第12章 原子核內部

湯普金斯先生參加的下一個講座，是專門介紹原子核內部的，原子核是原子中電子革命的軸心點。

女士們，先生們：

我們越發地深入研究物質的結構，現在我們可以嚐試著以自己智慧的眼睛，穿透原子核，看一看其內部結構了。這一塊神秘的區域隻是原子本身總體積的千百億分之一的部分。然而，盡管我們這個新研究領域的維度小得令人難以置信，但是我們發現它其中蘊含著巨大的活動性。事實上，原子核畢竟是原子的中心，盡管它的體積相對較小，但卻占了總原子質量的99.97%。

從原子那個密度稀薄的電子雲穿進去，進入原子核區域，我們立刻會很驚訝地發現，其中的粒子呈現異常擁擠的狀態。平均來說，在原子大氣中電子運動的距離超過它自己的直徑幾十萬倍，而在原子核內部的粒子隻能“手肘挨著手肘”地緊緊貼著擠在一起，假設它們有手肘的話。從這個意義上來講，原子核內部所呈現的畫麵與一般的**很相似，除了我們現在所碰到的不是分子，而是比它小很多而且多很多的粒子之外。這些基礎粒子就是質子和中子。這兒應該注意到，盡管質子和中子有著不同的名稱，但人們現在卻把它們看成同一基礎重粒子——“核子”——的兩種不同帶電狀態。質子是帶正電的核子，中子是電中性的核子，但是也不排除存在帶負電的核子的可能，盡管它們尚未被發現。至於提到它們的幾何尺寸，核子和電子沒有顯著的差異，直徑大概是0.000 000 000 000 1厘米，但核子比電子重多了，把一個質子或者中子放在天平的一端，另一端要放上1840個電子，天平才能平穩。正如我所說的，組成原子核的粒子都緊緊地擠在一起，這都是由於某種特殊的原子核內聚力的作用。這種力與作用於**分子間的力類似，可以防止各個粒子相互分離，但又不阻礙它們發生相對位移。因此，原子核物質就具有一定程度上的流體性質，在不受其他外力的幹擾時，它們呈現的是球形，就像普通水滴一樣。我接下來會給你們畫一張示意圖，圖中你們將會看到由質子和中子構成的幾種不同的原子核。最簡單的是氫的原子核，隻含有一個質子，而最複雜的是鈾的原子核，含有92個質子和146個中子。當然，你們應該把這些圖片看成真實情況的高度公式化的示意圖，因為根據量子理論基本的不確定性原則，每個核子的位置都在整個原子核區域內“散開”。

正如我說過的，構成原子核的各個粒子是由很強的內聚力聚集在一起的，但是除了這些吸引力之外，還有其他一些作用力方向相反的力。事實上，大約占原子核內部粒子總量一半的質子是帶正電的，根據庫倫靜電力的作用自然是相互排斥的。對於比較輕的原子核來說，它們的電荷比較小，所以庫倫斥力沒有什麽影響，但是對於較重的、電荷很多的原子核來說，庫倫斥力就會開始與內聚力進行激烈的競爭。一旦這種競爭發生了，原子核就不再穩定了，很容易就會把一些組成部分噴射出去。這就是許多處在周期表末尾的元素會發生的情形，這些元素被稱為“放射性元素”。

由以上的講解你們可能會得出結論：這些不穩定的重原子核會放射出質子，因為中子不帶電荷，所以不受庫倫斥力的作用。

氫、氘、氦和鈾的原子核

然而，實驗證明，實際上被射出的粒子是所謂的α粒子（氫的原子核），即由兩個質子和兩個中子構成的一個複合粒子。這個事實可以用原子核內部各個部分特殊的結合方式來解釋。很明顯由兩個質子和兩個中子構成的這種組合形式尤其穩定，因此，把整個粒子團一次性扔出要比把它分裂成質子和中子簡單得多。

你們可能知道，放射性衰變現象是由法國物理學家貝克勒爾首次提出的，然後由著名的英國物理學家盧瑟福把它解釋為原子核自發嬗變的結果。盧瑟福，這個人的名字我在之前的討論中已經提到過了，他在原子核物理學中有很多重大發現，對科學做出了卓越的貢獻。

