从一到无穷大-第11章
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在把原子核看成小液滴时，一定不要忽略它们是带电的这一要点，因为有一半核子是质子。因此，核内存在着相反的两种力：一种是把各个核子约束在一起的表面张力，一种是核内各带电部分间倾向于把原子核分成好几块的斥力。这就是原子核不稳定的首要原因。如果表面张力占优势，原子核就不会自行分裂，而两个这样的原子核在互相接触时，就会象普通的两滴液体那样具有聚合在一起的趋势。
与此相反，如果排斥的电力抢了上风，原子核就会有自行分裂为两块或多块高速飞离的碎块的趋势。这种分裂过程通常称为“裂变”。
玻尔和威勒（John Archilbald wheeler ）在 1939 年对不同原子核的表面张力和静电斥力的平衡问题进行了精密的计算，他们得出一个极重要的结论说，元素周期表中前一半元素（到银为止）是表面张力占优势，而重元素则是斥力居上风。因此，所有比银重的元素在原则上都是不稳定的，当受到来自外部的足够强烈的轰击时，就会裂开为两块或多块，并释放出相当多的内部核能（图65b） 。与此相反，当总重量不超过银原子的两个轻原子核相接近时，就有自行发生聚变的希望（图65a）。不过我们要记住；两个轻原子核的聚变也好，一个重原子核的裂变也好，除非我们施加影响，一般是不会发生的。事实上，要使轻原子核发生聚变，我们就得克服两个原子核之间的静电斥力，才能使它们靠近；而要强令一个重原子核进行裂变就必须强烈地轰击它，使它进行大幅度的振动。
这一类必须有起始的激发才能导致某一物理过程的状态，在科学上叫做亚稳态。立在悬崖顶上的岩石、一盒火柴、炸弹里的TNT火药，都是物质处于亚稳态的例子。在这每一个例子中，都有大量的能量在等待得到释放。但是不踢岩石，岩石不会滚下；不划或不加热火柴，火柴不会燃着；不用雷管给TNT引爆，炸药不会爆炸。在我们生活的这个世界上，除了银块外都是潜在的核爆炸物质。但是，我们并没有被炸得粉身碎骨，就是因为核反应的发生是极端困难的，说得更科学一点，是因为需要用极大的激发能才能使原子核发生变化。
在核能的领域内，我们所处的地位（更确切地说，是不久前所处的地位）很象这样一个爱斯基摩人。这个爱斯基摩人生活在零度以下的环境中，接触到的唯一固体是冰，唯一液体是酒精。这样，他不会知道火为何物，因为用两块冰进行摩擦是不能生出火来的；他也只把酒精看成令人愉快的饮料，因为他无法把它升温到燃点。
现在，当人类由最近的发明，得知原子内部蕴藏着极大的能量可供释放时，他们的惊讶多么象这个不知火为何物的爱斯基摩人第一次看到酒精灯时的心情啊！
一旦克服了使核反应开始进行的困难，所引起的一切麻烦就都大大地得到补偿了。例如，数量相等的氧原子和碳原子在按照
O＋C一→CO＋能量
这个化学方程化合时，每一克混合好的氧和碳会放出92 卡热量。如果把这种化学结合（ 分子的聚合，图66a）换成原子核的聚合（图66b）即
6C＋80=14Si＋能量；
这时，每克混合物放出的能量达到149000；000；000卡之多，比前者大一千五百万倍。
同样，一克复杂的TNT 分子在分解成水分子、一氧化碳分子、二氧化碳分子和氮气（ 分子裂变）时，约释放1；000卡热 量；而同样重量的物质，如水银，在核裂变时会释放10；000；000；000 卡热量。
