能量
20世纪科技迅速进步，地球能源的消耗惊人增加。一旦拥有成亿人口的不发达国家加入工业化国家的行列，燃料的消耗就会更大幅度地跃增。我们到何处去找到所需的能源呢？
我们已经知道，地球上大部分的树木已经消失，是因为我们最初使用的燃料就是木材；公元初，希腊、北非与近东的许多地方森林遭到了无情的砍伐，这一方面是为了搜集燃料，另一方面是为了放牧动物和从事农业。无控制地砍伐森林灾害重重，不仅切断了木材的供应，而且在彻底除去土地的覆盖物后对生产力或多或少地造成了永久性的破坏。这些古代文明区域在过去造就了进步的文化，而现在大部分却变得贫瘠而无生产力，且所住的居民贫穷落后。西欧的森林在中世纪已逐渐砍伐殆尽，而且目前北美的森林也遭到更为迅速的砍伐。除了加拿大和西伯利亚外，温带地区几乎没有留下任何大片的处女林地。
煤与油：化石燃料
煤与石油取代了木材在燃料中的地位。希腊植物学家泰奥弗拉斯托斯早在公元前200年就已经提及煤，但是欧洲最早关于采煤的记录在12世纪以前尚无记载。直到17世纪，英国因为将森林砍伐殆尽使其海军严重缺乏木材，所以才开始改用大量的煤作燃料。这也许受到荷兰人在他们之前挖掘煤矿的鼓励。就采煤来说荷兰人并非最早，因为马可·波罗在其著名的《中国游记》一书中提到，12世纪晚期，中国已经用煤燃烧，那是世界科技上的一大进步。
1660年以前，英国年产煤200万吨，占当时世界上煤年总生产量的80%以上。
煤最初主要用作家庭燃料，但英国人普拉特在1603年发现，如果煤在无氧的情况下加热，它所含的焦油状的漆黑物质会被驱出，所留下的物质几乎全是纯碳，这种残渣称为焦炭。
起初，焦炭质量并不高，经慢慢改善后，终于可用来代替木炭以熔化铁矿。焦碳在高温下燃烧时，其碳原子与铁矿中的氧原子结合，金属铁留下来。1709年，英国人达比开始大量采用焦炭来炼铁。蒸汽机发明后，用煤加热使水沸腾，工业革命于是展开。
其他地方的这种转变较慢。在年轻而森林资源丰富的美国，1800年94%的燃料是木材；然而到了1885年，50%的燃料是木材；至20世纪80年代，则木材在燃料中的比例不足3%，而且重心已由煤转到石油和天然气了。1900年，美国由煤所提供的能量10倍于由石油与天然气所共同提供的能量；半个世纪后，由煤所提供的能量仅为由石油和天然气所共同提供的能量的1/3。
古代照明所用的灯油来源于植物和动物。然而，在漫长的地质时代中，含油丰富的浅海小动物在自然死亡时与泥混合，埋在冲积层下，经过缓慢的化学变化，其油质转变成一种复杂的碳氢化合物，现在被恰当地称为石油（来自拉丁文）。“油”这个字对人类如此重要，以致在最近几代已不表示其他意义。我们相信当“油”出现在大标题中时，它绝不表示橄榄油或椰子油。
石油有时会在地表发现，特别是在富藏石油的中东，情况更是如此。挪亚得到指示，在他的方舟里外涂上沥青以防水。同样的，摩西婴儿时期也靠沥青，使他的“芦苇方舟”免于沉没。石油中较轻的部分（挥发油）有时收集起来用来点灯或用于宗教仪式中的火焰。
19世纪50年代，点灯所需的易燃液体可用鲸油和煤油（由煤在无空气条件下经加热而得）；其另一个来源是油页岩，它是一种柔软得像蜡的物质。当油页岩受热时，它放出一种煤油。这种油页岩于1859年在宾夕法尼亚州西部由一位火车列车员德雷克在试验某种新事物时发现。
E.L.德雷克知道，人们掘井而取水，有时掘得更深以获得盐水（非常咸的水，可用来制盐）。有时有一种易燃的油状物质会与盐水一同冒出来。根据记载，中国和缅甸在2000年前燃烧这种油来加热盐水，以获得盐。
那何不采油呢？由于当时油不仅用作点灯的燃料，而且用作医药，因此德雷克觉得自己挖掘到的东西会有良好市场。结果，在1859年8月28日，当他在宾夕法尼亚州西部的太特斯维尔钻洞钻到约21米（69英尺）深的时候，探到了油源，他钻出了第一口油井！
最初半个世纪中，石油的用途有限，但随着内燃机的出现，石油的需要甚为迫切。比煤油轻的液体部分（即较易挥发为气体的部分）正是在这种新内燃机中所需的燃烧物，这个部分即汽油。从此便大举搜寻石油，迄今未止。