α衰變過程一個最獨特的特點就是，α粒子要找到出原子核的“門路”，往往需要極其長的時間。對於鈾和釷，這個過程可以以十億年的時間來計；對於鐳，時間大約是16個世紀。盡管有的元素發生衰變隻需要幾分之一秒，但它們的整個壽命與原子核內部運動的速度比起來是相當長的。

是什麽使α粒子有時能在原子核內部待上數十億年呢？而且如果它已經待得足夠久了，為什麽最後還是要出去呢？在回答這個問題之前，我們必須先稍微了解一下內聚引力與作用於粒子使它們脫離原子核的靜電斥力的相對強度。盧瑟福曾利用所謂的“原子轟炸”的方法，對這兩種力進行了仔細的研究。盧瑟福在卡文迪許實驗室做了個著名的實驗，他發射了一束從某種放射性物質發射出的快速運動的α粒子，然後觀察這些“原子炮彈”在與它們所射到的物質的原子核發生碰撞時發生的偏離（散射）。這些實驗證實了一個事實，當這些原子炮彈離原子核較遠時，它們受到核電荷的靜電斥力的排斥，如果原子炮彈能夠越來越靠近原子核區域內外圍，這種斥力就會變成強引力。你可以說，原子核有點類似一個四周圍著又高又陡的圍牆的堡壘，防止粒子的進入，同樣又阻礙了粒子的逸出。但是盧瑟福的實驗最令人驚訝的結果是，在原子核衰變過程中逸出的α粒子，以及從原子核外部射進去的“原子炮彈”，實際上它們的能量都太小了，根本不能穿過圍牆，即我們所說的“勢壘”。這是一個與古典力學所有基本概念完全相矛盾的事實。確實，如果你扔一個球的能量小於讓它到達山頂的能量，那你怎麽能期待著它翻過山頂呢？古典物理學隻得睜大雙眼，認為盧瑟福的實驗一定有哪些地方出錯了。

但實際上並沒有錯誤，如果非要說誰有錯的話，絕不是盧瑟福，而是古典力學本身。我的好朋友伽莫夫博士、格尼博士和康登同時闡明了這一情況。他們指出，隻要從現代量子理論視角出發來看這個問題就不會有什麽困難了。實際上，我們知道現在的量子物理學駁斥古典理論中非常確定的線性軌跡，而是用幽靈般的、漫射的軌道來取代它們。而且，就像古老城堡裏的幽靈能夠輕易地穿透厚厚的石牆一樣，這些幽靈般的軌跡也可以穿透那些從古典視角看根本無法穿透的勢壘。

請不要認為我在開玩笑。勢壘被能量不夠大的粒子穿透，這是新量子力學的基本方程得出的直接的數學結果，它代表了關於運動的新舊觀念間最重要的差別之一。但是，盡管新力學允許這類不尋常的效應的出現，但是卻給出了嚴格的條件限製。在大多數情況下，穿過勢壘的機會微乎其微，困在裏麵的粒子要往牆上撞無數次（你難以置信的次數），才能成功逃出。量子理論為我們提供了計算粒子逃出概率的確切的公式，而且結果顯示，我們觀察的α衰變的周期與理論預期完全相符。

在進一步深入講解之前，我想給你們展示一些照片，它們展示了被高能“原子炮彈”擊中不同原子核的衰變過程。（請給我圖板，謝謝！）在這個圖上你會看見雲室中（我在之前的講座中給你們描述過）拍的兩個不同的衰變過程。上邊的這張圖顯示了一個氮的原子核被α粒子擊中了，是拍攝到的第一張人為轉變元素的照片，它是由盧瑟福的學生布萊克特拍的。你看到了許許多多的α軌跡從一個強有力的α射線源發射出來。這個射線源在圖中沒有顯示出來。大部分α粒子沒有經過一次嚴重的碰撞就進入了我們的視野中，但是其中有一個就成功地擊中了氮原子核。那個α粒子的軌跡就停在了這裏，然後你看見了從碰撞點開始出現了兩個軌跡。這根細長的軌跡是從氮原子核中擊出的一個質子留下的，那根短粗的軌跡代表的是原子核自身的反衝。然而已經不是氮原子核了，既然已經失去了一個質子，又吸收了入射α粒子，它已經轉變為氧原子核了。這樣，我們用“煉金術”把氮轉變成氧，還有一個副產品氫。

