原子：我们的迷人好朋友

在1949年华纳兄弟出品的音乐电影《梦中情》（My Dream Is Yours）中，年轻的多丽丝·戴为了获得一档热门电台秀的主唱职位而参加了试音。她没有采纳经纪人（杰克·卡森饰演）的建议，演唱温柔的情歌来取悦赞助商，反而纵声演绎了一首节奏感十足的快歌，赞美了一项“新发明……像加法机般大……没有几个人见过它”。随着她的继续演唱，伴随着“嘀，嘀，嘀”的副歌，我们逐渐明白多丽丝·戴在歌颂一台盖格计数器，并将自己怦然跃动的心和它相类比。

5年后，在另一部电影中，铀矿勘探者米基·鲁尼在一台嘀嗒作响的盖格计数器的引导下来到一个原子弹测试点。在那里，核武器爆炸在即，对此毫不知情的他走进一间摆满人体模特的测试房内休息，在倒计时的时候还吃起了花生酱三明治。鲁尼甚至不用躲进冰箱模型，就成了核爆炸的幸存者。但暴露于放射性物质中的米基·鲁尼又出现在《原子小子》（The Atomic Kid）影片中，这位“原子小子”利用自己的新技能在黑暗中发光，并打出爆炸性的喷嚏，帮助美国联邦调查局（FBI）粉碎了一个间谍团伙的阴谋。

继米基·鲁尼在核武器测试基地遭遇不幸之后，1961年上映的影片《亚卡的野兽》（The Beast of Yucca Flat）对受到核辐射的后果展现也不甚准确，但却更加阴暗。在这部警示性影片中，前瑞典摔跤手托·约翰逊（来自外太空9号计划），意外闯入了一场原子弹试验约翰逊扮演叛逃的科学家约瑟夫·贾夫斯基，为了躲避追杀，他在原子弹即将爆炸之时来到了著名的沙漠亚卡试验基地。核爆炸产生的辐射将约翰逊变成了一个粗笨、愚蠢、嗜杀的怪物（尽管这副形象和爆炸前相差无几）。

毫无疑问，1946年8月，随着约翰·赫西的文章《广岛》（Hiroshima）在《纽约客》（New Yorker）上的发表，核辐射的真实后果已为公众所知。但是，在第二次世界大战刚刚结束的几年里，大众娱乐在很大程度上保持了对以原子能为动力的未来世界的乐观看法在1957年的电视节目《迪士尼乐园》（Disneyland）中，德国火箭专家海因茨·哈勃博士在其主演的《我们的朋友——原子》中，把原子能比作瓶中的精灵，它可以满足人类的三个愿望，让我们拥有更光明的未来。第一个愿望是能源，从电力的产生到原子能飞机；第二个愿望是食物和健康，包括用核辐射来进行食品消毒和治疗疾病；第三个愿望是智慧，即明智和平地利用核能。

1952年，《科利尔杂志》（Collier's Magazine）委托科学作家沃纳·冯·布劳恩、海因茨·哈勃和维利·莱等人撰写了一系列文章，预测未来的太空旅行。加上切斯利·博尼斯戴尔（他为《登陆月球》绘制了背景插图）和罗尔夫·克里普绘制的图片，这些文章被制作成三期杂志，随后又以“穿越宇宙边界”（Across the Space Frontier）为题被汇编成书。在这个系列文章里，原子能“妖精”将再次为空间站的运行提供能量，并使载人登陆火星任务成为可能。在瑞典前摔跤手发生令人恐惧的变异之前，人们的确有一种乐观的期待，那就是我们对原子的驾驭，加上对核物理的理解，能使科幻小说中的乌托邦成为现实。

尽管我们幸运地规避了“在黑暗中发光”的米基·鲁尼等可怕的变异人的出现，但我们也从未搭上原子能飞机。问题到底出在哪里呢？好吧，原子能飞机从一开始就是一个糟糕的主意。哈勃在戴尔公司发行的“迪士尼乐园电视节目”纸质视听指南中提及：“在航空领域，燃料的重量始终是令人沮丧的限制性因素。”（现在，令人沮丧的是喷气燃料的成本。但在1956年，没有人预见到廉价石油的终结。）尽管一个较小的核反应堆可以代替大质量的燃料，然而，为了防止乘客和机组人员遇难或受到辐射伤害而采用的必要防护设施，其重量会超过节省的燃料重量。哈勃建议用水做护盾，但这样一来，质量更大的飞机需要长达几千米的起飞跑道。只是为了避免在长途飞行中补充燃料便如此大费周章，似乎不值得。

