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是谁敲开了那扇神秘的门?
2017-09-21 | 文章来源: 小溪| 浏览次数:  |

  1911年,卢瑟福通过著名的α散射实验发现原子内部有一个小小的核心——被称为原子核,原子核拥有原子的绝大部分质量,并携带正电荷。但当时人们对原子核的内部构造还一无所知,探索原子核的内部结构成为物理学研究的热门课题。

  只是,原子核如此神秘,很多实验都无法取得进展,如同有扇大门紧闭,阻挡着人们进入原子核内部去探秘。直到20世纪30年代,一种新的粒子——中子被发现了,这才敲开了这扇神秘之门,原来原子核是由中子与质子组成的。

  中子的发现不仅是原子核内部结构研究的一个重要里程碑,也为后来人类能够利用核能打下了极为重要的基础,也可以说:“中子”敲开了人类进入核能时代的大门。

  对了,最近刷了屏的“中国散裂中子源首次打靶成功”新闻报道中,“散裂中子源”的那个“中子”,正是敲开原子核秘密之门的“中子”。

  卢瑟福的预言

  第一次世界大战的爆发使许多科学研究被迫中断,直至1918年11月战争结束,科学家们才陆续回到自己的实验室。

  1919年,卢瑟福(Ernest Rutherford)应邀担任英国剑桥大学卡文迪什实验室主任,他用α粒子轰击干燥的氮气,击中氮原子核,使氮转化为氧,并释放出一个质子,实现了人类历史以来第一次人工核反应。

卢瑟福(图片来自网络)

  卢瑟福的实验证明了原子核内部有质子,但实验中存在着一些无法解释的现象。原子的质量近似于质子质量的整数倍,因此,根据原子核的电荷量应该能推断出原子核内的质子数。用这个概念解释氢原子核很合适,但对氦原子就不好解释了。氦原子有两个电子,按说核内应该有两个质子,质子与电子的正负电荷才能正好抵消。问题来了,氦原子核比氢原子核重4倍,如果氦原子核由4个质子构成,那多余的两个正电荷是怎么抵消的呢?其它更重的原子核就更无法解释了。为解释实验中存在的矛盾,卢瑟福想到原子核中可能并非只有质子这唯一的基本成分。

  1920年,卢瑟福首次提到原子核里中性子的概念。他在皇家学会贝克里安讲座的演讲中提出:也许在原子核这样微小的范围内,多余的质子吸引了核外电子,形成了一种质量与质子相近的中性粒子。

  由于当时实验中用的α粒子是利用镭的自然衰变产生的,能量不高,始终无法击碎原子核。在有了粒子加速器后,也因当时的加速器能量不够高,轰击原子核的尝试一直没能取得大进展,原子核的神秘大门并未打开。

  查德威克发现中子

  查德威克(James Chadwick)是卢瑟福的学生。1932年,他精心设计了一个实验,用α粒子轰击铍,再用铍产生的射线轰击氢、氮,结果打出了氢核和氮核,他测量了被打出的氢核与氮核的速度,由此推算出了这种新粒子的质量。他认为,只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子才能解释,这种粒子不带电,就被称为“中子”了。

查德威克(图片来自网络)

  查德威克证实了卢瑟福的预言。中子的发现,才使人们了解原子核是由中子与质子组成的,这个发现具有重大科学意义,不仅是原子核内部结构研究的一个重要里程碑,也为后来人类能够利用核能打下了极为重要的基础,也可以说:“中子”敲开了人类进入核能时代的大门。查德威克因此获得1935年的诺贝尔物理学奖。

  用中子当“炮弹”

  中子发现后,原子核由质子和中子构成的理论假设被科学界普遍接受。中子不带电荷,很容易接近原子核并被吸收,科学家们由此想到可以用中子作为“炮弹”来轰击各种元素的原子核,便有了一系列重要发现,20世纪30年代也被誉为是核物理学发展的黄金时代。

