打开原子的大门-第14节

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　　前面已经讲过，贝特怀疑卢瑟福的实验丢掉些什么没有被探测到，他们用新的探测放射性的仪器发现了新的放射现象，并且由此发现了中子。小居里夫妇积极地参加了发现中子的研究工作。
　　小居里夫妇想：在卢瑟福的实验中没有放射出质子的那些元素，受到α粒子轰击会放射出中子，为什么那些放射出质子的元素，不会同时放射出中子呢？
　　他们仔细地重复了卢瑟福做过的实验，想看看有没有什么遗漏。
　　卢瑟福曾经发现，用α粒子轰击铝，就会放射出质子。这个核反应是：
　　　4　2　He＋　27　13　Al→　30　14　Si＋　1　1　H
　　小居里夫妇重复了这个实验，他们使用了新的探测仪器，结果发现：放射出来的不但有质子，还有中子。卢瑟福当时由于使用的仪器不同，没有发现中子。
　　他们进一步仔细研究，发现在用α粒子轰击铝的时候，不仅放射出质子和中子，还会放射出电子。不过这种电子带阳电荷，是正电子。
　　他们用一块铅板插在α粒子源和铝片之间，铝片就停止放射质子和中子了。这说明α粒子被铅板挡住了，它和铝原子核的核反应也就停止了。奇怪的是这时候铝片仍然有放射性，继续放射出正电子，不过放出的正电子不断减少，持续半小时左右，才最后消失。
　　1933年10月，在布鲁塞尔的国际科学会议上，小居里夫妇报告了他们的实验结果。这些结果引起了到会的物理学家激烈的争论，大多数物理学家都说他们的实验不可靠。但是一些老科学家，如玻尔，认为这个发现很重要，他们对这一对年轻人给以支持和鼓励。
　　小居里夫妇没有灰心，他们回到实验室继续研究。他们认为α粒子轰击铝原子核以后放出中子变成了磷的同位素，也就是：
　　　4　2　He＋　27　13　Al→　30　15　P＋　1　0　n
　　而磷的同位素器　30　15　P是放射性的，它会放射出正电子而变成稳定的硅同位素：
　　　30　15　P→　30　14　Si＋e　＋　（　0　＋1　e）
　　为了检验这种想法是否正确，他们把经过α粒子强烈轰击的铝箔迅速溶解在盐酸里。铝和盐酸反应冒出了氢气，如果真有放射性磷的话，那就会生成磷化氢。磷化氢也是气体，所以冒出来的气体就会有放射性——放射正电子。
　　实验证实了他们的看法，气体真的有放射性。
　　同铝的情形相似，小居里夫妇发现，硼和镁受到α粒子的轰击会放出中子和正电子，也发生了人工放射性。
　　1934年11月15日，在法国科学院的会议上，他们详细地介绍了他们的实验结果。这一回谁也不怀疑了，大家以热烈的掌声通过了他们的科学报告。
　　以前人们只知道有铀、钍、镭、钋等天然存在的放射性元素，这些元素都是位于元素周期表末尾的重核元素。现在，小居里夫妇发现了列在周期表前面的轻核元素也可以有放射性的同位素。它们在自然界并不存在，而是人工制造的，是人工放射性元素。
　　卢瑟福在他当时的条件下，发现了人工核反应，实验是做得十分仔细的，获得了非常重要的发现。但是科学并没有停步不前，不过十多年的时间，就发现他的实验还有不足的地方。在卢瑟福实验的基础上，发现了中子，又发现了人工放射性，科学又大踏步地前进了。谁也不能说自己的研究工作已经尽善尽美了。谁也不应该认为，以前的科学家已经把什么都发现了，我们已经不能有所作为了。
　　1935年底，小居里夫妇由于发现了人工放射性而得到了诺贝尔化学奖。同年得到诺贝尔物理奖的是发现中子的查德威克。
　　约里奥…居里在领取奖金的演说中预言：“我们看清楚了，那些能够创造和破坏元素的科学家也能够实现爆炸性的核反应……如果在物质中能够实现核反应的话，那就可以释放出大量有用的能量。”
　　核反应和释放能量，有什么关系呢？
　　　亏损掉的质量
　　组成宇宙间万物的基本砖石，我们已经知道的有质子、中子、电子，还有正电子，它们的质量到底有多大呢？非常非常的小！
　　1个质子的质量是：
　　0。000000000000000000000001673克。
　　1个中子的质量是：
　　0。000000000000000000000001675克。
