从一到无穷大-第13部分

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　　2。　原子的心脏
　　我们既然对构成物质的基本粒子的本性和性质已有全面的了解，现在就可以再来仔细研究一下原子的心脏――原子核。原子的外层结构在某种程度上可比作一个缩小的行星系统，但原子核本身却全然是另一种情景了。首先有一点是很清楚的：使原子核本身保持为一个整体的力不可能是静电力，因为原子核内有一半粒子（中子）不带电，另一半（质子）带正电，因而会互相排斥。如果一群粒子间只存在斥力，怎么能存在稳定的粒子群呢！
　　因此，为了理解原子核的各个组成部分保持在一起的原因，必须设想它们之间存在着另一种力，它是一种吸引力，既作用在不带电的粒子之间，也作用在带电的粒子之间，与粒子本身的种类无关。这种使它们聚集在一起的力通常被称为“内聚力”。这种力在其他地方也能遇到，例如在一般液体中就存在内聚力，这种力阻止各个分子向四面八方分散。
　　在原子核内部，各个核子间就存在这种内聚力。这样，原子核本身非但不致在质子间静电斥力的作用下分裂开来，而且这许多核子还能象罐头盒里的沙丁鱼一样紧紧挨在一起，相比之下，处于原子核外各原子壳层上的电子却有足够的空间进行运动。作者本人最先提出这样一种看法：可以认为原子核内物质的结构方式是与普通液体相类似的。原子核也象一般液体一样有表面张力。大家想必还记得，表面张力这一重要现象在液体中是这样产生的：位于内部的粒子被相邻的粒子向各个方向以相等的力拉牵，而位于表面的粒子只受到指向液体内部的拉力（图　63）。
　　这种张力使不受外力作用的一切液滴具有保持球形的倾向，因为在体积相同的一切几何形体当中，球体的表面积最小。因此，可以得出结论说，不同元素的原子核可以简单地看作由同一类“核液体”组成的大小不同的液滴。不过可不要忘记，虽然定性地说，这种核液体与一般液体很相象，但定量地说，两者却大不相同，因为核液体的密度比水的密度大240；000；000；000；000倍，表面张力也比水大1；000；000；000；000；　000；000倍。为了便于理解，可用下面的例子说明。如果有一个用金属丝弯成的倒U字形框架，大小约二英寸见方，下边横搭一根直丝，如图64画出的样子。现在给框内充入一层肥皂膜，这层膜的表面张为会把横丝向上拉。在丝下悬一小重物，可以把这个张力平衡掉。如果这层膜是普通的肥皂水，它的厚度为0。01毫米时自重1/4克，能支持3/4克的重物。
　　假如我们有办法制成一层核液体薄膜，并把它张在这付框架上，这层膜的重量就会有五千万吨（相当于一千艘海轮），横丝上则能悬挂一万亿吨的东西，这相当于火星的第二颗卫星“火卫二”的重量！要在核液体里吹出这样一个泡来，得有多强壮的肺脏才行啊！
　　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