宾夕法尼亚油田很快就耗尽了，新的油田于20世纪早期在得克萨斯州发现，而更大的油田则在20世纪中叶于中东发现。石油具有许多胜过煤的优点：人类不需到地下去挖掘，既不必用无数的卡车载运，又不必将其贮藏在地窖中再铲进火炉里，更不会留下有待清除的灰烬。石油自地下抽出，经油管（或油轮）输送，储存在地下的油槽中，自动注入火炉里，火焰可随意点燃或熄灭，不留灰烬。特别在第二次世界大战后，整个世界大量地由用煤改用石油。尽管煤在制造钢铁和其他用途上仍保持了重要的地位，但石油却成了世界上最大的燃料来源。
石油包含一些易挥发的部分，它们在常温之下是气体，现在称之为天然气，一般以煤气代称，就像石油以油代称一样。天然气在使用上比石油更方便，它的使用增长率甚至比石油的液体部分更高。
然而上述的都是有限的资源。天然气、石油和煤都是化石燃料，来自古代动植物的遗骸，一旦用尽便无法替换。人类实在是以超越的速度在消耗化石燃料。
其中石油消耗特别快，全世界目前每小时烧掉400万桶以上的石油，不论如何努力节约，最近的将来消耗率仍将继续上升，虽然地球上还有将近1万亿桶的石油存量，但是按目前的用量来说，不到30年就用完了。
当然，额外的石油可由更普遍的煤和氢在压力下合成。此方法最初是由德国化学家伯吉尤斯在20世纪20年代研究出来的，结果他获得1931年诺贝尔化学奖。煤的储量实在很多，也许有7万亿吨，不过并非全都易于挖掘出来。到25世纪或更早，煤将成为昂贵的商品。
我们可以期待新的发现，也许在澳大利亚、撒哈拉沙漠，甚至南极洲，有煤和石油在等着我们，而且科技上的进步也可以开发较薄、较深的煤层，进入更深的地下或自油页岩及海底油田中抽取石油。
无疑地，我们也将发现更有效率的燃料用法。燃烧燃料产生热使水变为蒸汽，驱动发电机发电，而在这整个过程中却已浪费了大量的能量。如果能让热直接转变为电，大部分的损失可以避免。这种可能性早在1923年由一位德国物理学家塞贝克提出。他发现如果将两种不同金属在封闭电路中连结，并在此接合处加热，则附近的指南针偏转，这说明了热在电路中造成电流（温差电）。然而，塞贝克对自己的实验作了错误的解释，他的发现当时并未贯彻下去。
随着半导体技术的发展，古老的塞贝克效应得到新生。现在的热电装置中采用半导体，在其一端加热，使其中产生一个电位，在P型半导体中，冷端成为负极，而在n型半导体中，冷端则为正极。如果这两种半导体以一U型结构连接起来，使n－p接点位于U型的底部，则加热底部会引起P分支的上端得到负电荷，n分支的上端得到正电荷，结果电流从一端流到另一端，只要温度差维持着，电流会不断产生（图10-1）。（反过来也可利用电流使温度下降，所以温差装置可以用作电冰箱。）
图10-1 温差电池。加热导体使电子流向n型半导体的冷端，再由p型半导体的冷区流向暖区。如果形成一个电路，则电流按箭头所指方向流动。因此热能可转变为电能
温差电池不需要昂贵的发电机和笨重的蒸汽机，又便于携带，而且可在隔离区域内当作小规模电源，只需要煤油加热器作为热源。根据报道，这样的装置在苏联农村经常使用。
纵然尽一切可能提高燃料使用效率，努力勘探新的煤矿和油源，但这些能源依然有限，在不久的将来，煤或石油不能再作为重要的大规模能源。
化石燃料的利用在完全耗尽之前，必须尽可能加以缩减，因为使用量的增加具有危险性。煤不是纯碳，石油也不是纯碳氢化合物，其中都含有少量的氮和硫的化合物，燃烧化石燃料（特别是煤）时，氮和硫的氧化物会释放到空气中。1吨煤中这种物质的释放量固然不多，但对全部燃烧的煤来说，在20世纪70年代，每年都放出重约9000万吨的硫的氧化物至大气中。
这种不纯物是空气污染的主要来源，在适当的气象条件下，也是烟雾的来源，烟雾覆盖城市，损害人的肺部，甚至能使已患有肺病的人致死。
这种污染物可被雨水自空气中清洗下来，结果造成更严重的新问题。氮和硫的氧化物溶在水中，使水呈弱酸性，这种水落到地面上就是酸雨。
酸雨的酸性不足以直接困扰我们，但它落入池塘和湖中，使其中的水酸化，酸度虽然轻微，却足以杀死大量的鱼和其他水中的生物。特别需要指出的是，如果湖底没有可以中和部分酸的石灰岩床，则这种情况更严重。酸雨也对树木造成伤害，这种伤害在烧煤最多的地方最严重，而且由于西风的缘故，酸雨常会落到东方，因此加拿大东部因受美国中西部烧煤的影响，饱受酸雨之害，瑞典也因西欧烧煤而受害。
如果继续燃烧化石燃料而且其燃烧数量增加，这种污染物的危害的确更大，因此已针对这个问题召开国际会议了。
