从一到无穷大：核子学的实用性及应用

总会有一些词，看起来似乎不是非常恰当，但却颇有实用价值，“核子学”就是其中一个。正如“电子学”一词用于描述自由电子束在实际应用领域中的概念一样，“核子学”一词也可理解为适用于大规模释放核能的应用性学科。我们在前面章节中已经看到，各种化学元素（银除外）的原子核内部都蕴藏着大量的内能。对于轻元素而言，核聚变时可以释放这些内能；对于重元素而言，核裂变时可以释放这些内能。我们还看到，人工加速带电粒子的核轰击方法，虽然对各种核转换的理论研究具有重要意义，但由于其效率极低，不能指望将它应用到实际当中。

不过效率低的原因主要是α粒子和质子是带电粒子，它们在穿过原子时会失去能量，又不容易靠近被轰击的靶原子核。当然我们会想到，如果改用不带电的中子进行轰击大概会好一些。但这是不容易做到的，因为中子可以很容易地进入原子核内，它们在自然界中不会以自由状态存在，即使凭借人工的方法，从某个原子核里“踢”出一个中子来（如铍靶在α粒子的轰击下会产生中子），它也会很快地被其他原子核重新俘获。

因此，为了产生用于核轰击的强中子束，我们就得从某些元素的原子核中把中子一个一个地“踢”出来。这样做的话我们岂不是又回到了低效率的带电粒子这一条老路上去了吗?

然而，有一种方法可以走出这个恶性循环。如果有可能让中子踢出中子，并以每一个中子不止踢出一个中子的方式进行，这些粒子就会像兔子繁衍（见图98），或像受感染组织中的细菌繁殖那样增加。用不了多长时间，一个中子的后代很快就会变得足够多，多到足以攻击一大块物质中的每一个原子核。

由于发现了一种特殊的核反应，使得这种中子增殖过程成为可能，核物理学得到空前的发展，从作为研究物质最隐秘性质的纯科学这座安静的象牙塔中走出来，进入喧闹的报纸头条新闻、激烈的政治讨论和惊人的工业和军事发展旋涡。每个读过报纸的人都知道，核能，也就是通常所说的原子能，可以通过哈恩和斯特拉斯曼在1938年年底发现的铀核裂变过程释放出来。但如果认为裂变将一个重核分裂成两个几乎相等的部分，这样就能让核反应进行下去，那就错了。事实上，由裂变产生的两个核碎片携带着重电荷（每个重电荷约为铀核的一半），这会阻止它们接近其他原子核。因此，这些碎片进入相邻原子的电子壳层时将很快地失去最初具有的能量，从而静止下来，并不会产生任何进一步的裂变。

铀的裂变之所以能一跃成为极重要的过程，是由于人们发现铀核碎片在速度减慢后会放出中子，从而使核反应能够自行维持下去（见图74）。

图74　裂变过程中连续的各个阶段

裂变的这种特殊的缓发效应是基于这样一个事实产生的：像一个断裂弹簧的两部分一样，一个重原子核的两个断裂部分在裂开时处于相当剧烈的振动状态。这些振动不能引起二次核裂变（即每个碎片再一次分成两部分），但其强度足以引起一些粒子的喷射。要注意的是，当我们说每个碎片发射一个中子时，我们说的只是在统计意义上的平均数字；在某些情况下，一个碎片可能发射出来两个甚至三个中子，有的情况下则一个也不产生。从裂变碎片中释放出的中子的平均数当然取决于它振动的强度，而振动的强度又由原始裂变过程中释放的总能量决定。正如我们上面所看到的，裂变释放的能量随着所讨论的原子核质量的增加而增加，因此，我们可以预料到每个裂变碎片的平均中子数也随着元素周期表中原子序数的增大而增多。因此，金原子核的裂变（在这种情况下所需的激发能非常大，还没有在实验中实现）可能产生相当少的中子，大概比每个碎片一个中子要少；铀原子核的裂变则平均每个碎片一个中子（即每个裂变大约产生两个中子）；而在更重的元素（例如钚）的裂变中，每个碎片的平均中子数可能大于1。

