长裂变材料的约束时间。由于枪机触发是成熟的技术，也能满足铀
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