12　原子核内

汤普金斯先生听的下一场讲座介绍的是原子核的内部结构，原子内部所有电子都围绕原子核旋转。

女士们，先生们：

随着我们不断深入物质结构内部，今天我们要探查的是原子核内部的景象，这片神秘的区域在整个原子中只占据了万亿分之一的体积。尽管这个新领域的尺度如此之小，但我们发现，这里的活动相当活跃。事实上，原子核是整个原子的心脏，虽然它的体积很小，但却占据了整个原子99.97%的重量。

从荒芜的电子云进入原子的核心区域，你会惊讶地发现，周围立即变得拥挤起来。平均而言，核外电子之间的距离大约相当于自身直径的几十万倍；与之相对，原子核内部的微粒堪称接踵摩肩——如果它们有踵和肩的话。从这个角度来说，原子核内部的景象和普通液体十分相似，只是构成原子核的质子和中子比液体分子要小得多，也基本得多。值得一提的是，尽管质子和中子拥有不同的名字，但目前我们认为，它们实际上代表着一种名为“核子”的基本重粒子不同的带电状态。质子是带正电的核子，而中子是电中性的核子，宇宙中也可能存在带负电的核子，只是目前我们还没有发现它们的踪迹。核子的几何尺寸跟电子差不多，它们的直径大约都是0.0000000000001厘米。但核子比电子重得多，一个质子或中子的重量相当于1840个电子。正如我之前讲过的，构成原子核的微粒在强核力的作用下紧紧挤在一起，就像液体里的分子一样。同样和液体十分相似的是，虽然强核力阻止了这些粒子彻底分开，但并未限制它们在短距离内的相对位移。因此，即使没有外力影响，原子核内的物质也具有一定的流动性，它们会自发凝聚成球形，就像普通的液滴一样。在我绘制的这张原理示意图里，你可以看到质子和中子构成的各种类型的原子核。其中最简单的是氢原子核，它仅由一个质子组成，而最复杂的铀原子核拥有92个质子和142个中子。当然，这些示意图对真实情况进行了高度抽象，实际上，由于量子力学最基本的不确定性原理，每个核子的位置都“弥散”在整个原子核的范围中。

我刚才说过，构成原子核的粒子被强核力紧紧束缚在一起，但除了这种引力以外，它们还会受到另一种反向的作用影响。事实上，在构成原子核的所有微粒中，质子差不多占据了一半的数量，每个质子携带一个正电荷，在静电力的作用下，它们必然互相排斥。比较轻的原子核携带的电荷相对较少，所以静电力的作用不太明显；但对于质量更大、携带电荷更多的原子来说，静电力将产生足以抗衡强核力的效果。在这种情况下，原子核将变得不再稳定，它很容易分裂成几块。所以在元素周期表的末尾，我们看到了“放射性元素”。

根据刚才的讨论，你或许会得出结论，这些不稳定的重原子核会释放出质子，因为中子不带电，所以也不受静电斥力影响。

但实验结果告诉我们，事实上，这些原子核释放的是所谓的α粒子（氦核），这种复合粒子由2个质子和2个中子构成。之所以会出现这样的结果，是因为α粒子比较特殊，它的结构特别稳定，所以重原子核衰变时很容易向外释放整个的α粒子，而不是单个的质子和中子。

你可能知道，第一个发现放射性衰变现象的是法国物理学家亨利·贝可勒尔（Henri Becquerel），英国物理学家卢瑟福男爵将这种现象解释为原子核的自发分裂——后者的名字我在介绍其他课题的时候曾经提到过，他为核物理学的发展做出了极大的贡献。

α衰变最古怪的特征在于，α粒子“逃离”原子核这个过程需要的时间可能十分漫长。对铀和钍来说，这个时间长达几十亿年，不过镭只需要大约16个世纪；虽然某些元素衰变所需的时间还不到一秒，但相对于核内粒子运动的速度来说，这个时间跨度依然相当漫长。

