打开原子的大门-第12章
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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，原子核外有6个电子。因此它的原子质量应该是：
6×（1。00728＋1。00867＋0。00055）＝12。099u。
实际上 12 6 C的质量是12u，又亏损了0。099u。
再看铀 238 92 U的原子，它的核由92个质子和146个中子组成，核外有92个电子。这些粒子的质量加在一起应该是239。986u。但直接测量得的 238 92 U原子的质量却是238。051u，又亏损了1。935u。
这可真是怪事！
二加二不等于四，二加二竟然小于四！
用质子、中子和电子这些基本砖石构成预制件——原子的时候，总是要亏损一些质量。
这些亏损的质量哪里去了呢？物质守恒定律是不是错了呢？
核子的结合能
我们用砖块砌墙，要用沙浆把砖块粘在一起。砌好的墙的总质量，一定比所用的全部砖块的质量大，因为还要加上沙浆的质量。
核子结合成原子核的情形正好相反。用物质世界的基本砖石——质子和中子砌成的预制件——原子核的质量反而变小了，似乎在原子核里把质子和中子粘在一起的沙浆有负的质量。
难道质量还会有负的？
质量不会有负的。但是在原子核里，质子和中子确实是靠亏损掉的质量而紧密地结合在一起的。这又是怎么回事呢？
在1905年，伟大的物理学家爱因斯坦曾经提出来一个非常重要的定律。这个定律说，当一个过程放出能量E的时候，就会亏损掉一部分质量m，能量和质量的关系是：
E＝mc 2 或m＝E／c 2
公式中C是在真空中光的速度，约等于
300000000米／秒。
反过来，当一个过程得到能量时，质量又会增加一部分。
真的是这样吗？为什么在我们平常接触到的各种现象中没有发现这种情况呢？
这是因为我们接触到的吸收或者放出能量的过程，一般都属于物理变化和化学变化。和核反应相比，物理变化和化学变化吸收或放出的能量要少得多，相应地引起的质量的变化也极小，因而难以察觉。
正像前面讲过的，由质子和中子合成4克氦原子核的时候，质量会亏损0。03克。这时会放出多少能量呢？按公式E＝mc 2 计算，放出的能量：
E＝0。00003×（300000000） 2
＝2700000000000（焦耳）
但是，当把4克氢（和32克氧）燃烧成水时放出的能量是480000焦耳。根据爱因斯坦公式，这样多的氢和氧生成水后，质量会亏损多少呢？由m＝E／c 2 ：
480000
m＝————————
（300000000） 2
＝0。0000000000053（千克）
＝0。0000000053克
这亏损掉的质量是非常小的，当然是很难察觉和测量出来的。
对比一下，用4克氢当燃料烧成水的化学反应放出的热量大约可以把1公斤水烧开，而在合成4克氦原子的核反应中，放出的热量可以把5000吨水烧开，两者大小相差达到500万倍！
反过来，如果要把氦原子核拆开成为质子和中子，也需要让氦原子核获得同样多的能量，不然就补不回亏损的质量。这种由若干个质子、中子等核子结合成原子核的时候放出的能量，叫做原子核的结合能。
结合能为什么这样大呢？这是因为核子间的作用力——核力是一种很强的力。
在过去，人们只知道宇宙间存在着两种作用力。第一种作用力是万有引力，第二种作用力是电磁作用力。在打开原子核以后，人们发现了第三种作用力——核力。
关于核力的详细情形目前还不清楚，但是有一点是可以肯定的，就是在极短的距离之内，核力是非常非常大的。有人估计，它要比万有引力大10 38 倍！
万有引力无论距离多远都能起作用。核力就不同了，只有当核子的距离比0。0000000000001厘米还小的时候，强大的核力才发生作用。比这距离稍远一些，核力就不起作用了。所以原子核是非常小而且又是非常牢固的。
科学家们仔细地测量了各种原子核的质量，算出了由基本粒子构成原子核的结合能。
太阳为什么能够不停地发出极大量的光和热呢？贝特在1938年指出：在太阳的炽热的核心里正在发生着四个质子合成一个氦核（同时放出两个正电子）的过程。正像上面计算的那样，在这过程中放出大量的结合能。
这是热核能，也就是核聚变能。
科学家还用计算证明，如果把重的原子核，例如铀核，分裂成两块的话，也会放出大量的能量。
1克 235 92 U分裂成差不多相等的两块时，放出的能量如果都能转化成电能，就相当于23000度电。
这是核裂变能。
但是，怎样才能使铀原子核分裂成两块，放出这样多的能量来呢？
从预言到成为现实，只用了不到十年的时间。
用中子当炮弹
小居里夫妇的发现为研究原子核的科学家打开了新路。大家都在研究用人工方法制造新的放射性元素。才几年，他们就制造出400多种人造放射性元素。
