一、基本粒子
我们知道，各种化学元素的原子有着相当复杂的力学系统，许多电子在围绕着中心的原子核旋转，那么我们自然会追问：这些原子核是最终不可分的物质结构单元，还是可以继续分成更小、更简单的部分呢？是否有可能将这92种不同的原子减少成几种真正简单的粒子呢？
早在19世纪中叶，这种简单化的渴望就促使英国化学家普鲁特（William Prout）提出了一个假说：各种化学元素的原子都有一种共性，它们都是以不同程度“集中”起来的氢原子罢了。该假说的根据在于：用化学方法测定的不同元素的原子量与氢元素的原子量之比非常接近于整数。于是根据普鲁特的说法，既然氧原子的重量是氢原子的16倍，那它一定是由聚在一起的16个氢原子构成的，原子量为127的碘原子一定是由127个氢原子聚集而成的，等等。
然而，当时的化学发现并不利于接受这个大胆的假说。通过精确地测量原子量，事实表明，大多数元素的原子量只是与整数非常接近，有少数则根本不接近。（例如，氯的化学原子量为35.5。）这些似乎与普鲁特的假说直接相抵触的事实使它受到了怀疑，普鲁特直到去世也不知道自己实际上是多么正确。
直到1919年，他的假说才因为英国物理学家阿斯顿（Aston）的发现而重新受到注意。阿斯顿表明，普通的氯其实是两种不同氯元素的混合物，它们拥有相同的化学性质，但原子量不同，一种是35，一种是37。化学家所测定的非整数原子量35.5只是该混合物的平均值。38
对各种化学元素的进一步研究揭示了一个惊人的事实：大多数元素都是由化学性质相同而原子量不同的几种组分混和而成的。于是，它们被称为“同位素”（isotopes）39，即在元素周期表中占据同一位置的东西。事实上，不同同位素的质量总是一个氢原子质量的整倍数，这给普鲁特被遗忘的假说带来了新生。我们在上一节看到，原子的主要质量都集中于原子核，因此可以用现代语言将普鲁特的假说重新表述成：不同种类的原子核是由不同数量的基本的氢原子核构成的，氢原子核因其在物质结构中的作用而被赋予了“质子”（proton）这个专名。
不过，以上陈述需要作一项重要修改。以氧原子核为例，由于氧在元素的天然排序中是第八位，所以氧原子应包含8个电子，氧原子核也应带8个正电荷。但氧原子的重量是氢原子的16倍，所以如果假设氧原子核由8个质子所构成，那么电荷数是对的，但质量不对（均为8）；如果假设它由16个质子所构成，那么质量对了，电荷数又错了（均为16）。
显然，要想摆脱这个困难，只有假设在构成复杂原子核的质子中，有一些失去了原有的正电荷，成为电中性的。
早在1920 年，卢瑟福就曾提出存在着这种无电荷的质子或者我们现在所谓的“中子”，不过用实验发现它还要等到12年后。需要注意的是，不要把质子和中子看成两种完全不同的粒子，而要看成现在被称为“核子”的同一种基本粒子的两种不同的带电状态。事实上，我们已经知道，质子可以失去正电荷而变成中子，中子也可以获得正电荷而变成质子。
将中子作为原子核的结构单元引入进来，刚才讨论的困难便得到了解决。为了理解氧原子核为何有16个质量单位但只有8个电荷单位，可以认为它是由8个质子和8个中子构成的。原子量为127、原子序数为53的碘的原子核有53个质子和74个中子，而重元素铀（原子量为238，原子序数为92）的原子核则有92个质子和146个中子。40
就这样，在提出近一个世纪后，普鲁特的大胆假说才最终得到了应有的认可。现在我们可以说，已知的无穷无尽的物质都只是源于两种基本粒子的不同结合：（1）核子，它是物质的基本粒子，要么可以带一个正电荷，要么呈电中性；（2）电子，带负电的自由电荷（图57）。
图57
以下是《物质烹饪全书》（The Complete Cook Book of Matter）中的几个菜谱。它们显示了在宇宙厨房中，每一道菜是如何用核子和电子烹制出来的。
水 将8个中性核子和8个带电核子结合成核，外面围上8个电子，便成了氧原子。用这种方法制备出大量氧原子。再给单个带电核子配上单个电子，便成了氢原子。用这种方法制备出数目为氧原子两倍的氢原子。给每一个氧原子加上两个氢原子，将如此得到的水分子混合在一起置于杯中，保持冷却。
食盐 将12个中性核子和11个带电核子结合成核，外面围上11个电子，便成了钠原子。将18个或20个中性核子和17个带电核子结合成核，外面围上17个电子，便成了氯原子的两种同位素。以这种方法制备出同样数目的钠原子和氯原子，将它们排成三维国际象棋棋盘的样式，形成规则的食盐晶体。
TNT 将6个中性核子和6个带电核子结合成核，外面围上6个电子，便成了碳原子。将7个中性核子和7个带电核子结合成核，外面围上7个电子，便成了氮原子。再按照水的上述配方制备出氧原子和氢原子。将6个碳原子排成一个环，环外则有第7个碳原子。将3对氧原子与环上的3个碳原子相连，并且在氧原子与碳原子之间分别放置1个氮原子。给环外的那个碳原子连上3个氢原子，给环内剩下的两个碳原子也各连上1个氢原子。把这样得到的分子规则地排列起来，形成许多小晶体，并把所有这些小晶体压在一起。不过操作时要小心，因为这种结构不稳定，很容易爆炸。
我们已经看到，中子、质子和带负电的电子是构造任何物质的必要单元，但这份基本粒子清单似乎还不太完备。事实上，如果普通的电子是带负电的自由电荷，为什么不能有带正电的自由电荷即正电子呢？
此外，如果作为物质基本单元的中子可以获得一个正电荷而变成质子，它为何就不能带负电而变成负质子呢？
回答是：自然中的确存在着正电子，除了电荷符号，它与通常的负电电子完全相似。负质子也有可能存在，但还未被实验物理学成功地探测到。