  当时,费米(Enrico Fermi)和同事用中子轰击了周期表中的所有元素,并辩认了因此而产生的具有放射性的元素。他们观察到:把中子源和被轰击的物体放在大量石蜡中,放射性会增加很多倍。

费米(图片来自网络)

  费米用“慢中子”解释这一现象。他认为,由于质子和中子的质量相等,所以当快中子与静止的质子发生碰撞时,快中子损失能量变为“慢中子”,慢中子与重原子核的反应截面比快中子大得多。慢中子的发现为后来研究重核裂变的链式反应和原子核反应堆的理论设计奠定了基础。费米获得了1938年度的诺贝尔物理学奖。

  哈恩(Otto Hahn)和斯特拉斯曼(FritzStrassmann)于1938年进行了中子撞击铀的实验,首次实现了中子诱发的铀裂变。

哈恩

斯特拉斯曼(图片来自网络)

  链式反应

  奥地利的梅特纳(Lise Meitner)和她的侄子弗瑞士(Otto Robert Frisch)认为:玻尔(Niels Henrik David Bohr)提出的原子核的液滴模型,很好地解释了重核的裂变。玻尔设想原子核像一滴水,当外来的中子闯进这个“液滴”时,“液滴”会发生剧烈的震荡。它开始变成椭圆形,然后变成哑铃形,最后分裂为两半。不过,这个过程的速度可快得惊人。

 

梅特纳

弗瑞士(图片来自网络)

  对此也很感兴趣生物学家阿诺德说,如果原子核就像一滴液滴,被中子击中以后分裂成为两个原子核,这种情形很像显微镜下看到的细胞繁殖时的分裂现象。

显微镜下细胞繁殖时的分裂(图片来自网络)

  梅特纳和弗瑞士为此很受启发,当时他们正在寻找一个合适的名词,来表示原子核被打破而分裂的现象,于是决定采用用细胞分裂的“分裂”(英文中,原子核的“裂变”和细胞“分裂”都是fission)这个名词,来表示原子分裂,把它称做“核裂变”,或“原子分裂”。

  梅特纳用数学方法分析了实验结果。她推想钡和其它元素就是由铀原子核的分裂而产生的。但当她把这类元素的原子量相加起来时,发现其和并不等于铀的原子量,而是小于铀的原子量。说明在核反应过程中,发生了质量亏损。梅特纳认为,这个质量亏损的数值正相当于反应所放出的能。根据爱因斯坦的质能关系式她算出了每个铀原子核裂变时会放出的能量。弗瑞士想用实验来证实这种设想,他也用中子轰击铀,当中子击中铀核时,能观察到那异常巨大的能量几乎把测量仪表的指针逼到刻度盘以外。弗瑞士与梅特纳于1939年2月在《自然》杂志上发表了他们的报告。

  铀核分裂产生的这个能量,比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上。这种新形式的能量就是原子核裂变能,也称核能,或原子能。当时只注意到释放出惊人的能量,忽略了释放中子的问题。稍后,哈恩、约里奥·居里及哈尔班等人又有了更重要的发现:在铀核裂变释放出巨大能量的同时,还放出两、三个中子来。

铀核裂变释放巨大能量的同时释放出中子示意图(图片来自网络)

  这个发现可实在惊人,如果说原子核数量足够多,重元素的体积和重量足够大的话,那么裂变放出的次级中子,还有可能引发临近的原子核进一步产生裂变,这个过程可以会不断地持续下去,这个过程称为链式反应。这意味着:极其微小的中子,将有能力释放沉睡在大自然界中几十亿年的物质巨人。这一发现,终于打破了卢瑟福等人认为开发利用原子能量的设想不可能的结论,裂变和链式反应构成了核能利用的基础。

