原子核：宇宙核流体中的微小液滴

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：我们既然已经对物质结构的基本组成单元本身的性质有了全方面的了解，现在就可以认真地研究探讨关于原子的心脏——原子核的问题了。在原子核中，类似的内聚力作用于不同的核子，阻止原子核在质子间电斥力的作用下分裂。因此，我们得出的结论是，不同元素的原子核可以简单地视为宇宙“核流体”中大小不同的液滴。考虑到原子核是核流体的微小液滴，我们不能忽视这些液滴带电的重要事实，因为形成原子核的大约一半粒子是质子。

我们既然已经对物质结构的基本组成单元本身的性质有了全方面的了解，现在就可以认真地研究探讨关于原子的心脏——原子核的问题了。原子的外部结构在某些特定的场合可被看作一个微缩版的行星系统，但是原子核本身将呈现一种全新的情况。我们首先要清楚的是：使原子核保持完整的绝不可能是静电力，因为原子核内有一半不带电的中子，另一半带正电荷的是质子，这会产生互相排斥的作用。如果一群粒子间只有排斥力，那就不能形成稳定的磁场。

因此，为了理解原子核的组成部分保持在一起的原因，我们必须假定它们之间存在某种其他力，这种力在自然界中具有吸引力，既作用于带电的核子，也作用于不带电的核子。无论所涉及的粒子的性质如何，这种力会使它们保持在一起，我们称之为“内聚力”。例如，在普通液体中，这种力会阻止分离的分子向四面八方散开。

在原子核中，类似的内聚力作用于不同的核子，阻止原子核在质子间电斥力的作用下分裂。与形成各种原子壳层的电子有足够的移动空间不同，原子核内大量的核子像罐头里的沙丁鱼一样紧紧地挤在一起。正如这本书的作者首先提出的，假设原子核内的物质结构与普通液体相同，而普通液体有一个重要的表面张力现象。大家可能还记得，在液体表面的张力现象源自这样一个事实，液体内部的粒子受到相邻粒子对它产生的各个方向的拉力，而液体表面的粒子仅受到液体内部粒子对它的拉力（见图64）。

图64　液体的表面张力的解释

这就导致任何液滴在不受外力作用时呈球形的趋势，因为球体是在任何给定体积下具有最小表面的几何体。因此，我们得出的结论是，不同元素的原子核可以简单地视为宇宙“核流体”中大小不同的液滴。然而，我们不要忘了，核流体虽然在性质上与普通液体非常相似，但在数量上却有很大的不同。实际上，它的密度比水的密度大了不止240 000 000 000 000倍，它的表面张力大约是水的1 000 000 000 000 000 000倍。为了使这些巨大的数字更容易理解，让我们看看下面这个例子。假设我们有一个大致呈倒U形的线框，形成一个面积大约为2平方英寸的正方形区域，如图65所示，下边横搭一根直丝，现在给框内充入一层肥皂膜，这层膜的表面张力会把横丝向上拉。在横丝下悬吊一个小重物，可以把这个张力平衡掉。这层膜是普通的肥皂膜，它在厚度为0.02毫米时自重为1/4克^[10]，能支持3/4克的重物。

现在，如果用核流体制造出类似的薄膜，那么薄膜的总质量将达到5 000万吨（大约是1 000艘远洋客轮的质量），这时可以把质量大约为10 000亿吨的重物挂在十字线上，这大概是火星第二颗卫星“火卫二”的质量！为了能够从核流体中吹出肥皂泡，人们必须拥有十分强大的肺！

考虑到原子核是核流体的微小液滴，我们不能忽视这些液滴带电的重要事实，因为形成原子核的大约一半粒子是质子。试图将原子核分裂成两个或多个部分的电斥力被表面张力抵消，而表面张力总是能让原子核保持为一个整体。如果表面张力占主导地位，原子核将永远不会分裂，但当两个原子核相互靠近时，会像两个普通的液滴一样有融合的趋势。

