第12章 原子核内部

汤普金斯先生参加的下一个讲座，是专门介绍原子核内部的，原子核是原子中电子革命的轴心点。

女士们，先生们：

我们越发地深入研究物质的结构，现在我们可以尝试着以自己智慧的眼睛，穿透原子核，看一看其内部结构了。这一块神秘的区域只是原子本身总体积的千百亿分之一的部分。然而，尽管我们这个新研究领域的维度小得令人难以置信，但是我们发现它其中蕴含着巨大的活动性。事实上，原子核毕竟是原子的中心，尽管它的体积相对较小，但却占了总原子质量的99.97%。

从原子那个密度稀薄的电子云穿进去，进入原子核区域，我们立刻会很惊讶地发现，其中的粒子呈现异常拥挤的状态。平均来说，在原子大气中电子运动的距离超过它自己的直径几十万倍，而在原子核内部的粒子只能“手肘挨着手肘”地紧紧贴着挤在一起，假设它们有手肘的话。从这个意义上来讲，原子核内部所呈现的画面与一般的**很相似，除了我们现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。这些基础粒子就是质子和中子。这儿应该注意到，尽管质子和中子有着不同的名称，但人们现在却把它们看成同一基础重粒子——“核子”——的两种不同带电状态。质子是带正电的核子，中子是电中性的核子，但是也不排除存在带负电的核子的可能，尽管它们尚未被发现。至于提到它们的几何尺寸，核子和电子没有显著的差异，直径大概是0.000 000 000 000 1厘米，但核子比电子重多了，把一个质子或者中子放在天平的一端，另一端要放上1840个电子，天平才能平稳。正如我所说的，组成原子核的粒子都紧紧地挤在一起，这都是由于某种特殊的原子核内聚力的作用。这种力与作用于**分子间的力类似，可以防止各个粒子相互分离，但又不阻碍它们发生相对位移。因此，原子核物质就具有一定程度上的流体性质，在不受其他外力的干扰时，它们呈现的是球形，就像普通水滴一样。我接下来会给你们画一张示意图，图中你们将会看到由质子和中子构成的几种不同的原子核。最简单的是氢的原子核，只含有一个质子，而最复杂的是铀的原子核，含有92个质子和146个中子。当然，你们应该把这些图片看成真实情况的高度公式化的示意图，因为根据量子理论基本的不确定性原则，每个核子的位置都在整个原子核区域内“散开”。

正如我说过的，构成原子核的各个粒子是由很强的内聚力聚集在一起的，但是除了这些吸引力之外，还有其他一些作用力方向相反的力。事实上，大约占原子核内部粒子总量一半的质子是带正电的，根据库伦静电力的作用自然是相互排斥的。对于比较轻的原子核来说，它们的电荷比较小，所以库伦斥力没有什么影响，但是对于较重的、电荷很多的原子核来说，库伦斥力就会开始与内聚力进行激烈的竞争。一旦这种竞争发生了，原子核就不再稳定了，很容易就会把一些组成部分喷射出去。这就是许多处在周期表末尾的元素会发生的情形，这些元素被称为“放射性元素”。

由以上的讲解你们可能会得出结论：这些不稳定的重原子核会放射出质子，因为中子不带电荷，所以不受库伦斥力的作用。

氢、氘、氦和铀的原子核

然而，实验证明，实际上被射出的粒子是所谓的α粒子（氢的原子核），即由两个质子和两个中子构成的一个复合粒子。这个事实可以用原子核内部各个部分特殊的结合方式来解释。很明显由两个质子和两个中子构成的这种组合形式尤其稳定，因此，把整个粒子团一次性扔出要比把它分裂成质子和中子简单得多。

你们可能知道，放射性衰变现象是由法国物理学家贝克勒尔首次提出的，然后由著名的英国物理学家卢瑟福把它解释为原子核自发嬗变的结果。卢瑟福，这个人的名字我在之前的讨论中已经提到过了，他在原子核物理学中有很多重大发现，对科学做出了卓越的贡献。

