中子與質子的發現

人類祖先還沒有學會使用火的時候，他們就已經在不知不覺地享受著核能的賜予了。幾十億年來，太陽一直在照耀著地球，促進了地面生命的演化和發展。太陽的能量從何而來？今天，科學家已經有足夠的證據證明：太陽的能量來自核能。古代的人們曾有設想太陽是個大火球，不斷地燃燒著。然而科學家們根據對太陽質量和輻射強度進行了分析發現，不管通過什麼化學反應引起的燃燒，要維持太陽輻射的光和熱的強度，只要1500年左右，就會把所有燃料耗盡。但是地球已經存在了大約46億年，在此期間，太陽基本像現在一樣照耀著地球，只有比化學能大過幾百萬倍的核能，才有可能長期維持著太陽的不斷輻射。原子核的內部怎麼會蘊藏著這麼巨大的能量？我們可以如何利用？原子核裡到底有什麼秘密？

 

1945年8月6日和8日，美國在日本的廣島和長崎先後投下了兩顆原子彈，城市變成了一片廢墟，8月15日，日本宣布投降，第二次世界大戰結束了。原子彈的空前破壞力給全世界的人們留下了極其深刻的印象，就連美國也驚詫於這種新武器的威力。戰後，許多國家開始致力於核武器和核能的開發，人們開始廣泛關注核軍備競賽和核反應堆的發展。前蘇聯車諾比核電站的放射性洩漏事件，使人們能核能的利用既感到有希望，有帶著幾分恐懼。然而，不管你願意不願意，核能已經開始進入我們的生活，成為繼木材、煤炭和石油之後的又一能源

近代的原子－分子學說

宇宙萬物的原始組成，自古以來在世界各地都引起人們有極大的興趣。我國古代的五行學說認為，萬物是由金、木、水、火、土五種基本元素組成的。古代希臘人把氣與水、火、和土並列為世界的四種基本物質元素。2000多年前，希臘哲學家德謨克利特主張宇宙萬物只有一種起源，即他稱為「原子」的一種極小顆粒，他認為原子不可分割，無質的區別而只有大小、形狀的差異，「原子」和「虛空」是萬物的本原。隨著人類文明的進步和近代科學的興起，古代的五種（或四種）基本元素的概念越來越不能說明化學研究是出現的新現象。「原子」這一模糊的概念隨著控化學和物理學的發展而獲得了更加明確和豐富的意義。

 

19世紀，英國化學家和物理學家道爾頓提出了原子論，他認為，化學元素是由非常微小的、不可再分割的物質粒子即原子組成，原子是不可改變的。化合物由分子組成，而分子是由幾種原子化合而成，是化合物的最小粒子。同一元素的所有原子相同，不同元素的原子不同。只有以整數比例的元素的原子相結合時，才會發生化合，在化學反應中，原子僅僅是重新排列，而不會創生或消失。接著，義大利物理學家阿伏加德羅提出了分子的概念，他指出：所有相等體積的氣體，無論是元素、化合物還是混合物，都有相等的分子數。氣體元素的最小粒子不一定是單原子，很可能是由多個原子結合成的單一分子，同等體積的氣體原子數日雖然不同，但分子數目是一樣的。但是在接著的近半個世紀，人們沒有重視阿伏加德羅的理論，化學家們根據不同的標準，測得的相對原子量也不同。到了1858年，義大利化學家坎尼查羅提出，只有接受阿伏加德羅定律，才能真正解決化學式問題和原子量問題，他的觀點得到了人們的贊同，近代的原子-分子論確立了。接著，人們發現了大量的元素並測定了精確的原子量，到1869年，俄國化學門捷列夫提出元素性質與元素的原子量之間存在周期性變化規律，並給出了第一張元素周期表，1871年，他又發表了修正的第二張元素周期表。

放射性和電子的發現

十九世紀末，德國物理學家倫琴發現了X射線。法國物理學家貝克勒爾在研究螢光物質是否與X射線有關時意外地發現鈾能使用黑紙包起來的底片感光，進一步研究後，他得出結論，這是新射線是從鈾原子本身發射出的，鈾具有放射性。放射性的發現打開了一個巨大的新的研究領域，這不僅使原有的原子觀念發生了重要變化，也是人們認識原子核的開始。接著，居裡夫婦發現釷、釙、鐳等元素也具有放射性，並發現了放射性衰變的定量規律並引入了半衰期的概念：每一种放射性元素的原子都有一定概率進行特定的衰變，有N個原子的元素在一段時間後就會因為衰變而只剩下N/2個，這段時間就叫做該元素的半衰期。由於研究放射性的貢獻，貝克勒爾和居裡夫婦被共同授予1903年的諾貝爾物理獎。

 

X射線的發現不僅導致了放射性物質的發現，也促進了電子的發現。1897年，英國物理學家湯姆遜證明，陰極射線（真空管內金屬電極在通電時其陰極發出的射線）是一種粒子流，其質量只有氫離子的千分之一，湯姆遜將其命名電子，它是電荷的最小單位，比原子更小，是一切化學原子的共同組成部分。電子是從陰極內釋放出來的，而這種陰極則是由金屬原子組成，可見電子是從原子中放出來的。

盧瑟福的原子模型和原子核

在放射性研究中，人們發現放射性物質所發出的射線實際屬於不同的種類，放射性以α、β或γ射線三種方式釋放出來，它們後來被更加具體地加以識別，α射線是高速的氦原子核，帶正電；β射線是電子，帶負電；那些不受電磁影響的電磁波稱為γ射線（實際上是高能量的質子）。

 

紐西蘭物理學家盧瑟福發現：在聚集起來的、電中和了的α粒子中顯示出氦的黃色光譜線，證實了α粒子和氦離子的同一性，也證明了氦元素起源於其他元素。除了少數例外，一种放射性元素或者發射α射線、或者發射β射線，發射α射線的元素變成周期表中居於前兩位的元素，其質量減少4，發射β射線的變成周期表中居於下一位的元素，質量不變。伴隨著α或β衰變，常常會放射出γ射線，γ射線貫穿力特別強，是一種能量高的電磁輻射，γ射線不會引起元素在周期表上位置的變化，只是釋放該元素原子內部過剩的能量。

 

放射性的發現說明了原子具有複雜的內部結構，也打破了長期以來人們認為原子是永恆不變的觀念，因為天然放射性元素的原子就在不斷地以一定規律進行變化。但是，能不能使自然界是穩定的元素原子也發生變化？盧瑟福想到，α粒子是從放射性元素的原子是釋放出來的，如果將α粒子當作"炮彈"打進穩定元素的原子去，會有什麼結果？

 

1910年，盧瑟福與其他科學家合作進行了α粒子在金和其他金屬薄膜中的散射試驗。根據試驗的結果，盧瑟福建立了原子的有核模型：原子的正電荷和質量集中在原子中心一個很小的區域內，並把它叫做原子核，原子中的電子像行星繞著太陽那樣繞著原子核運動，原子中的空間也像太陽系中的空間一樣，絕大部分是空蕩蕩的。由於原子表現出電中性，原子核一定是帶正電的，其帶電量與核外電子所帶負電量一樣。

 

1914年，盧瑟福用陰極射線轟擊氫，結果使氫原子的電子被打掉，變成了帶正電的陽離子，它實際上就是氫的原子核，也是最輕的原子核。盧瑟福推測，它就是人們從前所發現的與陰極射線相對的陽極射線，它的電荷量為一個單位，質量也為一個單位，盧瑟福將它命名為質子。在新的原子模型的基礎上，盧瑟福估計原子核的半徑約為10-14米，大約只有原子半徑的萬分之一。原子的絕大部分質量集中在如此小的原子核內，因此核內物質的密度極高，它比通常物質的密度大約高出1012倍，1立方釐米的核物質將有約千噸重的量級。

 

1919年，盧瑟福用加速了的高能α粒子轟擊氮原子，結果發現有質子從氮原子核中被打出，而氮原子也變成了氧原子。這可能是人類第一次真正將一種元素變成另一種元素，但是，這種元素的嬗變暫還沒的衫價值，因為幾十萬個粒子中才有一個被高能粒子打中。到1924年，盧瑟福已經從許多輕元素的原子核中打出了質子，進一步證實了質子的存在。

 

盧瑟福在實驗基礎上建立了原子的核模型，提示了原子核這一物質更深層次的存在，他和他直接或間接指導過的許多世界各地的物理學家形成了一個大的學派，一切從實際出發了幾十年原子核物理研究和核技術應用的興旺發達局面。他是原子核物理的開拓者，也是探索原子核奧秘的帶頭人。

中子的發現

發現了電子和質子之後，人們一開始猜測原子核由電子和質子組成，因為α粒子和β粒子都是從原子核裡放射出來的。但盧瑟福的學生莫塞萊注意到，原子核所帶正電數與原子序數相等，但原子量卻比原子序數大，這說明，如果原子核光由質子和電子組成，它的質量是不夠的，因為電子的質量可忽略不計。在此基礎上，盧瑟福早在1920年就猜測可能還有一種電中性的粒子。

 

盧瑟福的另一位學生--英國物理學家查德威克在卡文迪什實驗室裡尋找這種電中性粒子，他一直在設計一種加速方法使質子獲得高能，從而撞擊原子核，以發現有關中性粒子的證據。1929年，他準備對鈹原子進行轟擊。

 

與此同時，德國物理學家博特及其學生貝克爾已經先行一步。他們共同合作用α粒子轟擊一系列元素，在對鈹元原子核進行轟擊實驗時，發現有一種未知輻射產生。為了確定這種輻射的一些性質，他們試著把各種物體放在輻射經過的路途上，結果發現這種輻射的貫穿能力極強，能穿透幾釐米厚的鉛板。當時知道，能有這樣強輻射能力的只有γ射線。因此，他們認為這種輻射是γ射線的一種。

 

1931年，法國物理學家居裡夫婦用當時最強大的放射性釙Po源所產生的α射線重複了博特-貝克爾的實驗，研究了用α粒子轟擊鈹時發生的"鈹輻射"，除了得到與博特-貝克爾相同的結果外，他們還驚奇地發現，這種輻射能將含氫物質中的質子擊出。人們從未發現γ射線具有這種性質，但居裡夫婦想不出這種輻射還能是什麼別的東西。他們僅僅報導說，發現α射線能夠產生一種新的作用。

 

1932年這些結果公布後，見到德國和法國同行的實驗結果，查德威克意識到，這種新射線可能就是多年來苦苦尋找的中子。他立即利用實驗室的優越條件重複了同樣的實驗，證明所謂"鈹輻射"是電中性的粒子流，而且這種粒子具有幾乎與質子相等的質量。不到一個月，查德威克就發表了《中子可能存在》的論文，他指出，γ射線沒有質量，根本不可能將質子從原子核是撞出來，只有那些與質子質量大體相當的粒子才有這種可能，他並且測量了中子的質量，確證了中子確實是電中性的。查德威克找到了12年前他的老師盧瑟福所預言的粒子--中子，為此，他獲得了1935年的諾貝爾物理學獎。

 

多年以後，博特為自己發現了"鈹輻射"卻沒有認識到它就是中子而深感遺憾。連居裡也表示，如果他們去聽了盧瑟福1932年的一場演講，就不會失去這次重大發現的良機，因為盧瑟福就是在那場演講中談到自己對中子存在的猜想。這是科學史上著名的一個「真理碰上了鼻子還沒有發現」的例子。

原子核的結構與強、弱相互作用

 

中子的發現對認識原子核的內部結構是一個關鍵，具有重大的理論意義。在發現中子之前，人們把原子核看作由電子和質子組成，質子-電子假說在物理學界滸了十多年之久。就在查德威克發現中子的當年，德國物理學家海伯森當即提出，原子核是由質子和中子組成的，從前的質子-電子模型不能解釋許多實驗現象，而質子-中子模型可以很好說明原子量與原子序數的關係。新模型很快被人們接受，質子與中子統稱為核子。

 

但是，核子是如何組成原子核的呢？這成為一個新問題。質子帶正電、而中子是電中性的，核內沒有負電荷，許多正電荷怎麼能擠作一團而不飛散呢？到發現中子為止，人們只知道萬有引力和電磁力兩種相互作用，它們都是所謂的長程力。而單靠質子間的萬有引力遠遠不足以克服它們之間的電排斥力，在接受了中子-質子假說以後，物理學家開始猜測存在著第三種相互作用力--核子之間的核相互作用。這種力是一種短程相互作用，當質子相距很近時，核吸引力超過電排斥力，它們就會互相吸引；當距離增大，核力會急劇減小。1935年，日本物理學家湯川秀樹提出了"交換粒子"的概念，作為新相互作用理論的基本概念。他認為，這種交換粒子質量介於電子和質子之間，約為電子質量的250倍左右，質子的1/7，因此這種粒子後來被稱為介子。1947年，英國物理學家鮑威爾在宇宙線中發現了湯川所預言的介子，被命名為π介子。

 

