原子核复杂性的直接经验性证据与铀原子核裂变的可能性

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：尽管原子量的完整性是一个支持原子核复杂性的有力论据，但原子核的复杂性最终只能通过直接的经验性证据来证实，即能否将一个原子核分裂成两个或多个单独的部分。据观察，铀原子核裂变成两半的可能性是α粒子碎裂的可能性的一百万分之一。考虑到这一想法，卢瑟福决定让各种稳定元素的原子受到核碎片（α粒子）的强烈轰击，这些核碎片是由不稳定放射性核自发分裂产生的。

尽管原子量的完整性是一个支持原子核复杂性的有力论据，但原子核的复杂性最终只能通过直接的经验性证据来证实，即能否将一个原子核分裂成两个或多个单独的部分。

1896年法国科学家贝克勒尔所发现的放射性，第一次表明原子有可能碎裂的迹象。事实证明，位于元素周期表尽头的元素，如铀和钍，自己就能够发出穿透性很强的辐射（与一般的X射线相似）的原因在于这些原子在缓慢地进行衰变。人们对这个新现象进行了仔细的研究，很快就得到了结论——重原子在衰变中会分裂成两个大不相同的部分：（1）叫作α粒子的小碎片代表的是氦的原子核；（2）原始原子核的其余部分，表示子元素的原子核。当铀原子核碎裂时，放出α粒子，产生的子元素称为铀X1，它的内部在重新调整电荷之后放出两个自由负电荷（普通电子），从而变成比原有的铀原子轻4个单位的铀的同位素。紧接着又是一系列α粒子的核发射和电荷调整，直至变成表现稳定的铅原子才停止衰变。

在另外两个放射性家族中也观察到了类似的一系列与α粒子和电子交替发射过程，即钍族和锕族.钍族从重元素钍开始，而锕族从被称为锕铀的元素开始。在这三个家族中，自发衰变的过程一直持续到只剩下三种不同的铅同位素为止。

好奇的读者对上述自发放射性衰变和上一节的一般讨论进行比较后可能会感到诧异。在上一节中我们讲过，原子核的不稳定性在银以后的元素中普遍存在。在这些元素中，破坏性的电斥力比原子核保持为一个整体的表面张力要强。如果所有比银重的原子核都是不稳定的，那么为什么只有铀、镭和钍等重元素才能观察到自发衰变呢？答案是，从理论上讲，所有比银重的元素都必须被视为放射性元素，事实上，这些元素通过衰变缓慢地转变为较轻的元素。但在大多数情况下，自发衰变发生得非常缓慢，以至于没有办法注意到它。因此，在碘、金、汞和铅等人们所熟悉的元素中，原子可能在许多世纪内以1～2个的速度分裂，即使是最灵敏的物理仪器也无法检测到这种速度。只有最重的元素发生裂解，才足以产生明显的放射性^[13]。这种相对性还决定了不稳定原子核裂变的方式。例如，铀原子的原子核可以以许多不同的方式分裂：它可以裂变成两个或三个相等的部分，或几个大小差别很大的部分。但是，最简单的方法是把它分成α粒子和剩余的重粒子，这就是为什么它通常是这样发生的。据观察，铀原子核裂变成两半的可能性是α粒子碎裂的可能性的一百万分之一。因此，在一克铀中，大约一万个原子核每秒通过发射α粒子而分裂，我们必须等待几分钟才能看到一个自发的裂变过程，在这个过程中，一个铀原子核分裂成两个相等的部分。

放射性现象的发现无疑证明了原子核结构的复杂性，并为人工制造（或诱导）核变的实验铺平了道路。于是，会出现以下问题：如果重元素的原子核，特别是不稳定元素的原子核自行衰变，我们能不能用一些调整粒子猛地撞击其他稳定元素的原子核来分裂它们呢？

考虑到这一想法，卢瑟福决定让各种稳定元素的原子受到核碎片（α粒子）的强烈轰击，这些核碎片是由不稳定放射性核自发分裂产生的。卢瑟福在1919年进行的第一次核变换实验（见图68）中使用的仪器与目前在几个物理实验室中使用的巨型原子粉碎机相比是最简单的。它由一个抽空的圆柱形容器和一个由荧光材料（c）制成的薄窗口组成，这个薄窗口充当一个屏幕。轰击α粒子的来源是沉积在金属板（a）上的一层薄薄的放射性物质，而将被轰击的元素（本实验中用的是铝）做成箔状，放在距离轰击源一段距离处（b）。箔靶的排列方式使所有入射的α粒子一旦遇到它就会一直嵌入其中，因此它们不可能照亮屏幕。所以，除非屏幕受到由于轰炸而从目标材料发射的二次核碎片的影响，否则它将保持完全黑暗。

