原子的“心脏”
既然已经完全了解物质结构基本粒子的本质和属性，现在，我们可以转向原子核，更深入地探究一下这个原子的“心脏”了。虽然原子的外部结构在某种程度上可比作一个微缩的行星系统，但原子核的结构本身完全是另一回事。首先，让原子核聚合起来的力显然不是纯电性质的，因为其中约一半的核子（中子）不带电，另一半的核子（质子）带正电，会相互排斥。如果这些粒子之间只存在排斥力，而不存在其他力，是不可能构成稳定的粒子群的！
因此，要理解为什么原子核的各个部分会聚合在一起，我们必须假定它们之间存在某种引力，它不仅会作用于不带电的核子，也会作用于带电的核子。这种不区分粒子性质，将它们统统聚合起来的力通常被称为“内聚力”。其他地方也存在这种力，例如在普通液体中，正是这种力阻止了分子向四面八方逃逸。
在原子核中，正是类似的内聚力让各个核子聚合了起来，没有因为质子之间的电荷排斥而分崩离析。正因如此，原子核的结构与原子外层大不一样，在原子外部壳层中，电子有足够的活动空间，而在原子核内，大量的核子都像罐头里的沙丁鱼一样挤在一起。就像本书作者最先提出的那样，人们可以假定原子核内的材料与普通液体的构造方式相同，原子核的表面也存在表面张力。大家或许记得，液体存在表面张力的原因是：内部粒子会被周围的粒子以相同的力向四面八方拉动，但位于表面的粒子只会承受向内拉的力。（图7-7）
图7-7 液体表面张力示意图
这就导致一切液滴在不受外力作用的情况下，会倾向于保持球形，因为体积一定时，球形的表面积最小。因此，我们可以得出一个结论：我们可以将不同元素的原子核简单地视为通用的“核液”构成的大小不同的液滴。但要记住，虽然定性地看，核液和普通液体很像，但定量地看，两者其实相距甚远。实际上，核液的密度比水大240 000 000 000 000倍，表面张力比水大1 000 000 000 000 000 000倍。为了便于大家理解这些天文数字的意义，我们来看一个例子。如图7-8所示，用金属丝弯一个倒“U”形线框，在下面横挂一根直金属丝，形成约2英寸见方的形状，然后在方框内拉起一张肥皂膜。肥皂膜的表面张力会向上拉扯那根直金属丝，我们可以在金属丝下悬挂一点重量来抵消这个表面张力。如果那层膜是用普通的肥皂水制作的，假如它厚0.01毫米，重约1/4克，它将能承受约3/4克的总重量。
图7-8
现在如果能用核液制造出类似的薄膜，它的总重量将达到五千万吨（约等于一千艘远洋客轮的重量），我们可以在那根直的金属丝下挂起大约一万亿吨的重物，相当于火星的第二颗卫星“火卫二”的质量！一个人要拥有多么强大的肺，才能在这样的核液薄膜上吹出泡泡来呀！
将原子核看作微小液滴时，我们不能忽略了这些液滴带电的重要事实，因为其中约一半的粒子是质子。因此，在原子核中，一边是各个粒子之间让原子核分裂成“两个或更多部分”的电排斥力，一边是将原子核中各个粒子聚合起来的表面张力，这两种力是相反的。这就是原子核不稳定的主要原因。如果表面张力占优，原子核永远不会自行分裂，当两个原子核彼此接触时，它们会像两滴普通液体一样，趋向于聚合为“一”（聚变）。
反之，如果排斥力占上风，原子核则会趋向于自发分裂成两个或更多部分，各部分会以很高的速度飞离。这一分裂过程通常被称为“裂变”。
玻尔和惠勒（1939年）对不同元素原子核中的表面张力和电排斥力的平衡进行了精确计算，得出了极其重要的结论：元素周期表前半部分的所有元素（大约到银为止），原子核的表面张力占上风，而后面较重的元素，原子核内的电排斥力占优。因此，所有比银重的元素的原子核基本都不稳定，此类原子核只要受到足够强的外部刺激，就会分解为两个或多个部分，并释放出大量内部核能（图7-9b）。另一边，当总原子量小于银的两个轻原子核靠在一起时，它们就有自行发生聚变的可能（图7-9a）。
图7-9
但要记住，除非我们施加干涉，否则两个轻原子核的聚变也好，一个重原子核的裂变也罢，通常都是不会发生的。实际上，要使两个轻原子核发生聚变，必须让它们克服电荷间的排斥力，非常靠近彼此才行；而要迫使一个重原子核发生裂变，必须通过强大的轰击，使其产生振幅足够大的振动才行。
这种必须通过初始激发才能发生反应的状态，在科学上通常被称为亚稳态，这样的例子有很多，比如悬崖上的石头、口袋里的火柴、炸弹里的TNT等。在所有这些情况下，都有大量能量等待释放，但你不动石头，它就不会滚落；你不擦火柴，它就不会燃烧；你不点燃引线，TNT也不会爆炸。在我们生活的这个世界，除银币[12]外的几乎所有物体都是潜在的核爆炸物，而我们之所以没被炸成齑粉，是因为启动核反应极其困难，用科学的语言说，让原子核发生变化需要极高的激发能量。
打个比方，我们对核能的了解（或者更确切地说，直到最近对核能的了解）就像因纽特人对火的了解一样。他们生活在一个温度低于冰点的世界，唯一的固体是冰块，唯一的液体是酒。他们从未听说过火这种东西，因为摩擦两块冰不可能擦出火花，而酒也只能被视为一种让人开心的饮料，因为他们没法将温度升至酒精燃点。
同样，人类最近发现原子中隐藏着可以释放的庞大能量时也感到十分困惑，与我们想象中因纽特人初次看到普通的酒精燃烧起来时的惊讶心情应该是一样的。
不过，一旦克服了启动核反应的困难，相比它所带来的好处，一切麻烦也都是值得的了。举例来看，通过化学方式将等量的氧原子和碳原子结合起来，根据公式O+C→CO+能量，每克混合物会释放920卡路里[13]的热量。
图7-10
如果我们用核反应聚合（核聚变）取代化合（分子聚变），公式就变成了：
每克混合物释放的能量将达到14 000 000 000卡路里，即增加了15 000 000倍。
同样，将一克复杂的TNT分子分解为水、一氧化碳、二氧化碳和氮分子（分子裂变），会释放约1 000卡路里的能量，而同样重量的（比如）汞经过核裂变后，会释放出高达10 000 000 000卡的能量。
但别忘了，大部分化学反应都能在几百摄氏度的温度下轻易发生，但相应的核反应则要求温度至少达到数百万摄氏度以上！我们应该庆幸核反应的启动如此困难，正因为这样，我们的宇宙才不会立刻发生大爆炸，并一下子化为银子。