如果有100个中子进入某种物质，为了能够满足中子的连续增殖条件，这100个中子显然应该产生多于100个的中子。而能否满足这一条件则要看中子使这种原子核裂变的效率有多高，还要看一个中子在造成一次裂变时能产生多少新的中子。要记住的是，尽管中子轰击效率远远高于带电粒子，但也无法达到百分之百。事实上总有一些高速中子在和某个原子相撞时只交换了部分动能，随后带着剩余的动能跑掉。这样一来，粒子的动能将分别消耗在几个不同的原子核上，且没有一个会发生裂变。

根据原子核结构的一般理论，可以得到这样一个结论：中子的裂变效率随着裂变物质的原子量的增加而增加，对于处于元素周期表末端的元素来说，裂变率接近百分之百。

现在我们可以给出两个中子数的例子，一个是中子增殖的有利条件，一个是不利条件。（1）假设我们有一个元素，其中快速中子的裂变效率是35%，每次裂变产生的平均中子数是1.6^[19]。在这种情况下，100个原始中子将总共产生35次裂变，产生35×1.6=56（个）下一代中子。很明显，在这种情况下，中子的数量会随着时间的推移而迅速减少，每一代中子只占前一代中子的一半左右。（2）假设现在我们取一个更重的元素，其中中子的裂变效率上升到65%，平均每个裂变产生的中子数为2.2。在这种情况下，我们的100个原始中子将产生65次裂变，总裂变量为65×2.2=143（个）。每一代中子的数量将增加50%，在很短的时间内，它们将多到足以攻击并分裂核样品中的每个原子核。我们在这里称这种反应为分支链式反应，并称能产生这种反应的物质为裂变物质。

对发生渐进性分支链式反应（见图75）的必要条件作细心的实验观测和深入的理论研究以后，可得出以下结论：在自然元素中，只有一种元素的原子核可能发生这种反应，那就是铀的轻同位素铀235。

图75　杂散中子在球形可裂变材料中引发的核连锁反应（虽然许多中子在通过表面时丢失，但连续几代的中子的数量仍然在不断增加，最后导致爆炸）

然而，铀235在自然界中并不会单独存在，而总是和大量较重的非裂变同位素铀238混在一起（其中有0.7%的铀235和99.3%的铀238），这阻碍了在天然铀中进行分支链式反应，就像湿木柴中的水分妨碍木柴的燃烧一样。但是，正是因为有这样不活泼的同位素和铀235混在一起，这种高裂变性的铀235才存在至今，否则它们早就会因为分支链式反应而迅速消失了。因此，如果想开发铀235的能量，那么就得先把铀235和铀238分离开来，或者研究出不让较重的铀238产生负面影响的办法。这两种方法在原子能释放问题的研究中都得到了实际应用，并取得了成功。由于这类技术问题不属于本书的范围^[20]，我们只在这里简要地讨论。

两种铀同位素的直接分离是一个非常难的技术问题，因为它们具有相同的化学性质，这种分离不能用普通的工业化学方法实现。这两种原子的唯一区别在于它们的质量，一种比另一种重1.3%。这就为我们提供了靠原子质量的不同来解决问题的一种方法，即基于扩散、离心或磁场和电场中离子束偏转等过程的分离方法。图76（a）和（b）分别展示了两种主要分离方法的原理，并附上了简短说明。

图76　分离铀同位素的方法

（a）用扩散法分离铀同位素（含有两种同位素的气体被泵入燃烧室的左侧，并通过中央的隔板扩散到另一边，由于较轻的分子扩散得更快，右边的部分气体中就富含铀235）；（b）用磁法分离铀同位素［电子束通过一个强磁场，含有较轻的铀同位素的分子偏转得更强烈一些，为了提高粒子束的强度，必须使用较宽的缝，因此这两个光束（铀235和铀238）会部分地重叠，我们得到的只是部分的分离］

所有这些方法都有一个缺点：由于两种铀同位素的质量差异很小，所以分离不能一步完成，需要不停地重复进行，才能使轻的同位素一步步聚集。这样，经过相当多次重复后，可得到很纯的铀235。

