核子学

核子学

“核子学”这个词其实不太恰当，但和很多不太恰当的词一样仍被实际使用，我们也不必再换其他说法了。正如“电子学”是一门研究自由电子束实际应用的广泛学科一样，“核子学”也应被理解为是一门研究大规模释放核能的实用学科。我们在前面的章节中已经看到，各种化学元素（银除外）的原子核中都充满大量内能，对于较轻的元素，内能可通过核聚变释放出来；对于较重的元素，内能可通过核裂变释放出来。另外，我们也看到，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十分重要，但由于效率极低，并没有什么实际用途。

这些普通高速粒子，比如α粒子、质子等，之所以效率这么低下，主要是因为它们带电，这会导致它们穿行在原子内时产生能量损耗，从而难以逼近被轰击材料的带电原子核。如此，我们当然会想到，使用不带电的中子来轰击各种原子核可能会得到更好的结果。但这里也有个挑战！中子在自然界中不会独立存在，它们能轻易穿透核子结构，当我们利用人工方式，通过某种高速粒子将中子从某个原子核中撞出（如α粒子轰击铍核产生中子）后，它很快又会被其他原子核重新捕获。

这样一来，为制造用于核轰击的强中子束，我们必须从某种元素的原子核中一个一个地把中子撞出来。这又会把我们带回效率低下的老路上去。

但也有一种摆脱这种恶性循环的方法。如果有可能让中子本身撞出其他中子，并使每个中子产生不止一个后代，这些粒子就会像兔子或感染组织中的细菌一样繁殖开来，很快，一个中子的“子孙后代”就会多到足以对一大块材料中的每一个原子核发起进攻的程度。

正是对一个可促成此类中子增殖流程的核反应的发现成就了核物理学的大繁荣，并将这门学科从关注物质最深层属性的纯科学的象牙塔，带入了喧嚣的报纸头条、激烈的政治纷争以及惊人的工业和军事发展的漩涡当中。在今天每个看过报纸的人都知道，1938年底，哈恩（Hahn）和施特拉斯曼（Strassman）发现铀核的裂变能释放出核能（或者更通俗的说法，原子能）。但不要以为裂变本身（重核分裂成两个几乎相等的部分）就能让核反应持续下去。实际上，裂变产生的两个核碎片都带有许多电荷（各带铀核约一半的电荷），使得它们无法靠近其他原子核。因此，这些碎片的庞大能量会很快流失给附近原子的电子壳层，然后归于静止，而不再引发进一步的裂变。

铀的裂变对于研发出能自动持续引发的核反应非常重要，人们发现每一块铀核碎片在最终停下前都会释放出一颗中子（图7-17）。

图7-17　铀核裂变的各个阶段

裂变之所以会产生这样的后效应，是因为当一个重核裂成两部分时，碎片会像两条断裂的弹簧一样，呈现相当剧烈的振动。状态这些振动不足以引发二次核裂变（即每个碎片再碎成两片），但足以导致碎片释放出原子核结构的某些基本粒子。我们说每个碎片都会释放出一个中子，这是统计意义上的讲法；在某些情况下，一个碎片可能会释放出两个甚至三个中子，而有的碎片不会释放出任何中子。当然，从裂变碎片释放出的平均中子数量取决于碎片的振动强度，而振动强度又取决于原始裂变过程释放的总能量。如上文所述，裂变释放的能量会随原子核重量的增加而增强，由此可见，每个裂变碎片释放的平均中子数也会随元素周期表序号的递增而增多。例如，金核裂变（由于需要的激发能过高，目前尚未获得实验验证）导致每个碎片释放的平均中子数会大大小于一。铀核裂变释放的中子数大约为每个碎片一个（每次裂变约释放两个中子）；而更重的元素（如钚）裂变时，每个碎片释放的平均中子数可望大于一个。

只有当100个中子进入某物质后，能产生100个以上的次代中子时，才有可能实现中子的生生不息。而这一点取决于中子在促成指定原子核裂变时的相对效率，以及完成裂变后释放出的新中子的平均数量。必须记住，尽管中子比带电粒子的轰击效率高得多，但它们促成裂变的效率仍达不到百分之百。实际上，总有一些高速中子在撞上原子核时，只将一部分动能输送给原子核，然后带着剩余的动能弹开。如此，中子的能量将分散消耗给若干个原子核，而没有一个原子核能发生裂变。

我们可以通过原子核结构的一般理论断言：中子的裂变效率随所涉元素原子量的增加而提高，对于周期表尾端的元素，中子的裂变效率接近百分之百。

现在，我们来看两个数值的例子，其中一个例子有利于中子的生生不息，另一个例子不利于中子的生生不息：（1）假设一种元素的快中子裂变率为35%，每次裂变释放出的平均中子数为1.6。^[22]在这种情况下，100个初始中子将促成35次裂变，这35次裂变又会释放35×1.6=56个次代中子。显然，中子的数量会快速下降，每一代只剩前一代的大约一半。（2）假设有另一种较重的元素，中子的裂变效率提高至65%，每次裂变平均释放的中子数达到2.2。在这种情况下，100个初始中子将促成65次裂变，总计释放出65×2.2=143个中子。可见，每一代的中子数都会较前一代增长约50%，很快，中子的数量就足以轰击并破解样品中的每一个原子核了。这种反应被称为稳定的分支链式反应，能发生此类反应的物质被称为可裂变物质。

通过对分支链式反应所必需的条件进行仔细的实验和理论研究后，可得出一个结论：在所有天然元素中，只有一种原子核能发生这种反应。这唯一的天然裂变物质就是铀的著名的轻同位素铀235。