在我们这个物理世界中，正电子和负质子（如果有的话）的数量之所以没有负电子和正质子多，是因为这两组粒子可以说是彼此敌对的。众所周知，一正一负两个电荷碰到一起时会彼此抵消。既然这两种电子不过是带正电和带负电的自由电荷罢了，所以不能指望它们会共存于同一个空间区域。事实上，一旦正电子与负电子相遇，它们的电荷会立即相互抵消，两个电子将不再作为个体粒子而存在。两个电子的这样一个相互湮灭过程将在其相遇点产生强烈的电磁辐射（γ射线），辐射的能量就是两个湮灭电子的初始能量。根据物理学的基本定律，能量既不能创造也不能毁灭，我们这里看到的不过是自由电荷的静电能变成了辐射波的电动能罢了。这种因正负电子相遇而产生的现象，玻恩（Max Born）教授称之为两个电子的“狂野婚姻”41，更为忧郁的布朗（T. B. Brown）教授则称之为“双双自杀”。42图58a显示了这种相遇状况。
图58 两个电子的“湮灭”产生电磁波，以及电磁波经过原子核附近“产生”一个电子对的过程示意图
两个相反电荷的电子的“湮灭”过程的逆过程是“电子对的产生”，即强烈的γ射线导致似乎从虚无中产生了一个正电子和一个负电子。我们说“似乎”从虚无中产生，是因为每一个新电子对的产生都要消耗γ射线所提供的能量。事实上，形成一个电子对所消耗的辐射能量精确地等于湮灭过程中所释放的能量。当入射辐射靠近某个原子核时，电子对的产生过程最容易发生，43图58b是该过程的示意图。大家知道，硬橡胶棒和毛织物彼此摩擦时会带上相反的电荷，这便是表明两种相反电荷可以从起初没有电荷的地方产生的一个例子。这并不值得大惊小怪。如果有足够多的能量，我们就能制造出任意数量的正负电子对。但要明确一个事实：相互湮灭过程很快会使它们不复存在，并把原来消耗的能量如数交回。
这种“大量生产”电子对的一个有趣例子是所谓的“宇宙射线簇射”现象，这是从星际空间射来的高能粒子流在大气层引发的。虽然这些在宇宙的空旷空间中纵横穿梭的粒子流究竟从何而来仍然是科学的一个未解之谜，44但我们已经非常清楚电子在以惊人的速度轰击大气层的上层时发生了什么。这种高速电子在靠近大气层原子的原子核时，原有的能量会逐渐失去，并以γ辐射的形式释放出来（图59）。这种辐射引发了无数电子对产生过程，新生的正、负电子沿着原有电子的路径继续前进。这些次级电子仍然有很高的能量，会引发更多的γ辐射，从而产生更多的新电子对。穿过大气层时，这个陆续倍增的过程多次重复，以至于当原初的电子最终到达海平面时，有一半正、一半负的次级电子相伴随。不用说，高速电子穿透大质量物体时也会产生这种宇宙射线簇射，不过由于物体密度较高，分支过程发生的频率要高得多（见插图2a）。
图59 宇宙射线簇射的起源
现在我们转到负质子是否可能存在的问题。可以预期，这种粒子可由中子获得一个负电荷或者失去一个正电荷而得到。但不难理解，这种负质子和正电子一样是无法长时间存在于任何普通物质中的。事实上，它们将立即被最近的带正电的原子核吸引和吸收，进入原子核结构之后很可能会变成中子。因此，即使这种负质子的确能作为基本粒子的对称粒子而实际存在于物质中，发现它们也绝非易事。别忘了，正电子是在普通负电子的概念被引入科学之后又过了近半个世纪才被发现呢。倘若负质子的确可能存在，我们就可以设想反原子和反分子的存在。它们的核由普通的中子和负质子所构成，外面围绕着正电子。这些“反”原子将和普通原子拥有完全相同的性质，我们根本说不出“反水”、“反黄油”等等与普通的水和黄油有什么不同，除非是把普通物质和“反”物质放到一起。但如果这样两种相反的物质碰到一起，带有相反电荷的电子就会立即发生湮灭，带有相反电荷的质子也会立即相互中和，其爆炸的剧烈程度会超出原子弹。因此，如果真的存在着由反物质构成的星系，那么从我们这个星系抛出一块普通的石头到那里，或者从那里抛来一块石头，着陆时会立即变成一颗原子弹。
现在我们必须抛开这些关于反原子的奇想而去考虑另一类基本粒子。这种粒子也许同样不同寻常，而且会实际参与各种可观测的物理过程。它就是所谓的“中微子”，是“从后门”进入物理学的。虽然招致了各方面的反对，但它已经在基本粒子家族中占据了牢固的位置。它是如何被发现和得到认可的，这是现代科学中最令人激动的侦探故事之一。
中微子的存在是用数学家所谓的“归谬法”发现的。这项令人激动的发现并非始于存在着某种东西，而是始于丢失了某种东西。这种丢失的东西就是能量，因为按照一条最古老也最稳固的物理学定律，能量既不能创生也不能消灭，如果发现本应存在的能量丢失了，这就表明一定有个贼或一群贼把能量拿走了。于是，一些讲求秩序、喜欢给事物起名字的科学侦探就把这些尚未看到踪影的能量大盗命名为“中微子”。
不过我们讲得有点快了，现在还是回到这桩“能量盗窃案”上来。我们已经看到，每一个原子的原子核都是由核子构成的，其中约有一半核子是中性的（中子），其余的带正电（质子）。如果给原子核额外增加一个或多个中子和质子，从而打破质子与中子相对数目的平衡，45那么就必定会出现电荷的调整。如果中子太多，就会有一些中子释放出负电子而变成质子；如果质子太多，就会有一些质子释放出正电子而变成中子。图60描绘了这两类过程。原子核的这种电荷调整就是通常所谓的β衰变，从原子核中释放出来的电子被称为β粒子。原子核的内部转变是一个明确的过程，它必定总是与定量能量的释放有关，这些能量被传递给出射电子。因此我们可以预期，给定物质释放出来的β电子应当有相同的速度。然而，对β衰变过程的观测证据与这种预期完全相反。