原子核内粒子密集聚集，成员间相互排斥

汤普金斯先生参加的下一个讲座是专门介绍原子核内部结构的。教授说：

女士们、先生们，

我们将越来越深入地研究物质的结构，现在，我们将试着用我们的肉眼深入到原子核的内部，这个神秘的区域只占原子总体积的几亿分之一。然而，尽管我们的新的研究领域的规模小得几乎令人难以置信，但我们将发现，它当中充满了非常活跃的活动。实际上，原子核毕竟是原子的心脏，尽管其尺寸相对较小，但仍约占原子总质量的99.97%。

从人口稀少的原子电子云进入原子核，我们将立即对当地极为拥挤的状况感到惊讶。原子大气中的电子平均移动的距离是它们自身直径的数十万倍，而生活在原子核内的粒子实际上是摩肩接踵的，如果它们有胳膊肘的话。

从这个意义上讲，原子核内部的图像与普通液体非常相似，不同之处在于，我们在这里遇到的不是分子，而是更小、更基本的粒子，即质子和中子。在这里可能要注意一下，尽管具有不同的名称，但质子和中子现在被简单地视为同一重基本粒子（称为“核子”）的两种不同的带电状态。质子是带正电的核子，中子是电中性的核子，尽管至今尚未观察到，但也不排除存在带负电的核子的可能性。就其几何尺寸而言，核子与电子差别不大，其直径约为0.000 000 000 0001厘米。但是它们要重得多，一个质子或中子的质量约等于1840个电子的质量。如前所述，形成原子核的粒子非常紧密地聚集在一起，这是由于某种特殊的原子核内聚力的作用，类似于液体中分子之间的作用。而且，就像在液体中一样，这些力虽然阻止了粒子的完全分离，却不会阻碍它们之间的相对位移。因此，核物质具有一定程度的流动性，在不受任何外力干扰的情况下，呈球形水滴的形状，就像普通的水滴一样。在我现在要给你们展示的示意图中，你们可以看到由质子和中子构成的不同类型的原子核。最简单的是由一个质子构成的氢原子核，而最复杂的铀原子核则由92个质子和142个中子构成。当然，你必须把这些图片仅仅看作是对实际情况的高度示意，因为，根据量子理论基本的测不准原理，每个核子的位置实际上是“弥散”在整个核区域中的。

就像我说过的那样，形成原子核的粒子被强大的内聚力维持在一起，但除了这些吸引力之外，还有另一种朝相反方向作用的力。事实上，约占原子核成员总数一半的质子带正电荷，因此被库仑静电力相互排斥。

对于电荷相对较小的轻原子核而言，这种库仑斥力无关紧要，但对于重的、高电荷的原子核而言，库仑斥力开始与内聚力展开激烈的竞争。当这种情况发生时，原子核就不再稳定，并倾向于将自己的某些构成部分驱逐出去。这正是在元素周期表末端的一些元素上发生的情况，这些元素被称为“放射性元素”。

基于以上考虑，你可能会得出结论，这些不稳定的重原子核应该发射质子，因为中子不携带任何电荷，因此不受库仑斥力的影响。然而，实验告诉我们，实际上发射出来的粒子是所谓的α粒子（氦原子核），即由两个质子和两个中子构成的一种复合粒子。看起来，形成一个α粒子的两个质子和两个中子的组合特别稳定，因此，一次性将整个组合抛出要比将其分解成单独的质子和中子容易得多。

氢、重氢、氦、铀的原子核

正如你可能知道的，放射性衰变现象首次是由法国物理学家亨利·贝克勒尔发现的，而著名的英国物理学家卢瑟福勋爵对此给出了解释——原子核自发嬗变的结果。卢瑟福勋爵的名字我在前面已经提到过，人类在原子核物理学领域的许多重要发现都应该归功于他。

α衰变过程中最特殊的特征之一是，α粒子“逃离”原子核所需要的时间有时非常长。对于铀和钍来说，这个时间是用数十亿年来计算的；对于镭来说，这个时间大约是16个世纪，尽管有些元素会在几分之一秒内发生衰变，但与原子核内运动的速度相比，它们的寿命也可以认为是很长的了。

