一、西学对量子的研究历程
西学发现和认识量子是从研究射线开始的。首先是根据射线现象发现了射线，然后是研究射线在电场和磁场里的表现（方向、轨迹、作用）等现象，计算出射线的质量、电场、磁场、半径等。结果西学认识到射线是由射线粒子形成的，认识到射线粒子其实就是高速运动的量子形成的现象，射线是高速运动的量子流，也就是量子炮。人们陆续发现了x射线、阴极射线、α射线、β射线、γ射线等几种常见的射线，认识到它们是光子、电子、α粒子、β粒子、γ粒子等粒子流，最后测定知道α粒子、β粒子、γ粒子就是氦核、电子、光子等量子，只是β电子、γ光子的能量要比一般的电子和光子的能量要大得多。从此，西学对射线和量子的认识逐渐清晰与加深，形成了专门的学问，叫做量子学和射线学，分别研究静态量子和动态量子。量子学由量子力学、量子物理学、粒子运动学等学科组成，研究的对象包括了炁海里的量子（自由量子）和组子中的量子（结构量子，结合状态下的量子），就是单个量子和量子群。后来通过观测宇宙射线，用粒子加速器和粒子对撞机轰击量子等科学实验的方法，西学已经发现了430种量子，其中介子150种，重子264种，轻子12种，玻色子4种。比较重要的量子和射线有：形成x射线和γ射线的光子，形成阴极射线和β射线的电子，形成α射线的氦核，形成p射线的质子（就是氢核），形成n射线的中子等。
射线和量子的研究方法。射线量子运动速度太快，体积又太小，我们看不见也摸不着。量子是我们至今还没有看见过实物的炁粒，原子、分子、物体等炁粒都已经看见过并且触摸到了。要想发现射线必须通过实验手段才能认识，就需要用专门的仪器——射线探测器（通常也叫做粒子探测器）进行检测。不同的射线需要用不同的探测器，所以探测器的种类很多。常用的有用来探测射线粒子的运动轨迹用的乳胶片、威耳逊云室、汽泡室、火花室等，有用来探测粒子数目（记数）用的闪烁镜、闪烁计数器、盖革计数器、光电倍增管、光子计数器、电离室、正比计数器等。用这些仪器设备可以了解射线的运动轨迹、种类、电性和磁性、粒子数目、能量大小、物理性质等，从而知道是什么量子。由于量子既微小又微弱，而且都是以射线的形式存在，因此实验观测所造成的实验误差，对我们认识量子是一种不可避免的困难。通常只能够用统计出来的宏观量进行阐述，或者描述其粒子性（针对量子本身），或者描述其运动性（针对射线本身）。我们不能够既描述量子又描述射线，这种现象就是著名的测不准原则。
西学发现量子的具体历程如下：
1、发现x射线。
1895年，德国的伦琴（1845~1923）用高速的电子束冲击玻璃和金属，产生了一种看不见的射线。由于这是一种未知射线，所以就叫做x射线，后人为了纪念他就叫做伦琴射线。x射线的发现引发了射线研究热。这股射线研究浪潮冲击了整个科学界，波及至今还是热门课题，意义重大。产生x射线的是电子管，也叫做琴伦射线管、x射线管，如图所示。管内抽成真空，气压为10-6mmHg柱，由钨灯丝制成阴极K，由钨、钼、铂等金属制成的阳极（也叫做对阴极）斜面靶A。灯丝电压为8～12V之间，可产生热电子。两极电压为50～2000KV，能够为电子加速，使电子有足够的能量冲击阳极靶面，使靶发射出x射线。
实验发现这种射线有很强的穿透性，能使荧光物质发光、照相底片感光、气体电离等，有反射、折射、干涉等现象。根据x射线的这些现象，伦琴认识到这是频率比紫外线高（波长比紫外线短）的不可见光。x射线的衍射现象是由德国的劳厄在1912年观测到的。同红外线和紫外线相比，x射线的穿透本领更加强大（炁流子更硬）。物质的密度越大，射入厚度越小，射入越深则x射线减弱越厉害（这是炁子对射线的影响）。x射线的波长越长（炁流子越软）的越容易被物体吸收，波长为几十埃的几乎没有什么穿透力，很快就被空气吸收完了（吸收是炁流被转变成炁子）。常用的是1埃左右或者更短的x射线，并且用铅板阻隔防止它穿透而污染空气环境（有致癌的病理作用）。利用x射线的穿透性和生理作用，可以用来透视看病、检查产品的缺陷、杀菌、治癌（杀死癌细胞）等。
图4.2x射线管原理
2、发现阴极射线和电子。
发现x射线两年后的1897年，人们接着发现了阴极射线，并且认识到阴极射线其实就是电子流。电子在导体内形成电流，在导体外的空气中形成射线。
