打开原子的大门-第11章
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天然的锕是 227 89 Ac，它放出β射线后变成了钍的同位素。也就是：
227 89 Ac→ 227 90 Th＋ 0 …1 e
反应方程式的箭头两边：元素符号左上角的数目的和仍然相等，就是：
227＝227＋0；
左下角数目之和也相等：89＝90－1。
也就是说：一种放射性元素放出β射线后，它的原子核的质量数不变，而原子核带的阳电荷数增加1，结果就蜕变为原子序数增加1的另一种元素。89号元素锕放出β射线以后，就蜕变成90号元素钍。
那么，把α粒子打到一个原子核中去的人工核反应，情况又是怎样呢？比如卢瑟福把α粒子打到氮原子核中去，打出了质子，氮原子核会变成什么呢？按照质子…电子模型，这个人工核反应可以表示为：
4 2 He＋ 14 7 N→ 17 8 O＋ 1 1 H
也就是说，氮原子核变成了氧原子核。
这种原子核的质子…电子模型看来好像很合理，不仅对原子核的质量数和电荷数都解释得很好，而且对天然放射性和人工核反应也解释了。说原子核中有电子，似乎也是有道理的，因为天然放射性元素的确会放射出电子流——β射线。
但是，进一步的研究，终于否定了这种模型。
中子的发现
根据上面所讲的原子核模型预测，卢瑟福的实验中氮原子核被α粒子轰击后放出质子而变成氧原子核。真的是这样吗？还需要作实验证实。
科学家布拉克特用云雾室研究了这个核反应。
云雾室是卢瑟福的老同事威尔逊发明的。这是一个圆盒子，盒子中的空气含有过饱和的水蒸气，当带电粒子穿过盒子里的空气时，沿途就会产生一串离子，而水蒸气就会围绕这串离子结成小水珠，形成一条白色的云雾，因此可以很清楚地显示出带电粒子飞过的径迹。加上磁场以后，从这条白色的云雾的长短、浓淡和弯曲的方向、程度就可以分析出带电粒子的性质。这可以用照相的方法记录下来。
布拉克特使α粒子打进充有氮气的云雾室，然后拍照。他拍了23000张照片，结果只照到了8张人工核反应的照片。这是1925年的事情。在照片上，像扫帚一样的一簇白线是α粒子的径迹，其中有一条中途停止了（说明α粒子打到氮核里去了），然后又分为两个叉，一条细而长的是质子的径迹，另一条短而粗的是生成的氧原子核的径迹。卢瑟福的发现被研究得更清楚了。
新的发现、新的理论、新的方法鼓舞着各国的科学家去作新的实验和新的探索。
德国有个青年科学家叫贝特。他想：为什么α粒子打到核里去只会放出质子呢？难道就不可能放出电子（也就是β射线）和γ射线吗？那些天然放射性元素大都会放出α射线或β射线，并且常常伴有γ射线，但是不放出质子。
他研究了卢瑟福做的实验，注意到卢瑟福是通过观察硫化锌荧光屏是否发生闪光来判断有无核反应发生的。贝特知道，α粒子或质子打在硫化锌上会发出闪光，但是，如果有β射线或γ射线射在硫化锌上，却不会发出闪光。因此，即使有放出β射线和γ射线的核反应发生，卢瑟福也观测不到。
卢瑟福曾经用α粒子射击过锂、铍、硼，他没有看到闪光，所以他认为用α粒子射击这几种元素不发生核反应。
贝特想，α粒子既然能打到氮、镁、硫、钾等的原子核中去，为什么就不会打到锂、铍和硼的原子核中去呢？可能打进去以后放出来的不是质子，而是不会使荧光屏闪光的β射线、γ射线等别的什么粒子。如果真是这样，用什么方法才能观测到它们呢？
这时候，卢瑟福的学生盖革也在德国工作，他发明了计数器，利用电子学仪器，可以测量各种射线，并计算粒子的数目或射线的强度。用了这种新仪器就不需要躲在黑屋子里数荧光屏上的闪光了。
贝特用计数器去进行研究。他用钋作为α粒子的放射源，因为钋只放射α粒子，不放射β射线和γ射线，这就使实验简单多了。
对着α粒子源安装了计数管，由于钋不发射β射线和γ射线，而发射出来的α粒子又穿不透计数管的玻璃壁，所以计数管没有计数。
但是，只要在α粒子源和计数管之间放上涂有锂、铍或硼的片，计数管就开始计数了。这说明α粒子打到了锂的、铍的或硼的原子核上，发生了核反应，并且放出了某种射线。其中以铍放出来的射线最强烈。
这是什么射线呢？贝特作了测试实验。他加上电场和磁场试了试，发现射线在电场和磁场中不会偏转，说明射线不带电荷，不是β射线，也不是α粒子和质子。他又用2厘米厚的铅板试了试，射线还是穿透过去了，强度只减弱13％。他认为，这种射线是极强的γ射线。
贝特发现用α粒子射击锂、铍和硼也会发生核反应，这是完全正确的。他认为反应结果是放出γ射线，这一点后来证明是错误的。
在法国，居里夫人的女儿伊伦·居里和女婿约里奥…居里已经成长为原子科学家。小居里夫妇也在做贝特做过的实验。他们让铍发出的射线通过石蜡，结果产生了高速的质子。看来是石蜡中的氢被铍发出的射线碰出来了。