为了解决这个问题，石油和煤必须在燃烧前经净化处理，这是一种可行的办法，但显然会增加燃料费用。然而，即使所烧的煤为纯碳，所烧的石油是纯碳氢化合物，问题仍未解决，因为经燃烧的碳变为二氧化碳，碳氢化合物变为二氧化碳和水，它们本身无害（某些有毒的一氧化碳也必定同时产生），但仍不可忽视。
二氧化碳和水都是大气的天然成分，水蒸气的含量随时随地变化，但二氧化碳含量则保持约0.03%。大气中由化石燃料燃烧造成的额外水蒸气最后进入海洋，所以无关紧要，额外的二氧化碳中部分会溶解在海中，部分与岩石反应，但有些会留在大气中。
自1900年以来，由于燃烧石油和煤，大气中二氧化碳的含量比原来增加了一半，而且一年比一年显著地增加。额外的二氧化碳并未引起呼吸上的问题，甚至可视为对植物的生长有益，然而二氧化碳确实增加了某些温室效应，并使地球的平均温度略微提高。增高的温度虽然微不足道，却使海洋的蒸气压有升高的趋势，而且空气中也会保持更多的水蒸气，就整体而论，这也提高了温室效应。
燃烧化石燃料可能引起温度足够的上升，使冰冠开始溶化，对大陆海岸线产生危害，并且可能会引起气候上长期的不良变化，甚至可能引起温室效应加剧，使地球陷于与金星相同的境地，不过我们需要对大气动力学和温度效应有更多的了解，才能做出更精确的预测。
无论如何，要想继续燃烧化石燃料就必须特别小心。
既然我们继续需要能源，而且所需能源与日俱增，那么我们该如何应付呢？
太阳能
解决能源的一种可能方法是加强利用更新的能源：以地球能量的“收入”过活，而不是直接消耗其“资本”。
如果森林能像农作物一样成长收获，木材也可以成为所需的资源，然而光是木材远不能满足我们所需的全部能源。我们也可以多利用风力和水力，同样的它们也不能突破辅助能源的地位。另外，某些潜在的能源，例如开发地热（如温泉）或利用潮汐，情况也是如此。
最重要的是开发利用部分来自太阳的巨大能源，这种日照的能量约为目前每日消耗能量的5万倍。就这方面来说，一种有希望的特殊装置是太阳能电池或光电池，其原理是运用固态装置将阳光直接转变为电流（图10-2）。
图10-2 光电池。阳光照射薄板的自由电子，从而形成电子-空穴对p-n接面的功用有如一道栅门或电场，可把电子与空穴分开，而在接面处形成一个电位差，电流通过电线线路
如同贝尔电话实验室于1954年研制成的那样，光电池是由n型和p型半导体组成电路的一种电池，其外形就像一块扁平的夹心面包片。日光投射到这块板上，将一些电子撞出来，这就是一般的光电效应。自由电子向正极移动，空穴向负极移动，这就产生电流。同普通化学电池的电流相比，这种电流并不大，但是太阳能电池的优点是没有液体，没有腐蚀性的化学物质，而且能无限制地依赖太阳来发电。
1958年3月17日，美国发射的先锋1号人造卫星首先配备光电池以供无线电通信用，这些信号由于没有设置“关”的开关而持续了多年。
地球上4047平方米（1英亩）日照地区每年接受9400000千瓦·小时的太阳热量，如果地球上沙漠地区的广大地面上，例如撒哈拉沙漠的死谷，覆盖着太阳能电池和蓄电装置的话，可以无限地提供世界所需的能量。
当然也要考虑费用，制造电池所需的纯硅晶体很贵，虽然从1958年以来，硅晶体的价格已削减到0.4%，但太阳能电池的价格仍约为石油发电的10倍。
当然，光电池还可以再降低价格并提高效率，但收集阳光并不容易。阳光丰富而稀薄，正如前两段所提过的，如果要利用，必须找到广大的区域才行，而且还要扣掉夜晚的时间，即使在白天，也可能有浓雾、烟雾或云。就算在晴朗无云的沙漠上，空气仍会吸收大部分的太阳辐射，特别是太阳接近地平线的时候，在地球上要维持大的曝晒区域实在是既昂贵又困难。
有些科学家因此建议，将太阳能收集场置于没有大气干扰而阳光几乎连续不断的地球轨道上，使单位面积的产量增至60倍，但这个想法暂时还不可能成功。
原子能的战争用途
在大量使用化石燃料的今日和大量使用太阳能的未来之间，有另一种可大量取得的能源，它在不到半个世纪之前意外地出现，并具有衔接能源空档的潜力，这就是核能，即一种存在于原子核内的能量。
核能有时称为原子能，但那是错误的名词，严格地说，原子能是化学反应产生的能量，如煤和石油的燃烧，因为它们包括了整个原子的作用，而由原子核中所释出的能量则是全然不同的，其数量也要巨大得多。
核裂变的发现
在查德威克于1932年发现中子后，物理学家便掌握了一把开启原子核的钥匙。中子因为没有电荷，能够轻易地穿透带电的原子核，于是物理学家们开始用它轰击各种原子核，看能发生什么样的核反应。在这些研究者中，有一位是意大利的费密，他在数月中制备了37种元素的放射性同位素。
费密和他的伙伴发现，如果他们先让中子通过水或石蜡以减慢速度，便可以得到较佳的结果。中子使水或石蜡中的质子反跳出来，而中子本身就像一颗撞球撞到其他撞球一样减慢下来。当一个中子减速到热速度（即原子正常运动的速度）时，有更多机会被原子核吸收，因为它留在原子核附近较久；另外，由于波长与粒子的动量成反比，当中子慢下来时，它的波长增加，会占据更多空间，所以它也就更容易撞上1个原子核，就像1个保龄球比1个高尔夫球有更多机会撞上1个保龄球瓶一样。
一种特定的原子核俘获1个中子的概率称为截面。这个名词将原子核描绘成一个特殊尺寸的靶子，在相同的距离下，一颗棒球击中一座仓库的边缘比击中一块30厘米（1英尺）宽的木板要容易。截面的大小是以靶恩为单位来表示的，1靶恩等于10－24平方厘米。这个单位是由美国物理学家霍洛韦和C.P.贝克于1942年命名的。
当1个原子核吸收1个中子时，它的原子序数不变（因为核电荷保持不变），但原子量上升1个单位，如氢-1变为氢-2，氧-17变为氧-18，等等，而中子进入时带给原子核的能量可将原子核激发——增加它的能量，过剩的能量随即以γ射线发射出去。
新原子核通常不稳定，举例来说，当铝-27吸收1个中子而变成铝-28时，1个中子迅速变成1个质子（发射出1个电子），原子核正电荷的增加将铝（原子序数13）转变为硅（原子序数14）。
因为中子轰击可使1个原子转变为下一个高原子序数的原子，费密决定用中子轰击铀，看它是否能形成一种原子序数为93的人造元素。在轰击中子所得的产物中，他及其同事们的确发现有新放射性物质的迹象，因此他们认为已取得第93号元素，称之为铀X，但如何鉴定这种新元素呢？它应具有什么化学性质呢？
第93号元素在周期表中应该位于铼之下，所以它的化学性质应该与铼相似（见第六章 ）。果真如此，制备的第93号微量元素的鉴定方法是：把铼与经中子轰击后的产物混合，然后以化学方法将铼分离出来。铼起到载体的作用，把化学性质相似的第93号元素带出来。如果能证明铼上附着放射性，我们就知道第93号元素的确存在。
钋的发现者哈恩和迈特纳在柏林一起工作，遵循着此实验方向锲而不舍。第93号元素没有随铼而出现，哈恩与迈特纳于是继续试着去探讨中子轰击是否能把铀转变成周期表上邻近的其他元素。此时，德国于1938年占领奥地利，迈特纳身为奥地利国民，又是犹太人，被迫逃到斯德哥尔摩，而哈恩只好与德国物理学家斯特拉斯曼一起继续他的工作。
几个月之后，哈恩和斯特拉斯曼发现，当把钡加入轰击过的铀时，它会带走一些放射性，他们认为此一放射性应该属于镭，即在周期表中位于钡之下的元素，结论是铀被中子轰击后有些变成了镭。
但镭是奇特的东西，哈恩与斯特拉斯曼尽其所能仍无法将它自钡中分离出来。当时在法国由I.约里奥-居里和他的同事萨维奇进行的一项类似的工作也同样地失败了。
接着，迈特纳在斯堪的纳维亚大胆地选了一条捷径，并发表了一种哈恩私下说出但犹豫是否要公开的现象。她于1939年1月在英国《自然》杂志上公开发表的一封信中，指出镭不能从钡中分离出来，因为根本没有镭。假想的镭实际上是放射性钡：经铀中子轰击后而形成的钡，这种放射性钡发射出β粒子而衰变成镧（哈恩与斯特拉斯曼发现，原来加入产物中的镧显示出某种放射性，他们认为那是锕，事实上是放射性镧）。
钡如何从铀中形成呢？钡原子只具有中等重量，已知的放射性衰变过程都不能将一种重元素转变为大约其一半重量的元素。于是迈特纳大胆地推测铀原子核可分裂成两部分。吸收中子会使铀核发生它所谓的裂变，而生成的两种元素分别是钡与周期表中位于铼之上的第43号元素（稍后被命名为锝）。钡原子核和第43号元素的原子核形成铀原子核。这个想法很大胆，因为中子轰击只提供6兆电子伏，而当时原子核结构的主要观念认为似乎需要数亿电子伏才能做到。
迈特纳的侄子弗里施赶到丹麦，在这个新理论公开发表前将其呈给波尔。当时波尔正在研究发展原子核结构的液滴理论，而且用迈特纳的论点似乎可以解释它。其后几年，液滴理论将原子核外壳纳入考虑，甚至可用以解释核裂变量精致的细节，以及为何原子核会裂变成不等的两半。
无论如何，波尔立刻了解了其中的含意。不久他去华盛顿参加一个理论物理研讨会，他告诉物理学家们自己在丹麦听到的裂变说法。物理学家们兴奋地回到自己的实验室去验证这个假说，一个月之内便发表了半打实验证据，结果1944年诺贝尔化学奖由其中的哈恩获得。
链式反应
裂变反应释出的能量远大于通常放射性的能量，但使得裂变现象如此惊人的不只是额外的能量，更重要的是它释放出2或3个中子。在迈特纳的信公开发表后不到两个月，一些物理学家便遇上了令人畏惧的核链式反应的可能性。
链式反应是化学中的常见现象，一张纸的燃烧便是一个链式反应；一根火柴提供了起始的能量，一旦燃烧开始，就有了维持和传播火焰的媒介热，然后燃烧以持续而扩张的方式带来了更多的燃烧。
核链式反应也是如此，1个中子裂变1个铀原子核，释放出2个中子，然后这2个中子又引起裂变反应，释放出4个中子，这4个中子又造成4个裂变反应，依此类推（见图10-3）。第一个原子裂变产生能量200兆电子伏，下一步产生400兆电子伏，再下一步产生800兆电子伏，再下一步产生1600兆电子伏，依此类推。由于这种连续的过程在大约五十兆分之一秒内发生，因此在很短的时间内，就会释放出惊人的能量。（每次裂变实际产生的平均中子数是2.47，所以事情进行得甚至比这个简化的计算所显示的还快。）28.35克（1盎司）的铀裂变产生相当于燃烧90吨煤或2000加仑油的能量，理论上，使用铀裂变可以解决我们目前所面临的能源问题。
图10-3 铀的核链式反应。大圆圈是铀原子核，黑点是中子，波状箭号是γ射线，小圆圈则是分裂的碎片
但裂变反应不幸刚好在第二次世界大战之前发现。物理学家估计，28.35克的铀裂变会产生相当于以600吨梯恩梯（TNT）黄色炸药的爆炸威力，以这种武器从事战争，其结果相当可怕，万一被纳粹德国先攫取到这种炸药去危害世界，后果更不堪设想。
匈牙利血统的美国物理学家齐拉特研究核链式反应多年，十分清楚其发展潜力。他与其他两位匈牙利血统的美国物理学家维格纳和特勒，劝导爱因斯坦在1939年夏天写信给罗斯福总统，说明铀裂变的潜力，并建议尽一切努力在纳粹之前发展这种武器。
这封信写于1939年8月2日，同年10月11日才呈给总统。这段期间，第二次世界大战在欧洲爆发，而哥伦比亚大学的物理学家在费密（他在一年前离开意大利到达美国）的监督下，努力要使大量铀产生持续的裂变。
最后美国政府根据爱因斯坦的信而采取行动。1941年12月6日，罗斯福总统授权进行一项庞大的计划，以刻意掩饰的曼哈顿工程师管理区为名，目的在于发展原子弹。第二天日本就攻击珍珠港，美国因而参战。
第一座原子核反应堆
正如所预料的，由理论变为实践决不会那么容易。安排铀的链式反应需要相当的工夫。首先，必须拥有数量丰富的铀料，并将其精制成纯度足够高的铀，以免中子被杂质吸收。铀是地壳中相当平常的一种元素，平均每吨岩石中含有2克左右，比黄金常见得多，但铀相当分散，世界上极少地方出产丰富的铀矿石；此外，1939年以前铀几乎无法利用，因为纯化铀的方法尚未研究出来，当时美国制出的铀还不足28.35克。
衣阿华州立大学实验室在斯佩丁的领导下以离子交换树脂进行铀的纯化研究（见第六章 ），而在1942年开始生产纯度合乎要求的金属铀。
然而那只是第一步，接下来的就是：必须再从铀中分离出更易裂变的部分。同位素铀-238有偶数个质子（92）和偶数个中子(146）。有偶数个中子的原子核比有奇数个中子的原子核稳定。天然铀的另一种同位素，即铀-235，具有奇数个中子（143），因此波尔预测它会比铀-238裂变得更迅速。1940年，一个研究小组在美国物理学家邓宁的领导下，将少量的铀-235分离出来，并且证明波尔的上述推测正确。铀-238只在被大于一定能量的快中子轰击时才裂变，而铀-235吸收任何能量的中子都会裂变。在这两种情况下，中子最后都成为热中子。
麻烦的是，就纯化的天然铀来说，140个原子中只有1个是铀-235，其余都是铀-238，因此铀-235裂变释放出的大部分中子被铀-238俘获而不会造成裂变，即使铀被足以分裂铀-238的快中子轰击，裂变的铀-238释放出的中子能量也不足以使剩余的原子继续链式反应。换句话说，铀-238的存在会引起链式反应的迟滞与中止，这就像试图使湿叶燃烧一样。