右下圖對應的是一個人為加速的質子帶來的核衰變。一個特殊的高壓的機器，即大眾所知的“核粒子加速器”，射出一束快速的質子，然後穿過一根長的管道進入了箱子中，最後的狀態如圖所示。

A. 氮被氦撞擊後轉化成氧和氫

7N14+2He4→8O17+1H1

B. 鋰被氫撞擊後轉化成兩個氦

3Li7+1H1→22He4

C. 硼被氫撞擊後轉化成三個氦

5B11+1H1→32H4

在這個實驗中，射擊的目標是一個薄的硼片，它被放置在管道開口的下方，這樣撞擊中產生的原子核碎片必定會在箱子中穿過空氣，形成雲狀軌跡。正如你在圖中所看到的，硼原子核被一個質子撞擊了，碎成了三部分，數一下電荷的平衡，我們得出結論，每一個原子核碎片都是一個α粒子，即氦原子核。兩張照片中展示的兩個轉變，是現在實驗物理學研究的上百個核轉變中相當典型的案例。在所有這類轉化中，被稱為“置換核反應”，入射粒子（質子、中子或α粒子）穿進了原子核，擊走了其他粒子，取代了它的位置。我們可以用α粒子置換質子，用質子置換α粒子，用中子置換質子，等等。在所有這些轉化中，反應過程中形成的新元素都是周期表上被轟炸的元素的近鄰。

但直到相對最近的時候，其實也就是在“二戰”前，德國化學家哈恩和斯特拉斯曼發現了一種完全新興的原子核變化，一個重原子核分裂成兩個相等的部分，釋放出極大的能量。在我的下兩頁（請翻頁，謝謝！）你們看到右邊的那張圖，圖中鈾原子核的兩塊碎片從一張很薄的鈾箔向相反的方向飛去。這種現象被稱為“核裂變反應”，首先是在用一束中子來轟炸鈾原子核的實驗中發現的。但很快人們就會發現，靠近周期表末尾的其他元素也具有相似的特性。確實，看上去這些重原子核已經處在它們穩定性的邊緣了，哪怕是中子碰撞這種最小的刺激，也足以將它們一分為二，就像是一滴太大的水銀分成小小的部分。重原子的不穩定性這一事實讓人們明白了為什麽自然界中隻有92個元素。事實上，任何一種比鈾更重的元素在任何時候都不會存在，它們會立刻分裂成小的碎片。從實用意義上來看，“核裂變現象”也非常有意思。因為它創造了利用核能的可能性。問題是，當分裂的時候，它同時也會發射出許多中子，這些中子可能會造成臨近的原子核的裂變。這可能會導致爆炸反應，儲存在原子核內部的能量在幾分之一秒中全部釋放出來。如果你們記得，一磅鈾原子的原子核內蘊含的能量相當於十噸煤炭蘊含的能量，你就會理解為什麽說核能釋放的可能性會對我們的經濟產生重要的影響。

A. 布拉格拍攝的透輝石晶體中的原子。角落的圓圈代表著碳原子、鎂原子、矽原子和氧原子放大倍率為1億倍

B. 鈾原子核被擊中後兩個分裂的部分朝相反的方向飛去

C. 中性λ和反λ超子的產生和衰變

然而，盡管所有這些核反應讓我們了解了原子核內部結構相關的豐富的信息，但是這些反應隻能在很小的規模中發生，直到最近，似乎才有核能量可以得到大量釋放的希望。1939年，德國化學家哈恩和斯特拉斯曼，發現了一種完全新興的原子核變化，一個重原子核分裂成兩個相等的部分，釋放出極大的能量，同時也射出兩到三個中子，這些中子反過來會撞擊其他鈾原子核，然後將它們一分為二，釋放出更多的能量和中子。這種鏈式裂變過程可能會導致大爆炸，或者如果能控製好，就能提供用之不竭的能量。很榮幸我們邀請到了泰勒博士來到現場，他從事原子彈研發工作，被人們稱為“氫彈之父”，博士百忙之中抽出時間來給我們簡單講一講核彈。他幾分鍾前已經到了，當教授在講這些話的時候，報告廳的門打開了，走進了一位儀表堂堂的男人，目光如炬，濃黑的眉毛高高挑起。與教授握手之後轉向了觀眾。