我们首先介绍相关的气体放电现象。用点燃的火柴靠近带电的验电器，电荷就通过空气跑掉了（热炁流使场炁流消失）。在紫外线或者x射线照射时，气体会电离而有导电性（光炁流使炁子变成场炁流）。这种由于气体被激发作用而电离才发生气体放电的现象叫做被激放电。在强大的电场作用下，气体也会发生电离放电现象（例如气体的火花放电现象），这种由于电场作用而发生的气体放电现象叫做自激放电。放电管的实验证明，气体自激放电的规律一般是：气体越稀薄越容易发生自激放电现象，即所需要的电场强度比较小（气体炁子被外力作用更容易分离成场炁流）。但是当气压降低到2mmHg柱以下时，气压越低所需要的电压越大，而且出现一条跨越两极的光带，气压越低光带越粗，最后整个管子发出美丽的紫色光辉（炁子形成光炁流）。霓虹灯就是根据这种现象制造的。继续降低气压到0.1mmHg柱以下，发光现象消失。气压低于10-3mmHg柱以下，就会在管壁上出现绿色荧光，形成阴极射线管（释放炁子变成射线量子）。阴极射线是用阴极射线管（也叫做克鲁克斯管）产生的，该管是被抽成的真空度为气压10-3mmHg柱以下的放电管。
图4.3阴极射线管
经过研究发现，阴极射线能够使小叶轮转动，说明它是一种微粒流。还发现阴极射线在电场和磁场中会发生偏转，说明是一种带电性的粒子。根据偏转方向，可以确定是一种带负电的粒子流，并且把这种粒子叫做电子。
同年，英国的汤姆逊对阴极射线深入研究后发现：任何物体都能够产生阴极射线，一切阴极射线都有相同的性质。他还测出了电子的荷质比（电荷和质量之比）e/m=1.759×1011库仑/公斤，还测出了其速度。他发现电子的荷质比是一个常数，电子形成的阴极射线的速度同电压成正比，即电子的速度和两极电压有关，电压越高，速度越大（炁子被拉长，弹力大，生产的射线炁流的速度就快）。阴极射线能使气体电离并且发出微光，能够使照相底片感光，能够引起x射线的产生（射线炁流转变成炁子，使炁子变成光炁流）。既然任何物质都能够产生阴极射线，说明原子里都有电子。电子的发现对人们认识原子的组成有重大的意义。电子是已知的最小电荷，叫做基本电荷。后来人们测出电子的电量和质量：e=1.602×10-19库伦=4.8×10-10静库，m=9.107×10-28克（是氢原子质量的1/1837）。
图4.4阴极射线在电场和磁场中的偏转情况
3、发现天然放射现象。
天然放射现象是物体自行发射射线的现象（大量子分裂成小量子形成射线炁流）。1896年，法国的贝克勒耳（1852~1908）在做x射线研究实验时，无意间发现了铀的天然放射现象。1898年，居里夫妇发现钍也有天然放射性，还发现了放射性更强的钋（铀的100亿倍）和镭（铀的200万倍），并且经过4年努力，从两吨废矿渣里提炼出了100毫克的镭盐（氯化镭），为放射性元素的应用打开了道路。1899年，法国化学家德比尔内发现了锕以及钍放射气和镭放射气。1918年，奥地利物理学家梅特纳发现了镤。之后的十几年内人们陆续发现了几十种放射性元素。后来总结发现，原子序数在84以上的都有放射性，84以下的一些元素也有天然放射性。这些具有天然放射性的元素叫做放射性元素。1934年，居里夫妇的后代——小居里夫妇用人工方法制造出了人工放射性元素（使正常原子变成放射性原子，只需要把量子射入原子核内，使之成为不稳定的核就可以），可以进行大量的人工生产放射性元素，解决了自然界的放射性元素过于稀少的问题，为广泛应用放射性元素开辟了广泛的前途。
将射线用电场和磁场进行研究发现：
氡（Rn）等一些放射性元素只产生α射线，其粒子叫做α粒子。它的荷质比为电子荷质比的1/3600，电荷为正电，电量是电子的两倍，为3.204×10-19库伦，质量为氢原子质量的4倍，为6.64×10-24g。1909年，卢瑟福用实验证实了α粒子就是氦核。通过光谱分析和在实验中得到了氦气也证实了这个结论，而且在所有的能够发射α粒子的放射性物质的矿穴中，总是发现有氦气存在，其它矿区则没有氦气。α粒子的速度可达2×107m/s，而相同的放射性物质有相同的α速度，不同的物质有不同的α速度（不同的核量子具有不同的分裂能力，分裂能力强的生产的量子射线的速度大）。α射线很容易被其它物质吸收，这是因为它的电磁作用很大，很容易使其它物质电离而减少能量（这是射线转变成炁子或者量子的过程）。
锕（Ac）等一些放射性元素只产生β射线，其粒子叫做β粒子，最后证实其实就是速度很高的电子。β射线的穿透力比较大，因为它的电离作用比较弱。不同物质所产生的β射线的速度是不同的。镭物质产生的β射线速度为光速的30~99%，而阴极射线的电子速度只有光速的几%。在原子中，电子绕核子的运动速度由v=2.19×108Z/n（cm/s）计算，Z为电荷数，n为电子轨道数。对于氢原子，第一轨道速度为2.19×108cm/s，轨道越大速度越小。