事实上，我们发现给定物质释放出来的电子拥有从零到某一上限的不同动能。既然没有发现其他粒子，也没有其他辐射能够平衡这一差异，β衰变过程中的“能量盗窃案”就变得非常严重了。一度有人认为，这乃是著名的能量守恒定律失效的第一项实验证据，那对于整幢精美的物理学理论大厦而言真是一场极大的灾难。但还有一种可能：也许丢失的能量是被某种新的粒子带走了，我们目前的观测方法尚未察觉到它。泡利（Wolfgang Pauli）曾经提出，这种偷窃核能的“巴格达窃贼”的角色可由一些被称为中微子的假想粒子来扮演，它们不带电，质量不大于普通电子的质量。事实上，根据高速粒子与物质相互作用的一些已知事实可以断言，任何现有的物理仪器都察觉不到这种不带电的轻粒子，它们在任何屏蔽材料中都可以轻而易举地穿过极大距离。一层金属薄膜就能把可见光完全挡住，穿透性很强的X-射线和γ射线需要穿过几英寸厚的铅，强度才会显著减低，而一束中微子却能轻而易举地穿透几光年厚的铅！难怪用任何观测手段都发现不了中微子，它们能被发现仅仅是因为其逃逸导致了能量亏空。
图60 负β衰变和正β衰变的示意图（为方便起见，所有核子都画在了同一个平面上）
虽然中微子一旦离开原子核就捕捉不到了，但我们可以研究中微子离开原子核所引起的次级效应。用步枪射击时，枪身会向后撞击你的肩膀；大炮发射重型炮弹时，炮身会沿炮架向后坐。原子核射出高速粒子时，也应发生这种力学反冲效应。事实上，我们的确观测到，发生β衰变的原子核总会沿着与出射电子相反的方向获得一定的速度。但这种原子核反冲的特殊之处其实在于：无论被射出的电子是快是慢，原子核的反冲速度总是大致相同（图61）。这就有点奇怪了，因为我们本来预期一颗快速的炮弹会在炮身中引起比慢速的炮弹更大的反冲。对这个谜的解释是：原子核在射出电子时总会连带地射出一个中微子，以保持能量平衡。如果电子速度快，携带着大部分能量，中微子的速度就会慢一些，反之亦然。因此在这两种粒子的共同作用下，总会观测到原子核有较大的反冲。如果这种效应尚不能证明中微子的存在性，恐怕别的东西也证明不了了。
图61
现在，我们把前面的讨论结果总结一下，列出参与构成宇宙的完整的基本粒子清单，指出它们之间的关系。
首先是核子，它们是物质的基本粒子。就目前所知，核子要么是电中性的，要么带正电，但也可能存在着带负电的核子。
然后是电子，它们是带正电或负电的自由电荷。
还有神秘的中微子，它们不带电，大概比电子轻得多。46
最后是电磁波，它们在空间中传播电磁力。
物理世界的所有这些基本成分不仅相互依赖，而且能以各种方式相结合。比如中子可以通过发射一个负电子和一个中微子而变成质子（中子→质子＋负电子＋中微子），质子又可以通过发射一个正电子和一个中微子而重新变成中子（质子→中子＋正电子＋中微子）。电荷相反的两个电子可以变成电磁辐射（正电子＋负电子→辐射），也可以反过来由辐射产生（辐射→正电子＋负电子）。最后，中微子可以与电子结合成宇宙射线中的不稳定粒子，即所谓的介子，它有时被错误地称为“重电子”（中微子＋正电子→正介子；中微子＋负电子→负介子；中微子＋正电子＋负电子→中性介子）。
中微子与电子的结合载有过量内能，于是，这两种粒子结合起来的质量要比各自的质量之和大100倍左右。
图62是参与构成宇宙的基本粒子的示意图。
图62 现代物理学的基本粒子及其不同组合
“但这次到头了吗？”你也许会问，“我们凭什么认为核子、电子和中微子真是基本的，而不能再分成更小的组分了呢？仅仅在半个世纪之前，人们不还以为原子是不可分的吗？今天的原子显示出了多么复杂的图像啊！”回答是，虽然我们无法预言物质科学的未来发展，但我们有可靠得多的理由相信，这些基本粒子的确是不可再分的基本单元。我们已经知道，原本认为不可分的原子显示出了各种极为复杂的化学、光学等性质，而现代物理学的基本粒子的性质却极为简单，在简单性上甚至堪比几何点的性质。此外，不同于经典物理学的大量“不可分原子”，我们现在只剩下了三种有本质不同的东西：核子、电子和中微子。虽然我们非常渴望把万物还原为最简单的形式，但也不可能把某种东西归于一无所有。看来，我们对物质基本要素的寻求已经触到底了。
二、原子的心脏
既已了解构成物质的基本粒子的本性和性质，现在我们可以更详细地研究每一个原子的心脏即原子核了。在某种程度上，原子的外层结构类似于一个微缩的行星系统，而原子核本身的结构却是完全不同的图像。首先，将原子核维持在一起的力显然不是纯粹的电力，因为核子中有一半（中子）不带电，另一半（质子）带正电，因此会相互排斥。如果粒子之间只存在斥力，如何可能得到一群稳定的粒子呢！
因此，为了理解原子核的各个组分为何能保持在一起，必须假定它们之间存在着某种吸引力，既作用于带电粒子，也作用于不带电的粒子。这种与所涉粒子本性无关、使之保持在一起的力通常被称为“内聚力”。例如普通液体中就存在内聚力，它阻止各个分子朝四面八方飞散。
原子核的各个核子之间也有这种内聚力，它防止原子核在质子之间电斥力的作用下分崩离析。因此，在原子核外，形成各个原子壳层的电子有足够的空间来回运动，而原子核的图像却是，许多核子就像罐头里的沙丁鱼一样紧紧堆在一起。本书作者最先提出，可以假定原子核物质的构造方式与普通液体类似。和普通液体一样，原子核也有表面张力现象。大家也许还记得，液体之所以有表面张力现象，是因为液体内部的粒子被相邻粒子朝各个方向同等地拉动，而位于表面的粒子只受到向内的拉力（图63）。
图63 对液体表面张力的解释