但是，千万别忘了，化学反应在几百度的温度下就很容易进行，而相应的核转变却在往在达到几百万度时还未引发哩！ 正是这种引发核反应的困难，说明了整个宇宙眼下还不会有在一声巨爆中变成一大块纯银的危险，因此大家尽管放心好了。
3。 轰击原子
原子量的整数值为原子核构造的复杂性提供了有力的论据，不过这种复杂性只有用能够把原子核破裂成两块或更多几块的直接实验，才能最后加以证实。
第一次表明有可能使原子碎裂的迹象，是五十年前（1896 年）法国科学家贝克勒耳（Edmond Alexandr Becquerel）所发现的放射性。事实表明，位于周期表尽头的元素，如铀和钍，能自行发出穿透性很强的辐射（与一般X射线相似）的原因，在于这些原子在进行缓慢的自发衰变。人们对这个发现做了精细的研究，很快得出这样的结论：重原子在衰变中自行分裂成两个大不相同的部分：（1）叫做α粒子的小块， 它是氦的原子核；（2）原有原子核的剩余部分，它又是子元素的原子核。当铀原子核碎裂时，放出α粒子，产生的子元素称为铀X1，它的内部经历重新调整电荷的过程后，放出两个自由的负电荷（普通电子），变为比原来的铀原子轻四个单位的铀同位素。紧接着又是一系列的α粒子发射和电荷调整，直到变为稳定的铅原子，才不再进行衰变。
这种交替发射α粒子和电子的嬗变可发生在另外两族放射性物质上，它们是以重元素钍为首的钍系和以锕开始的锕系。这三族元素都进行一系列衰变，最后成为三种铅同位素。
我们在上一节讲过，元素周期在中后一半元素的原子核是不稳定的，因为在它们原子核内倾向于分离的静电力超过了把核约束在一起的表面张力。细心的读者把这一条和自发放射衰变的情况对比一下，就会觉得诧异：既然所有比银重的元素都是不稳定的，为什么只在最重的几种元素（如铀、镭、钍）上才观察到自发衰变呢？这是因为虽然所有比银重的元素在理论上都可以看作是放射性元素，并且它们也确实都在 渐渐地衰变成轻元素，不过在大多数情况下，自发衰变进行得非常绥慢，以致无法发现这种过程。一些大家熟悉的元素，如碘、金、水银、铅等等，它们的原子在一个世纪中说不定只分裂一两个。这可太慢了，用任何灵敏的物理仪器都无法记录下来。只有最重的元素，由于它们自发分裂的趋势很强，才能产生能够观测出的放射性来1）。这种相对的嬗变率还决定了不稳定原子核的分裂方式。例如，铀的原子核就可能以几种方式裂开：或者是分裂成两块相等的部分，或者是三块相等的部分，或者是许多块大小不等的部分。不过，最容易发生的是分成一个α粒子和一个剩余的子核。根据观察，铀原子核自行裂成两块相等部分的机会要比放射出一个α粒子的机会低数百万倍。所以，在一克铀中，每一秒内部有上万个原子核进行放射α粒子的分裂，而要观测到一次分成两块相等部分的裂变，却要等上几分钟呢！
放射现象的发现，不容置疑地证明了原子核结构的复杂性，也打开了人工产生（或激发）核嬗变的道路。它使我们想到，如果重元素，特别是那些不稳定的重元素能够自行衰变，那么，我们能否用足够强有力的高速粒子去轰击那些稳定的原子核，使它们发生分裂呢？
卢瑟福就抱着这样的想法，决定让各种通常是稳定的元素遭受不稳定放射性元素在分裂时放出的核碎块（α粒子）的轰击。他在1919年为此项实验首次采用的仪器（图 67），与当今某几个物理实验室中轰击原子的巨大仪器相比，真是简单到了极点。它包括一个圆筒形真空容器，一端有一扇窗，上面涂有一薄层荧光物质当作屏幕。α粒子轰击源是沉积在金属片上的一薄层放射性物质。待轰击的靶子（这个实验用的是铝）做成箔状，放在离轰击源一段距离之处。铝箔靶被安放得恰好能使所有入射α粒子都会嵌在上面。因此，如果轰击没有导致靶子产生次级核碎块的话，荧光屏是不会发亮的。