与原子能飞机类似，有关原子能汽车的构想也胎死腹中。1957年，福特汽车公司推出了一款名为“核子”[1]的汽车，其内燃机被一个放在后备厢中的小型核反应堆取代。核裂变反应产生的热量会使水沸腾，产生的蒸汽将驱动涡轮机为轮子提供动力，同时提供电力，就像核电站一样。根据预测，在核反应堆能量耗尽之前，“核子”能够行驶8000千米。续航里程上的这种改进，补偿了驾驶人员受到核辐射的风险，以及交通事故对其他汽车驾驶员造成的伤害。尽管“核子”汽车从未投入生产，但在福特公布的3/8比例的模型中，乘客区后面为核反应堆工作的迷你冷却塔，以及尾部与车身等高的两个散热片，却非常醒目。

在水下运输领域，原子能的优势明显抵消了它在成本上的劣势。美国海军的第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺号”于1954年下水，从那时起，全球范围内有相当数量的潜艇舰队都以小型核反应堆为动力来源。儒勒·凡尔纳的小说《海底两万里》中的“鹦鹉螺号”是由来自海洋的电力所驱动的，其工作原理在小说中没有明确交代（“教授，”尼摩船长说道，“我的电并非人世间普通的电，这就是我想说的全部……”），但它能够航行较远的距离而不用补充燃料。（“两万里格”指的是“鹦鹉螺号”的航行距离，而不是它在水下的深度，这一深度约为9.6万千米。）由于潜艇仅应用于军事领域[2]，成本方面的限制几乎可以忽略不计。

与其他产生热量的方法相比，核能确实非常高效，至少与产生相同能量所需的化石燃料相比，核能很高效。问题出在细节方面，特别是核废料的处理。化石燃料的燃烧排放是有害的，但这种危害是逐渐形成的；而核废料的放射性危害立竿见影。要理解为什么原子核衰变与我们有关，我们首先要弄明白原子核是怎样保持稳定的。

在欧内斯特·卢瑟福等人进行高速阿尔法粒子（由两个质子和两个中子组成，本质上是一个氦原子核）穿透金属箔的实验中，他们发现在极偶然的情况下——大约万分之一的概率，阿尔法粒子会被金属箔完全反射回来。由此他们得出结论：原子内部的大部分区域是空的（现在我们知道，这些区域分布着电子的“概率云”），其中有一个很小的带正电荷的内核。正电荷必须位于原子的中心，因为只有集中的正电荷才能产生足够的排斥力，使得高速阿尔法粒子（本身带两个正电荷）的运动方向发生偏转。考虑到只有万分之一的阿尔法粒子的运动方向发生明显的偏转（因为需要直接碰撞才能将阿尔法粒子完全反向弹回）[3]，这个原子核应该很小，事实上，只有原子直径的万分之一。

原子中的正电荷聚集在原子核内，这一结论解决了原子的结构问题，但也引出了另外一些问题。化学研究表明，原子中正电荷的数量（与电子所带负电荷的数量相等）决定了它的化学性质。氢原子的原子核内有1个质子，氦原子有2个质子，碳原子有6个质子，金原子有79个质子。电子的质量大约是质子质量的两千分之一，因此原子的全部质量几乎都来自原子核。但是，原子的质量并不等于质子的质量。氢原子的质量与1个质子的质量相同，但是氦原子的质量等于4个质子，碳原子的质量等于12个质子，金原子的质量则相当于197个质子。

为什么氦原子的原子核内只有两个正电荷，而其质量却是氢原子的4倍？有一段时间，物理学家们曾认为原子核内既包含质子也包含电子，也就是说，一个氦原子的原子核由4个质子和2个电子组成。如果是这样，它的质量将是只有一个质子的氢原子质量的4倍，与观测结果一致；它的总电荷为+4-2=+2，也与实验结果相符。由于电子的质量比质子小得多，当时的测量手段还不精确，所以无法排除这种可能性。

科学家们进行了相关实验，来研究原子核磁场以及磁场对原子内电子吸收光的方式的影响。他们的结论是，以氦原子核为例，它不可能由4个质子和2个电子组成。相反，氦原子核内必须有两个质子和两个其他粒子，这种粒子的质量与质子相同，但是不带电荷。1932年，詹姆斯·查德威克用阿尔法粒子轰击铍时，发现了原子的新组成成分：中子。就这样，原子核的秘密被揭开了：原子是由质子和中子构成的原子核，以及绕着原子核运动的核外电子组成的。