意大利的科学家费米认为，用α粒子轰击原子核并不是理想的办法，因为α粒子带两个阳电荷，在射到别的原子核里去的时候，同性电荷相斥，就很难射中。他决定换用中子作炮弹。
将镭射气——氡和铍粉封在小玻璃管中，氧放射出来的α粒子打在铍上就产生中子。这就是一个不断发射中子的中子源。
费米用中子去轰击各种元素。他按照周期表的次序去试验。结果，前8个元素——从氢到氧，用中子轰击以后都没有什么反应。但是用中子轰击氟的时候，盖革计数器响了。
用中子轰击氟，生成了人工放射性元素。这种人工放射性元素放出β射线，也就是带阴电荷的电子流。
中子不带电，氟原子核里多了一个中子，所带的阳电荷数并不改变，只是质量增加了一个原子质量单位，所以生成的是氟的同位素：
1 0 n＋ 19 9 F→ 20 9 F
这种氟同位素是放射性的，它放出β射线——电子流。当然，核的阳电荷数目就要增加，变成原子序数比氟大1的氖：
20 9 F→ 20 10 Ne＋e …
费米继续做的试验很顺利，在氟以后的元素大都可以被中子击中，变成放射性元素，而且花样很多。
铝原子核被中子击中后放出α粒子，变成放射性钠：
1 0 n＋ 27 13 Al→ 24 11 Na＋ 4 2 He
放射性钠放出β射线后变成稳定的镁：
24 11 Na→ 24 12 Mg＋e …
磷原子核被中子击中后放出质子，变成放射性硅：
1 0 n＋ 31 15 P→ 31 14 Si＋ 1 1 H
放射性硅放出β射线后变回成稳定的磷：
31 14 Si→ 31 15 P＋e …
碘原子核被中子击中以后什么粒子也不放出，变成放射性碘：
1 0 n＋ 127 53 I→ 128 53 I
放射性碘放出β射线后变成稳定的氙：
128 53 I→ 128 54 Xe＋e …
费米用中子做炮弹，一下子就制成许多种放射性同位素。同时，他还发现周期表中的重元素（原子序数大的元素）的核在被中子击中以后，都不放出α粒子或质子，而是生成原来元素的放射性同位素。这些放射性同位素都是放射β射线的。
放射β射线，也就是放射电子，放射的结果是原子核减少一个单位阴电荷（也就是增加一个单位阳电荷），变成原子序数增加1的另一种元素。
铀是周期表上当时已经发现的最后一个元素，它的原子序数是92。人们早就想找到铀后面的元素，但是一直没有找到。
费米想：可不可以用人工来合成铀后面的元素呢？
他用中子轰击铀，果然得到了放射β射线的同位素。在放射β射线以后，它就应该成为原子序数是93的元素了。用中子再轰击93号元素，就会生成94号元素；再轰击94号元素，又会生成95号元素。
费米做过实验以后，在1934年宣布他用人工方法制造出来了超铀（原子序数比铀大的）元素。它们的原子序数是93、94、95。
费米还仿照门捷列夫的办法，把自己发现的93、94、95号三个元素分别起名叫做“类铼”、“类锇”和“类铱”。
费米犯了一个错误
人工制造出了超铀元素！
这又是一个重大的发现。几乎各国有名的原子科学家都相信费米的实验结果，相信真的制造出了93、94和95号元素，但是有一位科学家持不同的意见。
就在费米宣布制出超铀元素的那一年，《应用化学杂志》上刊登了一封来信。信中指出：“用中子轰击重核，可能使这核分裂成几个大块的碎片。当然，这些碎片必然是已知元素的同位素，而不是这重元素相邻的元素。”
这封信是德国女科学家诺达克写来的。她曾经发现了元素铼，后来一直在寻找着超铀元素。她认为费米没有制出来超铀元素，因为费米提出的新元素的化学性质，更像已知的元素。
诺达克的意见没有受到重视。当时世界有名的德国放射学专家哈恩也认为，诺达克的看法纯粹是谬论。
但是，少数人的意见并不一定是错误的。4年以后，才证明费米错了，诺达克是正确的。作出证明的恰恰是哈恩自己。
在费米宣布他的发现以后，许多支持费米的科学家都在重复费米的实验，想研究一下93、94和95号元素的性质。他们大多得到和费米同样的结果。
1938年，小居里夫妇用中子轰击纯铀，然后进行分析。他们有了新发现，在轰击过的铀中发现了元素镧。镧是57号元素，它在中子轰击以前的铀中是没有的。换句话说，镧是在中子轰击铀以后产生的。
哈恩听到这个消息以后，再也坐不住了，立刻跑到实验室里做起实验来。
哈恩和他的助手几个星期不分昼夜地做实验。他们在用中子轰击过的纯铀中又找到了钡。钡的原子序数是56，是铀原子序数92的一半多一点。
哈恩改变了自己的看法，他的实验证实了诺达克的意见：铀在中子轰击后真的分裂成为大约相等的两块。
1938年12月22日，在德国《自然科学》杂志上，哈恩发表了他的发现。
这一次，原子核真的打开了！以前的实验仅仅打下原子核的一些小碎片。这次原子核被打成两块。