那么，只有尝试大规模地进行由铀-238中分离铀-235的工作，至少要除掉足量的铀-238，使混合物中的铀-235含量够丰富才行。物理学家想出几种方法，每个方法成功的可能性都不大。结果最佳的方法是气体扩散法，然而至1960年为止此法费用仍非常昂贵。接着，一位联邦德国科学家研究出一种廉价得多的铀-235分离技术——离心法，较重的分子被抛到外面，含铀-235的较轻分子被留下来。此法使得原子弹大为便宜，可以用较少的动力进行制造。
铀-235原子比铀-238原子轻1.3%，因此，若原子为气态，铀-235原子会比铀-238原子移动稍快，而以较快的扩散速度穿过一连串的过滤板，因此可被分离出来。不过，铀必须先转变为气体，其惟一的方法是使它与氟化合而生成六氟化铀。这种挥发性液体是由1个铀原子与6个氟原子组成，其中1个含有铀-235的分子会比1个含有铀-238的分子轻1/100弱，这个差额足以满足采用气体扩散法的需要。
当六氟化铀蒸气被迫通过多孔板时，含有铀-235的分子通过得比较快，因此每穿过一个板，铀-235的比例就增加一点；为了得到相当数量接近纯铀-235的六氟化铀，需要数千个板，但如果只要得到浓缩的铀-235，则所需的板可以减少许多。
到1942年，气体扩散法（以及其他一两种方法）无疑地能生产大量的浓缩铀，而分离工厂（每座价值10亿美元，且消耗相当于整个纽约市的用电量）则建在隐秘的城市——田纳西州橡树岭。
同时物理学家正在计算临界体积，即维持链式反应所需的浓缩铀量，如果铀块太小，过多的中子会在被铀-235原子吸收前逃离其表面，因此为了使中子泄漏减到最小，铀块的体积按比例必须比其表面积大。在一定的临界体积时，足够的中子会被铀-235原子俘获以保持链式反应的进行。
物理学家也发现有效地使用可利用的中子的方法。正如前面提过的，热（即慢）中子比快中子更容易被铀-235吸收，因此实验者使用慢化材料使由裂变反应中发射出来的高速中子减慢。本来水可成为优良的慢化剂，但是普通的氢会竭力吸收中子，而氘则较合乎要求，它几乎没有吸收中子的倾向，所以裂变反应实验者对制备重水非常感兴趣。
直到1943年，大部分重水都是采用电解法制成。由于普通的水比重水容易分解成氢和氧，因此，若电解大量水，最后剩下少许的水中便富含重水并可加以保存。1943年后，蒸馏法成为常用的方法。因为普通水沸点较低，所以最后一小部分未沸腾的水便富含重水。
在20世纪40年代早期，重水的确相当贵重。有一个感人的故事，说的是F.约里奥-居里在纳粹德国1940年入侵之前设法将法国贮藏的重水偷运出国。另外，在挪威制备的100加仑重水则落入纳粹德国手中，1942年英国突击队在一次袭击中将其毁掉。
重水仍有缺点：当链式反应变热时它会汽化，而且会腐蚀铀。曼哈顿计划中，寻求建立链式反应系统的科学家决定，用在非常纯的石墨态下的碳作为慢化材料。
另一种可能的慢化材料是铍，它的缺点是有毒，一位在20世纪40年代早期制造原子弹的物理学家就罹患了铍毒症。
现在让我们设想一个链式反应。一开始就将中子流输入到慢化材料和浓缩铀的组件中，则若干铀-235原子会裂变，释放出的中子继续轰击其他铀-235原子，它们再依次裂变使更多中子释放出来。有些中子被除铀-235以外的原子吸收，某些中子会飞逸出反应堆，但如果每次裂变只产生1个中子，造成另一次裂变，那么链式反应将可以自持。如果增殖系数大于1，即使只大一点点（如1.001），链式反应仍将迅速进行而造成爆炸。这对做炸弹有利，但对实验不利。某些设备必须精心制造，可以让中子通过镉棒，以控制裂变速率，因为镉棒有高的中子俘获截面。链式反应如此迅速，以致用来阻滞反应的镉棒来不及插入。幸而裂变的铀原子并不立即发射出所有的中子，大约每150个中子中有一个是缓发中子，它在裂变后数分钟才发射出来，因为它来自裂变中形成的较小原子而非直接来自裂变的原子。当增殖系数仅略高于1时，此种延缓的时间已足以用来进行控制了。
1941年，从铀-石墨混合物开始实验。已累积丰富知识的物理学家认定，即使没有浓缩铀，只要铀块够大，也能产生链式反应。
物理学家在芝加哥大学开始建造一座临界体积的反应堆，当时大约有6吨重的纯铀可以利用，并由氧化铀加以补充。铀和石墨交互重叠，共57层，中间空洞以插入镉控制棒，此一结构称为反应堆——名称虽然隐晦，但是功能丝毫不损，像第一次世界大战期间一样，新设计的履带装甲车以坦克为名也是为了保密，不过坦克之名却从此确立，而原子堆后来则改为核反应堆。