　　1个电子的质量是：
　　0。000000000000000000000000000911克。
　　它们太小了，我们在计算它们的质量的时候，不能老是在小数点后面去画一大串0，数一大串0，为了方便起见，需要规定一个衡量它们的专用质量标准。
　　现在科学家统一采用的标准是碳的同位素　12　6　C的原子质量（0。00000000000000000000001993克）的1／12。把它叫做1个原子质量单位，符号是u。
　　1个原子质量单位（1u）
　　＝0。00000000000000000000000166克。
　　当然　12　6　C的质量是12u。按此原子质量单位计算：
　　质子的质量是1。00728u
　　中子的质量是1。00867u
　　电子的质量是0。000549u
　　既然原子是由质子、中子和电子组成的，那么，一个原子的质量就应该等于组成它的基本粒子的质量的总和了。但是，实际上并不这样简单。
　　那位善于测量原子核质量的阿斯顿，把他的仪器不断改进，测量得越来越准，结果问题就来了。
　　氦原子核是由2个质子和2个中子组成的，外面有2个电子。
　　氦　4　2　He原子的质量应该是：
　　2×1。00728＋2×1。00867＋2×0。00055＝4。033u。
　　可是实际测量得到的　4　2　He原子的质量则是：
　　4。00260u，亏损了0。0304u。　
　　碳同位素　12　6　C的核中有6个质子，6个中子，原子核外有6个电子。因此它的原子质量应该是：
　　6×（1。00728＋1。00867＋0。00055）＝12。099u。
　　实际上　12　6　C的质量是12u，又亏损了0。099u。
　　再看铀　238　92　U的原子，它的核由92个质子和146个中子组成，核外有92个电子。这些粒子的质量加在一起应该是239。986u。但直接测量得的　238　92　U原子的质量却是238。051u，又亏损了1。935u。
　　这可真是怪事！
　　二加二不等于四，二加二竟然小于四！
　　用质子、中子和电子这些基本砖石构成预制件——原子的时候，总是要亏损一些质量。
　　这些亏损的质量哪里去了呢？物质守恒定律是不是错了呢？
　　　核子的结合能
　　我们用砖块砌墙，要用沙浆把砖块粘在一起。砌好的墙的总质量，一定比所用的全部砖块的质量大，因为还要加上沙浆的质量。
　　核子结合成原子核的情形正好相反。用物质世界的基本砖石——质子和中子砌成的预制件——原子核的质量反而变小了，似乎在原子核里把质子和中子粘在一起的沙浆有负的质量。
　　难道质量还会有负的？
　　质量不会有负的。但是在原子核里，质子和中子确实是靠亏损掉的质量而紧密地结合在一起的。这又是怎么回事呢？
　　在1905年，伟大的物理学家爱因斯坦曾经提出来一个非常重要的定律。这个定律说，当一个过程放出能量E的时候，就会亏损掉一部分质量m，能量和质量的关系是：
　　E＝mc　2　或m＝E／c　2
　　公式中C是在真空中光的速度，约等于
　　300000000米／秒。
　　反过来，当一个过程得到能量时，质量又会增加一部分。
　　真的是这样吗？为什么在我们平常接触到的各种现象中没有发现这种情况呢？
　　这是因为我们接触到的吸收或者放出能量的过程，一般都属于物理变化和化学变化。和核反应相比，物理变化和化学变化吸收或放出的能量要少得多，相应地引起的质量的变化也极小，因而难以察觉。
　　正像前面讲过的，由质子和中子合成4克氦原子核的时候，质量会亏损0。03克。这时会放出多少能量呢？按公式E＝mc　2　计算，放出的能量：
　　E＝0。00003×（300000000）　2
　　＝2700000000000（焦耳）
　　但是，当把4克氢（和32克氧）燃烧成水时放出的能量是480000焦耳。根据爱因斯坦公式，这样多的氢和氧生成水后，质量会亏损多少呢？由m＝E／c　2　：
　　480000
　　m＝————————
　　（300000000）　2
　　＝0。0000000000053（千克）
　　＝0。0000000053克
