以下文章经许可转载自The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
1938 年圣诞节假期，物理学家莉泽·迈特纳和奥托·弗里施从核化学家奥托·哈恩的私人信件中收到令人困惑的科学消息。 当用中子轰击铀时，哈恩做出了一些令人惊讶的观察结果，这些结果与当时关于原子致密核心（原子核）的一切认知相悖。
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迈特纳和弗里施能够为他所看到的情况提供一种解释，这将彻底改变核物理领域：铀核可以分裂成两半——或者称为裂变，正如他们所称——产生两个新的原子核，称为裂变碎片。 更重要的是，这种裂变过程释放出巨大的能量。 第二次世界大战初期发现的这一现象，引发了一场科学和军事竞赛，旨在理解和利用这种新的原子能来源。
这些发现的发布立即激发了许多核科学家进一步研究核裂变过程。 物理学家利奥·西拉德实现了一个重要的认识：如果裂变释放中子，而中子可以诱发裂变，那么一个原子核裂变产生的中子可能会导致另一个原子核裂变。 这一切都可能以自持“链式”过程的形式级联下去。
因此，实验证明核链式反应是可能的探索开始了——75 年前，芝加哥大学的研究人员成功了，打开了通往核时代的道路。
驾驭裂变
作为曼哈顿计划的一部分，该计划旨在在第二次世界大战期间制造原子弹，西拉德与物理学家恩里科·费米以及芝加哥大学的其他同事合作，创建了世界上第一个实验性核反应堆。
为了实现持续、受控的链式反应，每次裂变都必须只诱发一次额外的裂变。 任何更多，都会发生爆炸。 任何更少，反应都会逐渐消失。
在早期的研究中，费米发现，如果中子移动得相对缓慢，铀核更容易吸收中子。 但是，从铀裂变中发射出的中子是快速的。 因此，为了进行芝加哥实验，物理学家们使用石墨来减慢发射出的中子的速度，通过多次散射过程。 这样做的目的是增加中子被另一个铀核吸收的机会。
为了确保他们能够安全地控制链式反应，该团队组装了他们称之为“控制棒”的东西。 这些只是元素镉的薄片，镉是一种优良的中子吸收剂。 物理学家们将控制棒散布在铀-石墨堆中。 在过程的每一步，费米都计算了预期的中子发射量，并缓慢地移出一个控制棒以证实他的预期。 作为一种安全机制，如果出现问题，可以快速插入镉控制棒，以关闭链式反应。
他们将这个20x6x25 英尺的装置称为芝加哥一号堆，简称 CP-1——正是在这里，他们在 1942 年 12 月 2 日获得了世界上的第一个受控核链式反应。 一旦物理学家组装好 CP-1，一个随机的中子就足以启动链式反应过程。 第一个中子将诱发铀核裂变，并发射出一组新的中子。 这些次级中子撞击石墨中的碳核并减速。 然后，它们会撞击其他铀核并诱发第二轮裂变反应，发射出更多的中子，以此类推。 镉控制棒确保了这个过程不会无限期地持续下去，因为费米和他的团队可以选择插入控制棒的具体方式和位置来控制链式反应。
控制链式反应极其重要：如果产生的中子和吸收的中子之间的平衡不完全正确，那么链式反应要么根本不会进行，要么在另一个更危险的极端情况下，链式反应会迅速倍增，释放出巨大的能量。
有时，在核链式反应中发生裂变几秒钟后，还会释放出额外的中子。 裂变碎片通常具有放射性，并且可以发射不同类型的辐射，其中包括中子。 恩里科·费米、利奥·西拉德、尤金·维格纳和其他人立即认识到这些所谓的“缓发中子”在控制链式反应中的重要性。
如果不考虑这些额外的中子，它们将诱发比预期更多的裂变反应。 结果，他们在芝加哥进行的核链式反应可能会失控，并可能造成灾难性后果。 然而，更重要的是，裂变和更多中子的释放之间的时间延迟，让人类有时间做出反应和调整，控制链式反应的功率，使其不会进行得太快。
1942 年 12 月 2 日的事件标志着一个巨大的里程碑。 弄清楚如何创建和控制核链式反应是当今世界各地 448 座核反应堆发电的基础。 目前，有 30 个国家/地区的电力结构中包含核反应堆。 在这些国家/地区，核能平均贡献了其总电力的 24%，其中最高可达法国的 72%。
CP-1 的成功对于曼哈顿计划的继续进行以及二战期间使用的两颗原子弹的制造也至关重要。
物理学家们仍然存在的问题
在现代核物理实验室中，对缓发中子发射和核裂变的理解探索仍在继续。 今天的竞赛不是为了制造原子弹甚至核反应堆； 而是为了通过实验和理论之间的密切合作来理解原子核的基本性质。
研究人员仅对少数同位素（基于每个同位素拥有的中子数量的不同元素版本）进行了裂变实验观察，并且对这一复杂过程的细节尚未充分理解。 最先进的理论模型试图解释观察到的裂变性质，例如释放多少能量、发射的中子数量以及裂变碎片的质量。
缓发中子发射仅发生在非天然存在的原子核中，并且这些原子核的寿命很短。 虽然实验已经揭示了一些发射缓发中子的原子核，但我们还无法可靠地预测哪些同位素应该具有这种性质。 我们也不知道缓发中子发射的确切概率或释放的能量——这些性质对于理解核反应堆中能量产生的细节非常重要。
此外，研究人员正在尝试预测可能发生核裂变的新原子核。 他们正在建造新的实验和强大的新设施，这些设施将提供以前从未研究过的原子核的访问途径，试图直接测量所有这些性质。 新的实验和理论研究将共同使我们对核裂变有更好的理解，这可以帮助提高核反应堆的性能和安全性。
裂变和缓发中子发射也是发生在恒星内部的过程。 特别是重元素的创造，如银和金，可能取决于奇异原子核的裂变和缓发中子发射性质。 裂变会分解最重的元素，并用较轻的元素（裂变碎片）取而代之，从而彻底改变恒星的元素组成。 缓发中子发射会向恒星环境添加更多的中子，然后这些中子可以诱发新的核反应。 例如，核性质在最近被世界各地的引力波和电磁天文台发现的中子星合并事件中发挥了至关重要的作用。
自西拉德的远见卓识和费米对受控核链式反应的证明以来，科学已经取得了长足的进步。 与此同时，新的问题也随之出现，关于驱动链式反应及其对地球和宇宙其他地方能源生产影响的基本核性质，仍有很多东西需要学习。
本文最初发表于The Conversation。 阅读原始文章。