但接下来，我们要面对的是一个更具挑战性的谜题。众所周知，正电荷之间会互相排斥（毕竟，这是卢瑟福发现原子核的基础），那么为什么原子核中带正电的质子不会飞离彼此呢？答案是，它们确实想飞离彼此。质子“感受”到的来自原子核内外的静电力是相同的它们停留在体积较小的原子核内，这意味着它们还受到另一种更强大的力的作用，这种力阻止它们离开原子核。考虑一下每种元素的质量较大的成员，可以找到有关这种力的一条线索，这些成员被称为“同位素”。原子核内质子数相同（这使它们具有相同的化学性质），而中子数不同（因此具有不同的质量）的两个原子互为同位素。氢元素的同位素中都含有一个质子，并且含有0、1或2个中子。[4]但是，氦或其他任何元素的同位素，都不能在拥有两个或更多质子的同时而没有中子。这表明，原子核内的中子对于使原子核保持稳定的“强力”的形成，起到举足轻重的作用（这里的“强力”就是我们在第5章中提到的“强力”）。

这种“强力”比电磁作用强多少呢？如果这种力比静电力大10倍，将很难形成像硅（含有14个质子）或者钛（含有22个质子）这样的重元素。如果这种力比静电力强1000倍，那么我们可能会看到原子核中有几百个质子的元素，但我们没有看到这种情况。地球上发现的最重的天然元素是有92个质子的铀，这表明这种能够维持原子核稳定的强吸引力，大约比质子之间的静电力强100倍。

可是，铀也是不稳定的，如果你等待足够长的时间，所有的铀都会经过所谓的“放射性衰变”，转变为原子量较小的元素。铅有82个质子和125个中子，是不会衰变的原子量最大的元素，因此是稳定的。你可以构建更重的原子核，但如果质子和中子搭建的“积木塔”过高（每多出一个质子，就意味着要有更多的中子使它们聚在一起），轻微的扰动就会使塔倒塌。一旦发生这种情况，原子核将以高能光子（伽马射线）或高速亚原子粒子（如电子、质子或阿尔法粒子）的形式发出辐射，损失能量。

事实上，一些较大的原子核极不稳定，你只需轻轻一击，便可将它们击散。在20世纪50年代中期，诱使米基·鲁尼进入原子弹测试点的贵重的铀，就是这样一种元素。19世纪末的一本字典将铀描述为“一种沉重且一文不值的金属”。然而到了1938年，奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼使一个铀原子核发生分裂，从此，人们对铀的认识彻底改观。

核裂变是让一个质量大的原子核分裂成两个质量大致相等的原子核的核反应形式。事实证明，为了让一个铀原子核发生分裂，必须用缓慢移动的中子温和地撞击它。电子太轻，不会造成太大的破坏，而质子或带正电的阿尔法粒子会被铀原子核的大量正电荷排斥而发生偏转，不能到达足够近的位置，所以无法对原子核造成任何伤害。因此，直到1932年查德威克发现中子，人们才找到了轰击铀原子的合适工具。

然而，在查德威克实验的放射性衰变过程中释放出的中子能量太高了。快中子具有很大的动量，根据德布罗意的物质波假说，动量越大，物质波的波长越小。在原子中发现原子核始终是一个难题——如果电子的概率云等于原子的“大小”，它和你拇指的指甲盖一样大，那么原子中的原子核比拇指指甲盖的一个细胞还要小。1937年，意大利物理学家恩利克·费米发现，当一束中子击中一块石蜡时，由于与大的石蜡分子相撞，中子的移动速度减慢，但不会像轰击同等大小的铅那样停下来。中子移动得越慢，动量越低，物质波的波长越大。物质波越长，中子就越有可能与原子核的物质波交叠。就像夜晚中的你在花园漫步，倘若你将双臂伸开，而不是将它们垂放于身体两侧，你的身体碰到灌木丛的可能性更大。(www.chuimin.cn)

如果中子击中铀原子核，那么原子核内的强力将有可能捕获这个中子（回想一下，强力的作用范围很小，中子必须恰好在原子核中才能受到强力的作用），使铀原子核稍微变重。但是，铀原子核中质子和中子的堆叠勉强处于稳定状态，额外增加一个中子将使原子核不堪重负。因此，这样的原子核通常会坍缩成两个更小的原子核（典型生成物是Kr氪，有36个质子和48个中子；以及Ba钡，有56个质子和81个中子；也会检测到其他的裂变产物），同时释放出两三个移动更加缓慢的中子[5]，并以更小原子核的动能和伽马射线的形式释放出能量。