　　这亏损掉的质量是非常小的，当然是很难察觉和测量出来的。
　　对比一下，用4克氢当燃料烧成水的化学反应放出的热量大约可以把1公斤水烧开，而在合成4克氦原子的核反应中，放出的热量可以把5000吨水烧开，两者大小相差达到500万倍！
　　反过来，如果要把氦原子核拆开成为质子和中子，也需要让氦原子核获得同样多的能量，不然就补不回亏损的质量。这种由若干个质子、中子等核子结合成原子核的时候放出的能量，叫做原子核的结合能。
　　结合能为什么这样大呢？这是因为核子间的作用力——核力是一种很强的力。
　　在过去，人们只知道宇宙间存在着两种作用力。第一种作用力是万有引力，第二种作用力是电磁作用力。在打开原子核以后，人们发现了第三种作用力——核力。
　　关于核力的详细情形目前还不清楚，但是有一点是可以肯定的，就是在极短的距离之内，核力是非常非常大的。有人估计，它要比万有引力大10　38　倍！
　　万有引力无论距离多远都能起作用。核力就不同了，只有当核子的距离比0。0000000000001厘米还小的时候，强大的核力才发生作用。比这距离稍远一些，核力就不起作用了。所以原子核是非常小而且又是非常牢固的。
　　科学家们仔细地测量了各种原子核的质量，算出了由基本粒子构成原子核的结合能。
　　太阳为什么能够不停地发出极大量的光和热呢？贝特在1938年指出：在太阳的炽热的核心里正在发生着四个质子合成一个氦核（同时放出两个正电子）的过程。正像上面计算的那样，在这过程中放出大量的结合能。
　　这是热核能，也就是核聚变能。
　　科学家还用计算证明，如果把重的原子核，例如铀核，分裂成两块的话，也会放出大量的能量。
　　1克　235　92　U分裂成差不多相等的两块时，放出的能量如果都能转化成电能，就相当于23000度电。
　　这是核裂变能。
　　但是，怎样才能使铀原子核分裂成两块，放出这样多的能量来呢？
　　从预言到成为现实，只用了不到十年的时间。
　　　用中子当炮弹
　　小居里夫妇的发现为研究原子核的科学家打开了新路。大家都在研究用人工方法制造新的放射性元素。才几年，他们就制造出400多种人造放射性元素。
　　意大利的科学家费米认为，用α粒子轰击原子核并不是理想的办法，因为α粒子带两个阳电荷，在射到别的原子核里去的时候，同性电荷相斥，就很难射中。他决定换用中子作炮弹。
　　将镭射气——氡和铍粉封在小玻璃管中，氧放射出来的α粒子打在铍上就产生中子。这就是一个不断发射中子的中子源。
　　费米用中子去轰击各种元素。他按照周期表的次序去试验。结果，前8个元素——从氢到氧，用中子轰击以后都没有什么反应。但是用中子轰击氟的时候，盖革计数器响了。
　　用中子轰击氟，生成了人工放射性元素。这种人工放射性元素放出β射线，也就是带阴电荷的电子流。
　　中子不带电，氟原子核里多了一个中子，所带的阳电荷数并不改变，只是质量增加了一个原子质量单位，所以生成的是氟的同位素：
　　　1　0　n＋　19　9　F→　20　9　F
　　这种氟同位素是放射性的，它放出β射线——电子流。当然，核的阳电荷数目就要增加，变成原子序数比氟大1的氖：
　　　20　9　F→　20　10　Ne＋e　…
　　费米继续做的试验很顺利，在氟以后的元素大都可以被中子击中，变成放射性元素，而且花样很多。
　　铝原子核被中子击中后放出α粒子，变成放射性钠：
　　　1　0　n＋　27　13　Al→　24　11　Na＋　4　2　He
　　放射性钠放出β射线后变成稳定的镁：
　　　24　11　Na→　24　12　Mg＋e　…
　　磷原子核被中子击中后放出质子，变成放射性硅：
　　　1　0　n＋　31　15　P→　31　14　Si＋　1　1　H
　　放射性硅放出β射线后变回成稳定的磷：
　　　31　14　Si→　31　15　P＋e　…
　　碘原子核被中子击中以后什么粒子也不放出，变成放射性碘：
　　　1　0　n＋　127　53　I→　128　53　I
　　放射性碘放出β射线后变成稳定的氙：
　　　128　53　I→　128　54　Xe＋e　…
　　费米用中子做炮弹，一下子就制成许多种