γ射线总是伴随着α、β射线而产生，没有独立产生的γ射线。许多放射性元素同时产生α和γ或者β和γ两种射线。后来证实γ射线是γ粒子，其实就是γ光子，比x射线的波长还短，在10-10cm以下（是更短更硬的光炁流子）。γ光子的性质与光很相似，不同的是能量在几十万eV以上，而一般可见光的光子只有几eV。γ光子的速度等于光速。由于它是电中性的，不与物质发生电磁作用，所以它穿过物体的速度不减，只是数目会减少，原因是一些光子被吸收转变成为其它物质了（变成炁子或者量子）。绝大多数纯净的放射性物质都只发出两种射线，由于物质一般都不会很纯净，所以大多数放射性物质所产生的射线中都含有α、β和γ三种射线。天然放射线中只有这三种射线。
实验证实，放射性物质发出射线后就变成了新元素，即原子核发射出α、β和γ三种射线后就变成了其它更小的原子核，这种现象叫做放射性元素的蜕变、原子核的蜕变。放射α射线的蜕变叫做α蜕变，放射β射线的蜕变叫做β蜕变。大多数元素都能够发生α或者β蜕变，少数元素能够同时发生α和β蜕变。其蜕变程度用蜕变常数确定。蜕变常数是在一定时间内发生蜕变的原子核数与原子核总数之比，用λ表示。不同的放射性元素的λ值是不同的。有一半原子核发生蜕变所需要的时间叫做放射性元素的半衰期，用T表示。T反映了放射性的强弱，T越小，放射性越强。不同的放射性物质的半衰期是不同的，有的是几百亿年，有的是几天甚至只有几万分之一秒。T与λ的关系是：T=ln2/λ=0.693/λ。
原子核的蜕变同样要遵循电荷守恒和质量守恒定律。蜕变过程可以用蜕变方程表示。元素符号的右上角M为质量数，左下方角Z为电荷数（原子序数），X为母元素，Y为子元素，α为氦核2He4，β为电子-1e0，γ为光子。所有的放射性元素都是由三种原始的母元素蜕变而来的，形成了三个天然放射系，即铀系、钍系和锕系。它们经过蜕变最后都形成了铅的稳定同位素，所以在放射性元素的产地总是有铅同时存在。
ZXM→Z－2YM-4+2He4（α蜕变），
ZXM→Z+1YM+-1e0（β蜕变），
ZXM*→ZYM+γ（γ蜕变）。
图4.5天然放射线
4、发现原子的人为嬗变和放射性同位素。
嬗变是一种原子变成另外一种原子的过程，其实就是原子核发生改变的过程。原子核自己嬗变的叫做蜕变（形成了天然放射性现象），受到外界原因引起的嬗变叫做核反应（形成了人工放射性现象）。通过原子的嬗变，可以将一种物质转变为另外一种物质。1919年，卢瑟福用α射线（α粒子炮）轰击氮气，得到了氢核（1H1，质子p），实现了使稳定原子发生人为嬗变（人工核反应），将一种物质变成了一种新的物质。核反应过程同样遵守电荷守恒和质量守恒定律，反应前后的电荷总数和质量总数不变。这类核反应叫做α—p型核反应。经过几年的研究发现，除了氧和碳外，原子序数在21以下的原子核都能够发生类似的反应。这个核反应方程式如下，其中的（9F18）为不稳定复核，是氟的不稳定同位素。
7N14+2He4→（9F18）→8O17+1H1，或者表示成：N14（α，p）O17。
小居里夫妇在1934年发现的人工制造放射性元素方法有重大的意义，放射性同位素就是其中之一。几乎所有的元素都有放射性同位素存在，品种达上千种。放射性同位素有重要的用途，有射线的利用和示踪原子的利用两类，广泛应用于工农业生产、医疗卫生、科学研究等方面。射线有很强的穿透性、电离性和生理作用，可以用来检测和控制产品质量以及厚度、消除静电、植物品种改良（使作物早熟、增产、抗病虫害）、防止病虫害、看病治病（透视、抑制和医治肿瘤）、指导生产等。示踪原子具有灵敏度高（感测量可达10-14~10-18克，而天平只有10-6克，光谱只有10-9克）、容易辨认、经济简便的特点，可以用来了解作物对水肥的吸收情况、检测杂质含量、检查水库漏水情况、看病等。
5、发现中子。
1911年和1920年卢瑟福两次预言了中子的存在：“这种核的质量为1，电荷为0，具有十分奇特的性质，它的外场除了很靠近核的区域外，实际上是等于0，因此它应该具有自由穿透任何物质的本领”。自然界的空气里是没有自由中子的，因为它很少，寿命又很短，中子在自然界的平均寿命为15分32秒钟（932秒），很难被发现。中子的这个寿命时间相对于粒子作用时间（10-8~10-15秒）已经很长了，而且由于中子几乎没有电磁作用，穿透性极强，只有最直接的机械作用，所以经常用来作为研究材料和工具（即作为中子射线、中子炮），例如利用中子的散射和衍射进行物理、化学、高分子、生命科学、材料工艺等研究。中子对科研和生产都发挥了极其重要的作用，在工业、农业、医疗卫生、核科技等方面都有重要应用。中子物理学一直是核物理的最前沿科学，中子是最活跃的量子之一（另外的是电子、光子和质子）。中子是研究原子核的最有力的武器，是其它粒子无法替代的。利用中子，人们在1938年发现了核裂变，1942年美国建成了第一个裂变反应堆，人类进入了原子能时代。
