从一到无穷大-第14部分
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庹丈洌约盎钊婧谏尘暗某耐校砑Ｇ逦杉⒖捎糜牖钊恼障嗷‵）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子壳层后，才有直接命中某一个原子核的机会。图72 说明了这种局面。在图上，原子核用黑色小圈点表示，电子壳层用阴影线表示。原子与原子核的直径之比约为10；000：1，因此它们受轰击面积的比值为 100；000；000：1。我们还知道，带电粒子在穿过一个原子的电子壳层后，能量要减少万分之一左右。这样，它在穿过一万个电子壳层后就会停下来。由这些数据不难看出，在一万个粒子中，只有一个有可能在能量消耗光之前撞到某个原子核上。考虑到带电粒子给靶子上的原子以摧垮性打击的效率是如此之低，要使一克硼完全嬗变，恐怕至少也得把一台最先进的加速器开动两万年！
4。 核子学
往往有这么一些词，看起来似乎不那么恰当，但却颇有实用价值。“核子学”就是这样的一个。因此，我们不妨采用这个词。正如“电子学”讲的是自由电子束的广泛实际应用一样 ；“核子学”也应理解成对核能量的大规模释放进行实际应用的科学。上一节中我们已经看到，各种化学元素（除去银以外）的原子核内部蕴藏着巨大的内能；对轻元素来讲，内能可在聚变时放出；对重元素来讲，则在裂变时放出。我们又看到，用人工加速的粒子轰击原子核这个方法，尽管在研究核嬗变的理论上极为重要，但由于效率极低，派不上实际用场。
不过，这种低效率主要是由于α粒子和质子是带电粒子，它们在穿过原子时会失去能量，又不易逼近被轰击的靶原子核。我们当然会想到，如果用不带电的中子来轰击，大概会好一些。然而，这还是不好办！因为中子可以轻而易举地进入原子核内，它们在自然界中就不以自由状态存在；即使凭借人工方法，用一个入射粒子从某个原子核里“踢”出一个中子来（如铍靶在α粒子轰击下产生中子），它也会很快地又被其他原子核重新俘获。
这样，要想产生强大的中子束，就得从某种元素的原子核里把中子一个一个地踢出来。这样做，岂不是又回到低效率的带电粒子这一条老路上去了吗！
然而，有一个跳出这种思性循环的方法：如果能用中子踢出中子，而且踢出不止一个，中子就会象兔子繁衍（参见图 97）； 或者象细菌繁殖一样地增加起来。不久，由一个中子所产生的后代就会多到足以向一大块物质中的每一个原子核进攻的程度。
自从人们发现了这样一种使中子增长的核反应后，核物理学就空前繁荣起来，并从作为研究物质最隐秘性质的纯科学这座清静的象牙塔中走了出来，投进了报纸标题、狂热政论和发展军事工程的旋涡。凡是看报纸的人，没有不知道铀核裂变可以放出核能一一通常称为原子能一一这种能量的。铀的裂变是哈恩 （Otto Hahn）和斯特拉斯曼（Fritz Strassman） 在1938年末发现的。但是，不要认为由裂变生成的两个大小差不多相等的重核本身能使核反应进行下去。事实上，这两部分核块都带有许多电荷（各带铀核原电荷的一半左右），因此不可能接近其他原子核；它们将在邻近原子的电子层作用下迅速失去自己的能量而归于静止，并不能引起下一步裂变。
铀的裂变之所以能一跃成为极重要的过程，是由于人们发现了铀核碎片在速度减慢后会放出中子，从而使核反应能自行维持下去（图 73）。
裂变的这种特殊的缓发效应的发生原因，在于重原子核在裂开时会象断裂成两节的弹簧一样处于剧烈的振动状态中。这种振动不足以导致二次裂变（即碎片再一次双分），却完全有可能抛出几个基本粒子来。要注意：我们所说的每个碎块放射出一个中子，这只是个平均数字；有的碎块能产生两个或三个中子，有的则一个也不产生。当然，裂变时碎块所能产生的中子数有赖于振动强度，而这个强度又取决于裂变时释放的总能量。我们知道，这个能量的大小是随原子核重量的增大而增加的。因此，我们可以预料到，裂变所产生的中子数随周期表中原子序数的增大而增多。例如，金核裂变（由于所需的激发能太高，至今尚未实验成功）所产生的中子数，大概会少于每块一个，铀则为每块一个（即每次裂变产生两个），更重的元素（如钚），应多于每块一个。
如果有一百个中子进入某种物质，为了能够满足中子的连续增殖，这一百个中子显然应产生出多于一百个中子。至于能否达到这一状况，要看中子使这种原子核裂变的效率有多大，也要看一个中子在造成一次裂变时所产生的新中子有多少。应该记住，尽管中子比带电粒子有高得多的轰击效率，但也不会达到百分之百。事实上，总有一些高速中子在和某个原子相撞时，只交给它一部分动能，然后带着剩杂的动能跑 掉。这一来，粒子的功能将分散消花在几个原子核上，而没有一个发生裂变。
根据原子核结构理论，可以归结出这样一点：中子的裂变率随裂变物质原子量的递增而提高，对于周期表末尾的元素，裂变率接近百分之百。
现在，我们给出两个中子数的例子，一个是有利于中子增多的，一个是不利的：（A）快中子对某元素的裂变率为35％，裂变产生的平均中子数为 1。6。这时，如果有100 个中子，就能引起35次裂变，产生35 ×1。6=56个第二代中子。显然，中子数目会逐代下降，每一代都减少将近一半。（B）另一种较重元素，裂变率升至65％，裂变产生的平均中子数为2。2。此时，如有100个中子，就会导致65次裂变，放出的中子总数为65×2。2=143个。每产生新的一代，中子数就增加约50％，不用多久，就会产生出足以轰击核样品中每一个原子核的中子来。这种反应，我们称为分支链式反应；能产生这种反应的物质，我们叫做裂变物质。
对于发生渐进性分支链式反应的必要条件作细心的实验观测和深入的理论研究以后，可得出结论说，在天然元素中，只有一种原子核可能发生这种反应。这就是铀的轻同位素铀235。
但是，铀235在自然界中并不单独存在，它总是和大量较重的非裂变同位素铀238混在一起（铀235占 0。7％；铀 238占99。3％），这就会象湿木柴中的水分妨碍木柴的燃烧一样影响到铀的分支链式反应。不过，正因为有这种不活泼的同位素与铀235掺杂在一起，才使得这种高裂变性的铀235至今仍然存在，否则，它们早就会由于链式反应而迅速毁掉了。因此，如果打算利用铀235的能量，那么，就得先把铀235 和铀238 分离开来，或者是研究出不让较重的铀238捣蛋的办法。这两类方法都是释放原子能这个课题的研究对象，并且都得到了成功的解决。由于本书不打算过多地涉及这类技术性问题，所以我们只在这里简单地讲一讲。
要直接分离铀的两种同位素是个相当困难的技术问题。它们的化学性质完全相同，因此，一般的化工方法是无能为力的。这两种原子只在质量上稍