α衰变过程一个最独特的特点就是，α粒子要找到出原子核的“门路”，往往需要极其长的时间。对于铀和钍，这个过程可以以十亿年的时间来计；对于镭，时间大约是16个世纪。尽管有的元素发生衰变只需要几分之一秒，但它们的整个寿命与原子核内部运动的速度比起来是相当长的。

是什么使α粒子有时能在原子核内部待上数十亿年呢？而且如果它已经待得足够久了，为什么最后还是要出去呢？在回答这个问题之前，我们必须先稍微了解一下内聚引力与作用于粒子使它们脱离原子核的静电斥力的相对强度。卢瑟福曾利用所谓的“原子轰炸”的方法，对这两种力进行了仔细的研究。卢瑟福在卡文迪许实验室做了个著名的实验，他发射了一束从某种放射性物质发射出的快速运动的α粒子，然后观察这些“原子炮弹”在与它们所射到的物质的原子核发生碰撞时发生的偏离（散射）。这些实验证实了一个事实，当这些原子炮弹离原子核较远时，它们受到核电荷的静电斥力的排斥，如果原子炮弹能够越来越靠近原子核区域内外围，这种斥力就会变成强引力。你可以说，原子核有点类似一个四周围着又高又陡的围墙的堡垒，防止粒子的进入，同样又阻碍了粒子的逸出。但是卢瑟福的实验最令人惊讶的结果是，在原子核衰变过程中逸出的α粒子，以及从原子核外部射进去的“原子炮弹”，实际上它们的能量都太小了，根本不能穿过围墙，即我们所说的“势垒”。这是一个与古典力学所有基本概念完全相矛盾的事实。确实，如果你扔一个球的能量小于让它到达山顶的能量，那你怎么能期待着它翻过山顶呢？古典物理学只得睁大双眼，认为卢瑟福的实验一定有哪些地方出错了。

但实际上并没有错误，如果非要说谁有错的话，绝不是卢瑟福，而是古典力学本身。我的好朋友伽莫夫博士、格尼博士和康登同时阐明了这一情况。他们指出，只要从现代量子理论视角出发来看这个问题就不会有什么困难了。实际上，我们知道现在的量子物理学驳斥古典理论中非常确定的线性轨迹，而是用幽灵般的、漫射的轨道来取代它们。而且，就像古老城堡里的幽灵能够轻易地穿透厚厚的石墙一样，这些幽灵般的轨迹也可以穿透那些从古典视角看根本无法穿透的势垒。

请不要认为我在开玩笑。势垒被能量不够大的粒子穿透，这是新量子力学的基本方程得出的直接的数学结果，它代表了关于运动的新旧观念间最重要的差别之一。但是，尽管新力学允许这类不寻常的效应的出现，但是却给出了严格的条件限制。在大多数情况下，穿过势垒的机会微乎其微，困在里面的粒子要往墙上撞无数次（你难以置信的次数），才能成功逃出。量子理论为我们提供了计算粒子逃出概率的确切的公式，而且结果显示，我们观察的α衰变的周期与理论预期完全相符。

在进一步深入讲解之前，我想给你们展示一些照片，它们展示了被高能“原子炮弹”击中不同原子核的衰变过程。（请给我图板，谢谢！）在这个图上你会看见云室中（我在之前的讲座中给你们描述过）拍的两个不同的衰变过程。上边的这张图显示了一个氮的原子核被α粒子击中了，是拍摄到的第一张人为转变元素的照片，它是由卢瑟福的学生布莱克特拍的。你看到了许许多多的α轨迹从一个强有力的α射线源发射出来。这个射线源在图中没有显示出来。大部分α粒子没有经过一次严重的碰撞就进入了我们的视野中，但是其中有一个就成功地击中了氮原子核。那个α粒子的轨迹就停在了这里，然后你看见了从碰撞点开始出现了两个轨迹。这根细长的轨迹是从氮原子核中击出的一个质子留下的，那根短粗的轨迹代表的是原子核自身的反冲。然而已经不是氮原子核了，既然已经失去了一个质子，又吸收了入射α粒子，它已经转变为氧原子核了。这样，我们用“炼金术”把氮转变成氧，还有一个副产品氢。

