在不稳定中寻找价值

3 在不稳定中寻找价值

放射性指的是原子核不稳定，进而发生变化的特性。人类利用这种不稳定性，制备新的元素，并获得原子核内蕴藏的巨大能量。

原子大了，就不稳定

虽然我们还不知道元素周期表的尽头到底在哪里，但是我们已经清楚，随着原子序数的不断增加，原子核内的质子、中子数量都在不断增长，所以整个原子核的稳定性不断下降。

翻开元素周期表，我们可以发现，当原子序数达到83号[铋元素（Bi）]，后面的所有元素都开始呈现放射性，俗称核辐射。什么是放射性呢？放射性就是原子核不稳定进而开始发生变化的特性。所以，周期表中排名越靠后的元素往往越不稳定，半衰期（原子核数的一半发生衰变所用的时间）也就越短，例如118号（Og）元素的半衰期只有几毫秒而已，即使你辛辛苦苦制备出来了几个原子，但转瞬之间，它们就会消失在你的眼前。

新元素都是轰击出来的

由于人类在地球上能够直接找到的元素中最大的是94号钚元素（Pu），所以钚之后的元素都是通过人工合成的方法得到的。

由于合成的都是原子序数更大的元素，所以需要通过人工方式强行将一个原子核“塞”进一个比较大的原子核中，这样就可以得到原子序数更大的原子核，这个过程被称作原子轰击，而最常使用的轰击炮弹就是氦原子核。例如，使用氦原子核轰击94号钚元素，由于氦元素具有2个质子，故而钚原子核被轰击之后就会使得原子核内多出2个质子，从而首先得到96号锔元素（Cm），一部分锔元素会“吐出”1个质子，从而得到95号镅元素（Am）。通过这种方法，我们就一次性制造出了两种新元素。

如果不使用氦核而使用中子作为炮弹的话，也是可以制备新元素的，只是新元素的形成会是另一个路径。例如使用中子轰击96号锔元素，使得锔元素的原子核内多出一个中子，这个多出的中子会发生一次β衰变（也就是释放一个电子），使中子变为质子，从而使锔元素变为97号锫元素（Bk）。

当然，轰击炮弹实际上是多种多样的，本质上来说任何元素都可以作为轰击炮弹，只是需要根据计算来确定使用哪种炮弹可以精确得到我们想要的新元素而已。

答案：

1. 110号元素

2. 100号镄元素

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0.000001%的寻找

天然放射性现象最早是由法国科学家贝可勒尔发现的，但是放射性的概念和放射学这个学科却是由波兰裔法国物理学家、化学家居里夫人提出并开创的。在研究放射性现象的过程中，居里夫人又发现了两种新的放射性元素，分别为84号钋元素（Po）和88号镭元素（Ra）。由于对放射性的系统研究和镭元素的发现，居里夫人在1903年和1911年分别获得了诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖，也成为第一个两次获得诺贝尔奖的科学家。

看似荣誉傍身的居里夫人，其实她的研究之路异常艰辛。为了向世人证明自己发现并得到了镭元素，居里夫人需要在铀矿的废矿渣中提取并得到足量的镭。但是铀矿中镭元素的含量不到百万分之一，经过数万次的提取，居里夫人最终在10吨废矿渣中得到了仅仅0.1克镭，她为了这一天整整奋斗了将近4年。

由于长期与放射性元素接触，居里夫人在67岁时因再生障碍性贫血逝世。人们为了纪念居里夫人在放射学方面的伟大成就，将放射性活度的单位称作居里（Ci）。可惜的是，居里这个单位现在已经不再使用，取而代之的单位是贝可勒尔（Bq），也就是那位首次发现放射性现象的科学家的名字。

宇宙飞船的电源

无论是释放α射线（氦原子核）、β射线（电子）还是γ射线（高能电磁波），放射性的本质是释放能量，如果能将这部分能量利用起来，就可以将其应用于意想不到的领域。

如果我们将一块半导体的一端进行加热，此时半导体两端就会因温度不同而产生电势差，也就是有了电压。如果将半导体两端用导线相连，导线中便会有电流通过，那么这块一端被加热的半导体就形成了一个热电池。

其实，放射性元素也可以用来制造热电池。这时有人就会问了：热量从哪里来呢？前面讲了，放射性的本质就是能量的释放。当一个物体被放射性元素照射时，其自身的温度就会逐渐升高，所以放射性元素就是热源。利用放射性元素制造的热电池被称为放射性同位素热电池。