一种更巧妙的方法是通过使用所谓的减速剂，人为减小天然铀进行分支链式反应时轴238产生的干扰。为了理解这种方法，我们要记住的是，较重铀同位素的干扰作用主要在于吸收铀235裂变产生的大量中子，从而破坏了连锁反应。因此，如果我们能够设法让中子在碰到铀235的原子核之前不被铀238的原子核俘获，那么裂变就能继续进行下去，问题也就得到了解决。不过铀238比铀235多了大约140倍，不让铀238得到大部分中子几乎是不可能的。但另外一个事实为我们提供了帮助，那就是两种铀同位素“俘获中子的能力”是随中子运动速度的不同而不同的。对于快中子，由于它们来自裂变核，两种同位素捕获中子的能力是相同的，因此每有一个中子轰击铀235的原子核，就有140个中子被铀238所俘获。对于中速运动的中子，铀238俘获中子的能力甚至比铀235还要强。不过，重要的一点是：当中子运动速度很小时，铀235能比铀238俘获多得多的中子。因此，如果我们能以这样的方式减慢中子裂变，在它们遇到下一个铀原子核（铀238或铀235）之前，初始速度大大减小，那么虽然铀235的原子核是少数，但比铀238的原子核有更多的机会俘获中子。

我们将大量天然铀的小颗粒添加到某种能使中子减速而本身又不会俘获过多中子的物质（减速剂）里面，就可以得到减速装置。用作减速装置的最佳材料是重水、碳和铍盐。在图77中，我们给出了一个示意图，说明了铀颗粒是如何通过慢化物质形成“堆”的^[21]。

如上所述，铀的轻同位素铀235（仅占天然铀的0.7%）是目前唯一能够进行渐进式分支链式反应并释放出巨大核能的天然裂变物质。然而，这并不意味着我们不能人为地制造出与铀235具有相同性质，且在自然界中不存在的元素。事实上，通过在一个裂变物质在分支链式反应中所产生的大量中子，我们可以把其他原本不可裂变的原子核变成可裂变的原子核。

图77　这张有点像生物组织的图片代表了嵌入减速剂物质（小原子）中的一团团铀原子（大原子）。在左侧的一团铀原子中有一个铀核裂变产生两个中子进入减速剂，并在与它们的原子的一系列碰撞过程中逐渐减慢速度。当这些中子到达另一团铀原子时，已被减速到相当的程度，这样就能被铀235的原子核所俘获，因为铀235俘获慢中子的效率比铀238高

这类事件的第一个例子，就是上面提到的天然铀与减速剂混合成的反应“堆”。我们已经看到，使用减速剂以后可以降低铀238核俘获中子的能力，降低到足以让铀235核进行分支链式反应的程度。然而，还是会有一些铀238的原子核俘获中子。这样一来又会发生什么情形呢？

铀238俘获一个中子的直接结果当然就是变成更重的铀的同位素铀239。然而，人们发现，这个新形成的原子核并不能存在很长时间，它一个接一个地发射出两个电子，变成一个原子序数为94的新化学元素的原子。这种人造的新元素叫作钚（Pu-239），它比铀235更容易发生裂变。如果我们把铀238换成另外一种天然放射性元素钍（Th-232），它在俘获中子和释放两个电子后，就变成了另外一种人造裂变元素铀233。

因此，从天然可裂变元素铀235开始，进行循环反应，理论上和实际上都有可能将全部天然铀和钍变成可裂变物质，这些物质可作为浓缩的核能来源。

最后我们来粗略计算一下，未来可供人类用于和平发展或自我毁灭的战争中的总能量有多少。据估计，已知的所有天然铀矿中的铀235所蕴藏的核能的总量如果全部释放出来，可以满足世界的工业数年的使用需求。然而，如果我们考虑到将铀238转化为钚来使用的可能性，估计时间将延长到几个世纪。在考虑到把钍（转变成铀233）的蕴藏量增加到铀的四倍，进一步估计至少可用一到两千年，这足以让所有人不必担心“未来的原子能短缺”。