“……”他開始講了起來，“……噢！抱歉！”他大呼，“有的時候我會混淆自己要用什麽語言。允許我重新開始。女士們、先生們！我很忙，所以我長話短說。今天上午我在五角大樓和白宮參加了好幾場會議，下午我又在內華達州出席了一場地下爆炸實驗，晚上我又要去加州範登堡空軍基地給晚宴致辭。

“重點在於原子核是受到兩個力的相互製衡的，分別是將原子核聚成一團的內聚力，以及質子間的靜電斥力。在像鈾或者鈈這樣的重原子核裏，斥力占據上風，原子核已經瀕臨瓦解，隻要有最輕微的刺激就能一分為二。這種刺激隻要有一個中子來撞擊原子核就能得到了。”

他轉向黑板，繼續說道：“這裏你會看見一個可裂變的原子核，有一個中子正在撞擊它。兩個分裂的碎片飛離彼此，每個都攜帶著約一百萬電子伏特的能量，同時一些新分類開來的中子也射出來了，輕鈾同位素中大約兩個，鈈中大約三個。然後撞！撞！正如我在黑板上畫的，它們引起了連鎖反應。如果可裂變材料很小，大多數的裂變中子在它們有機會撞擊到其他可裂變原子核之前就會穿過原子核表麵逸出，那麽鏈式反應就永遠不會開始。但是，當材料大於我們所說的臨界質量，大多數中子被困住了，那麽整個材料就會爆炸。這就是我們所說的裂變炸彈，這常常被人們錯誤地認為是原子彈。

盡管名字聽上去差不多，但是裂變和聚變是兩個完全不同的過程

“但是如果用周期表另外一端的元素進行反應，結果會好很多。那些元素的內聚力比斥力強很多。當兩個輕原子核碰到一起，它們會融合在一起，就像是托盤上的兩滴水銀。這個反應隻能在極高溫的情況下發生，因為相互靠近的輕原子核由於靜電斥力的作用會有一定的距離。但當溫度達到一千萬度的時候，斥力已經不再能阻礙接觸了，於是融合過程就開始了。最適合核聚變的原子核是氘核，即重氫原子核。右邊這裏是氘的熱核反應示意圖。我們一想到氫彈，就認為這對世界來說是件幸事，因為它不會產生擴散到地球大氣層的輻射裂變物質。但是我們沒有能力去造一個‘純’氫彈，氘是最好的核燃料，可以從海水中提取，但是自己卻不太能很好地燃燒。於是我們就在氘材料周圍包一層重鈾的殼，這些殼會產生大量的裂變碎片，所以有些人會稱它們為‘髒’氫彈。在設計控製氘熱核反應的過程中也遇到了相似的困難。我們竭力研究，卻依然沒能製造出‘純’氫彈。但我相信這個問題很快就可以被解決。”

“泰勒博士，”觀眾中有一個人問道，“核試驗中那些裂變物質怎麽處理呢？它們會導致整個地球的人口有害的變異。”

“不是所有的變異都是有害的，”泰勒教授說，“其中一小部分會推進後代的進化。如果生命體沒有變異，你和我現在依舊是阿米巴蟲。你不知道生命的進化完全是由於自然變異與適者生存嗎？”

“你的意思是，”觀眾中有一位女士歇斯底裏地喊道，“我們要生一堆孩子，然後選擇其中最好的幾個，再把其他的都毀掉？！”

“好吧，這位女士——”泰勒博士剛開口準備說，這時報告廳的門開了，進來一位穿著飛行服的人。

“先生，請快一點！”他大聲喊道，“您的直升機已經停在出口了，如果我們現在不馬上出發，你就會錯過機場上的噴氣式客機的。”

“抱歉，”泰勒博士對觀眾說，“我必須得走了。真該死！”然後他們兩人衝了出去。