中子通常是藏在原子核里的。中子在原子核里的结合能大约是1.7~20Mev。要使原子核里的中子释放出来就需要用粒子进行轰击，使之发生核反应。1930年，德国的玻特和白克尔在研究α粒子所引起的核反应现象时发现，铍和硼在α射线轰击下并不发生质子，而是产生了一种穿透力很强的射线，其能量在1千万电子伏特左右（约7Mev），比γ射线的能量几十万电子伏特要大得多。1932年，居里夫妇发现这种射线能够使含氢物质产生约3×107m/s的质子。同年，英国的查德威克对这种射线经过系统研究后，假定这种射线不是光子，而是一种质量同质子差不多的中性粒子，并且把这种射线粒子叫做中子。这个假设不久就被许多实验所证实了。后来经过测定，质子和中子的质量分别是电子质量的1836.15倍和1838.68倍，具体是，中子的静止质量是1.008986原子质量单位（有些资料说是1.00866520amu，即1.674920×10-24g，相当于931.4812Mev），而质子的质量是1.007595原子质量单位。人们用符号0n1代表中子。后来发现，除了氧和碳之外，原子序数在19以下的元素在α射线轰击下大都能产生中子。我们把这类核反应叫做α—n型核反应。用核反应方程表示如下：
3Li7+2He4→（5B11）→5B10+0n1。
中子没有电磁作用，具有极强的穿透性，是理想的引起核反应的核炮弹，几乎能够使一切原子核发生嬗变。有时能量低的中子炮比能量高的中子炮更加容易引起核反应。这类反应叫做n—α型核反应，反应式为：
3Li6+0n1→（3Li7）→1H3+2He4。
此外还有n-p型、n-2n型、n-γ型等类型的核反应。核反应的类型很多，各种量子都可以用来作为量子炮使其它原子发生嬗变。量子所具备的能量越高，越容易进入原子核而引起核反应。量子加速器就是使量子提高能量（动能，速度）的设备，可以得到几十到几百个百万电子伏特的射线。量子能量大就能够把其它很硬的量子打破裂，获得其它新的量子。大的核子容易加速到很高的速度，具有更大的能量，可以获得少见的不稳定同位素和新的元素。用核反应的方法可以获得大量不同能量的中子。一般核弹能量小于10Mev时主要产生中子、质子、氘核、氦核、光子，在10~25Mev时主要产生2个中子或者中子和质子，在25Vev以上时产生几个中子，能量超过100Mev时可能发生核散裂，产生更多的中子，通常能量大于110Mev的核弹能够产生介子。产生中子的核弹由中子源提供，有同位素（放射性同位素衰变产生射线，例如铍靶中子源）、自发裂变（最理想的是由钚239的核反应得到的锎98Cf252）、加速器（1932年开始建成，至今有几十种，能量最高可达5千亿eV。常用的是低能加速器，有中子发生器、静电加速器、回旋加速器、电子直线加速器等）、反应堆（强大的中子源）等中子源。
由于中子有微弱的电磁性，所以用中子瓶（磁瓶和物质瓶）可以捕获中子。超冷中子与可见光的波长接近，在任何物质中都能够发生全反射，与入射角无关，中子瓶就是利用这个原理进行的。中子瓶是福迪在1965年提出来的想法。夏彼罗和史蒂也罗于1968年在中子气体温度为10-3K时得到了纯粹的慢中子。1969年夏彼罗建立了第一个中子瓶，属于物质瓶，是利用超冷中子全反射特点俘获中子的。中子在这样的中子瓶里的寿命理论上可以达到1千秒，实际只有100秒以内，曾经达到400秒。真空度和温度是严重影响中子寿命的因素。现在一般用磁瓶（也叫做中子贮存环），在1951年提出建议，1977年由波恩大学建造。
由于中子是中性的，很难使气体电离，无荧光作用，无感光作用，不能够用前面介绍的研究射线的方法了解中子，而只能够通过间接的方法来探测它的存在和能量值，就是通过中子引起的核反应所产生的带电粒子来推测中子。对中子进行深入的研究发现：
中子的电场小于1.66×10-37库=10-18e，磁场是－1.913148核磁子，电偶极矩在3×10-24ecm以内。中子的磁场是中子自旋产生的，磁场方向和角动量相反，自旋角动量p=?/2。
