物理世界奇遇记12

在细胞核内

汤普金斯先生的下一堂课将致力于原子核的内部结构。现在教授开始他的演讲。

女士们先生们，

随着我们越来越深入地研究物质的结构，是时候用我们的智慧之眼去尝试观察原子核的内部了。原子核内部是一个神秘的区域，仅占原子本身总体积的几亿分之一。虽然这个新研究领域的规模非常小，但我们会发现它有非常大的活动。事实上，原子核毕竟是原子的心脏。虽然它的体积只占原子总体积的10-15%，但它却占原子总质量的99.97%。

当我们从原子的薄电子云进入核区时，我们会立即被粒子的极度拥挤状态所震惊。平均而言，在原子大气中，电子的运动范围比它自身的直径大几十万倍，而住在原子核内的粒子确实是一个接一个地挤在一起，充满了原子核，只是不情愿地移动。从这个意义上说，原子核内的景象与普通液体非常相似，但我们现在遇到的不是分子，而是比分子小得多的粒子，即所谓的质子和中子。这里应该指出的是，虽然质子和中子有不同的名称，但人们现在把它们看作是同一重基本粒子的两种不同的带电状态，即所谓的“核子”。质子是带正电的原子核，中子是电中性的原子核。至于原子核的几何尺寸，它们与电子没有多大区别，直径约为10-12厘米。然而，原子核比电子重得多。在天平的一端放置1840个电子，另一端放置一个质子(或中子)进行平衡。正如我已经说过的，构成原子核的粒子彼此紧密堆积在一起，这是由某种特殊的核内聚力(强核力)决定的。这个力非常类似于作用在液体分子上的力，就像液体的情况一样，虽然这个力可以阻止粒子完全分离，但它不能阻止粒子的相对位移。这样，核物质具有一定程度的流体性质，当它不受任何外力干扰时，它总是像普通的水滴一样呈球形。在我现在展示的图上，你可以看到几个不同的由质子和中子组成的原子核。最简单的是氢原子核，它只包含一个质子，而最复杂的铀原子核包含92个质子和142个中子。当然，你应该把这些数字看作是真实情况的高度公式化的图表，因为根据量子理论最基本的测不准原理，每个原子核的位置实际上“分散”到整个核区域。

正如我说过的，构成原子核的粒子被强大的内聚力结合在一起。然而，除了这种吸引力之外，原子核中还有另一种力，它的作用方向与吸引力相反。事实上，占核成员总数大约一半的质子带正电，并由于库仑静电力而相互排斥。对于较轻的原子核，由于电荷相对较小，这种库仑排斥作用是不显著的。然而，当原子核相对较重并带有大量电荷时，库仑排斥将与强核引力激烈竞争。核力是只作用于相邻原子核之间的短程力，而静电力是长程力。这意味着原子核周围的质子只被邻近的原子核吸引，而被原子核中的所有其他质子排斥。当原子核中质子的数量增加时，排斥力变得越来越强，但吸引力并没有随之增加。因此，当质子超过一定数量时，原子核就不再稳定。它倾向于排出一些成分。这就是元素周期表末尾的许多元素所发生的情况，即所谓的“放射性元素”。

你可以从上面的描述中得出结论，这些不稳定的重核将发射质子，因为中子不携带任何电荷，所以它们不是被库仑排斥所排斥的物体。然而，实验告诉我们，发射的粒子实际上是所谓的“阿尔法粒子”(氦核)，它是由两个质子和两个中子组成的复合粒子。这一事实应该用核成分的特殊组合来解释。原来，两个质子和两个中子结合成α粒子是特别稳定的。因此，一次抛出整个粒子质量要比将其分裂成质子和中子容易得多。

你可能知道，放射性衰变首先是由法国物理学家贝克雷尔发现的。著名的英国物理学家卢瑟福将其解释为原子核自发嬗变的结果。关于卢瑟福，我以前在谈论其他问题时也提到过。由于他在核物理方面有许多重要发现，他对科学做出了巨大贡献。

阿尔法衰变过程最重要的特征之一是，阿尔法粒子通常需要很长时间才能找到离开原子核的“方法”。就铀和钍而言，这个时间大约是几十亿年，就镭而言，大约是16个世纪。此外，尽管一些元素在几分之一秒内衰变，但与原子核内的运动速度相比，它们的整个寿命仍然可以被认为非常长。

