原子彈沒發明出來之前,愛因斯坦是如何知道原子核裡面有能量的

這個問題有一定的誤導,核能的是科學家不斷用粒子轟擊原子並結合愛因斯坦方程式發現的,這也是爲什麼近代先進國家喜歡造粒子對撞機的原因之一,我們來看一下核裂變的發現過程。

1919年,英國劍橋大學卡文迪什實驗室主任盧瑟福用α粒子轟擊乾燥的氮氣,擊中氮原子核,使氮轉化爲氧,並釋放出一個質子,證明了原子核內部有質子,並猜想‘中子’的存在。

1932年,盧瑟福的學生查德威克用α粒子轟擊鈹,再用鈹產生的射線轟擊氫、氮,結果打出了氫核和氮核,證實了‘中子’的存在。

中子發現後,由於中子不帶電荷,很容易接近原子核並被吸收,科學家便開始用中子作爲“炮彈”來轟擊各種元素的原子核。

1938年,哈恩和斯特拉斯曼進行了中子撞擊鈾的實驗,首次實現了中子誘發的鈾裂變。

梅特納用數學方法假設鈾裂變的產物就是由鈾原子核的分裂而產生的。但當她把產物元素的原子量相加起來時,發現並不等於鈾的原子量,而是小於鈾的原子量。

說明在覈反應過程中,發生了質量虧損。梅特納認爲,這個質量虧損的數值正相當於反應所放出的能。根據愛因斯坦的智能關係式,E=mc^2,她推算出了每個鈾原子核裂變時會放出的能量。

她的侄子弗瑞士設計實驗來證實這種設想,他也用中子“炮彈”轟擊鈾,當中子擊中鈾核時,觀察到異常巨大的能量幾乎把測量儀表的指針逼到刻度盤以外。弗瑞士與梅特納於1939年2月在《自然》雜誌上發表了他們的研究成果,核裂變現象被發現。

而後科學家又發現中子轟擊鈾不僅產生能量,還產生中子,這就爲鏈式核裂變提供有利的條件,這也是製造原子彈的基礎。

由以上脈絡的梳理可知,愛因斯坦開始並不知核能這種現象,只是爲核裂變現象提供了理論證明依據。

簡而言之,愛因斯坦提出的偉大方程式E=mc^2,也就是著名的質能方程式,對於原子彈的製造沒有直接的指導作用,只是核裂變理論假設被提出來之後,質能方程式是可以用到解釋這一現象上面來。

要了解這一問題,首先還得知道質能方程式是怎麼來的,質能方程式和愛因斯坦的狹義相對論緊密相連,事實上愛因斯坦在提出狹義相對論之前,就意識到了很多與常識不符合的地方,在物理學家洛倫茲提出了洛倫茲變換的前提下,愛因斯坦進一步提出了兩個假設:一、任意一個光源在一切慣性參考系中的速度都是各向同性而且速度都爲c;二、所有慣性參考系中的物理定律都是相同的。

隨後愛因斯坦在洛倫茲變換的以及兩個基本假設的前提下推導出了狹義相對論的公式,而根據狹義相對論的公式,愛因斯坦進一步推導出來了智能方程式。所以可見的是,智能方程式完全是純理論推導出來的結果,在原子彈被髮明之前,愛因斯坦也不知道他的這個公式竟然蘊藏着這麼大的秘密,並且這個公式日後還成爲了製造原子彈的理論依據。不知道你有沒有聽說過一個故事,那就是愛因斯坦在聽說美國在日本的廣島和長崎投下了原子彈造成了幾十萬人傷亡之後,內心悲痛萬分,還說自己的理論給人類帶來了災難。

重核裂變首先是由德國科學家哈恩以及斯特拉斯曼共同發現的,20世紀30年代以後,隨着電子、中子、重氫的相繼發現,使得放射性化學上升到了一個新的高度。1938年,當哈恩他們用慢中子轟擊鈾核的時候,竟然出現了出乎意料的情況,那就是反應不僅強烈、釋放出了很大的能量,而且鈾核還分裂成爲了一些原子序數小很多的原子,哈恩想:“難道這就是核裂變?”

在當時,人們並不知道中子可以打開原子核,不知道中子在打開原子核的過程中,不僅不需要中子的速度很快,而且打開原子核,不需要非常大的能量,更不知道的是打開之後的原子核,居然會釋放出巨大的能量。那麼爲什麼打開重核原子核之後會釋放出如此大的能量呢?一開始很多的科學家還持懷疑態度,但是後來他們才發現,原來重核原子核在裂變的過程中,前後物質的質量總和是不一樣的,生成物質的總質量總是小於反應物質的總質量。

這個時候,科學家想到了愛因斯坦的質能方程式,因爲似乎只有這個公式纔可以解釋爲什麼重核原子在裂變的過程中會釋放巨大的能量,原因就在於裂變的過程中發生了質量虧損,而虧損的質量,則按照質能方程式的理論,以能量的形式釋放了出去。可以說,如果沒有智能方程式在關鍵時刻給了科學家理論指導,科學家根本就不會知道釋放的巨大能量是從何而來的,而知道了這個能量是由重核裂變質量虧損帶來的之後,科學家彷彿一夜之間就打開了原子核內部的秘密,原子彈也就隨之誕生了。

在愛因斯坦提出智能方程式的時候,他是不知道原子核是可以被打開的,而且他推導這個方程式的目的,其實是爲了形象說明物體在運動速度不同的時候,物體的質量也有所不同,隨之物體所具有的能量也就不同,物體在絕對靜止的時候質量爲m,那麼它所具有的能量就是mc^2,如果某顆物體的質量因爲速度接近光速的原因達到了m'的話,那麼它所具有的能量就是m'c^2,而原子彈的指導依據,是ΔE=Δmc^2。一個是爲了描述物體具有的能量,一個是描述的是物體的質量轉化爲能量的過程,兩者是有不同之處的。