人类从此开始进入利用原子能的新世纪。
原子能的解放
一个中子能够打碎一个铀原子核。这个新的发现又震动了科学界，许多人都在进一步研究这个问题。他们发现铀核被打碎的碎片有大有小，可以生成各种元素。1946年，当时在法国的我国科学家钱三强和何泽慧夫妇发现，在中子轰击下，铀原子核还可以分裂成三块或四块。
然而最可能发生的情况是分裂成为大小差不多相等的两块。例如，一个中子打到铀的同位素 235 92 U的核里去，这个核就会分裂成为一个钡原子核 141 56 BA和一个氪原子核 91 36 Kr。在这同时，还会放出3个中子。
这可是合算的事！一个中子打碎了一个 235 92 U的核，同时又放出了3个中子。这3个中子又可以打碎另外3个 235 92 U的核，同时各放出3个中子，一共9个中子。9个中子又能打破9个 235 92 U的核，放出27个中子……也就是说，一个中子可以打破无数个 235 92 U的核。前面已经说过，铀原子核破裂就会放出大量的能量——原子核能来。如此说来， 235 92 U好比是火药，中子好比是小火星，一个小火星就会使一块火药着火爆炸，一块 235 92 U碰到一个中子也会爆炸。
可是，科学家们过去用大量中子轰击铀片，并没发生爆炸。这又怎样解释呢？
原来天然的铀有三种同位素—— 234 92 U、 235 92 U和 238 92 U。其中 234 92 U的量非常少，只占十万分之五；99％以上是 238 92 U； 235 92 U也很少，只占0。7％。受到中子撞击立刻发生裂变的只是 235 92 U的核。中子可以打到 238 92 U的核中去，但不会立刻发生裂变。所以，中子轰击天然铀的时候，打中 235 92 U的核的机会很少； 235 92 U的核裂变时产生的中子，也不会都击中别的 235 92 U的核。
如果全都是 235 92 U，情况怎样呢？会不会爆炸呢？会！但是有个条件，那就是 235 92 U裂变之后放出来的更多的中子，也要能击中别的 235 92 U的核才行。这就需要有足够多的 235 92 U的核。
这好比我们闭着眼用枪去射击树干。如果只有稀稀落落的几棵树，子弹大半穿过树和树间的空隙，射中树干的机会一定很小。如果在密林里，那就会弹无虚发，所有的子弹都射在树干上。
铀的裂变也是一样。 235 92 U的量要是不够多，不论是中子源发射出来的中子，还是 235 92 U核裂变产生的中子，大部分没有等到击中铀核，就已经逃离了这块铀，因为铀原子核间还是有很大空隙的。在这种情况下，就不能引起越来越多的铀核裂变。如果 235 92 U的量足够多，中子就跑不掉了。这时候就会出现一种可怕的场面：全部铀原子转眼间都分裂，放出极大量的能量，以致引起爆炸。大家都知道，这就是原子弹爆炸，更确切地说，这是核爆炸。
能达到核爆炸的最低限度的 235 92 U的量，大约是1千克左右，这叫做临界质量。
原子核打开了。人们得到的不仅仅是关于原子核是怎样构造的知识，更重要的是解放出来极为巨大的能量——核能。
世界名著《一千零一夜》中有一个故事：一位渔夫在海里捞到一个钢瓶，他打开瓶塞想看看里边有什么；结果出来一个魔鬼，差一点把渔夫害死；最后，渔夫靠他的智慧终于驯服了魔鬼。
人类打开原子的故事有点相似。开始的时候大家只想打开原子看看它到底是怎样组成的，结果，打开了原子的大门以后，却放出来了一个魔鬼——原子弹。
当然，我们不能让这样的魔鬼杀害人类自己，而是要驯服它，让它为我们服务——利用原子能发电、开动机器等等。
关于人类怎样驯服了这个魔鬼，这魔鬼又怎样为人类服务的故事，就不是我们这本书所要讲的了。
没有结束
上面我们讲了老一代的科学家们如何通过科学实验，逐步打开原子大门的故事。当然，故事没有讲全，也不可能讲完。
虽然原子的大门被打开还只有几十年，它引起的变化却胜过了人类历史的几千年。它标志着科学技术的发展进入了新的时代。
由原子中头一个分出来的是电子。自从掌握了电子运动规律，人类生活起了多大的变化啊！没有电子管就不会有无线电广播，更不用说电视了。当然还有电子计算机、自动控制、宇宙导航……这都是1897年发现电子以后的丰硕果实。因此，人们常说，20世纪是电子时代。
原子核被打开了，在原子的心脏里取得了更为宝贵的财富——原子核能。这将是取用不竭的新能源。所以人们又说，20世纪是原子能时代。
过去认为原子是组成宇宙万物的基本粒子。后来原子被打开了，人们又认为组成原子的质子、中子和电子是基本粒子。现在，科学家们发现基本粒子的种类远不止这几种。除了已经提到的正电子以外，还发现有μ介子、π介子、K介子、J粒子……到目前为止，已经发现有几百种。它们的质量、电荷等性质各不相同。它们的发现故事还可�
