物理世界奇遇记12：在原子核内部（下）

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1、物理世界奇遇记12：在原子核内部（下）物理世界奇遇记12：在原子核内部（下）物理世界奇遇记12：在原子核内部（下）物理世界奇遇记12：在原子核内部（下）　　　　　　在进一步深入讨论之前，我想先让大家看几张照片，它们显示了几种被高能原子炮弹击中的原子核的衰变过程。　　　　第一张是旧的云室照片。我应该说明一下，由于这些亚原子粒子非常非常之小，人们是不能够直接看到它们的，即使是用倍数最大的显微镜也不行。所以，你们一定想不到我能为大家提供它们的真实照片了。可是情况并不如此，我们只要利用一些巧妙的方法，就可以做到这一

2、点。　　　　请大家设想一架高速飞行的飞机所留下的蒸汽尾迹吧！那架飞机本身可能飞得非常快，因而很难看到它，事实上，当你想看它的时候，它可能根本已经不再在那里了。但是，我们却可以从它留在身后的蒸汽尾迹知道它的行踪。威尔孙就是用这种简单的方法把亚原子粒子变成“可见的”。他制造了一个含有气体和水蒸气的观察室，然后利用一个活塞，使气体突然发生膨胀。这会使室内的温度立即降低，从而使蒸汽处于过饱和状态。这样的蒸汽全都倾向于形成云。但是，云是不会无缘无故就开始形成的，必须有一些中心可以使蒸汽附着在上面凝结成小水滴，否则，一

3、个水滴就不会开始在某个地方产生了。在云的形成过程中通常发生的情况，是大气中存在的尘埃粒子变成蒸汽优先选择的中心，蒸汽可以附着在上面开始凝结。不过，威尔孙云室的巧妙之处却在于他把一切尘埃都清除干净。那么，小水滴会在什么地方形成呢？原来当时已经发现，当带电粒子通过媒质运动时，它会使它路上的原子发生电离。这些电离了的原子便是很好的冷凝中心，依靠它们可以形成越来越大的水滴。因此，在云室中发生的情况是：只要有带电粒子在其中穿过。那么，在云室内就会形成一串小水滴，这些小水滴在几分之一秒内就长得很大，使人们可以看到它们，

4、并对它们进行摄影。我现在挂出的这张图，就是发生这种情况时的照片。　　　　大家可以看到，从图的左边开始出现许多串小水滴，每一串都是从图中没有示出的强α射线源发出的一个α粒子所造成的，这些α粒子大多没有发生一次严重的碰撞就穿过我们的视场，但是其中有一个正好击中了一个氮原子核。那个α粒子的径迹终止在碰撞点上，大家可以看到，就从这个点上出现了另外两个径迹：朝左上方飞去的那条较细的长径迹是从氮原子核中击出的一个质子留下的，而那条较粗的短径迹则代表原子核自身的反冲。不过，现在它已经不再是氮原子核了，因为氮原子核在失去一

5、个质子和吸收入射的α粒子以后，已经转变成氧原子核了。这样一来，我们现在已经用“炼金术”把氮转变成氧和副产品氢。我之所以让大家看这张照片，是因为它是有史以来拍摄到的第一张使元素发生人为转变的照片，它是卢瑟福的学生布莱克特拍到的。　　　　这张照片所表明的核嬗变，是今天实验物理学所研究的几百种核嬗变当中的相当有代表性的例子。在所有这类被称为“置换核反应”的核嬗变中，都有一个入射粒子进入原子核，把另一个粒子打出去，它自己则置换了这个粒子。我们可以用α粒子置换质子，可以用质子置换α粒子，也可以用中子置换质子，等等。在

6、所有这些嬗变中，反应过程中产生的新元素在周期表上都是那个被轰击元素的近邻。　　　　一直到第二次世界大战的前夕，才有两个德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现了一种完全新型的原子核变化，在这种变化中，一个重的原子核分裂成两个大致相等的部分，同时释放出极其大量的能量。在下一张挂图中，你们可以看到铀原子核两块碎片从一张很薄的铀箔向彼此相反的方向飞出。这种现象被称为“核裂变反应”，最初是在用中子束轰击铀的场合下发现的，但是，人们很快就查明，靠近周期表末尾的其他元素也具有类似的性质。　　　　看来，这些重原子核确实已经处在它们

7、的稳定性的边缘了，所以，尽管中子的撞击只提供很小的刺激，却已足以使它们一分为二。像一滴太大的水银那样分成较小的液滴了。重原子核具有这种不稳定性的事实，使人们想到应该怎样解释为什么自然界中只有92种元素的问题。事实上，任何一种比铀更重的元素都无法存在很久，它们会立即自发地分裂成许多小得多的碎片，而且不需要任何外来的刺激。　　　　从实用的观点看，核裂变现象是很有意义的，它可能成为核能源：当重核分裂时，它们会以辐射和快速运动粒子的形式发射出能量。在被发射出的粒子当中，有一些是中子。它们可以进一步引起邻近原子核的裂

8、变，而后者又能够导致更多中子的发射，产生更多次的裂变，也就是发生所谓的链式反应。只要铀原料足够多，被发射出的中子便有足够高的概率去击中其他原子核，并引起下一轮的裂变，从而使裂变过程自动持续下去。事实上，这可能演变成一种爆炸性的反应，在几分之一秒的时间内就把贮藏在那些原子核里的能量统统释放出来。这就是第一颗原子弹所依据的原理。　　　　但是，链式反应并不一定会导致一场爆炸。在严格控制的条件下，这种过程也可以有节制地持