右下图对应的是一个人为加速的质子带来的核衰变。一个特殊的高压的机器，即大众所知的“核粒子加速器”，射出一束快速的质子，然后穿过一根长的管道进入了箱子中，最后的状态如图所示。

A. 氮被氦撞击后转化成氧和氢

7N14+2He4→8O17+1H1

B. 锂被氢撞击后转化成两个氦

3Li7+1H1→22He4

C. 硼被氢撞击后转化成三个氦

5B11+1H1→32H4

在这个实验中，射击的目标是一个薄的硼片，它被放置在管道开口的下方，这样撞击中产生的原子核碎片必定会在箱子中穿过空气，形成云状轨迹。正如你在图中所看到的，硼原子核被一个质子撞击了，碎成了三部分，数一下电荷的平衡，我们得出结论，每一个原子核碎片都是一个α粒子，即氦原子核。两张照片中展示的两个转变，是现在实验物理学研究的上百个核转变中相当典型的案例。在所有这类转化中，被称为“置换核反应”，入射粒子（质子、中子或α粒子）穿进了原子核，击走了其他粒子，取代了它的位置。我们可以用α粒子置换质子，用质子置换α粒子，用中子置换质子，等等。在所有这些转化中，反应过程中形成的新元素都是周期表上被轰炸的元素的近邻。

但直到相对最近的时候，其实也就是在“二战”前，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现了一种完全新兴的原子核变化，一个重原子核分裂成两个相等的部分，释放出极大的能量。在我的下两页（请翻页，谢谢！）你们看到右边的那张图，图中铀原子核的两块碎片从一张很薄的铀箔向相反的方向飞去。这种现象被称为“核裂变反应”，首先是在用一束中子来轰炸铀原子核的实验中发现的。但很快人们就会发现，靠近周期表末尾的其他元素也具有相似的特性。确实，看上去这些重原子核已经处在它们稳定性的边缘了，哪怕是中子碰撞这种最小的刺激，也足以将它们一分为二，就像是一滴太大的水银分成小小的部分。重原子的不稳定性这一事实让人们明白了为什么自然界中只有92个元素。事实上，任何一种比铀更重的元素在任何时候都不会存在，它们会立刻分裂成小的碎片。从实用意义上来看，“核裂变现象”也非常有意思。因为它创造了利用核能的可能性。问题是，当分裂的时候，它同时也会发射出许多中子，这些中子可能会造成临近的原子核的裂变。这可能会导致爆炸反应，储存在原子核内部的能量在几分之一秒中全部释放出来。如果你们记得，一磅铀原子的原子核内蕴含的能量相当于十吨煤炭蕴含的能量，你就会理解为什么说核能释放的可能性会对我们的经济产生重要的影响。

A. 布拉格拍摄的透辉石晶体中的原子。角落的圆圈代表着碳原子、镁原子、硅原子和氧原子放大倍率为1亿倍

B. 铀原子核被击中后两个分裂的部分朝相反的方向飞去

C. 中性λ和反λ超子的产生和衰变

然而，尽管所有这些核反应让我们了解了原子核内部结构相关的丰富的信息，但是这些反应只能在很小的规模中发生，直到最近，似乎才有核能量可以得到大量释放的希望。1939年，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼，发现了一种完全新兴的原子核变化，一个重原子核分裂成两个相等的部分，释放出极大的能量，同时也射出两到三个中子，这些中子反过来会撞击其他铀原子核，然后将它们一分为二，释放出更多的能量和中子。这种链式裂变过程可能会导致大爆炸，或者如果能控制好，就能提供用之不竭的能量。很荣幸我们邀请到了泰勒博士来到现场，他从事原子弹研发工作，被人们称为“氢弹之父”，博士百忙之中抽出时间来给我们简单讲一讲核弹。他几分钟前已经到了，当教授在讲这些话的时候，报告厅的门打开了，走进了一位仪表堂堂的男人，目光如炬，浓黑的眉毛高高挑起。与教授握手之后转向了观众。