那么，是什么力量使得阿尔法粒子有时会在原子核中停留数十亿年呢？此外，既然它已经停留了这么长时间，为什么它最后又发射了呢？

为了回答这个问题，我们必须先简要地谈谈凝聚引力和静电排斥力的相对强度，它们作用于粒子，使粒子与原子核分离。卢瑟福用所谓的“轰击原子”的方法对这两部杰作进行了详细的实验研究。卢瑟福在卡文迪许实验室做了一个著名的实验。他让一束从放射性物质中发射出来的快速移动的α粒子撞击该物质，并观察到这些原子外壳由于与被轰击物质的原子核碰撞而发生的偏转(散射)。这种实验证明了这样一个事实，当这些壳远离原子核时，它们被核电荷的长程静电排斥力强烈排斥，但是如果它们能到达非常靠近原子核区域的外部，这种排斥力将被强引力所取代。可以说，原子核有点像被又高又陡的墙包围的堡垒，既不允许粒子从外面进入，也不允许粒子从里面逃逸。然而，卢瑟福实验的最令人惊讶的结果是，无论是在放射性衰变过程中发射的阿尔法粒子还是从外部注入原子核的壳层，它们的实际能量都太小，无法越过这堵墙，这就是我们物理学家们常说的“屏障”这是一个与经典力学的所有概念完全矛盾的事实。真的，如果滚一个球所用的能量远远小于到达山顶所需的能量，你怎么能指望它滚过山顶呢？在这种情况下，经典物理学不得不瞪大眼睛，假设卢瑟福的实验肯定有某种错误。

事实上，这里没有错误。如果这里有任何错误的话，不是卢瑟福犯了这个错误，而是经典力学本身。加莫夫、格尼和康登同时澄清了这种情况。他们指出，只要从量子论的角度考虑这个问题，就不会有问题。事实上，我们已经知道，今天的量子物理学并没有认识到经典理论非常明确和弯曲的轨道，而是用幽灵般的模糊轨道代替了它们。此外，就像古代传说中的鬼魂可以毫无困难地穿过古代城堡厚厚的石墙一样，这种幽灵般的轨迹也可以穿透从古典角度来看完全无法穿透的屏障。

请不要认为我在开玩笑。能量不足的粒子穿透势垒的可能性实际上是新量子力学基本方程直接给出的数学结果。它代表了新旧运动概念之间最显著的差异之一。然而，尽管新的机制允许这种不寻常的效应发生，但只有在严格的限制下才允许这样做:在大多数情况下，穿越障碍的机会非常小，而且受限的粒子在最终成功之前必须撞击墙壁多次(次数太多，难以置信)。量子理论为我们提供了一些计算这种逃逸概率的精确公式，现在已经被事实证明了。我们观察到的α衰变周期与这一理论预测完全一致。即使是那些从外面注入原子核的壳层，量子力学的计算结果也与实验非常一致。

在进一步讨论之前，我想给你们看一些照片，这些照片展示了被高能原子炮弹击中的几个原子核的衰变过程。

第一张是旧云室的照片。我应该解释一下，因为这些亚原子粒子非常非常小，人们不能直接看到它们，即使是用倍数最大的显微镜。因此，你永远不会想到我能给你提供他们的真实照片。然而，事实并非如此。我们可以用一些巧妙的方法做到这一点。

请想象一下高速飞机留下的蒸汽痕迹。飞机本身可能飞得很快，所以很难看到它。事实上，当你想看的时候，它可能根本就不存在。然而，我们可以从它留下的蒸汽痕迹中知道它的下落。威尔逊就是以这种简单的方式把亚原子粒子变成了“可见的”。他建造了一个包含气体和水蒸气的观察室，然后用一个活塞突然给气体充气。这将立即降低室内温度，从而使蒸汽过饱和。所有这些蒸汽都倾向于形成云。然而，云不会无缘无故地开始形成。一定有一些中心，蒸汽可以在那里附着并凝结成小水滴。否则，水滴不会在一个地方开始形成(但不会在另一个地方)。在云形成的过程中通常会发生的是，大气中存在的尘埃粒子成为蒸汽附着并开始凝结的首选中心。然而，威尔·孙云房间的聪明之处在于他清理了所有的灰尘。那么，小水滴会在哪里形成呢？当时人们最初发现，当带电粒子穿过介质时，它会电离路径上的原子(也就是说，它会从这些原子中敲出一些电子)。这些电离的原子是很好的凝聚中心，并依靠它们形成越来越大的水滴。因此，在云室中发生的事情是，只要带电粒子穿过它(同时留下一串电离的原子)。然后，一串小水滴会在云室中形成。这些小水滴将在几秒钟内变得非常大，这样人们就可以看到它们并拍摄它们。我现在挂的照片就是发生这种情况时的照片。

如你所见，许多小水滴串出现在图的左侧。每一串都是由图中未示出的强α射线源发射的α粒子引起的。大部分阿尔法粒子穿过我们的视野，没有发生严重的碰撞，但是其中一个粒子(也就是图中中心线下方的弦)正好击中了一个氮核。阿尔法粒子的轨迹在碰撞点结束。正如你所看到的，在这一点上还有另外两条轨迹:飞向左上的更细的长轨迹是由氮原子核撞击的质子留下的，而更粗的短轨迹代表了原子核本身的反冲。然而，它不再是氮核，因为氮核在失去一个质子并吸收入射的α粒子后，已经转变成氧核。因此，我们现在使用“炼金术”将氮转化为氧和副产品氢。我给你看这张照片的原因是因为这是第一张人工改变元素的照片。这是卢瑟福的学生布莱克特拍的。