芝加哥反应堆建在露天足球场看台下，宽9米（30英尺），长9.75米（32英尺），高6.55米（21.5英尺），重1400吨，可容纳52吨铀，铀的形式是金属和氧化物（据报道，纯铀235的临界质量不超过250克）。1942年12月2日，镉控制棒缓慢地抽出来，增殖系数达到1，表示一个自持反应正在进行。从这一刻起，人类便进入了核时代。
当时负责的科学家是费密，维格纳特别送他一瓶基安蒂红葡萄酒以示庆贺。
康普顿当时也在场，打了一个长途电话给在哈佛的科南特，宣布成功的消息：“意大利领航员进入了新世界！”科南特问：“土著的态度如何？”回答立刻传来：“非常友善！”
奇怪而有趣的是，第一位意大利的领航员在1492年发现了一个新世界，而第二位则于1942年发现了另一个新世界。
核时代
当时，另一种可裂变燃料已出现，铀-238在吸收一个热中子之后形成铀-239，再迅速变成镎-239，接着几乎一样快地又变成钚-239。
由于钚-239原子核有奇数个中子（145），而且比铀-235更复杂，因此它很不稳定。一个合理的猜测是钚-239与铀-235一样会经热中子轰击而裂变。1941年，这个猜测经实验证实。由于仍不能确定制备的铀-235是否能用，物理学家们决定双重投资，又尝试大量制造钚。
制取钚用的特殊反应堆于1943年在橡树岭和华盛顿州的汉福德建成，这些反应堆比起芝加哥的第一座反应堆是一大进步。首先，新反应堆设计成可定期地从其中移去铀，产生的钚可用化学方法从铀中分离出来，而裂变产物（有些是强中子吸收剂）亦可分离出来。此外，新反应堆采用水冷却以避免过热（芝加哥反应堆只能在短时间内运转，因为它只靠空气冷却）。
到1945年，已有足够的纯铀-235与钚-239可用来制造原子弹。这一部分工作在第三个秘密城市——新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯进行，领导者是美国物理学家奥本海默。
作为原子弹，核链式反应越快越好。这需要使该反应用快中子进行，以缩短裂变的时间间隔，故不需慢化材料。原子弹也被放在一个密闭的大箱中，以便大部分铀能长期在一起等待裂变。
由于可裂变物质达到临界质量时就会自发爆炸（由空气中杂散的中子点火），原子弹的燃料被分为两部分或两部分以上。引爆机构用的是普通炸药，它可在爆炸前将以上各部分燃料驱动在一起。安排的方式有两种，一种是所谓的“瘦子”，这是一根两端有两片铀-235的管子；另一种是所谓的“胖子”，它是球形物，其中有一层可裂变物质组成的球壳，当它内向爆炸时，会造成密集的临界质量，这是由爆聚力和名为中子反射层的厚重外壳瞬时聚合而成的，这个反应层也会将中子反射到裂变物质中，因此减少了临界体积。
要小规模地试爆这种装置是不可能的，原子弹必须在临界体积以上，否则便无效。因此第一次试爆是在1945年7月16日上午5点30分，于新墨西哥州的阿烈默哥多引爆了一颗足尺的核裂变弹（通常所说的原子弹或A弹在科学上是错误的名称），爆炸的效果真是可怕，相当于2万吨梯恩梯黄色炸药的爆炸力。据报道，在场目击的拉比在稍后被询问时悲观地说：“我说不上来，但你别指望能安享天年了。”（应当补充一下，和拉比谈话的那位先生若干年之后寿终正寝）
另外还制备了两颗原子弹，一颗是铀弹，叫“小男孩”，长3米（10英尺），宽0.6米（2英尺），重4.5吨，1945年8月6日落在广岛，由雷达回波引爆；第二颗是钚弹，3.35米（11英尺）长，1.5米（5英尺）宽，重5吨，名为“胖子”，稍后几天，落在长崎，两颗弹共有35000吨梯恩梯黄色炸药的爆炸力。轰炸广岛的时间距离核时代来临的时间只有3年左右，这震惊了全世界。
接下来的4年，美国人存有一种幻想，以为如果安全措施足够严密，可以永远不让他国得知他们拥有核弹的秘密。事实上，早在1939年，核裂变的事实和理论已成为公开的纪录，而且苏联于1940年也已全力投入这项研究。若非因为苏联在二次大战期间消耗太多资源在战事上，苏联可能到1945年和美国一样造出一颗核弹来。正因为如此，苏联在1949年9月22日引爆第一颗核弹，给大多数美国人带来了恐慌与惊愕，这颗弹具有相当于投在广岛的原子弹6倍的威力，爆炸效果等于21万吨梯恩梯黄色炸药。
1952年10月3日，英国引爆自己的试验核弹，成为第三个核强国。1960年2月13日，法国在撒哈拉引爆一颗钚弹，正式加入“核俱乐部”，成为第四个成员。1964年10月16日中国宣布引爆一颗核弹。1974年5月印度也引爆一颗核弹。