而且，即使所有这些核能资源都被用光了，并且也没有发现新的铀矿和钍矿，后代也仍然能够从普通岩石中获得核能。事实上，铀和钍与所有其他化学元素一样，都少量地存在于所有的普通物质中。比如每吨花岗岩中有4克铀、12克钍。乍一看可能太少了，但是如果算一算的话：1千克裂变物质所蕴藏的核能相当于2万吨TNT炸药爆炸时或2万吨汽油燃烧时放出的能量。因此，1吨花岗岩中的这16克铀和钍，就相当于320吨普通燃料。这就足以补偿复杂的分离步骤所带来的所有麻烦了，尤其是在矿产资源趋于枯竭的时候。

物理学家克服了铀等重元素核裂变中的能量释放后，又解决了称为核聚变的逆向过程，即两个轻原子核融合在一起形成一个重原子核，同时释放出巨大的能量的过程。在第十一章中读者们会看到，太阳的能量就来自氢核进行猛烈的热碰撞而合成较重的氦核这种聚变反应。为了实现这种所谓热核反应，以供人类应用，最合适的聚变物质是重氢，也就是氘，它在水里以少量形式存在。氘核含有一个质子和一个中子。当两个氘核相互碰撞时，会发生下面两个反应当中的一个：

氘必须处于高达数亿摄氏度的高温之下才能实现这种变化。

第一个成功的核聚变装置是氢弹，氢弹中的氘反应是由裂变弹的爆炸引起的。但是，一个更复杂的问题是如何控制为和平目的提供大量的能源热核反应，主要的困难是约束极热的气体——可利用强磁场使氘核不与容器壁接触（容器壁会融化和蒸发），并把它们约束在中心的热点区域。

【注释】

[1]由于较重的氯的含量为25%，较轻的氯的含量为75%，所以平均原子量是0.25×37+0.75×35=35.5。这正是早期化学家所发现的数值。

[2]原文为isotopes，来自希腊语 ijos，意为“平等”，tottos意为“地方”。

[3]通过原子量表，你会发现周期系统刚开始的一部分元素，其原子量是原子序数的两倍，这意味着这些原子核含有相等数量的质子和中子。在重元素中，原子量增加得更为迅速，这表明在这些元素的原子核内，中子数多于质子数。

[4]参阅M.玻尔的《原子物理学》（G.E.Stechert ＆ Co.，纽约，1935年）。

[5]参阅T.B.布朗的《现代物理学》（约翰威利父子出版社，纽约，1940年）。

[6]原子核周围的电场的存在对电子对的形成过程有很大的帮助，不过从原则上来讲电子对的形成可以在完全空虚无物的空间中进行。

[7]这种高能粒子的速度达到光速的99.999 999 999 999 9%。对它的来源最简单，但可能最合理的猜测，是它可能由宇宙间巨大的气体尘埃云（星云）的极高电势加速产生。事实上，我们可以预期，这样的星际云会以类似大气层中普通雷云的方式积累电荷，由此产生的电位差将远高于雷暴期间的云间雷击现象。

[8]这可以通过本章后面描述的核轰炸方法来实现。

[9]关于这一课题的最新实验证据表明，中微子的质量不超过电子的十分之一。

[10]克力的概念现已不使用。

[11]要记住，银的原子核既不会聚变，也不会裂变。

[12]卡路里是度量热能的热量单位，每克水升高1℃所需要的能量为1卡路里。1卡路里=4.186焦耳。

[13]例如，在铀中，每克物质每秒有几千个原子破裂。

[14]上述过程可用以下化学式表示：

[15]记录在布莱克特照片（本书未刊载）上的化学反应由以下方程式表示：

[16]该反应的方程式为

[17]该反应的方程式为

[18]这里发生的化学反应过程可以用以下方程式表示：
中子的产生：4Be9+2He4（米自镭的α粒子）
中子轰击氮原子：

[19]这些数值的选择完全是为了举一个例子，并不符合任何实际的元素的真实数据。

[20]关于更详细的讨论，读者可以参考塞利格·赫克特的书，这本书解释了1947年维京出版社首次出版的《原子解释》。由Eugene Rabinowtch博士修订和扩展的新版本可在Explorer平装本系列中找到。

[21]关于铀堆的更详细的讨论，读者可以参考有关原子能的专门书籍。