中子衰变后产生一个质子、一个电子和一个反中微子：n0→p++e-+v＇e。在这个反应中，中子质量减去质子和电子质量会损失8.40×10-4amu=7824Kev能量。
中子有波粒两重性，其波长λ=h/mυ。速度为2200米/秒的叫做标准热中子，对应的波长是1.8埃。
中子的能量是可变的，由下面的公式确定：E=8.6177×10-5T（eV）。根据中子的能量（速度），把中子分为几类：快中子（大于0.1MeV）、中能中子（0.01～0.1MeV）、慢中子（1～1000eV。也叫做共振中子）、热中子（0.01～0.4eV。与声子能量相近。声子能量为10-3～10-2eV）、冷中子（10-4～10-2eV）和超冷中子（约为10-7eV，对应温度为10-3K，波长1000埃）等。能量不同的中子与物质作用的行为也大不相同，各有不同的用途。
中子的结构。实验证明中子是一个有质状实体的东西。
6、原子能的开发利用——原子核的裂变和聚变。
在西学里，质子和中子统称为核子。质子和中子结合成原子核的时候，会放出能量，叫做结合能。由于核力很强，所以结合能是很大的。原子核的平均结合能（平均每个核子所释放的结合能）可以看作是原子核紧密（稳定）程度的标志。原子核变化时产生的能量叫做原子核能，简称原子能。聚变是轻核聚合变成重核的过程，裂变是重核分裂变成中等核的过程，这两种变化都能够产生大量的原子能。1克镭完全蜕变成稳定的铅，可以放出34亿卡的热量，相当于425Kg上等好煤的燃烧热。1克铀完成一次α蜕变可以产生4亿卡热能。但是天然蜕变的周期太长（镭的半衰期为1590年，铀为45亿年），释能过程很慢，不实用。所以人为嬗变是获得原子能的实用方法。1克质子可以使锂产生3.9×1011卡热量，相当于49吨好煤的燃烧热。但是这个反应的效率太低，反应效率只有百万分之一、二，也不实用。在发现原子核的裂变和链式反应之后，才解决了核反应效率低的问题，使原子能的应用成为可能。
1939年德国的奥托·哈恩和他的助手发现，用中子炮轰击铀时，铀核分裂成为两个中等核，这种现象叫做铀核的裂变。铀核裂变时产生了两、三个中子和大量的热量。一个铀核大约只产生200百万电子伏特的能量，1公斤铀完全裂变时可以释放出2×107千瓦小时的能量，相当于200万公斤（2000吨）最好的煤完全燃烧时所释放出来的化学能，而且所产生的中子又能够进行新的核反应（引起新的裂变），使裂变过程呈指数发展，从而产生大量的核能。这种自动进行下去的裂变反应（连锁反应）叫做链式反应。1946年，我国的钱三强等人发现铀裂变成为三、四个比较小的原子核的现象。铀裂变可能会产生三、四十种原子核，这些核带着大量的射线能量（动能）。人们发现，中子的速度越慢（叫做慢中子），越容易被铀核吸收而引起裂变。能量在1.1百万电子伏特以下的中子，会被铀核吸收嬗变为钚，使中子数减少。能量在1.1百万电子伏特以上的中子，会被铀核反弹出去，不容易被铀核吸收而发生裂变反应（能级简并原理）。裂变需要一个临界体积。使裂变物质能够进行链式反应的最小体积叫做临界体积。原子弹就是利用核裂变的链式反应的一个例子。
原子反应堆是使链式反应能够有效地控制的装置，也叫做原子堆、反应堆。其结构由核燃料（如铀235、铀233、钚239）、减速剂（如水、重水、液态金属钠、氧化铍、石墨等）、控制棒（如镉、硼）、载热剂（也叫做冷却剂。如水、重水、液态金属钠）和保护层（水泥墙、铅板）等主要部分组成。其中核燃料、冷却剂、结构材料、慢化剂组成活性区，外面包围着反射区，最外层是屏蔽层。附带结构是由测量装置、调整装置和控制棒组成的控制系统，通常还有实验设备。根据核燃料、减速剂、载热剂的不同，反应堆可以分成各种不同的类型。反应堆的一般用途是：一是获取原子能。一个十万千瓦的原子能发电厂，每天只要消耗几百克的铀，而同样的火力发电厂却要消耗几百吨的煤；二是用来产生大量的中子。中子可以用来进行原子核物理的实验研究工作；三是用来产生核燃料。就是利用所产生的第二代裂变物质作为燃料；四是产生放射性同位素。