这个实验又转到英国，查德威克用铍发出来的射线射击氢，发现了高速的质子；射击氮原子，氮原子也被推动了，只是速度比质子小得多；射击氩，氩原子也被推动了，速度又小一些。这说明铍发出来的射线不应该是γ射线，而是具有一定质量的某种粒子。
经过反复的实验，查德威克认为α粒子打在铍核上产生的不是γ射线，而是一种高速的不带电荷的中性粒子。这种粒子同氢、氮、氩的原子核碰撞，就把它们弹开了，正像他和卢瑟福以前研究的α粒子弹开氢原子核的情形一样。
那么这种不带电荷的中性粒子的质量有多大呢？查德威克根据实验结果算出来，它的质量与质子几乎一样大。
查德威克把这种不带电荷的中性粒子叫做“中子”。
中子是人们过去还不知道的粒子，现在由铍原子核中打了出来，这说明原子核中有中子。
这样一来，组成宇宙间万物的基本砖石就不只是质子和电子两种了，又多了一种——中子。
就在发现中子的1932年，人们利用云雾室还发现了由地球外面的宇宙空间射来的一种电子，它带着阳电荷，而质量和普通的带阴电荷的电子一样。这就是正电子。
问题又复杂起来了。
中编 打开原子的大门
（三）
新的原子核模型
中子是1932年发现的。人们想起了卢瑟福的预言，他在1920年就认为原子核里会有不带电荷的中性粒子。现在中子真的发现了。就在这一年，德国青年物理学家海森堡根据物理学的一些原理，指出原子核里不可能有电子；他认为原子核是由质子和中子组成的。他的这种原子核模型很快就为科学界所接受，成为今天我们所熟知的常识。
海森堡的模型不同于质子…电子模型，一些符号却仍然保持原样，不过符号的意义有所不同。
α粒子是氦原子核，仍写作 4 2 He，左上角是质量数，也就是核中的质子和中子的总数；左下角是原子序数，就是核电荷数，也就是核中的质子数；左上角数字减去左下角数字，就是核中的中子数。氦原子核是由2个质子和2个中子组成的。
同样，氯有两种同位素， 35 17 Cl核中有17个质子，有18个（35－17＝18）中子； 37 17 Cl核中有17个质子，有20个（37－17＝20）中子。
中子的符号是 1 0 n，左上角的1说明中子的质量是一个单位质量，左下角的0说明中子所带电荷为0。
发现中子的核反应是α粒子打到被核里，放出来一个中子。可以写成：
4 2 He＋ 9 4 Be→p12 6 C＋ 1 0 n反应式两边的符号的左上角是4＋9＝12＋1，左下角是2＋4＝6＋0。
原子核里只有两种粒子——质子和中子，而电子只在核外面运动，原子核里面是没有电子的。因此，人们又把质子和中子通称为“核子”。
但是，问题又来了。已经知道，有些放射性元素放出β射线（电子流）。如果原子核里没有电子的话，又怎么能够放出来电子呢？再有，原子核里有中子，那么为什么没有单个的中子在我们周围自由飘荡呢？
直到1950年，人们用实验证明了，自由的中子不稳定——中子有放射性，每13分钟就有一半的中子变成质子和电子。质子就是氢原子核，它是稳定的。
中子只有在原子核里，并且和质子按一定比例结合在一起的时候，它才是稳定的，原子核也才是稳定的。如果原子核里的中子偏多了，同质子不成比例了，中子在原子核里也会变成质子，同时放出一个电子。这个电子不能在核里呆下去，立刻以极大的速度从原子核里射了出来，这就是β射线。
反过来，如果原子核里面的质子偏多了，又会发生什么情况呢？原子核里质子不会和电子结合而变成中子，因为原子核里没有电子。质子只能把原子核外面的电子俘获一个到原子核里面来。还会发生一种情况，那就是质子放出正电子而变成一个中子，这是一种新的放射性。这种放射性是小居里夫妇首先发现的。
人工制造放射性元素
1934年11月15日，法国科学院召开会议，一位名叫约里奥…居里的年轻科学家在会议上提出科学报告，宣布他和他的夫人伊伦·居里一起得到的重要发现。
大家还记得在36年前，正是在这个讲台上，居里夫妇宣布他们发现了放射性元素钋和镭。那时候，小伊伦还只有1岁。如今青年一代科学家成长起来了，小居里夫妇发现了人工放射性。
这个重要发现还得从头说起。
前面已经讲过，贝特怀疑卢瑟福的实验丢掉些什么没有被探测到，他们用新的探测放射性的仪器发现了新的放射现象，并且由此发现了中子。小居里夫妇积极地参加了发现中子的研究工作。
小居里夫妇想：在卢瑟福的实验中没有放射出质子的那些元素，受到α粒子轰击会放射出中子，为什么那些放射出质子的元素，不会同时放射出中子呢？
他们仔细地重复了卢瑟福做过的实验，想看看有没有什么遗漏。
卢瑟福曾经发现，用α粒子轰击铝，就会放射出质子。这个核反应是：
4 2 He＋ 27 13 Al→ 30 14 Si＋ 1 1 H