“……”他开始讲了起来，“……噢！抱歉！”他大呼，“有的时候我会混淆自己要用什么语言。允许我重新开始。女士们、先生们！我很忙，所以我长话短说。今天上午我在五角大楼和白宫参加了好几场会议，下午我又在内华达州出席了一场地下爆炸实验，晚上我又要去加州范登堡空军基地给晚宴致辞。

“重点在于原子核是受到两个力的相互制衡的，分别是将原子核聚成一团的内聚力，以及质子间的静电斥力。在像铀或者钚这样的重原子核里，斥力占据上风，原子核已经濒临瓦解，只要有最轻微的刺激就能一分为二。这种刺激只要有一个中子来撞击原子核就能得到了。”

他转向黑板，继续说道：“这里你会看见一个可裂变的原子核，有一个中子正在撞击它。两个分裂的碎片飞离彼此，每个都携带着约一百万电子伏特的能量，同时一些新分类开来的中子也射出来了，轻铀同位素中大约两个，钚中大约三个。然后撞！撞！正如我在黑板上画的，它们引起了连锁反应。如果可裂变材料很小，大多数的裂变中子在它们有机会撞击到其他可裂变原子核之前就会穿过原子核表面逸出，那么链式反应就永远不会开始。但是，当材料大于我们所说的临界质量，大多数中子被困住了，那么整个材料就会爆炸。这就是我们所说的裂变炸弹，这常常被人们错误地认为是原子弹。

尽管名字听上去差不多，但是裂变和聚变是两个完全不同的过程

“但是如果用周期表另外一端的元素进行反应，结果会好很多。那些元素的内聚力比斥力强很多。当两个轻原子核碰到一起，它们会融合在一起，就像是托盘上的两滴水银。这个反应只能在极高温的情况下发生，因为相互靠近的轻原子核由于静电斥力的作用会有一定的距离。但当温度达到一千万度的时候，斥力已经不再能阻碍接触了，于是融合过程就开始了。最适合核聚变的原子核是氘核，即重氢原子核。右边这里是氘的热核反应示意图。我们一想到氢弹，就认为这对世界来说是件幸事，因为它不会产生扩散到地球大气层的辐射裂变物质。但是我们没有能力去造一个‘纯’氢弹，氘是最好的核燃料，可以从海水中提取，但是自己却不太能很好地燃烧。于是我们就在氘材料周围包一层重铀的壳，这些壳会产生大量的裂变碎片，所以有些人会称它们为‘脏’氢弹。在设计控制氘热核反应的过程中也遇到了相似的困难。我们竭力研究，却依然没能制造出‘纯’氢弹。但我相信这个问题很快就可以被解决。”

“泰勒博士，”观众中有一个人问道，“核试验中那些裂变物质怎么处理呢？它们会导致整个地球的人口有害的变异。”

“不是所有的变异都是有害的，”泰勒教授说，“其中一小部分会推进后代的进化。如果生命体没有变异，你和我现在依旧是阿米巴虫。你不知道生命的进化完全是由于自然变异与适者生存吗？”

“你的意思是，”观众中有一位女士歇斯底里地喊道，“我们要生一堆孩子，然后选择其中最好的几个，再把其他的都毁掉？！”

“好吧，这位女士——”泰勒博士刚开口准备说，这时报告厅的门开了，进来一位穿着飞行服的人。

“先生，请快一点！”他大声喊道，“您的直升机已经停在出口了，如果我们现在不马上出发，你就会错过机场上的喷气式客机的。”

“抱歉，”泰勒博士对观众说，“我必须得走了。真该死！”然后他们两人冲了出去。