图65　关于张力的例子

与此相反，如果电斥力占了上风，原子核就会有分裂为两块或多块高速飞离的碎块的趋势。我们称这种分裂过程为“裂变”。

玻尔和威勒在1939年对不同元素原子核的表面张力和电斥力的平衡问题进行了精密的计算，他们得到了一个极其重要的结论：元素周期表中在银之前的元素是表面张力占优势，而重元素则是电斥力占上风。因此，所有比银重的元素的原子核都不稳定，并且，当受到外部强烈的冲击作用时，会导致大量内部核能的释放，原子核将分裂成两个或多个部分［见图66（b）］。相反的，当两个原子量小于银的轻原子核互相靠近时，会有自发的聚变过程出现的可能［见图66（a）］。

图66　聚变与裂变

（a）聚变；（b）裂变

然而我们必须记住，两个轻原子核的聚变和一个重原子核的裂变，只有在我们对它们施加影响的情况下才会发生，通常情况下是不会发生的。事实上，为了使两个轻原子核融合，我们必须使它们紧密地结合在一起，以克服电斥力。为了迫使一个重原子核进行裂变，我们必须给它一个强有力的撞击，使它以足够大的振幅振动。

在没有初始激发的情况下而无法进行某个过程的状态，在科学上被通称为亚稳态。悬崖峭壁上的岩石、口袋里的火柴或炸弹中的TNT火药，都是物质处于亚稳态的例子。每一种情况都有大量的能量等待释放，但实际上除非被踢开，否则岩石不会滚下来；除非与鞋底或其他物体摩擦生热，否则火柴不会燃烧；除非点燃引信引爆TNT火药，否则炸弹不会爆炸。在我们生活的这个世界上，除了银块^[11]以外都是潜在的核爆炸物质。但就是因为核反应的发生是极其困难的，所以我们并没有被炸得粉身碎骨，用更科学的说法来说，就是需要极大的激发能才能使原子发生核变。

我们在核能世界里的状况（更确切地说是不久前所处的地位），与因纽特人居住在一个低冰点且只有固态的冰和液态酒精的环境中的状态相似。因为在这样的环境中因纽特人永远不知道火为何物，他们不能用两块冰互相摩擦来生火，酒精对于他们来说也只是一种令人愉快的饮料，因为他们没有办法把酒精的温度提高到燃点。

最近的发现让人们得知在原子内部隐藏着大规模的能量释放，这个过程所引起的人类的巨大困惑，可以与我们想象中的因纽特人第一次看到普通的酒精灯时的惊讶相比。

一旦克服了使核反应启动时所遇到的困难，结果将会大大弥补它所引起的一切麻烦。拿相同数量的氧原子和碳原子的混合物举例，它们以下面这个方程式进行化合：

在化合过程中，每克混合好的氧和碳会放出920卡路里^[12]的热量。如果这两种原子之间不是普通的化合［分子的聚合，见图67（a）］，而是原子核之间的聚合［见图67（b）］，则

6C12+8O16=14Si28+能量

这时每克混合物放出的能量能够达到14 000 000 000卡路里，比前者要大1 500万倍。

图67　化合与聚合

（a）碳和氧的化合；（b）碳核与氧核的聚合

同样的，复杂的TNT分子分解成水分子、一氧化碳分子、二氧化碳分子和氮气（分子裂解）时，每克大概产生1 000卡路里热量。而同样质量的物质，比如水银，其裂变过程会释放出总共10 000 000 000卡路里的热量。

但是请一定不要忘记，虽然大多数化学反应在几百摄氏度的温度下很容易发生，但相应的核变在高达数百万摄氏度的条件下不会开始！正是由于核反应很难发生，这才避免了整个宇宙没有在一声爆炸的巨响后变成一大块纯银。

原子核：宇宙核流体中的微小液滴

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