核裂变产物的动能从何而来？答案是来自静电吸引力。即使物体间相距甚远，万有引力和电磁力仍然可以发挥作用（尽管距离越远，力越弱）；而当作用长度大于中子的直径时，保持原子核形态的强力就不再起作用了。因此，一旦两个大的原子核碎片在铀裂变过程中分离，就不再有强力将它们拉紧。但是，氪原子核中的36个质子与钡原子核中的56个质子互相排斥，因为它们起初靠得很近，它们之间的排斥力很大。原子核裂变产物的动能造成了核爆炸的可怕破坏力，这种动能来自基本的静电力。像铀或钚这样的元素比轻元素更容易分裂，但如果强力被关闭，即使是暂时的，所有的物质也会发生剧烈爆炸。

“放热”是许多化学反应的产物，比如炸药爆炸。我所说的“放热”是指反应产物的动能比初始反应物要大。几乎所有化学反应都以电子伏特为基准能量单位，其范围大约是10电子伏特到零点几电子伏特。（有时化学反应的能量是零点几电子伏特；而在另一些情况下，由于所处化学反应的环境不同，化学反应的能量可能是10电子伏特，甚至更多。）相比之下，一个铀原子核分裂成两个更小的原子核，能释放出大约2亿电子伏特的能量。因此，裂变原料中每个原子在核裂变过程中释放出的能量，都比化学反应要高得多。不过，从单个铀原子中释放出的2亿电子伏特，比蚊子叮咬更不易察觉。如果聚集几千万亿个铀原子，尽管它们的总重量只有几千克，但它们释放出的能量却是毁灭性的，相当于两万多吨炸药释放出的能量。

1.36千克铀原子是危险的，但0.68千克铀原子却不危险，这是为什么呢？铀原子核捕获一个慢速移动的中子并裂变成两个较轻的原子核后，它会释放出两三个慢速移动的中子。因此，一个铀原子的衰变为另外两个铀原子核的裂变提供了条件，这两个铀原子又会分别造成两个铀原子核的衰变。从单个原子的核裂变开始，大量额外的原子将在链式反应中被诱发衰变，但前提是，第一个铀原子释放出的中子击中了其他原子核。别忘了，原子内的大部分区域都是空的，而且原子核的直径只是原子直径的万分之一。如果衰变的铀原子周围没有足够数量的其他原子，衰变将保持在低水平，这种衰变能够提供能量（对于核电站很有用），但不足以引发链式反应。

原子弹制造的诀窍在于，让两个质量均小于“临界质量”（这一质量可以保证链式反应的进行，因而被定义为“临界质量”）的铀块迅速合为一体，使反应不断继续。引发链式反应的关键不是质量，而是铀原子的数量。足够多的铀原子使得释放出的中子很有可能击中另一个原子核并引发另一个核裂变反应。在这种情况下，几千克铀就可以灭绝几平方千米范围内的生物，并且在更远的地方仍可以造成大面积的破坏。

在20世纪50年代初期，如果父母花费50美元购买“吉尔伯特铀238原子能实验室”，孩子们就能够学习所有关于放射性元素的知识。这套工具是化学实验组合的核物理版本，具有品种齐全的放射源，能够发射阿尔法、贝塔和伽马射线，一个盖格计数器，以及一个迷你云，用来观察高速放射性粒子的运动轨迹。工具箱内还有一本指导手册，以及一篇题为《看看大梧如何让原子分裂》（Learn How Dagwood Splits the Atom）的知识性漫画。这篇漫画式文章在科学方面的表达深入精确，乔·康西丁为这篇文章写了引言，他是一家国际新闻机构的记者，报道过比基尼环礁核试验，并为1947年关于原子能的纪录片《原子弹的秘密》（The Beginning or The End）撰写了剧本；曼哈顿计划的军事工程负责人莱斯利·格罗夫斯中将为这篇文章撰写了前言。在这篇文章的漫画故事中，魔术师曼德里克将大梧·巴姆斯特德和他的妻子布兰迪，以及他们的孩子和狗缩小到亚原子尺寸，使他们能够和大力水手、奥利弗以及小屁孩一起，目睹原子核衰变和链式反应内部运行机理。图9-1展示的是这个漫画故事中的一页，即使有大力水手的帮助，大梧也难以克服将铀235原子核聚在一起的强力。尽管如此，当他使用一个“中子火箭筒”恰好击中原子核时，就引发了核裂变的链式反应。

图9-1《看看大梧如何让原子分裂》中的一页。魔术师曼德里克将大梧·巴姆斯特德和他的家人缩小到亚原子尺寸，在大梧抱起他的女儿试图快速离开核反应堆时，魔术师叙说着铀原子核裂变引发的链式反应的原理