湯川的理論被證實以後，原子核內相互作用的理論研究開始活躍起來。人們發現了兩種完全不同的作用力，一種是強相互作用，這種以π介子傳遞方式產生的相互作用具有這樣的特點：強度極大、獨立於電荷、作用距離和作用時間極短。另一種是弱相互作用，這種弱核力導致了原子核的不穩定性，同時控制著原子核的衰變或放射性，被稱為β衰變。

 

強核力範圍很小，大約只有一個核子的直徑那麼大，事實上，把核子聚集在一起的強核力，只在相鄰核子間起作用。中子有核吸引力，沒有電排斥力，從而緩和了質子之間排斥力的影響。質子越多，就需要有更多中子來保持原子核的穩定。因此，在大而穩定的原子核中，中子的數量多於質子。原子核中的質子數又稱為原子數（Z），它與電子數相同。中子數量為N，核子數量A是N與Z之和。有92種基本原子核，分別屬於92種原子，它們與元素周期表中元素的排列一致。一般排在周期表最前面的"輕核"的質子和中子數相等（N=Z）。例如，氦-4的原子核有2個質子和2個中子，矽-28各有14個質子和中子。但是"重核"中大多數是中子多於質子，金-197有79個質子和108個中子，鈾-238有92個質子和146個中子。重核中，中子多於質子與強核力的獨特性質有關，也關係到原子核的穩定性。超過83號元素鉍的原子核都不穩定，它們自動分解或衰減成更小的原子核。超過第92號元素鈾的原子核十分不穩定，無法在自然狀態下存在。如第94號元素鈽是人工製造出來的，主要用於核武器，在宇宙中無法找到。

鏈式核反應及其應用

 

到了本世紀30年代，物理學家和化學學家都清楚地認識到，在原子核內部聚集著巨大的能量，因為把核子聚集在一起的力十分強大，所以與此相關的能量是十分巨大的。當原子核的巨大能量釋放出來時，只消耗了很少的核物質。根據愛因斯坦著名的公式E=mc2來推測，很少量的物質可以轉變成十分巨大的能量。但是，發現了原子核並看到了核中蘊藏著巨大能量的盧瑟福一直到1937年去世都認為，為了釋放出這種能量，必須花費更多能量來得到轟擊原子核的粒子，這是得不償失的，因此永遠不可能發掘出原子核的能量來供人類利用。

 

化學燃燒過程之所以能夠繼續下去，是因為燃燒過程是一種鏈式反應：在存在充分助燃物的情況下，一點點能量就可以把構成燃燒的化學反應在局部燃料中印發（點燃），反應產生的能量除了再點燃相鄰部分的燃料外還有多餘，相鄰的這一部分燃料的燃燒又能產生更多的能量去點燃更多的燃料——如此鏈式進下去，使燃燒得以自持。一個菸頭的火種可以從點燃一片枯葉開始，直到最後把整個森林燒毀。對於燃燒過程來說，易燃物所需的點火溫度低，其中燃燒容易持續下去，直到燃料耗盡了為止。但有的燃料的燃燒卻需要較高的溫度，為了使燃燒維持，除了需要有燃料和助燃物以外，還要有良好的保溫措施。如果把一塊燃燒的煤從爐中取出，它便會因為熱量向周圍散失過快而逐漸熄滅。

 

能否象點燃枯葉一樣點燃原子呢？頭一個認真考慮核鏈式反應的是匈牙利物理學家西拉德。使用一個中子撞擊原子核並使其分裂，放出兩個新的中子繼續撞擊其它原子核，並如此倍增下去，那麼就會引發一種核鏈式反應。可惜這個設想不能實現，因為只有一個能量很高的中子才能從原子核中打出兩個中子，而打出來的中子一般都沒有足夠的能量來使反應繼續下去。不過，裂變反應的發現提供了新的可能性。對於易裂變核素，這種反應只需要慢中子就能引起，而且每次裂變中可以放出兩個以上的中子和巨大的能量。一克鈾完全裂變的話釋放的能量約相當於燃燒三噸煤時放出的，而且這麼多能量是在短短不到一秒鐘的時間之內釋放出來的，因此核鏈式反應還可能做成威力驚人的炸彈。

 

西拉德1937年來到了美國。他清楚地想像到這種應該稱為「核彈」的東西所具有的可怕的爆炸力，深恐希特勒可能在德國核科學家的幫助下獲得這樣的炸彈。為了不讓納粹德國得到這一方面的提示，在美國和其它反對希特勒德國的盟國物理學家從1940年起自願實行了一項保密計劃，這在一定程度上是由於西拉德的努力。此外，西拉德還和另外兩位流亡的匈牙利物理學家一起去找愛因斯坦，讓他寫信說服美國總統。愛因斯坦果然籤署了這封信，說明了製造核彈的可能性，極力主張美國不要讓一個潛在的敵人首先掌握了這種武器。主要是由於這封信的影響，在美國組織起一支強大的研究隊伍來發展核彈。

 

雖然核彈的原理看起來簡單，但實際困難不少。首先，如果只有鈾原子才發生裂變，那麼至少必須先得到一些純淨的鈾，因為雜誌會增加裂變反應的難度，使必須的臨界質量增加，甚至使系統達不到臨界，鏈式反應不能繼續。當二次大戰中美國著手研製核彈時，幾乎沒有現成的鈾可用，對於鈾的提純也毫無經驗。其次，鈾的用量要很大才行，因為天然鈾中只有不到0.7%的是易裂變的同位素鈾235，佔絕大多數的同位素鈾238核在吸收一個慢中子後並不發生裂變，卻接連發生兩次負β衰變，依次轉變成錼239和鈽239，所以鈾238知識消耗了中子，妨礙了鏈式反應的進行。於是人們投入了巨大的努力來分離這兩種同位素，製備出鈾235濃度高於正常值的「濃縮鈾」，保證鏈式反應的順利進行。

 

核能：福音還是禍水

 

本世紀之初，愛因斯坦給出一個方程：能量等於質量乘以光速的平方。這個簡單的方程消除了質量與能量之間的鴻溝，意味著一點點物質就可以轉化為巨大的能量，人類又獲得了一個改變世界的強有力的手段，其意義可以與火的使用相媲美。

 

採用核能發電在經濟上和環保上都很合算。法國電力公司測算，每生產一千瓦時的電量需要耗費價值0.22法郎的燃煤，而使用核能發電只需0.2法郎，便宜10％，同時不會產生二氧化碳等溫室氣體。當然，使用核能發電要冒核洩漏的危險。1986年4月26日，蘇聯的車諾比核電廠發生爆炸並引起大火，31人當即死亡。事故致使達8噸多的強輻射物洩漏，其中一部分放射物已沉積在幾百英裡以外的地方。電站周圍面積1000平方公裡的地區遭到了放射性汙染，有數十萬人撒離該地區。專家預測，這次事故的後果要經過100多年才能完全消除。

 

不過發生核洩漏的機率很小，據美國專家拉穆爾森教授研究，正常情況下，在核電站運行中，導致10人死亡的核災難平均300萬年才會發生一次。法國民用核能工業起步於1956年，至今已有40多年的歷史，但從未發生過導致人員死亡的核事故。隨著科學技術的發展和管理的更加完善，核事故的風險也越來越低，並非不可避免。但是，如果將核能變成武器，其後果則不堪設想。1945年8月6日和9日，在第二次世界大戰結束的前夕，美國空軍在日本的廣島和長崎接連投擲了二枚原子彈。這場人類有史以來的巨大災難，造成了10萬餘日本平民死亡和8萬多人受傷。原子彈的空前殺傷和破壞威力，震驚了世界，也使人們對以利用原子核的裂變或聚變的巨大爆炸力而製造的新式武器有了新的感性認識。據估計，現在美俄兩國儲存的核武器如果同時引爆，可以將地球毀滅數次。那樣的話，人類幾千年來逐步建立的文明將毀於一旦。難道人類非要充當自己的終結者嗎？

 

近年來，隨著人類對核擴散所帶來的危害性認識的提高，要求全面銷毀核武器，特別是反對各種類型的核試驗的呼聲日益高漲。當前，如何使人類避免一場核災難已變得越來越緊迫。近年來，聯合國等國際組織先後通過了一系列條約和協定，限制各國製造和使用核武器。

 

核能是一枚雙刃劍。它可以解決能源危機，也有能力給人類文明劃上句號。在這種情況下，人類在利用核能等科學技術造福於社會的同時一定要慎重地考慮它的負面影響。站在新世紀的門檻上，可以預見科技將更迅猛地改變人們的生活、工作和思維方式。因為科技發展中的一個小失誤都可能造成巨大損失。現在越來越多的人意識到隨著科學技術對社會各領域影響的日益擴大，科技如何發展，怎樣把握科技的發展，成為人類進入新千年前的重大課題。