图68　原子第一次是如何分裂的

卢瑟福把所有的东西都放在适当的位置上，用显微镜看着屏幕，他看到的景象几乎不可能被误认为是黑暗。屏幕上到处闪烁着无数的小火花，在它的整个表面上闪烁着！每一个火花都是由一个质子撞击屏幕产生的，而每一个质子又是由入射α粒子从箔靶上的铝原子里撞出的一块“碎片”。因此，人工转化元素从理论可行变成了一个科学事实^[14]。

在卢瑟福经典实验之后的几十年里，元素的人工转变科学已经发展成为物理学中最大和最重要的一个分支，无论是在制造用于轰击的高速粒子的方法上，还是在对结果的观测上，都取得了很大进步。

在观测粒子撞击原子核所发生的情况时，最令人满意的仪器是一种能够直接用眼睛观看的云室（或称之为以发明者威尔逊的名字命名的威尔逊云室）。如图69所示，它的运行是基于这样一个事实：高速运动的带电粒子，如α粒子，在穿过空气或任何其他气体的过程中，会使沿路的气体原子发生一定程度的畸变。由于强电场的存在，这些高速粒子将一个或多个挡在其途中的气体原子撕裂，留下大量的电离原子。这种状态不会持续很长时间，因为在高速粒子过后，电离原子会捕捉到它们的电子，回到正常状态。不过，如果这种发生了电离的气体中含有饱和水蒸气，它们就会以离子为核心形成微小的水滴——这是水蒸气的性质，它能附着在离子、灰尘等东西上，这也就导致沿粒子的路径会出现一道细细的水珠。也就是说，任何带电粒子在气体中运动的轨迹就变成可见的了，就如同一架拖着尾烟的飞机。

图69　威尔逊云室原理

从技术角度看，云室是个简单的仪器，它主要包括一个金属圆筒（A），筒上盖有一块玻璃盖子（B），内部装有一个可以上下移动的活塞（C），图中未画出可移动部分。玻璃盖子和活塞工作面之间充有普通的空气（如果需要的话也可以改用其他任何气体）和一定量的水蒸气。一些粒子从窗口（E）进入云室时，令活塞迅速下降，从而使活塞上部的气体冷却，水蒸气则会形成细微的水珠，沿粒子运动轨迹凝结成一缕雾丝。这些雾丝通过侧窗（D）被强光照射，会在活塞变黑的表面上清晰地显现出来，可以通过摄像机（F）进行视觉观察或拍照，该摄像机可根据活塞的动作自动操作。这种简单的排列，使我们能够获得核轰击结果的美丽照片。因此，它是现代物理学中最有价值的设备之一。

人们自然也希望设计出一种方法，通过在强电场中加速各种带电粒子（离子），从而产生强大的粒子束。除了省去使用稀有和昂贵的放射性物质的必要性外，这种方法还可以使用其他不同类型的粒子（例如质子），并获得比普通放射性衰变中放出粒子更大的动能。制造高速粒子束的最重要的机器是静电发生器、回旋加速器和直线加速器，图70、图71和图72分别对它们的功能进行了简短描述。

利用上述类型的电子加速器来产生各种粒子束，并引导这些光束轰击由不同物质材料制成的靶子，我们可以制造出大量的核变，通过云室拍摄下来，这样可以方便地进行研究。图版Ⅲ、Ⅳ就是几张核变的照片。

图70　静电发生器原理（从基本物理上讲，锂是众所周知的，它的表面分布着与球形金属导体相连的电荷。因此，我们可以通过一个接一个地将小电荷引入导体的内部，使小电荷导体穿过球体上的孔，并从内部接触导体的表面，从而将导体充电到任意的高电位。一般来说，人们实际上使用一条连续的带，通过孔进入球形导体，并携带由小型变压器产生的电荷）

图71　回旋加速器原理［回旋加速器基本上由两个放置在强磁场中的半圆形金属盒组成（垂直于绘图平面）。两个接线盒通过变压器连接，因此，它们通过正、负电交替充电。从中央的离子源射出的离子在磁场中沿半圆形路径前进，并且每次从一个盒子进入另一个盒子的中途都会加速。离子运动越来越快，其轨道可描述为一个向外拓展的螺旋线，最终以非常高的速度逸出］

图72　直线加速器原理（这种排列系统由一些长度增加的圆柱体组成，这些圆柱体由变压器正、负交替充电。离子从一个柱体进入另一个柱体时，由于存在的电位差而逐渐加速，因此它们每次都会增加一定的能量。由于速度与能量的平方根成正比，如果圆柱体的长度与整数的平方根成正比，离子将与交变场保持同步。只要建立一个足够长的这种类型的系统，我们就可以将离子加速到任何期望的速度）