这使得任何不受外力作用的液滴都有保持球形的倾向，因为对于给定的体积而言，球体的表面积最小。因此，可以把不同元素的原子核简单地看成是由一种普遍的“核液体”所组成的不同尺寸的液滴。但不要忘了，这种核液体虽然在定性上非常类似于普通液体，但在定量上却与之差异甚大。事实上，核液体的密度比水的密度大
240 000 000 000 000
倍，表面张力则比水大
1 000 000 000 000 000 000
倍。为了更好地理解这些巨大的数，考虑下面这个例子。图64中有一个约2英寸见方的倒U字形线框，其上横搭一根直丝。在由此形成的框中覆上一层肥皂膜，这层膜的表面张力将把横丝向上拉。在横丝下方悬挂一个小重物，可以对抗这个表面张力。如果这层膜由普通的肥皂水制成，且厚度为0.01毫米，那么其自重将是1/4克左右，能够承受大约3/4克的总重量。
图64
倘若能用核液体制成一层类似的膜，那么这层膜的总重量将是5千万吨（约为1千艘远洋邮轮的重量），横丝上将能悬挂1万亿吨的东西，这大约是火星的第二颗卫星“火卫二”的重量！要用核液体吹出这样一个肥皂泡，肺得多么强大才行啊！
在把原子核看成微小的核液滴时，绝不要忽视这些液滴是带电的，因为约有一半核子是质子。原子核之所以不稳定，首要原因就在于核内存在着两种相反的力：一种是试图把原子核分成好几块的核子之间的电斥力，另一种则是把原子核维持在一起的表面张力。如果表面张力占优势，原子核就不会自行分裂，两个原子核在彼此接触时会像两个普通液滴一样具有融合在一起（聚变）的趋势。
反过来，如果电斥力抢了上风，原子核就会倾向于自动分裂成几个高速飞离的碎块。这种分裂过程通常被称为“裂变”。
1939 年，玻尔和惠勒（John Archibald Wheeler）对不同元素原子核中表面张力与电斥力的平衡作了精确的计算，并且得出了一个极为重要的结论：元素周期表中前一半元素（大约到银为止）的原子核是表面张力占上风，更重的原子核则是电斥力占上风。因此，所有比银更重的元素的原子核原则上都不稳定，如果外界刺激的作用足够强，就会碎裂成两块或更多块，并且释放出相当多的内部核能（图65b）。反之，当总原子量不超过银原子的两个轻原子核相互靠近时，就可能自发产生一个聚变过程（图65a）。
图65
不过要记住，除非我们做了干预，否则无论是两个轻原子核的聚变，还是一个重原子核的裂变，在通常条件下都不会发生。事实上，要使两个轻原子核发生聚变，我们必须克服其电荷之间的斥力，使它们相互靠近；要迫使一个重原子核发生裂变，就必须猛烈地轰击它，使它以足够大的幅度振动。
这种必须有初始的激发才能实现某个过程的事态，在科学上被称为亚稳态。悬崖峭壁上的岩石、口袋里的火柴、炸弹里的TNT炸药，都是亚稳态的例子，每一种情况下都有大量能量等待被释放。但如果不踢岩石，岩石就不会滚下；不划或不加热火柴，火柴就不会点燃；不用雷管引爆，TNT就不会爆炸。在我们生活的世界上，除银块47以外几乎每一个物体都是潜在的核爆炸物。但我们并没有被炸得粉身碎骨，这是因为核反应的启动是极其困难的，或者用更科学的语言来说，是因为核转变需要极高的活化能。
就核能而言，我们生活（或者更确切地说，是最近生活）的世界很像一个爱斯基摩人的世界，这个爱斯基摩人居住在冰点以下的环境中，所能接触的固体只有冰，液体只有酒精。他从未听说过火，因为用两块冰彼此摩擦是生不出火的；他只会把酒精看成一种好喝的饮料，因为他无法把其温度升到燃点。
当人类最近发现可以将原子内部蕴藏的巨大能量释放出来时，那种巨大的惶恐和惊讶多么像这个爱斯基摩人第一次看到酒精灯燃起时的心情啊！
然而，一旦开启核反应的困难得到克服，一切麻烦就得到了应有的报偿。例如，取等量的氧原子和碳原子，按照方程式
O+C→CO+能量
将其化合，那么每克混合物将会释放920卡48的热量。如果将这两种原子的普通化合（分子聚合，图66a）替换成它们原子核的聚变（图66b）：
6C12+8O16=14Si28+能量，
那么每克混合物将会释放14 000 000 000卡的热量，是前者的1500万倍。
同样，每克复杂的TNT分子分解成水分子、一氧化碳分子、二氧化碳分子和氮气（分子裂变）会释放大约1 000卡热量，而同样重量的物质（比如汞）在核裂变过程中会总共释放10 000 000 000卡热量。
但不要忘了，大多数化学反应在几百度的温度下就很容易发生，而即使温度达到几百万度，相应的核转变可能也没有开始呢！启动核反应的这种困难说明，整个宇宙尚无在一次剧烈的爆炸中变成纯银的危险，所以大家尽请放宽心。
图66
三、轰击原子
原子量的整数值为原子核的复杂性提供了强有力的证据，但只有通过直接的实验证据，将原子核打碎成两块或更多块，才能最终证明这种复杂性。
1896年，贝克勒耳（Becquerel）发现的放射性最早暗示的确有可能实现这种打碎过程。事实表明，铀和钍等位于周期表末端的元素会自动发出穿透性很强的辐射（类似于普通的X-射线），原因在于这些原子在缓慢地自发衰变。通过对这一新发现的现象进行认真的实验研究，人们很快便得出结论说，重原子核在衰变中自动分裂成两个非常不等的部分：（1）被称为α粒子的小块，它是氦的原子核；（2）原有原子核的剩余部分，它是子元素的原子核。铀原子核碎裂时释放出α粒子，由此产生的子元素（被称为铀XI）的原子核经过电荷的内部重新调整，释放出两个带负电的自由电荷（普通电子），变成了比原来的铀原子核轻四个单位的铀同位素原子核。接着又是一系列α粒子发射和更多的电荷调整，直到最终变成稳定的铅原子核，才不再继续衰变。
另外两个放射系也有交替发射α粒子和电子的类似的放射性嬗变，那就是以重元素钍开始的钍系和以锕开始的锕系。这三个系的元素都会持续地自发衰变，直到最终剩下三种不同的铅同位素。
我们在上一节谈到，元素周期表中后一半元素的原子核是不稳定的，因为破坏性的电力超过了倾向于把原子核维持在一起的表面张力。好奇的读者若是将它与上述自发放射性衰变对比一下，可能会感到诧异：既然所有比银重的原子核都是不稳定的，为什么只有铀、镭、钍等少数几种最重的元素才能观测到自发衰变呢？答案在于，虽然从理论上讲，所有比银重的元素都应被视为放射性元素，而且它们也的确在慢慢衰变成较轻的元素，但在大多数情况下，自发衰变发生得非常缓慢，以致无法注意到。碘、金、汞、铅等大家所熟知的元素的原子经过数百年也只能分裂一两个，这实在太慢了，即使最灵敏的物理仪器也无法将它记录下来。只有那些最重的元素，其自发分裂的倾向才能强到产生明显的放射性。49这种相对的嬗变率还决定了不稳定原子核的分裂方式。例如，铀原子核就能以许多不同的方式裂开：它可以自动分裂成两个相等的部分，三个相等的部分，或者若干个大小不等的部分。不过，正如通常发生的那样，最容易的方式是分裂成一个α粒子和剩余的子核。人们观测到，铀原子核自发分成两半的概率要比放射出一个α粒子的概率低约一百万倍。所以在1克铀中，每秒钟都有上万个原子核在发射α粒子而发生分裂，而要看到一次铀原子核分成相等两半的自发裂变过程，我们却要等上几分钟！
放射性现象的发现无可置疑地证明了原子核结构的复杂性，并为人工产生（或诱发）核嬗变的实验铺平了道路。这样便产生了一个问题：如果特别不稳定的重元素会自行发生衰变，那么用某种高速运动的粒子强力轰击其他稳定的原子核，能否将它们打碎呢？
带着这样的想法，卢瑟福决定用不稳定的放射性原子核自动分裂所产生的核碎块（α粒子）来轰击各种稳定元素的原子。与今天几个物理实验室使用的巨型原子击碎器相比，1919年他最早做核嬗变实验时使用的仪器（图67）真是简单到了极点。它包括一个圆筒形的真空容器，上面有一扇由荧光材料制成的薄窗作为屏幕（c）。起轰击作用的α粒子来源于沉积在金属片上的一个放射性物质薄层（a），被轰击的靶（这里是铝）呈箔状（b），与轰击源相隔一段距离。认真调整装置，使得所有入射的α粒子都会嵌在箔靶上。因此，如果没有受到从被轰击的靶材料射出的次级核碎块的影响，荧光屏将始终漆黑一片。
图67 最初是如何使原子裂开的
一切就位之后，卢瑟福透过显微镜观察屏幕，他所看到的景象几乎不可能被误认为漆黑一片。整个屏幕上闪烁着成千上万个小亮点！每一个亮点都是由质子撞击荧光屏产生的，而每一个质子则是入射的α粒子从靶上的铝原子中撞出的一个“碎块”。就这样，元素的人工嬗变就从理论上的可能性变成了科学上的既定事实。50
卢瑟福做了这个经典实验的几十年之后，元素的人工嬗变已经成为最大和最重要的物理学分支之一。无论是轰击核的高速粒子的生产方法，还是对结果的观测，都取得了巨大进展。
有一种被称为云室（或者根据其发明者的名字被称为威尔逊云室）的仪器能使我们最清楚地亲眼看到粒子撞击原子核时发生了什么。图68是云室的示意图，其工作原理基于这样一个事实：像α粒子这样的高速运动的带电粒子在穿过空气或任何其他气体时，会使沿途的原子发生某种变形。这些粒子的强电场会使碰巧挡住它们去路的气体原子失去一个或多个电子，从而留下大量离子化的原子。这种事态的持续时间并不长，因为粒子一过，离子化的原子很快就会重新俘获电子，恢复正常状态。不过，如果这种发生电离的气体中充满了水蒸气，那么每一个离子都会形成微小的水滴——水蒸气的一个性质是，它往往会积聚在离子、灰尘等东西上——从而沿着粒子轨迹产生一条细细的雾带。换句话说，带电粒子在气体中的运动轨迹就像拖着尾烟的飞机一样变得可见。
图68 威耳逊云室的示意图
从技术角度来看，云室是非常简单的仪器，主要包括一个金属圆筒（A），一个玻璃盖（B），内有一个可上下移动的活塞（C）（移动装置未在图中画出）。玻璃盖与活塞表面之间充有空气（或按需要充有其他气体）和一定量的水蒸气。一些粒子从窗户（E）进入云室之后，如果活塞骤然下降，则活塞上部的气体将会冷却，水蒸气将开始沿着粒子的轨迹凝结成薄薄的雾带。受到从边窗（D）射入的强光照射，这些雾带将在活塞黑色表面的映衬下清晰可见，并且可以用与活塞连动的照相机（F）拍摄下来。这个简单的装置是现代物理学中最有用的仪器之一，我们由此得以拍下关于核轰击结果的美妙照片。
图69 静电发生器的原理
基础物理学告诉我们，传递给一个球形金属导体的电荷会分布于它的外表面。于是，经由球上开的一个小洞，将一个小的带电导体一次次地伸进球内与球的内表面接触，将小电荷陆续引入其内部，可以使这样一个导体的电势升到任意高。在实际操作中，我们使用的是一条经由小洞进入球形导体的传动皮带，由它携带着一个小起电器所产生的电荷。
我们当然也希望设计出一些方法，能在强电场中加速各种带电粒子（离子），以产生强大的粒子束。这样不但能省去稀罕昂贵的放射性物质，还能使用其他类型的粒子（比如质子），所获得的动能也比普通放射性衰变所提供的能量高。在产生密集高速粒子束的各种仪器当中，最重要的有静电发生器、回旋加速器和直线加速器。图69、图70和图71分别简述了它们的工作原理。
图70 回旋加速器的原理
回旋加速器主要包括两个置于强磁场（方向与纸面垂直）中的半圆形金属盒。两个盒子与一个变压器相连，因此交替带正电和负电。从中心的离子源射出的离子在磁场中沿着圆形轨道运动，每当从一个盒子进入另一个盒子时就会被加速。离子运动得越来越快，描绘出一条展开的螺线，最后以极高的速度冲出。
图71 直线加速器原理
这套装置包括几个长度逐渐增大的圆筒，由变压器交替充以正电和负电。从一个圆筒进入另一个圆筒的过程中，离子被现有的电势差逐渐加速，因此能量每次都会有所增加。由于速度与能量的平方根成正比，所以如果圆筒的长度正比于整数的平方根，就能保持离子与交变电场同相位。把这套装置建造得足够长，就能把离子加速到任何想要的速度。
用上述类型的电加速器来产生各种强大的粒子束，用它们轰击由不同材料制成的靶子，便可实现一系列核嬗变，通过云室照片可以方便地对其进行研究。插图3和插图4是其中几张照片，显示了核嬗变的过程。
这种类型的第一张照片是剑桥大学的布莱克特（P. M. S. Blackett）拍摄的，它所呈现的是一束天然的α粒子穿过一个充有氮气的云室。51首先可以看出，轨迹有明确的长度，这是因为粒子在穿过气体时会逐渐失去动能，最后停止下来。轨迹长度明显有两种类型，对应于具有不同能量的两组α粒子（粒子源是钍的两种同位素ThC和ThC′的混合物）。我们还注意到，α粒子的轨迹一般来说是笔直的，只是临近最后，粒子已经失去大部分初始能量时，才容易由途中氮原子核的非正面碰撞而显示出明显偏折。但这张照片最明显的特征是一条特殊的α粒子轨迹，它显示出一种典型的分叉，一支细长，另一支粗短。这是入射的α粒子与云室中的氮原子核面对面碰撞的结果。细长的轨迹对应着被撞出氮原子核的质子，粗短的轨迹则对应着被撞到一旁的氮原子核本身。由于没有第三条轨迹可以对应于弹回的α粒子，这表明入射的α粒子已经附着在氮原子核上一起运动了。
由插图3b我们可以看到人工加速的质子与硼核碰撞的结果。从加速器管口（照片中心的黑影）发出的高速质子束射到硼片上，使原子核的碎块朝四面八方飞过周围的空气。照片上的一个有趣之处是，碎块的轨迹似乎总是以三个为一组（照片上可以看到两组，其中一组以箭头标出），这是因为被质子击中的硼原子核会分裂成三个相等的部分。52
插图3a是另一张照片，显示的是高速运动的氘核（由一个质子和一个中子形成的重氢原子核）与靶材料中另一个氘核的碰撞。53
照片中较长的轨迹对应于质子（1H1核），较短的轨迹则对应于三倍重的氢核，即所谓的氚核。
中子和质子都是构成每一个原子核的主要成分。如果没有涉及中子的核反应，云室照片是不完备的。
然而，在云室图片中寻找中子的轨迹是徒劳的，因为中子不带电，这匹“核物理学的黑马”在穿过物质时不会造成任何电离。不过，你若看到猎人枪口在冒烟，又看到天上栽下一只鸭子，那么即使没有看见，你也知道有子弹发射过。同样，看着插图3c这张显示了一个氮原子核分裂成氦核（向下的轨迹）和硼核（向上的轨迹）的云室照片，你想必会意识到，这个氮核是被从左边过来的某个看不见的粒子狠狠撞了一下。事实的确如此，为了拍摄这张照片，我们在云室左壁放置了镭和铍的混合物作为快中子源。54
把中子源的位置和氮原子分裂的地点连接起来，我们就能看到中子穿过云室所沿的直线了。
插图4显示了铀核的裂变过程，它是包基尔德（Boggild）、布劳斯特劳姆（Brostrom）和劳瑞岑（Lauritsen）拍摄的。照片显示，从涂有被轰击铀层的一片铝箔，沿相反方向飞出两个裂变碎块。当然，无论是引发裂变的中子，还是裂变所产生的中子，都不会在照片上显示。
用加速粒子轰击原子核的方法而实现的各种核嬗变，我们可以一直描述下去，不过现在我们要转到轰击的效率这样一个更重要的问题。要知道，插图3和插图4只显示了单个原子解体的情况。比如为了把1克硼完全转化为氦，需要把其中包含的所有55 000 000 000 000 000 000 000个硼原子都击碎。目前最强大的加速器每秒钟能够产生大约1 000 000 000 000 000个粒子。即使每一个粒子都能击碎一个硼核，我们也得让这台机器运行5500万秒，即大约两年才能完成这项工作。
然而，各种加速器所产生的带电核粒子的实际效力要比这低得多。在数千个粒子当中，通常只能指望有一个粒子能够击碎靶材料中的原子核。这种原子轰击的效率之所以极低，是因为原子核周围的电子能够减慢在其中穿过的带电粒子的速度。由于电子壳层的靶面积远大于原子核的靶面积，我们又显然不能让粒子都直接瞄准原子核，因此每一个粒子必须穿过原子的许多电子壳层，才有机会直接命中某个原子核。图72对这种情况作了图解。图中的黑色圆点表示原子核，轻影线表示电子壳层。原子的直径约为原子核直径的10 000倍，因此其靶面积之比为100 000 000:1。我们还知道，穿过一个原子的电子壳层之后，带电粒子会失去大约万分之一的能量，于是它穿过大约1万个原子后会完全停下来。从上述数据不难看出，在1万个粒子当中，大约只有1个粒子有机会在初始能量被原子的电子壳层耗尽之前撞到原子核上。考虑到带电粒子对靶材料的原子核施以毁灭性打击的效率是如此之低，要把1克硼完全嬗变，必须让一台现代加速器持续运行至少两万年！
图72
四、核子学
“核子学”是一个很不恰当的词，但和许多这样的词一样，它似乎仍在实际使用。正如“电子学”这个词被用来描述自由电子束的广泛实际应用一样，也应把“核子学”理解成对大规模释放的核能加以实际利用的科学。从前面诸节我们已经知道，（除银以外）各种化学元素的原子核都蕴藏着巨大的内能：轻元素的内能可以通过核聚变过程释放出来，重元素的内能则可以通过核裂变过程释放出来。我们还知道，用人工加速的带电粒子轰击原子核的方法虽然对于各种核嬗变的理论研究非常重要，但因效率极低而不能指望有什么实际用处。
α粒子和质子等普通带电粒子之所以效率低下，本质上是因为它们的电荷使其在穿过原子时会失去能量，而且又难以足够靠近被轰击材料的带电原子核。既然如此，我们必定会想到，如果用不带电的中子来轰击各种原子核，也许能得到更好的结果。但这里有一个潜在的困难。由于中子可以不费吹灰之力地穿透原子核，所以它们在自然中并不以自由形式存在。即使用入射粒子将一个自由中子从某个原子核里人为地踢出来（例如用α粒子轰击铍核产生中子），它很快也会被其他原子核重新俘获。
于是，要想产生强大的中子束以轰击原子核，必须把中子从某种元素的原子核里一个个踢出来。这使我们又回到了带电粒子的低效。
不过，有一种办法能够摆脱这种恶性循环。如果能用中子踢出中子，而且每一个中子都能产生不止一个后代，那么这些中子就会像兔子或感染组织中的细菌一样繁殖得越来越多（参见图97）。不用多久，由一个中子产生的后代就会多到足以轰击一大块材料中的每一个原子核。
自从发现一种特殊的核反应能够实现这种中子增殖过程，核物理学便突然繁荣起来，使它离开了关注物质最隐秘性质的纯科学这座静谧的象牙塔，陷入了新闻大字标题、激烈的政治讨论和军事工业发展的旋涡。看报纸的人都知道，核能或通常所谓的原子能可以通过哈恩（Otto Hahn）和施特拉斯曼（Fritz Strassman）1938 年发现的铀核裂变过程释放出来。但不要以为裂变本身（也就是将重核分成两个近乎相等的部分）能使核反应继续下去。事实上，裂变产生的这两个核碎块都携带着许多电荷（分别携带着铀核的一半电荷左右），这使它们难以太过接近其他原子核。因此，在邻近原子电子壳层的作用下，它们将迅速失去自己的初始能量而趋于静止，不会引起进一步的裂变。
要想发展出一种自我维持的核反应，裂变过程之所以至关重要，是因为人们发现每一个裂变碎块在速度减慢之前会释放出中子（图73）。
图73 裂变过程的各个阶段
裂变之所以有这种特殊的后效，是因为重原子核的两半碎块起初就像两节断裂的弹簧一样处于剧烈的振动状态。这种振动虽然不会造成第二次裂变（即每一个碎块再分成两块），但很可能会抛射出几个核结构单元。当我们说每个碎块射出一个中子时，我们仅仅是在统计意义上说的；在某些情况下，一个碎块可能抛射出两三个中子，而在另一些情况下则可能一个也没有。当然，从一个裂变碎块中射出的中子的平均数依赖于它的振动强度，而这个强度又依赖于最初的裂变过程所释放的总能量。正如我们所知，聚变中释放的能量随着原子核的重量而增加，因此可以预计，每一个裂变碎块所产生的平均中子数也随着元素周期表而增加。例如，金核的裂变（尚未用实验方法实现，因为所需的起始能量太高）所产生的中子数可能远少于每个碎块一个，铀核的裂变为平均每块一个（每次裂变产生两个左右的中子），更重元素（如钚）的裂变所产生的中子数则应多于每块一个。
假定有100个中子进入了某种物质，为了满足中子的连续增殖条件，下一代中子显然应当多于100个。能否满足这种条件，取决于中子使这种原子核发生裂变的效率有多大，以及在一次裂变中产生的新中子平均有多少。要知道，虽然在产生裂变方面中子比带电粒子效率高得多，但也并非百分之百。事实上，进入原子核的高速中子总有可能只把一部分动能传给原子核，自己带走其余的动能。在这种情况下，动能将会消散在几个原子核上，没有一个得到足够的能量发生裂变。
根据原子核结构的一般理论可以断言，中子产生裂变的效率随着裂变元素原子量的增加而增加，对于周期表末尾的那些元素来说则接近百分之百。
现在我们给出两个有具体数值的例子，一个有利于中子增殖，一个不利于中子增殖：（1）假定快中子引起某元素裂变的效率为35%，每次裂变平均产生中子1.6个。55在这种情况下，100个中子会引起35次裂变，产生35×1.6＝56个下一代中子。显然，中子数每次都会迅速减少，每一代的数目都只是之前的一半左右。（2）假定有一种更重的元素，中子引起它裂变的效率升至65%，每次裂变产生的平均中子数为2.2。在这种情况下，100个中子会引起65次裂变，产生65×2.2＝143个下一代中子。每产生新的一代，中子数就会增加50%左右，这样很快就会有足够多的中子来轰击和打碎样品中每一个原子核。我们这里讨论的是渐进性分支链式反应，能发生这种反应的物质被称为裂变物质。
通过对发生渐进性分支链式反应的必要条件做出认真的实验和理论研究，我们可以得出结论：在各种各样的天然原子核当中，只有一种原子核有可能发生这种反应。这就是铀的著名轻同位素铀235，唯一的天然裂变物质。
然而，铀235在自然之中并非以纯净的形式存在，而总是与较重的非裂变同位素铀238混杂在一起（铀235占0.7%，铀238占99.3%），这有碍于引发天然铀的渐进式分支链式反应，就像水分有碍于湿木柴的燃烧一样。不过，正因为有这种不活泼的同位素的混杂，才使得很容易裂变的铀235仍然存在于自然界中，否则它们早就被某一次链式反应彻底摧毁了。于是，要想使用铀235的能量，需要把铀235的原子核与更重的铀238原子核分开，或者设法不让更重的铀238的干扰作用奏效。对释放原子能的研究其实都在遵循这两种方法，而且都取得了成功。由于本书不打算涉及太多这种技术性问题，所以这里只是简要讨论一下。56
图74 一个离群的中子在一块球形裂变物质中引起的链式反应。虽然有许多中子从表面跑掉了，但每一代中子的数目仍在增加，并最终引起爆炸
直接将铀的两种同位素分开是一个非常困难的技术问题，因为它们化学性质相同，通常的化工方法是做不到的。这两种原子只在质量上相差1.3%，这便启发我们用原子质量起主导作用的过程来实现分离，比如扩散、离心、离子束在电磁场中的偏转等。图75a和75b给出了两种主要分离方法的示意图，并附有简要说明。