那么，是什么使α粒子有时在原子核内停留数十亿年？如果它已经待了这么久，为什么它最终会被释放出来？

要回答这个问题，我们首先必须先多了解一点有关内聚引力以及在粒子离开原子核时作用在粒子上的静电斥力的相对强度，卢瑟福对这些力进行了仔细的实验研究，他使用了所谓的“轰击原子”方法。在他在卡文迪什实验室中进行的那些著名实验中，卢瑟福指挥了一束由某些放射性物质发射出来的快速移动的α粒子，他观察了这些原子炮弹与被轰击物质的原子核碰撞后产生的偏离（散射）。这些实验证实了这样一个事实，即在离原子核很远的地方，抛射物受到核电荷电力的强烈排斥，如果炮弹设法非常接近原子核区域的外部界限，这种排斥就会变成一种强大的吸引力。你可以说原子核在某种程度上类似于一个四面被高而陡的壁垒包围着的堡垒，它阻止了粒子的进出。但是，卢瑟福实验最引人注目的结果是：在放射性衰变过程中从原子核中逸出的α粒子，以及从外部射入原子核的炮弹，其能量不足以从堡垒顶部飞过，也就是我们通常所说的“势垒”。这一事实与古典力学的所有基本思想完全矛盾。确实，如果你投出的球的能量远远低于到达山顶所需的能量，你怎么能指望它滚过一座小山呢？古典物理学只能睁大眼睛，认为一定是卢瑟福的实验出了什么差错。

但是，事实上，没有错，如果有人错了，那不是卢瑟福勋爵，而是古典力学本身。我的好朋友乔治·伽莫夫博士、罗纳德·格尼博士和E.U.康顿博士同时澄清了这一情况，他们指出，如果从现代量子理论的角度来看待这个问题，就没有任何困难。事实上，我们知道今天的量子物理学抛弃了古典理论中定义明确的线性轨迹，取而代之的是弥散的幽灵轨迹。而且，就像一个善良的老式幽灵可以毫不费力地穿过一座古老城堡厚厚的砖墙一样，这些幽灵般的轨迹可以穿透潜在的障碍，而这些障碍从古典观点的角度来看似乎是相当难以穿透的。

请不要以为我在开玩笑：对于能量不足的粒子能够穿透势垒是新的量子力学基本方程的直接数学结果，它代表了关于运动的新观点和旧观点之间最重要的区别之一。但是，尽管新的量子力学允许这种不寻常的效应，但只有在有相当严格限制下，它才允许这种情况发生，在大多数情况下，穿越障碍的可能性极小，被囚禁的粒子必须以几乎不可思议的次数撞击墙壁才能最终成功。量子理论为我们提供了计算这种逃逸概率的精确计算规则，并且已经证明所观察到的α衰变的周期与理论的预期完全一致。同样，对于从外部射入原子核的炮弹，量子力学计算的结果也与实验结果非常吻合。

在进一步讲解之前，我想给你们看一些图片，这些图片展示了被高能原子炮弹击中的各种原子核的衰变过程。（幻灯片，谢谢！）在这张幻灯片中，你们可以看到在云室里拍摄的两种不同的分解过程，我在上一讲中已经向你们介绍过了。左图显示了被高速α粒子撞击的氮核，这是有史以来第一张人工元素嬗变的图片。它是由卢瑟福勋爵的学生帕特里克·布莱克特拍摄的。你可以看到，大量的α射线轨迹从一个强大的α射线源辐射出来，如图所示。这些粒子中的大多数在穿过视野时都没有发生一次严重的碰撞，但其中一个刚刚成功地击中了一个氮原子核。那个α粒子的轨迹就在此处停止，你可以看到从碰撞点出来的另外两条轨迹。其中，长而细的轨道属于一个从氮原子核被踢出的质子，而短而重的轨道则代表原子核本身的反冲。然而，这不再是氮原子核了，因为它失去了一个质子并吸收了α粒子，它已转变为氧原子核。因此，我们这儿有一个炼金术般的过程：将氮转化为氧，而氢是副产物。