1945年8月7日，世界各地的人们都从当地的报纸上读到了前一天美国军方成功地在日本广岛引爆一颗原子弹的消息，但这并不是原子武器第一次进入公众视野。图9-2展示的是1929年刊登在报纸上的一组巴克·罗杰斯的漫画。巴克·罗杰斯和他的同事们乘坐的潜艇被一条巨型章鱼紧紧抓住，对他们而言，重获自由的唯一机会就是利用原子鱼雷可怕的破坏性潜能将自己炸飞。比“曼哈顿计划”早了16年，连环漫画《巴克·罗杰斯，公元2429年》（Bauck Rogers，2429A.D.）的作者菲利普·弗朗西斯·诺兰和迪克·卡尔金斯就自信地认为，他们的读者会明白原子鱼雷是常规水下导弹的威力增强版。

图9-2　在1929年日报报业集团的漫画连载中，巴克·罗杰斯发射一颗“原子鱼雷”造成的毁灭性结果

此外，在通俗冒险类杂志中，早在美国轰炸广岛和长崎的6年前，日本也已经知道原子武器毁灭一个大城市的能力。在1939年9月出版的《特工人员5号》（Secret Service Operator No.5）杂志的第47期中，美国受到了入侵部队“黄色秃鹫”的攻击，这支部队隶属于日本帝国。在一个名为“黄色秃鹫的尸体骑兵”的故事中，“黄色秃鹫”军队用一颗原子弹将华盛顿特区夷为平地，杀死了美国总统、特工Q-6（特工人员5号的父亲）和大多数华盛顿的政客。

1914年，赫伯特·乔治·威尔斯在他的科幻小说中使用了“原子能”（atomic）一词。这是在小说中用“原子能”一词修饰武器，以表示武器的杀伤力被增强的最早记录之一。威尔斯在《解放全世界》（The World Set Free）一书中，描写了原子弹从无噪声的原子能飞机上掉落，表现出可怕的毁灭性力量的场景。

那么，普通大众是如何在曼哈顿计划出现的几年前就知道“原子能武器”的呢？这在一定程度上要归功于弗雷德里克·索迪的著作，此人是欧内斯特·卢瑟福进行原子核放射性早期研究时的同事。索迪写了一系列科普读物，其中最著名的是1909年出版的《镭的阐明》，它是当时的畅销书。赫伯特·乔治·威尔斯对这本书印象深刻，他在《解放全世界》这部小说中使用了“原子能武器”的概念，这种武器仅几千克重，却能释放出巨大能量，并造成致命的辐射伤害。在威尔斯的小说中，一场爆发于欧洲国家和美国之间的原子能战争，催生了原始联合国。幸存的世界各国领导人决定建立新的世界秩序和一个世界政府。

1932年，这部小说给一位特殊的读者留下了深刻印象。威尔斯对世界政府的构想，以及对可怕的原子能武器的描述，令匈牙利物理学家利奥·西拉德感到兴奋。这位威尔斯小说的爱好者的能力很强，他在1933年构想出第一个可能的原子核链式反应（他在1934年为它申请了专利，比哈恩和斯特拉斯曼第一次让铀原子核分裂早了4年）1939年，西拉德起草了一封信，由他本人和爱因斯坦签名后，寄给了当时的美国总统富兰克林·罗斯福，强烈建议美国发展原子能武器计划，并最终促成了曼哈顿计划的实施。因此，索迪为一般读者撰写的科普读物，激发了赫伯特·乔治·威尔斯的灵感，使其在自己的科幻小说中提出了原子能武器的可行性；威尔斯的小说又直接推动了现实世界中原子弹的制造。当出版商雨果·根斯巴克在1926年推出科幻通俗杂志《惊奇故事》时，他在创刊号中再次刊登了威尔斯创作的一篇经典小说。根斯巴克是否对他的杂志的座右铭“今日奇谈怪论……明日冷酷现实”有清晰的认识？现在看来，这一点很值得怀疑。

[1]物理学家用一个“核子”来定义原子核内的一个粒子，可以是一个质子或者一个中子。

[2]迪士尼乐园节目《我们的朋友——原子》的赞助商是通用动力公司，它也是核潜艇制造商。

[3]假设阿尔法粒子在撞击原子核之前被静电力排斥。

[4]为了使原子核保持稳定，中子和质子必须在数量上达到一种平衡状态——因此，像氢元素的同位素，具有一个质子和两个中子，可能是不稳定的，并且会“衰变”，这一点我们很快就会提到。

[5]取决于铀原子核裂变过程中形成的具体的衰变碎片。不稳定的铀原子核究竟如何衰变为更小的原子核，这是一个复杂的过程。