图75
a. 用扩散法来分离同位素。包含两种同位素的气体被泵入左室，并透过中央隔板扩散到右室。由于轻分子扩散得更快，所以右室的气体会富含铀235。
b. 用磁场法来分离同位素。原子束在强磁场中穿过，包含较轻的铀同位素的分子偏转得多一些。由于用宽缝才能有较高的强度，所以铀235和铀238两束粒子会有部分重叠，我们同样只得到部分分离。
所有这些方法都有一个缺点：由于这两种铀同位素的质量差异不大，所以分离过程不可能一步完成，而是需要重复多次，才能得到富含轻同位素的产物。如果重复次数足够多，便可得到较纯的铀235样品。
更巧妙的方法是用所谓的减速剂人为地减少天然铀中重同位素的干扰作用，从而实现天然铀的链式反应。要想理解这种方法，我们应当记得铀的重同位素的副作用本质上在于吸收了铀235裂变过程中产生的大部分中子，从而使渐进性链式反应无法进行。因此，如果能使中子在遇到铀235的原子核引起裂变之前不致被铀238的原子核俘获，问题便得到了解决。不过，铀238核大约是铀235核的140倍，不让铀238得到大部分中子，初看起来似乎是不可能的。但在这个问题上，一个事实帮了我们的忙：铀的两种同位素“俘获中子的能力”依中子运动速度的不同而不同。对于裂变的原子核产生的快中子来说，两种同位素的俘获能力是相同的，因此每有1个中子被铀235俘获，就有140个中子被铀238俘获。对于中等速度的中子来说，铀238的俘获能力强于铀235。但要点是，对于运动很慢的中子来说，铀235比铀238的俘获能力强得多。因此，如果能使裂变产生的中子速度慢下来，使之在遇到下一个铀原子核（铀238或铀235）之前大大减速，那么铀235核虽然数量较少，却比铀238核更有机会俘获中子。
将大量天然铀的小颗粒散布于某种能使中子减速、本身又不会俘获大量中子的材料（减速剂）中，便可得到减速装置。最好的减速剂材料是重水、碳和铍盐。图76显示了这样一个散布在减速剂各处的铀颗粒“堆”是如何实际工作的。57
图76 这张图看似生物细胞图，其实显示的是嵌在减速剂（小原子）当中的一团团铀原子（大原子）。左面的一团铀原子中有一个发生了裂变，产生的两个中子进入了减速剂，因与原子核发生一系列碰撞而逐渐变慢。到达另一团铀原子时，这些中子的速度已经大大降低，从而被铀235的原子核所俘获，因为铀235俘获慢中子的效率远远高于铀238。
如上所述，只有轻同位素铀235（只占天然铀的0.7%）这种裂变元素才能维持渐进性链式反应，从而释放出大量核能。但这并不意味着我们不能用人工方法制造出与铀235性质相同而通常并不存在于自然界的其他元素来。事实上，利用某种裂变元素的渐进性链式反应中大量产生的中子，可以把通常不可裂变的原子核变成可裂变的原子核。
这种类型的第一个例子便是上述由天然铀和减速剂混合而成的“铀堆”。我们已经看到，使用减速剂可以使铀238俘获中子的能力减小到让铀235核之间发生链式反应。不过，仍然有一些中子会被铀238俘获。那么这时会发生什么情况呢？
当然，铀238俘获中子之后立刻会变成更重的同位素铀239。但这个新核的寿命不长，它会陆续射出两个电子，变成原子序数为94的一种新化学元素的原子核。这种新的人造素被称为钚（Pu-239），它比铀235更容易裂变。如果把铀238替换成另一种天然放射性元素钍（Th-232），那么它在俘获中子并随后射出两个电子之后会变成另一种人造裂变元素铀233。
于是，从天然裂变元素铀235开始循环进行链式反应，原则上可将所有天然铀和钍变成裂变物质，成为浓缩的核能来源。
最后，让我们粗略估算一下人类总共有多少能量可以用于未来的和平发展或自我毁灭的军事战争。根据计算，已知铀矿中的铀235总量如果完全转化为核能，足以让全世界的工业使用数年；但如果考虑到铀238可以转变成钚，所估时间会延长到几个世纪。再考虑到储量是铀四倍的钍（转变成铀233），则至少可以用一两千年，这足以打消关于“原子能未来短缺”的任何忧虑了。
即使用尽了所有这些核能资源，而且发现不了新的铀矿和钍矿，将来的人也能从普通岩石中获得核能。事实上，和所有其他化学元素一样，几乎任何普通物质都含有少量的铀和钍。例如，每吨花岗岩含4克铀、12克钍。乍看起来，这似乎很少，但我们再往下算一算。我们知道，1公斤裂变物质所蕴藏的核能相当于2万吨TNT炸药爆炸时或2万吨汽油燃烧时所释放的能量。因此，1吨花岗岩包含的这16克铀和钍如果变成裂变物质，会相当于320吨的普通燃料。这足以补偿复杂的分离过程所带来的各种麻烦了，特别是当储量丰富的矿藏面临枯竭的时候。
既已攻克铀等重元素在核裂变过程中的能量释放问题，物理学家们又处理了被称为核聚变的相反过程，即两个轻元素的原子核聚合成一个重原子核，同时释放出巨大的能量。在第十一章我们会看到，太阳的能量便来自这样一个聚变过程，普通的氢核因内部剧烈的热碰撞而结合成较重的氦核。为了复制这种所谓的热核反应以供人类使用，引发聚变的最佳材料是重氢或氘。普通的水中有少量的氘。氘核包含一个质子和一个中子。两个氘核相撞时会发生以下两种反应中的一个：
2氘核→2He3+中子；
2氘核→1H3+质子。
要想实现这种嬗变，氘必须处于几亿度的高温之下。
第一个成功实现核聚变的装置是氢弹，它用原子弹的爆炸来触发氘的反应。然而，一个更为复杂的问题是如何实现受控热核反应，以为和平目的提供大量能量。要想克服主要困难，即对极热气体进行约束，可以用强磁场把氘核约束在中心热区之内，阻止其接触容器壁（否则容器会熔化和蒸发！）。