这张照片中显示的核嬗变是今天实验物理学研究的数百个核嬗变中的一个典型例子。在所有这些被称为“替换核反应”的核嬗变中，一个入射粒子(质子、中子或阿尔法粒子)进入原子核，击倒另一个粒子，并替换粒子本身。我们可以用α粒子代替质子，用质子代替α粒子，用中子代替质子，等等。在所有这些嬗变中，反应过程中产生的新元素是元素周期表中被轰击元素的邻居。

直到第二次世界大战前夕，两位德国化学家哈恩和斯特劳斯曼才发现了一种全新的核变化，其中一个重核分裂成两个大致相等的部分，并释放出极其大量的能量。在下一个活动挂图中，你可以看到两片铀原子核从一个非常薄的铀箔中以相反的方向飞出。这种现象被称为“核裂变反应”，是在铀受到中子束轰击时首次发现的。然而，人们很快发现元素周期表末尾的其他元素也有类似的性质。

看起来这些重核确实处于稳定的边缘，所以尽管中子撞击只提供了很小的刺激，但足以将它们一分为二。就像一滴太大的水银，它被分成更小的几滴。重核具有这种不稳定性的事实让人们思考如何解释为什么自然界只有92种元素。事实上，任何比铀重的元素都不能长期存在。在没有任何外部刺激的情况下，它们会立即自发分裂成许多小得多的碎片。

从实用的角度来看，核裂变现象是非常有意义的。它可能变成核能:当重核分裂时，它们以辐射和快速运动的粒子的形式释放能量。一些发射的粒子是中子。它们会进一步导致相邻原子核的裂变，进而导致更多的中子发射出来，产生更多的裂变，这就是所谓的链式反应。只要有足够的铀材料(我们称之为临界质量)，发射的中子就有足够高的概率撞击其他原子核并引起下一轮裂变，从而允许裂变过程自动继续。事实上，这可能演变成一个爆炸反应，在几分之一秒内释放出储存在这些原子核中的所有能量。这是第一颗原子弹的原理。

然而，连锁反应不一定会导致爆炸。在严格控制的情况下，这一过程还可以适度持续，并稳定地释放一定量的能量。这正是核电站发生的事情。

铀等重元素的核裂变并不是发展核能的唯一途径。使用核能还有一种完全不同的方式。这是将最轻的元素(如氢)合成为较重的元素。这个过程被称为核聚变。

当两个轻核接触时，它们会聚集在一起，就像小碟子上的两个小水银滴。这只能在非常高的温度下发生。否则，静电排斥力将不允许彼此靠近的轻核相互接触。然而，当温度达到数千万摄氏度时，静电排斥不再能阻止轻核相互接触，于是聚变过程开始了。最适合聚变反应的原子核是氘，它是重氢的原子核。重氢很容易从海水中提取。

现在你可能会想:为什么核聚变和裂变能释放能量？重点是中子和质子的某些组合比其他组合结合得更牢固。当从一个松散结合的组合变成一个更有效的核结合的组合时，一些多余的能量会被释放出来。结果发现，重铀原子核的束缚相当松散；因此，它可以分成更小的组，并转化成几个更强的组合。然而，在周期表的另一端(轻元素的一端)，是一个较重的原子核组合，被牢牢地束缚着。例如，由两个质子和两个中子组成的氦核束缚得非常紧。因此，如果我们能试图迫使几个分离的原子核或氘碰撞并结合成氦，就能释放出一些能量。

氢弹就是根据这个原理制造的。当氢弹爆炸时，氢通过包括聚变在内的一些反应转化为氦，此时释放出更多的能量。因此，氢弹的威力比裂变产生的第一代核武器大得多。不幸的是，科学家已经证明，和平利用氢弹的能量要困难得多——要建成一座使用聚变能源的民用核电站，还有很长的路要走！

然而，太阳毫无困难地做到了这一点。氢向氦的持续转化是太阳的主要能量来源。过去，太阳已经成功地将这种反应保持在一个稳定的速度上50亿年了，而在未来，它将再保持50亿年。

在质量比太阳大的恒星上，由于内部温度较高，发生了许多进一步的聚变反应。这些反应将氦转化为碳，碳转化为氧等。直到它们变成铁元素。到达铁原子后，聚变反应就没有可用的能量(在中等质量的元素中，核结合相对牢固)。因此，为了获得有用的能量，我们必须依靠相反的过程——像铀这样的重核的裂变。

乔治·加莫夫