热核反应
当核裂变弹已成为平常事之际，人类又成功地引发另一种更有力的核反应，其结果是可能又会制造出更具毁灭性的炸弹。铀裂变时，铀原子质量中只有0.1%转化为能量，但当氢原子聚合形成氦时，足有0.5%的质量变成能量，这个事实于1915年首先由美国化学家W.D.哈金斯指出。在数百万度的高温下，质子的能量已高到足以让氢原子聚合。两个质子结合形成氘原子核，氘原子核同质子聚合形成氚原子核，氚原子核与另一个质子聚合形成氦；而氘和氚原子核也会以其他种种不同的方式聚合成氦。
由于这种核反应只在高温的激发下产生，因此它们被命名为热核反应。20世纪30年代，人们相信具有此种高温的地方只存在于恒星的中心。1938年，德国出生的物理学家贝特（1935年离开希特勒统治下的德国，前往美国）提出，聚变反应为恒星辐射能量的来源。自从亥姆霍兹在将近一个世纪前提出此一问题以来，这是关于星体能量的第一个完整而令人满意的解释。
现在铀核裂变弹在地球上提供了必要的温度，它热得足以点燃氢聚变链式反应。有一段时期，这种反应是否能应用于制造炸弹，看来似乎非常难定。首先，氘氚混合态的燃料氢必须浓缩成稠密的物质，即它必须液化并保持在绝对温度只有几度的情况下。此外，即使可制成一个氢弹，它有什么用处呢？核裂变弹爆炸已足以摧毁城市，氢弹只会加强毁灭，并彻底消灭整个人类罢了。
尽管如此，美苏两国还是继续研究下去。美国原子能委员会继续生产一些氚燃料，并且在太平洋的一个珊瑚礁岛上建造了一个65吨的裂变-聚变装置，并于1952年11月1日在我们星球上造成第一次热核爆炸（氢弹或H弹）。结果证实了不祥的预测：爆炸产生相当于1000万吨梯恩梯黄色炸药的威力——广岛核裂变弹的500倍，此次爆炸毁灭了整个珊瑚礁岛。
苏联人也不甘落后，1953年8月12日，它们也完成一次成功的热核爆炸，不过其威力轻微得可以在海平面进行。1954年，美国又造出一种可移动的聚变弹，他们在核裂变弹发明后花了7年半时间研制出这种聚变弹。然而苏联为此只用了5年。
同时，一个以更简易的方式引发热核链式反应，并将之制成一个可移动的聚变弹的计划也已构想好了，其中锂元素为开启此反应的钥匙。当同位素锂-6吸收一个中子时，分裂成氦原子核以及氚原子核，在过程中发出4.8兆电子伏的能量，接着假设以锂和氢（以其重同位素氘的形态）的化合物为燃料，由于这种化合物是固体，因此不必靠冷冻来浓缩燃料。一个裂变引爆装置会提供中子来分裂锂，而爆炸所生的热会使存在于化合物中的氘和由锂分裂产生的氚聚合。换句话说，会发生好几个释放能量的反应：锂裂变、氘与氘聚合及氘与氚聚合。
这些反应除了释放惊人的能量外，也产生许多过剩的中子聚变弹制造者联想到：何不用这些中子去裂变一块铀呢？即使普通的铀-238也可用快中子裂变（虽然不如铀-235那样容易），来自聚变反应的快中子可以裂变数量可观的铀-238原子。假设建造一个以铀-235为核心（点火点）用锂的重氢化合物围绕的聚变弹，其外层的铀-238几乎想要多厚都可以，因为铀-238没有发生自发链式反应的临界质量，此一成品有时称为氢铀弹。
这种弹已经完成，1954年3月1日在马绍尔群岛的比基尼试爆，震惊全世界。当时产生的能量约为1500万吨。更引人注目的是，一场放射性粒子雨落在一艘名为幸运龙的日本渔船上，摧毁了鱼货，使20名渔夫罹病，最后有一人丧生。
从1954年以来，热核弹已成为美、苏及英国军备中的一项。1967年，中国也引爆了一颗氢弹，由裂变反应发展到聚变反应仅用了3年的时间。苏联已经引爆过0.5亿～1亿吨的氢弹，而美国也充分具有即时制造这种大小甚至更大的热核弹的能力。
20世纪70年代，热核弹已发展成爆炸效果最小而辐射（特别是中子辐射）最大的形式。因此对财物的损害较少而对人类的损害更大。这种中子弹似乎正是那些贪心财产而轻视生命的人所想要的。
第一颗核弹用在第二次世界大战的最后几天，乃是由飞机运送，而现在已可用洲际弹道导弹运送，它们由火箭推进，可从地球上的一地以极高精确度瞄准另一地。美、苏两国都有大量这种导弹，全都能装备核弹头。
因此，两个超级大国的彻底热核大战如果在双方的狂怒之下进行，不消半小时就足以结束文明（也许会毁灭地球上许多维持生命的力量）。如果世界上有清醒头脑的话，那该就是这一层认识了。