第一张此类照片是由剑桥大学的布莱克特拍摄的，他拍摄的是一束衰变中产生的α粒子穿过充满氮气的云室^[15]。首先可以看出，它显示了所有轨道有确定的长度，这是因为在气体中，粒子逐渐失去自己的动能，最终停止运动。粒子径迹有两组明显不同的长度，对应于粒子源中存在的两组不同能量的α粒子（粒子源两种同位素THC和THC′的混合物）。在照片上我们还可以注意到，通常情况下，α粒子的轨迹基本上是很直的，只是在粒子失去大部分初始能量的末端，才更容易与途中遇到的氮原子核非正面碰撞而发生明显的偏转。但是，在这张星状的α粒子图中，有一条轨迹很特别，它有一个特殊的分叉，分叉的一支又长又细，另一支又短又粗，这表明它是α粒子与电离室中一个氮原子核直接正面碰撞的结果。细长的轨道代表了撞击力将质子从氮原子核中击出的轨道，短而粗的轨道则对应于碰撞中被抛到一边的氮原子核本身。事实证明，没有第三条轨道与被弹射的α粒子相对应，这表明入射的α粒子已黏附在原子核上，并与原子核一起移动了。

在图版Ⅲ（b）中，我们看到了人工加速质子与硼原子核碰撞的效应。从加速器喷嘴发出的快速质子束（照片中间的暗影）击中了靠在开口处的一层硼，核碎片从周围的空气中向四面八方飞去。这张照片的一个有趣特征是，碎片的轨迹总是以三连体的形式出现（照片中可以看到两个这样的三连体，其中一个带箭头），这是因为硼原子核被质子撞击，分裂成三个相等的部分^[16]。

图版Ⅲ（a）显示了快速移动的氘核（一个质子和一个中子形成的重氢原子核）和目标物质中其他氘核之间的碰撞^[17]。

图中看到的较长的轨道对应于质子（核），而较短的轨道则是由三重氢原子核（即氚子）形成的。

如果没有涉及中子的核反应，任何云室图片库都是不完整的，中子和质子一样，是构成各种原子核的主要结构元素。

但是，在云室照片中寻找中子的轨道是徒劳的，因为中子是不带电的，这些“核物理的黑马”在行进途中不产生任何电离作用。但是当你看到猎人的枪口冒出一缕青烟，看到鸭子从天上掉下来的时候，尽管你看不见，你也能知道有一颗子弹飞出过。同样，在图版Ⅲ（c）中，一个氮原子核分裂成氦核（向下的一支）和硼核（向上的一支），看到这个你一定会意识到这个氮原子核受到了来自左边的一些看不见的高速粒子的猛烈撞击。事实也的确如此，为了拍到这样一张照片，我们要把镭和铍的混合物放在云室的左壁上，这就是目前已知的快中子源^[18]。

把中子源的位置和氮原子破裂的点连接起来，就可以立刻看到中子穿过电离室的直线运动路径。

铀核的裂变过程如图版Ⅳ所示。这张照片由包基尔德、勃劳斯特劳姆和娄瑞拍摄，它显示了从一张敷有一层铀的铝箔上，沿相反方向飞出两块裂变产物的过程。当然这张照片是显示不出引发这次裂变的中子和裂变过程所产生的中子的。我们可以通过使用加速粒子轰击原子核的方法得到无穷无尽的各种核变，但是我们现在应该转到更重要的问题上来，我们应该看看这种轰击的效率怎么样。一定要记住的是，图版Ⅲ和Ⅳ所示的只是单个原子核分裂的情况，如果要把1克硼完全转变成氦，就得把所有的55 000 000 000 000 000 000 000个硼核全都击碎。目前，最强大的加速器每秒钟能产生1 000 000 000 000 000个粒子，即使每个粒子都击碎一个硼核，那也得让这台加速器持续工作5 500万秒，也就是差不多两年才行。

然而真相是，实际的效率要比这低得多，通常几千个高速粒子当中只有一个有希望能命中原子核靶子而发生裂变。效率极低的原因是原子核外的电子能够减慢入射带电粒子的速度。由于原子比原子核大得多，显然不能将每个粒子都直接对准原子核，因此每一个这样的粒子都必须穿透许多原子的电子壳层后，才能有机会命中其中一个原子核。我们可以用图73来解释，其中原子核由实心黑色球体表示，电子壳层由较亮的阴影表示。原子直径和原子核直径的比值约为10 000，因此目标区域与带电粒子的比值为100 000 000。另外，我们知道，一个带电粒子在穿过一个原子的电子壳层的过程中，会损失大约万分之一的能量，因此它在穿过大约10 000个原子壳层后会完全停止。从上面引用的数字可以很容易看出，10 000个粒子中大约只有1个有机会在将初始能量消耗殆尽之前撞击到某个原子核。考虑到这种带电粒子对目标材料的原子核进行破坏性打击的效率很低，我们发现为了要使1克硼全部转变，恐怕要将其置于最先进的加速器中持续工作两万年！

图73　粒子撞击原子核示意

原子核复杂性的直接经验性证据与铀原子核裂变的可能性

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