被高能原子炮弹击中的各种原子核的衰变过程。
（a）氮被氦撞击后变成重氧和氢
7N14+2He4→8O17+1H1
（b）锂被氢撞击会变成两个氦
3Li7+1H1→22He4
（c）硼被氢撞击后变成三个氦
5B11+1H1→32He4

第二张照片对应于人工加速的质子撞击而导致的核分裂。一束高速质子束正在一种特殊的高压机器中产生，这种机器被公众称为“原子加速器”，然后它通过一根长长的管子进入云室，在照片中可以看到管子的末端。在这种情况下，目标是一层薄的硼，被放置在管道的较低的开口处，这样在碰撞中产生的核碎片必须通过云室内的空气，产生轨迹。正如你从图中看到的，硼的原子核被质子撞击后，分裂成三部分，考虑到电荷的平衡，我们得出结论，每个碎片都是α粒子，也就是氦原子核。照片中显示的两个转换代表了当今实验物理学中研究的数百个其他核转换的典型示例。在所有这种被称为“置换核反应”的转换中，入射的粒子（质子，中子或α粒子）会穿透进入原子核，将其他一些粒子踢出，并保持自己的位置不变。我们观察到有：α粒子置换质子，用质子置换α粒子，用中子置换质子，等等。所有这些在反应中转变形成的新元素都是被轰击元素在元素周期表中的近邻。(www.xing528.com)

但直到第二次世界大战之前，两位德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现了一种全新类型的核转变，在这种转变中，一个重原子核分裂成两个相等的部分，并释放出大量的能量。在我下一张幻灯片中（幻灯片，谢谢！）（见下页图）你可以在右边看到一张照片，照片上铀原子核的两块碎片从一条细细的铀丝飞向彼此相反的方向。这种现象被称为“核裂变”，最初是在铀被一束中子轰击的情况下被发现的，但人们很快就发现，位于元素周期表末端的其他元素也具有类似的性质。实际上，似乎这些重原子核已经处于其稳定性的极限，与中子碰撞所引起的最小的激发就足以使它们分裂成两半，就像一滴超大的水银。重原子核的这种不稳定性的事实使人们对为什么自然界中只有92种元素的问题有了新的认识；事实上，任何比铀重的元素都不可能存在很久，而且会立即分解成小得多的碎片。从实用的观点来看，“核裂变”现象也很有趣，因为它为利用核能开辟了某些可能性。关键是，重原子核在分裂成两半时，也会释放出大量的中子，这些中子可能会导致邻近原子核的裂变。这可能会导致爆炸反应，所有储存在原子核内的能量将在一瞬间释放出来。而且，如果你还记得一磅铀所含的核能相当于10吨煤的能量，你就会明白，释放这种能量的可能性将给我们的经济带来非常重要的变化。

（a）透辉石晶体中的原子照片。角落里的圆圈代表钙、镁、硅和氧的单个原子。放大倍数约为100000000倍。
（b）被中子撞击后，铀原子核的两个裂变碎片朝着两个方向飞去。
（c）Λ0超子和反Λ超子的产生和衰变。

然而，所有这些核反应只能在非常小的范围内进行，尽管它们向我们提供了有关原子核内部结构的大量信息，但直到最近，似乎也还没有释放出大量核能的希望。直到1939年，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼才发现了一种全新类型的核转变。在这个过程中，一个铀原子核被一个中子击中，分裂成两个大致相等的部分，释放出大量的能量，同时释放出两个或三个中子，这些中子反过来可能会撞击其他的铀原子核，并把它们也分成两个，同时也释放出更多的能量和更多的中子。这种裂变过程可能导致巨大的爆炸，或者，如果控制得当，则将提供几乎取之不尽的能量。很幸运的是，研究原子弹的塔列金博士，他也被称为“氢弹之父”，虽然他的工作很多，但是他还是同意来到这里，就原子弹问题作简短的发言。他马上就要来了。

教授说这些话的时候，门开了，进来了一个仪表堂堂的人，他目光如炬，眉毛又黑又浓。他一边握着教授的手，一边转向听众。他开始了演讲：

‘Hölgyeim és Uraim，’he began.Röviden kell beszélnem，mert nagyon sok a dolgom.Mareggel több megbeszélésem volt a Pentagon-ban és a Fehér Ház-ban.Délutan...