美国登月航天器“阿波罗号”宇宙飞船就使用了由放射性元素钚-238为热源的放射性同位素热电池。钚-238的半衰期为88年，它在衰变的时候会放出α射线，从而为电池提供热量。α射线的穿透能力非常弱，能量不高的α射线用一张纸就能够完全挡住，只要不让α射线直接照射人体，α射线就不会对人体造成什么伤害。英国女王伊丽莎白二世在访问哈维尔核子实验室时，就曾受邀触摸了一个以塑料包裹的钚环，亲自体会α射线带来的温暖触感。

其实，可用于放射性同位素热电池的同位素有很多种，例如锶-90（Sr）、钷-147（Pm）、钴-60（Co）等，只是钚-238的半衰期与辐射剂量都较为合适，才会在航天飞行器上被广泛使用。如果想得到成本较低的放射性同位素热电池，也可以选用锶-90作为放射源。锶-90经济易得，它本身就是核电站的放射性废料，全世界核电站每年产生的核废料中就有约5吨的锶-90，所以使用锶-90也是对核电站废料的二次利用。

让不稳定来得更猛烈一些

既然放射性的本质就是能量的释放，那么能不能让这个能量释放的过程加速，从而更好地被人类所用呢？

当然可以，这就是核反应。我们讲过，现今人类可以利用的核反应主要是核裂变反应。其实，核裂变反应的过程很简单：人们利用中子轰击放射性元素的原子核，使得原子核的稳定性进一步下降，从而迅速分裂为两个或多个原子序数较小的原子核，同时释放更多的中子。

在核裂变的过程中，有约千分之一的物质转变为能量，所以核裂变反应伴随着大量的能量释放。

前面已经讲过了新元素的合成过程，我们已经明白新元素的合成也可以通过中子轰击原子核来实现。所以，并不是每一种放射性元素经过中子轰击之后都能够发生裂变进而释放中子，人们发现铀-235和钚-239两种物质是最合适的选择。

“小男孩”并不可爱

在第一章《以子之矛，攻子之盾》中我们讲到铀-238是性能优异的金属，而铀-235则是核工业的重要原料。

核工业中要想使用铀-235，就必须将铀矿中的铀-235逐步分离浓缩。铀矿被开采之后，得到的粗铀矿首先需要经过碾磨、分选、萃取、沉淀等步骤将其他物质去除，形成主要含有铀化合物的精铀矿，又叫“黄饼”。黄饼虽然是由铀化合物构成，但是铀化合物中含有的铀绝大部分是铀-238，所以黄饼并不能直接作为核反应堆的原料，还需要将黄饼中的铀-235进一步浓缩提炼出来。

当然，黄饼在用于提纯得到高浓缩铀-235之外，还有一个令人唾弃的应用，这就是制造一种带有核污染的炮弹——“脏弹”。实际上，“脏弹”就是放射性炸弹，是一种大范围散播放射性物质的武器，它通过引爆常规炸药产生巨大的爆炸力，将内部放置的黄饼抛撒扩散到空气中，造成严重的核辐射污染。核污染会使生物产生随机的变异甚至致癌，并且铀元素半衰期较长，使得被污染地区在很长的时间里都一直存在高剂量的核辐射，形成不可逆的污染，让人类无法生存，所以称之为脏弹。

即使我们得到了武器级的铀-235，核爆炸也不会轻易发生，只有当武器级铀-235的质量逐渐增加，最终超过临界质量时（铀-235的临界质量约为30kg），铀-235自发裂变所释放的中子才可以继续引发其他更多的铀-235原子发生裂变，而被引发裂变的铀-235原子又会进一步释放更多的中子，从而继续加速引发更多的铀-235参与裂变。这种逐渐加速的链式核裂变反应将在短时间内使所有核燃料反应完毕，并在极短的时间内输出巨大能量，这就是铀原子弹爆炸的工作原理。

在世界历史上，原子弹作为武器只使用过一次，那就是在第二次世界大战末期，美国在日本广岛和长崎投放的两枚原子弹——“小男孩”和“胖子”。

“小男孩”是一颗铀原子弹，它是将一块低于临界质量的铀-235通过炸药射向同样处于低临界质量的环形铀-235，合并之后使整块铀-235超过临界质量，从而引发核爆炸。“小男孩”在一瞬间就将整个广岛市夷为平地，数万人当场死亡，或者受到严重的核辐射，受到核辐射的人也在很短的时间内陆续失去了自己的生命。

“胖子”更可怕

美国在长崎投放的原子弹“胖子”是一枚钚原子弹。

前面讲了，钚-239也是可以实现核裂变反应的同位素，但是钚元素在地球的天然储量非常低，以至于钚元素并不是在自然界中发现的，而是于1940年，在加利福尼亚大学伯克利分校的实验室中通过氢元素的同位素氘，撞击铀-238人工合成的。在元素周期表中一度把钚元素标记为人工合成元素，直到在自然界中发现了痕量的钚-239和钚-244，才将钚元素在元素周期表中改为天然元素。

钚元素，原子序数94，英文名称Plutonium，来源于太阳系中曾经的第九大行星——冥王星的名字。在元素周期表中，虽然钚元素已经不再标注为人工合成元素，但是钚元素的生产主要还是依靠人工合成。

前文讲到，铀的同位素绝大多数为无法使用的铀-238，铀-238如果吸收了中子是不会发生核裂变反应的，而是生成铀-239，然后铀-239再经过两次β衰变就会生成钚-239。没想到，本来在核工业中没什么用处的铀-238，竟然可以通过以上这些反应摇身一变成为有用的钚-239，真的是意外之喜！而铀核电站的燃料中铀-235的含量仅为3%，剩下的97%都是铀-238，这些铀-238在经历了核裂变反应的高强度中子轰击之后就会生成大量的钚-239，并存在于核废料中。那么这些核废料就是很好的钚矿。

依照上述的反应原理，钚核电站就应运而生了。在这里我们要注意的是，钚核电站虽然是以钚-239作为燃料，但却是以铀-238作为原料。在开始阶段，通过用中子轰击少量的钚-239，引发核裂变反应，释放能量的同时释放更多的中子，这些中子可以进一步轰击铀-238，从而形成更多的钚-239，核反应就这样不断地自发进行，让人类获得了大量的清洁能源，这就是钚核电站的工作原理，是不是很简单呢？

当然，钚-239也可以用来制造钚原子弹，武器级的钚-239纯度要达到93%以上。但总体来讲，钚原子弹的制造工艺要比铀原子弹简单很多，主要原因有两个：第一是铀-235在铀矿中的天然丰度只有0.7%，要通过离心的方法浓缩至90%以上，工艺烦琐而复杂，而钚-239可通过人工合成得到，全世界几百座核电站其实都是变相的钚-239生产基地，现在全球的钚-239储量已达到惊人的上千吨；第二是铀-235核爆炸的临界质量是钚-239的3倍，也就是说，本来就容易得到的钚-239，用它制造一颗原子弹需要的质量还小，那就更加降低了制作钚原子弹的难度。钚-239的临界质量在10公斤左右，如果通过添加中子反射板和优化装置结构,钚原子弹的临界爆炸质量还可以进一步降低。如果按照现在全球的钚-239储量，保守计算也足可以制造10万枚钚原子弹了，如果这些钚原子弹同时爆炸，估计会把整个地球夷为平地，后果不堪设想。

随着核技术应用的日趋广泛与完善，核材料的生产和储备越来越容易，全世界所面对的核风险也日益增大。据国际原子能机构统计，全球每年放射性材料的遗失、盗窃和非法获取事件多达120余起。如果恐怖分子得到这些核材料，将对世界和平构成严重威胁。应该如何利用核能？相信人类应该有足够的智慧，让核能更好地为人类所用，而不是让核能毁灭人类。

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伟大的“两弹一星”工程

在20世纪50年代中期，刚刚成立的新中国百废待兴，并面临着西方国家的围堵。为了抵制帝国主义的武力威胁，新中国决定开展“两弹一星”工程。

“两弹一星”，即导弹、核弹和人造卫星。以钱学森为代表的中国科学家，在一穷二白的条件下，努力拼搏，以身许国，怀揣着对祖国和人民的热爱，无怨无悔地投身于这场神圣而伟大的战斗中来。

1960年，我国第一枚自主研制的导弹发射成功；1964年，第一颗原子弹爆炸成功；1967年，第一颗氢弹爆炸成功；1970年，中国的第一颗人造卫星——“东方红一号”发射成功。中国人仅仅用十几年的时间就完成了其他国家几十年才走完的道路，让中国迅速成为能够保护自身并且维护世界和平的重要力量。有了“两弹一星”工程，中国得到了更多国家的认可，进而恢复了在联合国的一切合法权利，“两弹一星”精神为中华民族的伟大复兴打下了坚实的基础。

“落后就要挨打”的教训时刻不能忘记，“我辈还须自强”的精神要世代传承下去。