原子能的另外一种应用途径是核聚变。由于是在极高的温度下形成的，所以也叫做热核反应。1个铀235核裂变能为200百万电子伏特，平均每个核子释放0.85百万电子伏特的能量。而1个氢2和1个氢3聚变成氦4所产生的能量是17.6百万电子伏特，平均每个核子释放3.5百万电子伏特的能量，比核裂变大4倍左右。1克铀完全裂变所产生的能量相当于2吨好煤的燃烧能，1克氘核反应可以生产10万千瓦小时的能量，氘和氚聚变生成1克氦的能量相当于12吨煤的燃烧热。因此，聚变是比裂变更加有效的核能利用方式。聚变燃料是氘、氚和锂等。核聚变能源是未来的理想能源，具有储量巨大、安全可靠、清洁经济的特点。核聚变所需要的温度一般是1百万度以上，甚至需要几千万度，温度越高反应越快。这样高的温度，一般只能够在原子弹爆炸时才能够达到，另外一种方法是用强大的电流（几十万安培）使稀薄气体放电，也可以产生几百万度的高温，但是有很多问题还没有解决。氢弹就是利用核聚变制造的杀伤力十分强大的核武器。氢弹需要用原子弹引爆，原子弹需要普通炸药引爆。1952年11月苏联成功爆炸第一颗氢弹，实现了聚变能源的利用。核弹产生的能量一般在千吨到千万吨级的TNT炸药（这是5.6克U235全部裂变释放的能量，或者是5克氘和7.5克氚全部聚变的能量。1千吨TNT炸药爆炸能量大约是1万亿卡，即4.2×1012焦耳）。1977年，美国报道了中子弹问题，至今没有制造出来。中子弹是一种强辐射核弹，是经过改进的小型的氢弹，有85%能量以冲击波和热辐射的形式释放，5%能量以核辐射形式释放，10%能量留在核反应残留物中。
图4.6核弹
地球的核资源：地球上有开采价值的铀小于60万吨。1千吨海水可以提取3克铀，海洋可以提取45亿吨铀，是陆地铀矿含铀量的4千倍。氘可以从海水里提炼，全球海水有20亿吨氘。锂的存储量可供使用几百万年。
7、宇宙射线。
这是来自宇宙空间的各种微观粒子的统称。在炁海里的宇宙射线的能量比较高，一般有109~1010eV，甚至可达1020eV以上，它们来自星球，能量高达1017eV的粒子主要来源于银河系以外的天体。初级宇宙射线（太空里的射线）是由带正电的高能量粒子（核子，原子核）组成的，约有87%是质子（氢核），12%是α粒子（氦核），还有约1%的其它原子核（锂到铁的核）以及电子、中微子和高能光子，没有其他带负电的宇宙射线存在。次级宇宙射线（进入大气层后的射线，由于同大气层的原子核作用引起了变化）由电子、γ光子、正电子、介子、超子、中微子等组成。介子的质量介于电子和质子之间，有很强的穿透力，有带正电的、负电的、中性的，平均寿命只有10-8秒以下。超子质量大于质子质量的340倍，寿命只有约10-10秒。
实验检测证明，宇宙射线照射到地球上的密度只有1.5个粒子/厘米2·分钟，而阳光辐射的是3×1019个光子/厘米2·分钟，还不计其他射线，还有来自其它天体的射线，可见绝大多数射线都消失在大气层里了。宇宙射线粒子是人类能够获得太阳系外物质的唯一样品，由此发现了许多高能天体和高能天体物理现象。观测这些量子需要到高空、大气层外，甚至到太空深处进行。
中微子是由德国的泡利在1932年理论上预言的物质，直到1953年才由美国的莱因斯在实验中观测发现。β衰变时辐射出来的β电子能量是连续分布的，叫做β连续谱，而α和γ射线是明线谱（分立谱），违背了能量守恒定律。根据这种现象，1930年泡利指出，在原子核中可能有一种电中性粒子存在，β衰变中失踪的能量就是这种粒子带走的。后来人们把这种粒子叫做中微子。中微子有电子中微子、μ子中微子、τ子中微子，及其反粒子。中微子不带电，曾经认为它没有静止质量（同光子一样为零），后来的实验表明其静止质量可能是大约几十电子伏特。由于静止质量极小，与一般物质的作用几乎是惰性的。来自恒星的中微子带有恒星的原始信息，是了解恒星的内部情况的重要手段，因此形成了中微子天文学。
8、量子的基本特征。
经过一系列的研究，西学发现：量子构成原子，原子构成分子，分子构成物体，总之，一切实物都是由量子构成的，还没有揭示量子是由什么构成的。西学发现的量子的基本特征，概括起来有：
（1）、量子的电性有正电、负电和中性三种。带电量子的电量都是基本电荷的电量，即电子电量，为4.8×10-10静电系单位，1.6×10-19库仑。
（2）、量子都有正反量子对（正量子和反量子、量子偶）存在。正反量子对就是质量相等，而电性和磁性相反的两种量子。正反量子相遇会湮灭转化成能量和其它量子，或者全部变成能量，例如正电子和负电子反应形成两个光子并且产生大量的能量。1928年英国物理学家保罗狄拉克（PaulDirac）提出量子力学的新观点，最早预言了反电子（正电子）等反粒子的存在，并且在1932年由安德森发现证实。正电子是质量与电子（负电子）相同，但是所带的是正电荷，电量等于电子的电量。从此各种反粒子被逐渐发现，最后发现每一种量子都有其反量子（反粒子）存在。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，第二年又有人发现了反质子。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。这些都为反物质的存在提供了证据。莱因斯等在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。到1968年，人们才探测到了来自太阳的中微子。根据量子的这个现象，科学家提出了反物质的观点，认为可能存在有反物质。反物质就是全部由反量子构成的物质。物质是由原子构成的，原子是由质子、中子和电子构成的，而反物质则是由反质子、反中子和正电子组成的。反物质和物质（正物质、正常物质）相遇就会相互作用而转变成为光而湮灭。科学家计算，1克反物质能够释放500万千瓦的巨大能量，比原子能大得多。1克反物质燃料相当于1.2万吨氢氧燃料，将成为超级新能源。根据报道，1996年月4日，欧洲粒子研究中心首次合成反物质——共合成了9个反氢原子，它们只存在了400亿分之一秒就消失了。
（3）、量子之间可以相互转化，并且产生大量的能量。这种能量甚至比核裂变和核聚变的能量还要大许多。
（4）、大多数量子极不稳定，寿命小于10-6秒，在发生量子的衰变现象。中子的寿命约为1千秒，算是比较长寿的了。只有电子、质子、中微子和各种原子核是能够长期在自然界里稳定存在的。在没有碰到其它物质吸收之前，它们将一直以射线形式存在于宇宙炁海里。这些稳定的量子从几百亿光年远的星球上出发，经过几百亿光年这么久的时间到达我们的地球，让我们观测到了，它们的运动速度甚至没有任何的改变。这些量子带来了星球的信息，是我们认识星球的唯一途径。
（5）、量子总是高速运动的，通常以射线形式存在，速度等于或者接近光速，构成了宇宙射线簇。要使量子停下来是不容易的甚至是不可能的，需要用电场和磁场设备才能够捕抓到射线里的量子，例如用中子瓶俘获中子。量子结合成为组子后才能够停止高速运动。
（6）、量子的内能是可以变化的，可以吸收或者释放（辐射）能量。
（7）、量子的质量相差很大，从0～2000多个电子质量，即0～10-24g（电子质量为9.107×10-28g）。
（8）、量子有自旋运动。自旋为半整数的粒子称为费米子，为整数的粒子称为玻色子。
9、统一论。
物质世界的统一就是寻求世界的力学根本、物理学原因，就是企图在量子上进行统一。爱因斯坦、海森堡等许多大科学家都致力于统一论的研究，但是都相继失败了。
西学认为物质世界是由62种粒子组成的，分为3大类：规范玻色子（有13种）、费米子（轻子和夸克，有48种）和希格斯粒子。已经发现了60种，还有希格斯粒子和引力子没有被发现。能够稳定独立存在的只有12种，就是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子、引力子。
1960年段建立起来的粒子物理的标准模型认为，微观物质的基本相互作用有4种，就是色相互作用（也叫做强相互作用）、电弱相互作用（分弱相互作用和电磁相互作用）和引力相互作用。量子之间的相互作用是通过交换媒介粒子来实现的。媒介粒子分别是胶子（有8种）、W和Z粒子、光子和引力子。弱相互作用的媒介粒子有很大的静止质量，约为质子静止质量的85~97倍，其余的粒子都没有静止的质量和体积。电弱相互作用的媒介粒子有4种，都没有质量，但是在能量低于2500亿电子伏特时将分解为电磁相互作用和弱相互作用。规范玻色子就是媒介粒子，已经发现的有光子、正电和负电的W粒子、中性的Z粒子共4种，它们的自旋都是1。轻子是不直接参加强相互作用的粒子，已经发现的有3种负电轻子和3种中性轻子（即中微子），1975年美国的佩尔发现了重轻子，加上它们的反粒子就是12种，它们的自旋都是1/2。强子（也叫做胶子）是参加强相互作用的粒子，有介子和重子两类，自旋分别是整数和整数加1/2。已经发现150种介子和264种重子。玻色子是传递强作用的粒子，叫做正X子和反X子。X玻色子衰变成1个反电子、1个正d夸克和1个反d夸克，正反d夸克构成π0介子。