是什么力量将α粒子困在原子核里，有时候竟长达几十亿年？既然它已经在原子核里待了这么久，又是为什么不能一直维持原状？要回答这些问题，首先我们必须进一步了解原子核内部引力与斥力的强弱对比。卢瑟福通过实验对这些力进行了详细的研究，他采用的是所谓的“轰击原子”的办法。这个著名的实验是在卡文迪许实验室完成的，卢瑟福用放射性物质产生的高速α粒子轰击靶标物质的原子核，然后观察α粒子的散射情况。实验结果表明，在离原子核相当遥远的地方，入射粒子就已经受到了核内电荷强斥力的影响；等到入射粒子逼近原子核边缘以后，占据上风的又变成了强引力。你可以说，原子核就像一座墙高壁厚的要塞，坚固的高墙阻止了外来粒子入侵，同时也预防了核内粒子逃逸。但卢瑟福实验得出的最惊人的结果在于，无论是放射性衰变释放出来的α粒子，还是从外部侵入原子核的入射粒子，它们携带的能量实际上都不足以翻越堡垒的高墙，也就是所谓的“势垒”。这个事实违背了经典力学的所有基本理念。的确，如果你抛球的力度实在太小，你又怎么能指望这颗球翻越山巅呢？面对这种情况，经典力学只能瞪大双眼，无辜地表示卢瑟福的实验肯定有问题。

但事实上，卢瑟福没错，如果非要说谁错了，那犯错的也不是卢瑟福，而是经典力学自己。我的好朋友乔治·伽莫夫博士、罗纳德·格尼博士和E. U.康登博士同时指出，从现代量子理论的角度来看，这个问题其实毫无难度。事实上，我们知道，今天的量子力学彻底否认了经典物理学意义上的清晰线性轨道，取而代之的是幽灵般弥散的轨迹。要知道，传说中的幽灵总能轻松穿过古堡厚厚的墙壁，所以这些幽灵般的轨迹也能翻越看似高不可攀的势垒。

别以为我在讲笑话：能量不足的粒子有可能穿过势垒，这个结果可以通过新的量子力学方程直接计算出来，它代表着新旧理论对运动的定义最重要的区别之一。但是，尽管新理论允许出现这种奇特的现象，但它也提出了严格的约束条件：一般而言，能量不足的粒子穿透势垒的概率极低，必须有海量粒子对这堵高墙发起冲击，才可能有一两个粒子成功逃离。如何计算这种粒子逃脱的概率？量子理论给出了明确的计算方式，结果表明，我们观察到的α粒子的衰变周期完全符合理论计算结果。同样地，如果我们讨论的是从外部侵入原子核的α粒子，量子力学方程算出的结果也相当符合实际情况。

继续往下讲之前，我想给你们看看高能入射粒子轰击各种原子核，导致后者发生分裂的照片。（请放幻灯片！）

在这张幻灯片里，你可以看到云室（我在上一次的讲座中介绍过这种装置）中两种不同的分裂过程。左图是一个被高速α粒子击中的氮原子，这也是有史以来第一张人工制造元素嬗变的照片，它的拍摄者是卢瑟福男爵的学生，帕特里克·布莱克特（Patrick Blackett）。现在，你可以在图中看到强大的α射线源释放的大量α粒子的运动轨迹，其中大部分粒子直接穿过了我们的视野，并未发生任何值得一提的碰撞，但有一个α粒子成功击中了一个氮原子核，所以它的轨迹戛然而止，你可以看到，两条新的轨迹从碰撞点出发，开始向外延伸。长而细的轨迹来自从氮原子核中被踢出来的质子，短而粗的轨迹则代表原子核破碎后的残骸。因为失去了一个质子，又吸收了一个入射的α粒子，所以它不再是氮原子核，而是变成了氧原子核。这样一来，氮变成了氧，顺便还产生了副产品氢，活脱脱的炼金术。第二张照片拍摄的是经过人工加速的质子撞击原子核，导致后者发生分裂。特殊高压电机（大众通常称之为“原子对撞机”）制造的高速质子束通过一条长长的管子进入云室，你可以在照片中看到管子的末端。这个实验的靶标是一片很薄的硼，它放置在长管下端，所以撞击产生的核碎片必然穿过云室中的空气，在云雾中制造出轨迹。