把一切装置安装就绪之后，卢瑟福就借助于显微镜观察屏幕。他看到屏上绝不是一片黑暗，整个屏幕上都闪烁着万万千千的跳动亮点！每个亮点都是质子撞在屏上所产生的，而每个质子又是入射α粒子从靶子上的铝原子里撞出的“一块碎片”。因此，元素的人工嬗变就从理论上的可能性变成了科学上的既成事实。1）
在卢瑟福做了这个经典实验之后的几十年内，元素的人工嬗变已发展成为物理学中最大和最重要的分支之一，无论是在产生供轰击用的高速粒子的方法上，还是在对结果的观测上，都取得了极大进展。
在观测粒子撞击原子核所发生的情况时，最理想的仪器是一种能够直接用眼睛观看的云室（因为它是威尔逊发明的，又称威尔逊云室）图68是云室简图。它的工作原理基于这样一个事实：高速运动的带电粒子，在穿过空气或其他气体时，会使沿路的气体原子发生一定程度的变形。它们在粒子的强电场作用下，会失去一个或数个电子而成为离子。这种状态不会长久持续下去。粒子一过，离子很快又重新俘获电子而恢复原状。不过，如果在这种发生了电离的气体中含有饱和的水蒸汽，它们就会以离子为核心形成微小的水滴一一这是水蒸汽的性质，它能附着在离子、灰尘等东西上一一结果沿粒子的路径会出现一道细细的雾珠。换句话说，任何带电粒子在气体中运动的径迹就变成了可见的，如同一架拖着尾烟的飞机。
从制作工艺来看，云室是件简单的仪器，它主要包括一个金属圆筒（A），筒上盖有一块玻璃盖子（B），内装一个可上下移动的活塞（C）（移动部件图中未画出）。玻璃盖子和活塞工作面之间充有空气（或视具体需要改充其他气体）和一定量的水蒸汽。当一些粒子从窗口（E）进入云室时，让活塞骤然下降，活塞上部的气体就会冷却，水蒸汽则会形成细微的水珠，沿粒子径迹凝结成一缕雾丝。由于受到从边窗（D）射入的强光照射，以及活塞面黑色背景的衬托，雾迹清晰可见，并可用与活塞连动的照相机（F）自动拍摄下来。这架简单的装置，能使我们获得有关核轰击的极完美的照片，因此，它已成为现代物理学中最有用的仪器之一。
自然，我们也希望能设计出一种在强电场中加速各种带电粒子（离子）、以形成强大粒子束的方法。这样不但能省去稀少而昂贵的放射性物质，还能增加其他类型的粒子（如质子），时，同粒子的能量也比一般放射性衰变中所放出的粒子大。在各种产生强大高速粒子束的仪器中，最重要的有静电发生器、回旋加速器和直线加速器。图69；70和71分别简述了它们的作用原理。
图70 迥旋加速器的原理。迥旋加速器主要包括两个放在强磁场中的半圆形金属盒（磁场方向和纸面垂直） 。两个盒与变压器的两端分别相连，因此，它们交替带有正电和负电。从中央的离子源射出的离子在磁场中沿半圆形路径前进，并在从一个盒体进入另一个盒体的中途受到加速。离子越走越迅速，描绘出一条向外扩展的螺线，最后以极高的速度冲出
图71 直线加速器原理
这套装置包指长度逐渐增大的一套圆筒，它们由变压器交替充以正电和负电。离子在从一个圆筒进入另一个圆筒的途中被这相邻两筒间的电势差加速， 因此能量逐渐增大。由于速度同能量的平方根成正比，所以，如果把筒长按整数的平方根的比例设计，离子就会保持与交变电场同相。把这套装置设计得足够长，就能把离子加速到任意大的速度
使用上述加速器产生的各种强大的粒子束，并引导它们去轰击用各种物质作成的靶子，可以产生一系列核嬗变，并用云室拍摄下来，这样，研究起来很方便。后面的图版III、IV 就是几张核嬗变的照片。