从1970年段起，在量子色动力学（解释粒子强相互作用的理论）、弱电统一理论（解释粒子强弱相互作用的理论）基础上建立起来的强、弱、电三种相互作用统一的大统一理论（用夸克和规范场解释粒子作用的理论），到强、弱、电和引力四种相互作用统一的超统一理论，到1980年段包罗万象的超弦理论，到1990年段最小的超对称大统一理论等是在这方面的里程碑式探索。人们发现，强弱电三种相互作用耦合常数在能量为1015GeV时相交于一点，这就为三力的统一提供了理论依据。最小的超对称大统一理论预言质子的寿命是1030年，预言宇宙里有大量的磁单极子和极短命的大质量粒子存在，由此能够解释宇宙里的核子数和光子数之间的比值。然而事实是，质子寿命的观测值至少大于1032年，没有观测到磁单极子。一种解释是由于宇宙的暴胀，宇宙迅速冷却，磁单极来不及形成。宇宙暴胀理论预言就是，宇宙质量等于与哈勃常数有关的临界质量，此质量为现在的观测值的10倍，其余90%的宇宙质量的物质叫做暗物质。这种暗物质可能就是中微子。理论计算表明，如果中微子具有8电子伏特的静止质量，那么就能够解释那90%的宇宙质量。因此，观测中微子的质量成为世界科学家的热点。后来的实验得到了更为精确的耦合常数数据。通过精确计算发现，这三种耦合常数在能量为1015GeV时并不相交于一点，而是在8倍标准偏差外分别相交于3个点，因此推翻了大统一理论。后来，人们把暗物质分为热暗物质（中微子）和冷暗物质两种。根据宇宙存在的3K微波背景现象，认为宇宙里有10%常见物质、30%热暗物质和60%冷暗物质。质量为100GeV以上的电中性稳定粒子就是可能的冷暗物质。超对称理论预言有另外一半的粒子（就是反粒子）存在，但是没有观测到，这个等待人们的进一步证实。
炁学提示：不但炁粒都有质量，炁流一样有质量。炁粒有静止质量和运动质量两种不同的质量数值，炁流只有运动质量，没有静止质量。这些没有静止质量的东西，本质上就不是量子了，而是属于炁流类的东西，绝大多数是光炁流子。起电磁作用的不是什么光子，而是场炁流，就是电磁场炁流，也叫做炁子，在组子里面是不存在光子的。起引力作用的也不是什么引力子，而是引力场炁流，这是西学对场能的本质不认识的缘故。场能是炁体的稳流状态，没有波动性和粒子性，既没有电场波和电场子，也没有磁场波和磁场子，一样没有什么引力波和引力子。
10、量子技术及其应用。
量子技术就是量子的生产和使用的方法，有利用量子和量子形成的射线两个方面的应用，主要就是射线的应用。获得量子（也就是获得射线）的方法有自然放射性物质法和人工放射性物质法。量子产生出来总是以射线形式存在的。射线具有巨大的能量（动能），具有强大的穿透性，具有电场和磁场，有特殊的用途。射线就是量子束，是主要的粒子束。粒子束还有离子束、分子束、原子束等。量子的用途很多，有些还在探索开发之中。例如：
通信方面，中微子通信具有无外界干扰的特性，尤其适合在水中通信。
医疗方面，射线疗法（放疗）是利用射线（量子炮）进行手术和治疗的方法。治疗癌症的原则是杀死或者清除癌细胞，西医常用的方法是外科手术、放疗、化疗，中医则用药疗、气功和针灸拔罐等方法。1949年瑞士医生雷克塞尔设计出立体定向仪，1951年他发明了用x射线刀进行手术的方法，引发了射线疗法的热潮。x刀（价格为几十万美元）是利用x光（x射线）进行手术的工具，主要用于治疗头、颈部的癌症。他还在1967年发明了r刀疗法，是利用r射线动手术的无形的手术刀，能够在十几分钟内烧毁病灶组织，不需要开刀就能够进行手术治疗，主要用来治疗脑部疾病。它将201束射线从四面八方定向照射病灶，杀死癌细胞。1968年世界上第一台立体定向γ刀（伽玛刀，价格为几百万美元）在瑞士问世并且应用于临床实践。射线手术后需要数月甚至数年才见效果，不能够立马见效。1980年段电子束x刀问世。约在1970年科学家发现，中子对乏氧癌细胞的杀伤力比γ射线强大得多，这个发现推动了中子治癌的发展。具体方法有三种：用中子从体外照射病灶、从管腔深入病灶进行近距离照射、硼中子俘获治疗。中子刀比x刀和γ刀先进。此外还有质子刀、π介子刀、重离子刀等。
武器方面，粒子束武器是利用量子、离子、原子、分子等粒子作为炮弹的武器，是定向能武器之一。有带电粒子束武器和中性粒子束武器。通过电磁场的加速使粒子达到近光速的高能量。粒子束武器具有快速、准确、破坏力强大、直线打击、能够穿透金属的特点，能够攻击破坏对方的人、武器、设备等。
11、射线污染危害。
射线污染是量子和射线应用中不可避免的重大难题，甚至在日常使用的物质中也存在射线危害。射线伤害是一种慢性危害，通常是引起癌症等难治疗的病种，等到发现已经很晚了。氡是一种放射性惰性气体，容易引起肺癌，对小孩的危害更大，它来源于矿石、地下水，常见的是由于装修（大理石板材、涂料、粘合剂等）使房间的氡气严重超标。射线防护是一个需要引起重视的现实问题。
炁学提示：射线能量强大，穿透力强悍，很容易进入人体，进入细胞，从而改变细胞的组成和结构，导致细胞的性能发生变化而癌变。