正如你在照片中看到的，被质子击中的硼原子核分裂成了电荷数完全相同的三个部分，于是我们得出结论：这三块碎片其实都是α粒子，也就是氦核。以上两种嬗变相当典型，今天的实验物理学家研究的数百种核嬗变基本都能归为这两种类型。入射粒子（质子、中子或α粒子）侵入原子核，踢出另一种粒子，自己却融入了原子核的残骸之中，这样的嬗变被称为“替代式核反应”。有的替代式核反应是α粒子替代质子，同样地，也有质子替代α粒子的反应，或者中子替代质子，诸如此类。这类嬗变制造出来的新元素在周期表中的位置总是和原来的靶标元素靠得很近。

不过，直到最近，确切地说，直到第二次世界大战前夕，两位德国化学家O.哈恩（O. Hahn）和F.施特拉斯曼（F. Strassmann）才发现了一种全新的核嬗变：一个重原子核分裂成两个完全相同的碎片，同时释放出大量能量。在我的下一张幻灯片（请放幻灯片！）中你可以看到，右边那张照片拍下了两个反向运动的铀核碎片，它们是由一片薄铀箔释放出来的。这种现象被称为“核裂变”，我们观察到的第一种核裂变反应来自被中子束轰击的铀，不过很快我们就发现，元素周期表末尾的其他元素也拥有类似的特性。这些沉重的原子核似乎本来就处于崩溃边缘，一点小小的冲击——譬如说一个中子的撞击——就足以让它一分为二，就像一大滴水银一样。重原子核的不稳定性为我们解开另一个问题提供了思路：自然界中为什么只有92种元素？事实上，任何比铀更重的元素都不可能存在太长时间，它会立即分解成更小的碎片。从实用的角度来说，这种“核裂变”现象也很有价值，因为它让我们触摸到了利用核能的可能性。重点在于，重原子核裂成两半的同时还会释放一些中子，这些中子又可能让附近的其他原子核产生裂变，这个过程可能引发爆炸，原子核内蕴含的海量能量可能在极短的时间内被释放出来。也许你还记得，1磅铀蕴含的核能相当于10吨煤炭，所以你应该可以理解，如果能将这么多能量释放出来，我们的经济将产生翻天覆地的变化。

不过，这些核反应的规模都很小，尽管它们为我们提供了原子内部结构的丰富信息，但海量的核能怎么才能释放出来？直到不久前，对这个问题我们仍束手无策。1939年，德国化学家O.哈恩和F.施特拉斯曼发现了一种全新的核嬗变：铀的重原子核被一个中子击中后分裂成了两个基本完全相同的碎片，同时释放出海量能量和两三个中子；这几个中子可能又会击中其他铀核，使之一分为二，进而释放出更多能量和中子。这个指数式增长的裂变过程可能最终引发惊人的爆炸；而在受控的情况下，这样的核裂变可以提供几乎取之不尽的能量。对我们来说幸运的是，致力于原子弹研发的泰勒金博士（Dr. Tallerkin，他还有一个“氢弹之父”的头衔）愿意拨冗光临，为我们简单介绍一下核弹。现在他随时可能出现。

教授话音未落，礼堂的门就开了。一位长相相当引人注目的男人走了进来，他的眼睛闪闪发亮，黑色的眉毛格外浓密。他和教授握了握手，然后转身面向听众。

“Hölgyeim és Uraim，”他开口说道，“Röviden kell beszélnem, mert nagyon sok a dolgom. Ma reggel több megbeszélésem volt a Pentagon-ban és a Fehér Ház-ban. Délutan…噢，对不起！”他突然反应过来，“有时候我会弄不清该说哪种语言。请允许我重来一遍。女士们，先生们！我必须长话短说，因为我很忙。今天上午我一直在五角大楼和白宫开会，下午必须去内华达的法国平原参加地下爆炸试验，晚上还得赶往加州的范登堡空军基地参加宴会并发表演说。

“重点在于，原子核内存在两种力的平衡：一种是强核力，它是一种引力，倾向于让整个原子核凝为一体；另一种则是质子之间的电斥力。在铀和钚这类比较重的原子核内部，电斥力本身就已经占据了上风，所以只需要外来的一点刺激，譬如说一个中子的撞击，它们就会裂变产生两个碎片。”

博士转向背后的黑板，继续讲道：“在这里你可以看到一个可裂变的原子核和一个正在撞击它的中子。两块裂变碎片向外飞出，每块碎片都携带着大约100万电子伏的能量，和碎片一起飞出来的还有几个刚刚被释放的中子——铀的轻同位素裂变能产生2个中子，钚的裂变则会制造出3个中子。然后，咔嚓！裂变反应接连不断地向下进行，就像我画在黑板上的示意图一样。如果可裂变材料只有很小的一块，那么裂变产生的大部分中子会直接飞出去，根本没有机会击中另一个可裂变原子核，因此也无法启动链式反应。但是，如果材料重量超过了所谓的临界质量，比如说，样本直径达到了三四英寸以上，那么大部分中子会停留在材料内部，整块样本也将发生爆炸。这就是我们所说的裂变炸弹，人们常常称之为原子弹——其实这个俗称并不准确。

“不过，周期表另一头那些强核力远大于电斥力的原子有一条更好的出路。两个轻原子核接触后会融为一体，就像茶托里的两滴水银一样。这种反应只有在极高的温度下才能发生，因为电斥力会阻止靠得很近的轻原子核发生接触，不过只要温度达到几千万度以上，电斥力就会变得很弱，聚变过程就此开始。最适合发生聚变的原子核是氘核，也就是重氢原子核。黑板右侧画的就是氘核发生热核反应的简单示意图。刚开始研发氢弹的时候，我们以为它将为整个世界带来莫大的好处，因为它不会将放射性裂变产物释放到地球大气中。但实际上我们却无法制造出‘干净的’氢弹，因为氘核虽然是最好的核燃料，而且可以直接从海水中提取出来，但它本身无法自行燃烧。因此，我们不得不在这团核心材料外面裹上一层厚厚的铀壳。这些铀会产生大量裂变碎片，所以有的人将这种炸弹称为‘脏’氢弹；与此同时，我们在设计受控热核氘反应的时候也遇到了同样的困难，所以无论我们怎么努力，都无法实现这一梦想。但我确信，我们早晚会解决这个问题。”

“泰勒金博士，”听众中有人问道，“原子弹测试产生的裂变产物会污染环境，导致全球生物发生有害的变异，这个问题您怎么看？”

“并不是所有变异都有害，”泰勒金博士笑道，“某些变异还会带来进步。如果生命体从不曾发生任何变异，那你我到今天还是阿米巴虫呢。自然变异和适者生存造就了生命的演化，难道你不知道吗？”

“你难道想说，”人群中有个女人歇斯底里地叫道，“我们应该成打地生孩子，然后留下几个最好的，把其余的都杀掉吗？！”

“呃，这位女士——”泰勒金博士刚准备说话，礼堂的门就被推开了，一位身穿飞行员制服的男人走了进来。

“请快一点，先生！”他扯着嗓子喊道，“你的直升机在大门外等着，要是我们再不出发，你就来不及赶到机场转乘喷气式客机了！”

“真抱歉，”泰勒金博士对观众说道，“但我现在必须走了。Isten veluk（愿上帝与你同在）！”然后他和飞行员匆匆离开了礼堂。