  1944年,哈恩因发现“重核裂变反应”荣获诺贝尔化学奖,遗憾的是梅特纳和斯特拉斯曼没能获此殊荣。

  世界上第一座原子核反应堆是费米领导建设和试验的,他还研究了如何使链式反应变为连续、缓慢、可控的核反应,让核能平缓地释放出来。1942年12月2日,在美国芝加哥体育场的看台下,世界上第一座用石墨作减速剂的原子核反应堆竣工落成。原子核反应堆能可控地放出大量的能量,这标志着人类从此进入了核能时代。

美国芝加哥体育场看台下的原子核反应堆竣工落成(图片来自网络)

  1945年7月16日,美国研制的世界上第一颗原子弹爆炸成功。8月6日,美国就在日本广岛投下了第一枚军用原子弹,一座繁荣的城市在一刹那间被全部毁灭,成了烟雾弥漫的废墟。三天以后,即8月9日,美国在日本的另一个城市长崎投下了第二颗原子弹。

美国就在日本广岛投下了第一枚军用原子弹(图片来自网络)

  1952年11月1日,美国在太平洋比基尼岛核试验基地爆炸成功了世界上的第一颗氢弹,它为1040万吨梯恩梯当量,相当于投向日本广岛那颗原子弹威力的800倍。当这颗氢弹在几百米高的钢架上起爆之后,整个小岛连同钢架都在巨大的爆炸场中沉入太平洋深处,再一次震惊了全世界。

世界上的第一颗氢弹爆炸成功(图片来自网络)

  1954年1月21日,人类第一艘核动力潜艇——美国海军的“鹦鹉螺”号下水,当年底全部竣工,1955年1月17日进行了首次试航(艇长90米,排水量2800吨,当时的造价为5500万美元,最大航速25节,最大潜深150米)。从理论上讲,它可以以最大航速在水下连续航行50天、航程3万海里而无需添加任何燃料。艇上还装备了自导鱼雷。从下水到1957年4月更换第一个反应堆活性区为止,“鹦鹉螺”号总航程达62526海里,仅消耗了几公斤铀。而常规潜艇要是以同样速度航行同样距离,将会消耗大约8000吨燃油。

人类第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号(图片来自网络)

  世界上最早的商用核电站位于苏联奥布宁斯克(Obninsk)的物理和电气工程院,1954年6月开始发电,功率5000KW。核电站利用原子核内部蕴藏的能量大规模生产电力,核电站使用的核燃料含有易裂变的物质铀-235。一座100万千瓦的核电站每年只需要补充30吨左右的核燃料,而同样规模的火电厂每年要烧煤300万吨。

世界上最早的商用核电站所在地(图片来自网络)

  中子科学开启核武器、核电大门的同时,也敲开了利用中子研究物质微观结构和运动的大门。1946年,沙尔(Clifford Glenwood Shull)用中子衍射研究磁性材料。他用中子衍射技术显示氢原子在晶体中的位置,可更全面地了解许多无机和有机物质的晶体结构。沙尔研究了中子磁矩与顺磁物质中原子磁矩发生的散射,推动了磁结晶学的发展。他还研究了极化慢中子辐射的应用,发明了中子干涉系统,为研究中子与物质之间相互作用而产生的各种基本效应提供了极其灵敏的工具。

沙尔(图片来自网络)

  1955年,布罗克豪斯(Bertram Niville Brockhouse)用中子散射研究晶格动力学。他致力于中子非弹性散射技术的研究,在原有的单轴和二轴中子谱仪的基础上设计了三轴谱仪,得到了广泛的应用,已经成为研究凝聚态物理的基本工具,几乎大多数人事凝聚态物理研究的中子束反应堆实验室都拥有这一设备。

布罗克豪斯(图片来自网络)

  沙尔和布罗克豪斯1994年获得了诺贝尔物理学奖。这迟到的荣誉表明:经过几十年的实践,中子散射的重要性已经得到国际学术界的公认。

  中子的发现及其应用是20世纪最重要的科技成就之一,在中子及相关的核科学取得巨大成就的今天,我们不能忘记是谁敲开了原子核那扇神秘的门。


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