剑桥大学的布莱克特（Patrick Maynard Stuart Blackett）拍摄了若干张这种照片。他拍摄的是一束衰变中产生的α粒子通过充氮的云室。首先可以看出，所有的径迹都有确定的长度，这是因为粒子在飞过气体时，逐渐失去自己的动能，最后归于静止。粒子径迹的长度有两种，这是因为有两种不同能量的α粒子（粒子源是钍的两种同位素ThC 和ThC’的混合物）。大家还能注意到，α粒子的径迹基本上是笔直的，只是在尾部、即粒子快要失去全部初始能量时，才容易由氮原子的非正面碰撞造成明显的偏拆。但是，在这张星状的α粒子图中，有一道径迹很特殊，它有一个特殊的分叉，分叉的一支细而长，一支粗而短。这表明它是α粒子和氮原子面对面碰撞的结果。细而长的径迹是被撞出的质子，粗而短的则是被撞到一旁的氮原子。因为看不到其他径迹，这就说明，肇事的α粒子已经附在氮原子核上一起运动了。
在后面图版IIIB上，我们能看到人工加速的质子与棚核碰撞的效应。高速质子束从加速器出口（照片中央的黑影）射到外面的硼片上，从而使原子核的碎块沿各个方向穿过空气飞去。从照片上可看到一个有趣之处，就但碎块的径迹是以三个为一组（照片上可看到两组，其中一组还以箭头标出），这是由于硼原子被质子击中时，会裂成三块相等的部分。
另一张照片III A 摄下的是高速氘核（由一个质子和据称一个中子形成的重氢原子核）和靶上的另一个氘核相碰撞的情景。
照片中，较长的径迹属于质子（氕核）， 较短的则属于三倍重的氢核（也称氚核）。
中子和质子一样，是构成各种原子核的主要成分。如果没有中子参与反应的云室照片，那是很不完全的。
但是，不要指望在云室中看到中子的径迹，因为中子是不带电的，所以，这匹原子物理学中的“黑马”在行进途中不会造成电离。不过，当你看到从猎人枪口冒出一股轻烟，又看到从天上栽下一只鸭子，你就晓得有一颗子弹飞出过，尽管你看不到它。同样，在你观看图版IIIC这一云窒照片时，你看到一个氮原子分裂成氦核（向下的一支）和硼核（向上的一支），就一定会意识到这个氮核一定是被一个看不见的粒子从左面狠狠地撞了一下。事实正是如此，我们在云室左边的壁上放置了镭和铍的混合物，这正是快中子源。
只要把中子源和氮原子分裂的地点这两个点连接起来，就是表示中子运动路径的直线了。
图版IV是铀核的裂变照片，它是包基尔德（Boggild）、勃劳斯特劳姆（Brostrom）和娄瑞参（Lauritsen）拍摄的。从一张敷有一层铀的铝箔上，沿相反方向飞出两块裂变产物。当然，在这张照片上是显示不出引发这次裂变的中子和裂变所产生的中子的。
使用加速粒子轰击原子核的方法，我们可以得到无穷无尽的各种核嬗变，不过现在我们应该转到更重要的问题上来，即看着这种轰击的效率如何。要知道，图版III和IV 所示的只是单个原子分裂的情况。如果要把一克硼完全转变为氦，就要把所有55；000；000；000；000；000；000；000个硼原子都击碎。目前最强大的加速器每秒钟能产生1。0000000；000；000；000 个粒子。即使每个粒子都击碎一个硼核，那也得把这台加速器开动55百万秒，也就是差不多两年才行。
然而，实际上的效率要比这低得多。通常在几千个高速粒子当中，只能指望有一个命中靶上的原子核而造成裂变。这个极低的效率是由于原子核外的电子能够减慢入射带电粒子的通过速度的缘故。电子壳层受轰击的截面积要比原子核受轰击的截面积大得多，我们又显然不能把每个粒子都瞄准原子核，因此，粒子要在穿过许多原子的电
