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是誰敲開了那扇神秘的門?
2017-09-21 |文章來源: 小溪| 瀏覽次數:  |

  1911年,盧瑟福通過著名的α散射實驗發現原子內部有一個小小的核心——被稱為原子核,原子核擁有原子的絕大部分質量,并攜帶正電荷。但當時人們對原子核的內部構造還一無所知,探索原子核的內部結構成為物理學研究的熱門課題。

  只是,原子核如此神秘,很多實驗都無法取得進展,如同有扇大門緊閉,阻擋著人們進入原子核內部去探秘。直到20世紀30年代,一種新的粒子——中子被發現了,這才敲開了這扇神秘之門,原來原子核是由中子與質子組成的。

  中子的發現不僅是原子核內部結構研究的一個重要里程碑,也為后來人類能夠利用核能打下了極為重要的基礎,也可以說:“中子”敲開了人類進入核能時代的大門。

  對了,最近刷了屏的“中國散裂中子源首次打靶成功”新聞報道中,“散裂中子源”的那個“中子”,正是敲開原子核秘密之門的“中子”。

  盧瑟福的預言

  第一次世界大戰的爆發使許多科學研究被迫中斷,直至1918年11月戰爭結束,科學家們才陸續回到自己的實驗室。

  1919年,盧瑟福(Ernest Rutherford)應邀擔任英國劍橋大學卡文迪什實驗室主任,他用α粒子轟擊干燥的氮氣,擊中氮原子核,使氮轉化為氧,并釋放出一個質子,實現了人類歷史以來第一次人工核反應。

盧瑟福(圖片來自網絡)

  盧瑟福的實驗證明了原子核內部有質子,但實驗中存在著一些無法解釋的現象。原子的質量近似于質子質量的整數倍,因此,根據原子核的電荷量應該能推斷出原子核內的質子數。用這個概念解釋氫原子核很合適,但對氦原子就不好解釋了。氦原子有兩個電子,按說核內應該有兩個質子,質子與電子的正負電荷才能正好抵消。問題來了,氦原子核比氫原子核重4倍,如果氦原子核由4個質子構成,那多余的兩個正電荷是怎么抵消的呢?其它更重的原子核就更無法解釋了。為解釋實驗中存在的矛盾,盧瑟福想到原子核中可能并非只有質子這唯一的基本成分。

  1920年,盧瑟福首次提到原子核里中性子的概念。他在皇家學會貝克里安講座的演講中提出:也許在原子核這樣微小的范圍內,多余的質子吸引了核外電子,形成了一種質量與質子相近的中性粒子。

  由于當時實驗中用的α粒子是利用鐳的自然衰變產生的,能量不高,始終無法擊碎原子核。在有了粒子加速器后,也因當時的加速器能量不夠高,轟擊原子核的嘗試一直沒能取得大進展,原子核的神秘大門并未打開。

  查德威克發現中子

  查德威克(James Chadwick)是盧瑟福的學生。1932年,他精心設計了一個實驗,用α粒子轟擊鈹,再用鈹產生的射線轟擊氫、氮,結果打出了氫核和氮核,他測量了被打出的氫核與氮核的速度,由此推算出了這種新粒子的質量。他認為,只有假定從鈹中放出的射線是一種質量跟質子差不多的中性粒子才能解釋,這種粒子不帶電,就被稱為“中子”了。

查德威克(圖片來自網絡)

  查德威克證實了盧瑟福的預言。中子的發現,才使人們了解原子核是由中子與質子組成的,這個發現具有重大科學意義,不僅是原子核內部結構研究的一個重要里程碑,也為后來人類能夠利用核能打下了極為重要的基礎,也可以說:“中子”敲開了人類進入核能時代的大門。查德威克因此獲得1935年的諾貝爾物理學獎。

  用中子當“炮彈”

  中子發現后,原子核由質子和中子構成的理論假設被科學界普遍接受。中子不帶電荷,很容易接近原子核并被吸收,科學家們由此想到可以用中子作為“炮彈”來轟擊各種元素的原子核,便有了一系列重要發現,20世紀30年代也被譽為是核物理學發展的黃金時代。

  當時,費米(Enrico Fermi)和同事用中子轟擊了周期表中的所有元素,并辯認了因此而產生的具有放射性的元素。他們觀察到:把中子源和被轟擊的物體放在大量石蠟中,放射性會增加很多倍。

費米(圖片來自網絡)

  費米用“慢中子”解釋這一現象。他認為,由于質子和中子的質量相等,所以當快中子與靜止的質子發生碰撞時,快中子損失能量變為“慢中子”,慢中子與重原子核的反應截面比快中子大得多。慢中子的發現為后來研究重核裂變的鏈式反應和原子核反應堆的理論設計奠定了基礎。費米獲得了1938年度的諾貝爾物理學獎。

  哈恩(Otto Hahn)和斯特拉斯曼(FritzStrassmann)于1938年進行了中子撞擊鈾的實驗,首次實現了中子誘發的鈾裂變。

哈恩

斯特拉斯曼(圖片來自網絡)

  鏈式反應

  奧地利的梅特納(Lise Meitner)和她的侄子弗瑞士(Otto Robert Frisch)認為:玻爾(Niels Henrik David Bohr)提出的原子核的液滴模型,很好地解釋了重核的裂變。玻爾設想原子核像一滴水,當外來的中子闖進這個“液滴”時,“液滴”會發生劇烈的震蕩。它開始變成橢圓形,然后變成啞鈴形,最后分裂為兩半。不過,這個過程的速度可快得驚人。

 

梅特納

弗瑞士(圖片來自網絡)

  對此也很感興趣生物學家阿諾德說,如果原子核就像一滴液滴,被中子擊中以后分裂成為兩個原子核,這種情形很像顯微鏡下看到的細胞繁殖時的分裂現象。

顯微鏡下細胞繁殖時的分裂(圖片來自網絡)

  梅特納和弗瑞士為此很受啟發,當時他們正在尋找一個合適的名詞,來表示原子核被打破而分裂的現象,于是決定采用用細胞分裂的“分裂”(英文中,原子核的“裂變”和細胞“分裂”都是fission)這個名詞,來表示原子分裂,把它稱做“核裂變”,或“原子分裂”。

  梅特納用數學方法分析了實驗結果。她推想鋇和其它元素就是由鈾原子核的分裂而產生的。但當她把這類元素的原子量相加起來時,發現其和并不等于鈾的原子量,而是小于鈾的原子量。說明在核反應過程中,發生了質量虧損。梅特納認為,這個質量虧損的數值正相當于反應所放出的能。根據愛因斯坦的質能關系式她算出了每個鈾原子核裂變時會放出的能量。弗瑞士想用實驗來證實這種設想,他也用中子轟擊鈾,當中子擊中鈾核時,能觀察到那異常巨大的能量幾乎把測量儀表的指針逼到刻度盤以外。弗瑞士與梅特納于1939年2月在《自然》雜志上發表了他們的報告。

  鈾核分裂產生的這個能量,比相同質量的化學反應放出的能量大幾百萬倍以上。這種新形式的能量就是原子核裂變能,也稱核能,或原子能。當時只注意到釋放出驚人的能量,忽略了釋放中子的問題。稍后,哈恩、約里奧·居里及哈爾班等人又有了更重要的發現:在鈾核裂變釋放出巨大能量的同時,還放出兩、三個中子來。

鈾核裂變釋放巨大能量的同時釋放出中子示意圖(圖片來自網絡)

  這個發現可實在驚人,如果說原子核數量足夠多,重元素的體積和重量足夠大的話,那么裂變放出的次級中子,還有可能引發臨近的原子核進一步產生裂變,這個過程可以會不斷地持續下去,這個過程稱為鏈式反應。這意味著:極其微小的中子,將有能力釋放沉睡在大自然界中幾十億年的物質巨人。這一發現,終于打破了盧瑟福等人認為開發利用原子能量的設想不可能的結論,裂變和鏈式反應構成了核能利用的基礎。

  1944年,哈恩因發現“重核裂變反應”榮獲諾貝爾化學獎,遺憾的是梅特納和斯特拉斯曼沒能獲此殊榮。

  世界上第一座原子核反應堆是費米領導建設和試驗的,他還研究了如何使鏈式反應變為連續、緩慢、可控的核反應,讓核能平緩地釋放出來。1942年12月2日,在美國芝加哥體育場的看臺下,世界上第一座用石墨作減速劑的原子核反應堆竣工落成。原子核反應堆能可控地放出大量的能量,這標志著人類從此進入了核能時代。

美國芝加哥體育場看臺下的原子核反應堆竣工落成(圖片來自網絡)

  1945年7月16日,美國研制的世界上第一顆原子彈爆炸成功。8月6日,美國就在日本廣島投下了第一枚軍用原子彈,一座繁榮的城市在一剎那間被全部毀滅,成了煙霧彌漫的廢墟。三天以后,即8月9日,美國在日本的另一個城市長崎投下了第二顆原子彈。

美國就在日本廣島投下了第一枚軍用原子彈(圖片來自網絡)

  1952年11月1日,美國在太平洋比基尼島核試驗基地爆炸成功了世界上的第一顆氫彈,它為1040萬噸梯恩梯當量,相當于投向日本廣島那顆原子彈威力的800倍。當這顆氫彈在幾百米高的鋼架上起爆之后,整個小島連同鋼架都在巨大的爆炸場中沉入太平洋深處,再一次震驚了全世界。

世界上的第一顆氫彈爆炸成功(圖片來自網絡)

  1954年1月21日,人類第一艘核動力潛艇——美國海軍的“鸚鵡螺”號下水,當年底全部竣工,1955年1月17日進行了首次試航(艇長90米,排水量2800噸,當時的造價為5500萬美元,最大航速25節,最大潛深150米)。從理論上講,它可以以最大航速在水下連續航行50天、航程3萬海里而無需添加任何燃料。艇上還裝備了自導魚雷。從下水到1957年4月更換第一個反應堆活性區為止,“鸚鵡螺”號總航程達62526海里,僅消耗了幾公斤鈾。而常規潛艇要是以同樣速度航行同樣距離,將會消耗大約8000噸燃油。

人類第一艘核動力潛艇“鸚鵡螺”號(圖片來自網絡)

  世界上最早的商用核電站位于蘇聯奧布寧斯克(Obninsk)的物理和電氣工程院,1954年6月開始發電,功率5000KW。核電站利用原子核內部蘊藏的能量大規模生產電力,核電站使用的核燃料含有易裂變的物質鈾-235。一座100萬千瓦的核電站每年只需要補充30噸左右的核燃料,而同樣規模的火電廠每年要燒煤300萬噸。

世界上最早的商用核電站所在地(圖片來自網絡)

  中子科學開啟核武器、核電大門的同時,也敲開了利用中子研究物質微觀結構和運動的大門。1946年,沙爾(Clifford Glenwood Shull)用中子衍射研究磁性材料。他用中子衍射技術顯示氫原子在晶體中的位置,可更全面地了解許多無機和有機物質的晶體結構。沙爾研究了中子磁矩與順磁物質中原子磁矩發生的散射,推動了磁結晶學的發展。他還研究了極化慢中子輻射的應用,發明了中子干涉系統,為研究中子與物質之間相互作用而產生的各種基本效應提供了極其靈敏的工具。

沙爾(圖片來自網絡)

  1955年,布羅克豪斯(Bertram Niville Brockhouse)用中子散射研究晶格動力學。他致力于中子非彈性散射技術的研究,在原有的單軸和二軸中子譜儀的基礎上設計了三軸譜儀,得到了廣泛的應用,已經成為研究凝聚態物理的基本工具,幾乎大多數人事凝聚態物理研究的中子束反應堆實驗室都擁有這一設備。

布羅克豪斯(圖片來自網絡)

  沙爾和布羅克豪斯1994年獲得了諾貝爾物理學獎。這遲到的榮譽表明:經過幾十年的實踐,中子散射的重要性已經得到國際學術界的公認。

  中子的發現及其應用是20世紀最重要的科技成就之一,在中子及相關的核科學取得巨大成就的今天,我們不能忘記是誰敲開了原子核那扇神秘的門。


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