小居里夫妇重复了这个实验，他们使用了新的探测仪器，结果发现：放射出来的不但有质子，还有中子。卢瑟福当时由于使用的仪器不同，没有发现中子。
他们进一步仔细研究，发现在用α粒子轰击铝的时候，不仅放射出质子和中子，还会放射出电子。不过这种电子带阳电荷，是正电子。
他们用一块铅板插在α粒子源和铝片之间，铝片就停止放射质子和中子了。这说明α粒子被铅板挡住了，它和铝原子核的核反应也就停止了。奇怪的是这时候铝片仍然有放射性，继续放射出正电子，不过放出的正电子不断减少，持续半小时左右，才最后消失。
1933年10月，在布鲁塞尔的国际科学会议上，小居里夫妇报告了他们的实验结果。这些结果引起了到会的物理学家激烈的争论，大多数物理学家都说他们的实验不可靠。但是一些老科学家，如玻尔，认为这个发现很重要，他们对这一对年轻人给以支持和鼓励。
小居里夫妇没有灰心，他们回到实验室继续研究。他们认为α粒子轰击铝原子核以后放出中子变成了磷的同位素，也就是：
4 2 He＋ 27 13 Al→ 30 15 P＋ 1 0 n
而磷的同位素器 30 15 P是放射性的，它会放射出正电子而变成稳定的硅同位素：
30 15 P→ 30 14 Si＋e ＋ （ 0 ＋1 e）
为了检验这种想法是否正确，他们把经过α粒子强烈轰击的铝箔迅速溶解在盐酸里。铝和盐酸反应冒出了氢气，如果真有放射性磷的话，那就会生成磷化氢。磷化氢也是气体，所以冒出来的气体就会有放射性——放射正电子。
实验证实了他们的看法，气体真的有放射性。
同铝的情形相似，小居里夫妇发现，硼和镁受到α粒子的轰击会放出中子和正电子，也发生了人工放射性。
1934年11月15日，在法国科学院的会议上，他们详细地介绍了他们的实验结果。这一回谁也不怀疑了，大家以热烈的掌声通过了他们的科学报告。
以前人们只知道有铀、钍、镭、钋等天然存在的放射性元素，这些元素都是位于元素周期表末尾的重核元素。现在，小居里夫妇发现了列在周期表前面的轻核元素也可以有放射性的同位素。它们在自然界并不存在，而是人工制造的，是人工放射性元素。
卢瑟福在他当时的条件下，发现了人工核反应，实验是做得十分仔细的，获得了非常重要的发现。但是科学并没有停步不前，不过十多年的时间，就发现他的实验还有不足的地方。在卢瑟福实验的基础上，发现了中子，又发现了人工放射性，科学又大踏步地前进了。谁也不能说自己的研究工作已经尽善尽美了。谁也不应该认为，以前的科学家已经把什么都发现了，我们已经不能有所作为了。
1935年底，小居里夫妇由于发现了人工放射性而得到了诺贝尔化学奖。同年得到诺贝尔物理奖的是发现中子的查德威克。
约里奥…居里在领取奖金的演说中预言：“我们看清楚了，那些能够创造和破坏元素的科学家也能够实现爆炸性的核反应……如果在物质中能够实现核反应的话，那就可以释放出大量有用的能量。”
核反应和释放能量，有什么关系呢？
亏损掉的质量
组成宇宙间万物的基本砖石，我们已经知道的有质子、中子、电子，还有正电子，它们的质量到底有多大呢？非常非常的小！
1个质子的质量是：
0。000000000000000000000001673克。
1个中子的质量是：
0。000000000000000000000001675克。
1个电子的质量是：
0。000000000000000000000000000911克。
它们太小了，我们在计算它们的质量的时候，不能老是在小数点后面去画一大串0，数一大串0，为了方便起见，需要规定一个衡量它们的专用质量标准。
现在科学家统一采用的标准是碳的同位素 12 6 C的原子质量（0。00000000000000000000001993克）的1／12。把它叫做1个原子质量单位，符号是u。
1个原子质量单位（1u）
＝0。00000000000000000000000166克。
当然 12 6 C的质量是12u。按此原子质量单位计算：
质子的质量是1。00728u
中子的质量是1。00867u
电子的质量是0。000549u
既然原子是由质子、中子和电子组成的，那么，一个原子的质量就应该等于组成它的基本粒子的质量的总和了。但是，实际上并不这样简单。
那位善于测量原子核质量的阿斯顿，把他的仪器不断改进，测量得越来越准，结果问题就来了。
氦原子核是由2个质子和2个中子组成的，外面有2个电子。
氦 4 2 He原子的质量应该是：
2×1。00728＋2×1。00867＋2×0。00055＝4。033u。
可是实际测量得到的 4 2 He原子的质量则是：
4。00260u，亏损了0。0304u。
碳同位素 12 6 C的核中有6个质子，6个中子�
