从一到无穷大-第15部分
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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有不同一一两者相差1。3％，这就为我们提供了靠原子质量的不同来解决问题的扩散法、离心法、电磁场偏转法等。图75a和b示出了两种主要分离方法的原理图，并附有简短说明。
所有这些方法都有一个缺点：由于这两种同位素的质量相差甚小，因而分离过程不能一步完成，需要多次反复进行，才能使轻的同位素一步步富集。这样，经过相当多次重复后，可得到很纯的铀235产品。
更聪明的方法是使用所谓减速剂，人为地减小天然铀中重同位素的影响，从而使链式反应能够进行。在了解这个方法之前，我们先得知道，铀的重同位素对链式反应的破坏作用，在于它吸收了铀235裂变时产生的大部分中子，从而破坏了链式反应的进行。因此，如果我们能设法使中子在碰到铀235的原子核之前不致被铀238原子核所俘获，裂变就能继续进行下去，问题也就解决了。不过，铀238比铀235 约多140倍，不让铀238得到大部分中子，岂不是想入非非！ 然而，在这个问题上，另一件事实帮了忙。这就是铀的两种同位素“俘获中子的能力”随中子运动速度的不同而不同。对于裂变时所产生的快中子，两者的俘获能力相同，因此，每有一个中子轰击到铀235的原子核，就有一百四十个中子被铀238所俘获。对于中等速度的中子来说，铀238的俘获能力甚至比铀235 还要强。不过，重要的一点是：当中子速度很低时，铀235能比铀238俘获到多得多的中子。因此，如果我们能使裂变产生的高速中子在与下一个铀（238或235）原子核相遇之前，先大大减速，那么，铀235的数量虽少，却会比铀238有更多的机会来俘获中子。
我们把天然铀的小颗粒，掺在某种能使中子减速而本身又不会俘获大量中子的物质（减速剂）里面，就可得到减速装置。最好的减速剂是重水、碳、铍盐。从图76可以看出，这样一个散布在减速剂中的铀颗粒“堆”是如何工作的。
我们说过，铀的轻同位素铀235（只占天然铀的0。7％）是唯一能维持逐步发展的链式反应、并放出巨大核能的天然裂变物质。但这并不等于说，我们不能人工制造出性质与铀235相同、而在自然界中并不存在的元素来。事实上，利用裂变物质在链式反应中所产生的大量中子，我们可以把原来不能发生裂变的原子核变为可以裂变的原子核。
第一个这种例子，就是上述由铀和减速剂混合成的反应堆。我们已经看到，在使用减速剂以后，铀238 俘获中子的能力会减小到足以让铀235进行链式反应的程度。然而，还是会有一些铀238的原子核俘获到中子。这一来又会发生什么情形呢？
铀238的核在俘获一个中子后，当然就马上变成更重的同位素铀239。不过，这个新生子核的寿命不长，它会相继放出两个电子，变成原子序数为94的新元素的原子。这种人造新元素叫做钚（Pu－239），它比铀23 5还容易发生裂变。如果我们把铀238换成另一种天然放射性元素钍（Th…232），它在俘获中子和释放两个电子后，就变成另一种人造裂变元素铀233。
因此，从天然裂变元素铀235开始，进行循环反应，理论上和实际上都可能将全部天然铀和钍变成裂变物质，成为富集的核能源。
最后，让我们大致计算一下，可供人类用于和平发展或自我毁灭的战争中的总能量有多少。计算表明，所有天然铀矿中的铀235所蕴藏的核能，如果全部释放出来，可以供全世界的工业使用数年；如果考虑到铀238转变成钚的情况，时间就会加长到几个世纪。再考虑到蕴藏量四倍于铀的钍（转变为铀233），至少就可用一、两千年。这足以使任何“原子能匮乏”论不能立足了。
而且，即使所有这些核能源都被用光，并且也不再发现新的铀矿和钍矿，后代人也还是能从普通岩石里获得核能。事实上，铀和钍也跟其他元素一样，都少量地存在于一切普通物质中。例如，每吨花岗岩中含铀4克，含钍12克。乍一看来，这未免太少了。但不妨往下算一算：一公斤裂变物质所蕴藏的核能相当于两万吨TNT炸药爆炸时或两万吨汽油燃烧时所放出的能量。因此，一吨花岗岩中的这16克铀和钍，就相当于320吨普通燃料。这就足以补偿复杂的分离步骤所会带来的一切麻烦了一一特别是在当我们面临富矿源趋于站竭的时候。
物理学家们在征服了铀、钍之类的重元素裂变时所释放的能量后，又盯上了与此相反的过程一一核聚变，即两个轻元素的原子聚合成一个重原子核，同时释放出大量能量的过程。在第十一章里，大家会看到，太阳的能量就来自因氢核进行猛烈的热碰撞而合成较重的氮核这种聚变反应。为了实现这种所谓热核反应，以供人类应用，最适用的聚变物质是重氢，即氘。氘在水里以少量存在。氘核含有一个质子和一个中子。当两个氘相撞时，会发生下面两个反应当中的一个：
为了实现这种变化，氘必须处于几亿度的高温下。
第一个实现核聚变的装置是氢弹，它用原子弹来引发氘的聚变。不过，更复杂的问题是如何实现可为和平目的提供大量能量的受控热核反应。要克服主要的困难一一约束极热的气体一一可利用强磁场使氘核不与容器壁接触（否则容器会熔化和蒸发！），并把它们约束在中心的热区内。
第八章 无序定律
l．热的无序
斟上一杯水，并且仔细观察它，这时，你看到的只是一杯清澈而均匀的液体，看不出有任何内部运动的迹象（当然，这是指不晃动玻璃杯而言）。但我们知道，水的这种均匀性只是一种表面现象。如果把水放大几百万倍，就会看出它具有明显的颗粒结构，是由大量紧紧地挨在一起的单个分子组成的。
在这样的放大倍数下，我们还可以清清楚楚地看到，水绝非处于静止状态。它的分子处在猛烈的骚动中，它们来回运动，互相推挤，恰似一个极度激动的人群。水分子或其他一切物质分子的这种无规运动叫做热运动，因为热现象就是这种运动的直接结果。尽管肉眼不能察觉到分子和分子的运动，但分子的运动能对人体器官的神经纤维产生一定刺激，从而使人产生热的感觉。对于比人小得多的生物，如悬浮在水滴中的细菌，这种热运动的效应就要显著得多了。这些可怜的细菌会被进行热运动的分子从四面八方无休止地推来搡去，得不到安宁（图77）。这种可笑的现象是大约一百年前被英国生物学家布朗（Robert Brown）在研究植物花粉时首次发现的，因此被称为布朗运动。这是一种普遍存在的运动，可在悬浮在任何一种液体中的任何一种物质微粒（只要足够细小）上观察到，也可以在空气中飘浮的烟雾和尘埃上观察到。
如果把液体加热，那么，悬浮小微粒的狂热舞蹈将变得更为奔放；如果液体冷却下来，舞步就会显著变慢。毫无疑问，我们所观察到的现象正是物质内部热运动的效应。因此，我们通常所说的温度不是别的，而正是分子运动激烈程度的量度。通过对布朗运动与温度的关系进行研究，人们发现在温度达到摄氏－273度，即华氏－459度时，物质的热运动就完全停止了。这时，一切分子都归于静止。这显然就是最低的温度。它被称为绝对零度。如果有人提起更低的温度，那显然是荒唐的。因为哪里会有比绝对静止更慢的运动呢？
一切物质的分子在接近绝对零度这个温度时，能量都是很小的。因此，分子之间的内聚力将把它们紧聚成固态的硬块。这些分子只能在凝结状态下作轻微的颤动。如果温度升高，这种颤动就会越来越强烈；到了一定程度，这些分子就可以获得一定程度的运动自由，从而能够滑动。这时，原先在凝结状态下所具有的硬度消失了，物质就变成了液体。物质的熔解温度取决于分子内聚力的强度。有些物质，如氢或空气（氮和氧的混合物），它们分子间的内聚力很微弱，在很低的温度下就会被热运动所克服。氢要到14K（即－259℃）下才处于固体状态，氧和氮则分别在55K和64K（即－218℃和－209℃）时熔解。另一些物质的分子则有较强的内聚力，因此能在较高温度下保持固态。例如，酒精能保持固态到－114℃，固态水（即冰）在0℃时才融化。还有一些物质能在更高的温度下保持固态：铅在＋327℃熔解，铁在＋1535℃，而稀有金属锇能坚持到2700℃。物质在处于固态时，它们的分子是被紧紧束缚在一定的位置上，但绝不是不受热的影响。根据热运动的基本定律，处在相同温度下的一切物质，无论固体、液体还是气体，其单个分子所具有的能量是相同的；只不过对某些物质来说，这样大的能量已足以使它们的分子从固定位置上挣脱开来，而对另一些物质来说，分子只能在原振动，如同被短链子拴住的狂怒的狗一样。
固体分子的这种热颤动或热振动，在上一章所描述X光照片中可以很容易地观察到。我们确实知道，摄得一张晶格分子的照片需要一定时间，因此在这段曝光时间内，绝对不能允许分子离开自己的固定位置。来回颤动非但无助于拍照，反而会使照片模糊起来。这种模糊现象可从图版I那分子照片上看到。为了得到清晰的图象，必须尽可能把晶体冷却，这一般是把晶体浸到液态空气中来实现的。反过来，如果把被摄影的晶体加热，照片就会变得越来越模糊。当达到熔点时，由于分子脱离原来的位置，在熔解的液体里无规地运动起来，它的影象就会完全消失。
在固体熔化后，分子仍然会聚在一起。因为热冲击虽然已大得能把分子从晶格上拉下来，却还不足以使它们完全离开。然而，当温度进一步升高时，分子间的内聚力就再也不能把分子聚拢在一起了。这时，如果没有容器壁的阻挡，它们将沿各个方向四散飞开。这样一来，物质当然就处在气态了。液体的气化也和固体的熔化一样，不同的物质有不同的温度；内聚力弱的物质变成气体所需达到的温度要比内聚力强的物质低。气化温度还与液体所受压力的大小有重大关系，因为外界的压力显然是会帮内聚力的忙的。我们知道，正因为如此，封得很严实的一壶水，它的沸腾温度要比在敞开时高；另—方面，在大气压大为减低的高山顶上，水不到100℃就会沸腾。顺便提一下，测量水在某个位置上的沸腾温度，就可以计算出大气压强，也就可以知道这个位置的海拔高度。
但是，可不要学马克·吐温（Mark Twain）所说的那个例子啊！他在一篇故事里讲到，他曾把一支无液气压计放到煮豌豆汤的锅子里。这样做非但根本不能判断出任何高度，这锅汤的滋味还会被气压计上的铜氧化物弄坏。
一种物质的熔点越高，它的沸点也越高。液态氢在－253℃沸腾，液态氧和液态氮分别在－183℃和－196℃，酒精在＋78℃，铅在＋1620℃，铁在＋3000℃，锇要到＋5300℃）。
在固体那美妙的晶体结构被破坏以后，它的分子先是象一堆蛆虫一样爬来爬去，继而又象一群受惊的鸟一样飞散开，但这并不是说，热运动的破坏力已达到极限。如果温度再行升高，就会威胁到分子本身的存在，因为，这时候分子间的相互碰撞变得极为猛烈，有可能把分子撞开，成为单个原子。这种被称为热离解的过程取决于分子的强度；某些有机物质在几百度时就会变为单个原子或原子群，另一些分子可要坚牢得多，如水分子，它要到一千度以上才会崩溃。不过，当温度到几千度时，分子就不复存在了，整个世界就将是纯化学元素的气态混和物。
在太阳的表面上，情况就会是这样，因为这里的温度可达6000℃。而在比太阳“冷”一些的红巨星1）的大气层中，就能存在一些分子，这已经靠专门的分析方法得到了证实。
在高温下，猛烈的热碰撞不仅把分子分解成原子，还能把原子本身的外层电子去掉，这叫做热电离。如果达到几万度、几十万度、几百万度这样的极高温度——这样的温度超过了实验室中所能获得的最高温度，然而在包括太阳在内的恒星中却是屡见不鲜的——热电离就会越来越占优势。最后，原子也完全不能存在了，所有的电子层都统统被剥去，物质就只是一群光秃秃的原子核和自由电子的混合物。它们将在空间中狂奔猛撞。尽管原子个体遭到这样彻底的破坏，但只要原子核完好无缺，物质的基本化学特性就