“噢，对不起！”他喊道，“我有时候把我的几种语言搞混淆了。请让我重新开始。女士们先生们，我必须要讲的简明扼要，因为我实在是太忙了。今天上午，我参加了在五角大楼和白宫举行的几次会议；今天下午我必须出席内华达法国公寓的地下爆炸试验，晚上我必须在加利福尼亚范登堡空军基地的宴会上发表演讲。

“主要观点是，原子核由两种力来平衡的：一种是原子核引力，它使原子核保持完整；还有质子之间的电斥力。在像铀或钚这样的重原子核中，后一种力，即电斥力占优势，原子核随时准备分裂，只要稍有激发，就会分裂成两个裂变产物。一个击中原子核的中子就能提供这种激发。”

他转向黑板，继续说：“这里你看到一个可裂变的原子核和一个撞击它的中子。两个裂变碎片飞散开来，各自携带大约100万电子伏的能量，还有几个新的裂变中子也被释放出来——如果是轻铀同位素，就大约是两个；如果是钚，就大约是三个。然后啪！啪！就像我在黑板上画的那样进行反应。如果可裂变物质很小，大多数裂变中子在有机会撞击另一个可裂变原子核之前就穿过了表面，那么链式反应永远不会开始。但是当可裂变物质大于我们所说的临界质（大约直径7.6至10厘米的球形）时，大多数中子都被捕获，整个物质就爆炸了。这就是我们所说的裂变炸弹，常常被错误地称为原子弹。

虽然名字听起来很相似，但裂变和聚变是完全不同的过程

但是，如果在元素周期表的另一端进行研究，可以得到更好的结果，在那里，原子核的吸引力强于电子的排斥力。当两个轻原子核接触时，它们会融合在一起，就像碟子上的两滴水银一样。这只能在非常高的温度下发生，因为电斥力会阻止相互靠近的轻原子核接触。但当温度达到几千万度时，电斥力将无法阻止接触，于是聚变过程开始了。最适合聚变过程的原子核是氘核，即重氢原子的原子核。右边是一个简单的氘热核反应示意图。当我们最初想到氢弹的时候，我们认为这对世界来说是一件幸事，因为它不会产生在地球大气层扩散的放射性裂变产物。但是我们无法制造出如此“纯”的氢弹，因为氘是最好的核燃料，可以很容易地从海水中提取出来，但它本身还不足以燃烧。因此我们不得不用一个重铀外壳来包裹氘核。这些外壳会产生大量的裂变碎片，所以有些人称之为“脏”氢弹。在设计氘的受控热核反应时也遇到了类似的困难，尽管做了各种努力，我们仍然没有一个解决的办法。但我相信这个问题迟早会得到解决。

“塔列金博士，”观众中有人提问，“那些原子弹试验产生的裂变产物会对地球上的生物造成有害的突变，那该怎么办？”

“并不是所有的突变都是有害的，”塔列金博士笑着说，“其中的一些突变导致了后代的进化。如果生物没有突变，你和我还是变形虫。难道你不知道生命的进化完全是自然突变和适者生存的结果吗？”

“你的意思是，”观众席里的一个女人歇斯底里地喊道，“我们都得生几十个孩子，而只留下几个最好的，把其余的都毁掉吗？！”

“好吧，夫人，”塔列尔金博士开始反驳道，但就在这时，礼堂的门开了，一个穿着飞行员制服的人走了进来。

“快点，先生！”他喊道，“您的直升机停在入口处，如果我们不立刻出发，您就赶不上乘坐机场的客机了。”

“对不起，”塔列金博士对观众说，“我现在得走了。Isten veluk！”他们俩都冲了出去。