但是，铀235在自然界中并不以纯净物的形式存在，它总是和铀的另一种不易裂变的同位素铀238混合在一起（铀235占0.7%，铀238占99.3%）。这会阻碍天然铀中的分支链式反应，就像水的存在会阻碍木材的燃烧一样。实际上，正是由于混杂了铀238这种惰性同位素，铀235这种高度易裂变的原子才得以在自然界中存在至今，否则它们早就在快速分支链式反应中灰飞烟灭了。因此要想利用铀235的能量，必须将这些原子核与更重的铀238的原子核分开，或者设计一种方法，做到在不移除铀238的情况下，消除它们的干扰。在人类研究释放原子能问题的过程中，这两种方法都得到了探索，并都取得了成功。这类技术问题已经超出了本书讨论的范畴，在此只简单介绍一下。^[23]

图7-18　离散中子在球形可裂变材料中引发的链式核反应。

虽然，许多中子穿过球面消失了，但连续不断产生的一代代中子数量在增加，最终引起爆炸

直接分离铀的两种同位素是一个技术难题，因为它们的化学性质完全相同，常规的工业化学手法无法实现这样的分离。这两种原子的唯一区别是它们的质量有1.3%之差。由此，我们可以诉诸一些原子质量发挥主要作用的分离方法，比如扩散法、离心法，以及电磁场中的离子束偏移法等。图7-19的a、b两部分给出了两种主要分离方法的示意图，并对每种方法进行了简短说明。

由于两种铀同位素的质量差别很小，所有这些方法都不够完美，无法一步分离完成，需要重复多次，让产品中的轻同位素含量越来越高，最终经过大量反复分离，我们将得到纯度相当高的铀235样品。

图7-19^[24]

更巧妙的方法是通过使用所谓的减速剂，人为减少铀238的干扰作用，使得分支链式反应可以在天然铀中发生。要理解这种方法，我们要明白，较重的铀同位素对分支链式反应的负面影响主要在于，它能吸收铀235裂变时产生的大量中子，从而切断分支链式反应的推进。因此，只要我们能采取措施，阻止中子在遇到铀235原子核前被铀238原子核“绑架”，铀235原子核的裂变就能进行下去，问题也就解决了。但铀238的比例比铀235大140倍，要阻止前者俘获大部分中子，似乎是痴心妄想。好在有另一个帮手：这两种铀同位素的“中子捕获能力”会随着中子移动速度的变化而变化。对于来自裂变核的快中子而言，两种同位素的捕获能力是相同的，铀235每捕获一个中子，铀238会捕获140个中子。对于中速的中子而言，铀238的俘获能力比铀235更强。不过，当中子速度很慢时，铀235的俘获能力会远远超过铀238，这一点非常重要。借此，如果我们能放慢裂变中子的速度，使它们原本的高速度在遇到铀核（238或235）前大大放缓，那么，尽管铀235的数量很少，它们捕捉到中子的概率仍会大于铀238。

要实现这一点，我们只需将大量的天然铀碎片混在某种材料（减速剂）中即可，这种材料要既能使中子减速，又不会俘获太多中子。最好的减速材料是重水 、碳、铍盐。图7-20显示了这种分散在减速材料里的铀粒“堆”是如何工作的。^[25]

图7-20　这张图看上去像是生物学里的细胞图，其实展示的是嵌在减速剂（小原子）里的铀（大原子）团。左侧铀团里的一颗铀核发生裂变后释放了两个中子，中子进入减速剂后，在与减速剂原子核发生一系列碰撞后会逐渐慢下来。等它们抵达另一块铀团时，速度已大大减慢，从而会被铀235的原子核捕获，因为对于慢速中子来说，铀235的捕获能力比铀238强得多。

如前文所述，铀的轻同位素铀235（仅占天然铀的0.7%）是现存唯一能支持分支链式反应，进而大规模释放出核能的天然裂变物质。但这并不意味着我们不能人工制造出自然界并不存在的、性质与铀235相同的其他核反应元素来。实际上，利用裂变元素的分支链式反应中产生的大量中子，我们可以将其他通常不可裂变的原子核变成可裂变的原子核。

第一个此类例子就体现在上文所述的“堆”（由天然铀与减速剂混合而成）发生的反应当中。我们已经看到，使用减速剂可大大减弱铀238捕获中子的能力，借此可促成铀235的分支链式反应。但是，有些中子仍会被铀238捕获，这又会导致什么呢？

当然，铀238捕获到一个中子后，会马上变成更重的铀同位素铀239。但是，人们发现这种新形成的原子核不会存在很长时间，它会相继释放出两个电子，变成原子序数为94的新化学元素的原子核。这种人造的新元素被称为钚（Pu-239），它比铀 235 还容易发生裂变。如果用另一种天然放射性元素钍（Th-232）来替换铀238，它在俘获一个中子、释放两个电子后，会变成另一种人造可裂变元素铀233。

因此，从天然可裂变元素铀235开始，以循环方式发生反应，从原理上讲，有可能将所有天然铀和钍都转化为可裂变物质，成为浓缩的核能资源。

本节结束前，让我们估量一下人类未来可用于和平发展或军事自毁的总能量到底有多少。据估算，如果将已知铀矿中的铀235全部转化为核能，可满足全球几年的工业需求。如果将铀238（转化为钚）纳入考量，这个时间将延伸到几百年。再加上储量为铀四倍的钍（转化为铀233），我们的估算会拉长至一两千年，由此来看，一切关于“未来原子能短缺”的忧虑都是多余的。

即使所有这些核能资源都被耗尽，也没有新的铀矿或钍矿被发现，人类的后代仍可从普通的石头中获取核能。实际上，与所有其他化学元素一样，铀和钍也几乎存在于一切普通材料中。比如，每吨花岗岩中有4克铀、12克钍。乍一听似乎很少，但通过计算，我们知道，1千克裂变物质如果发生爆炸（如在原子弹中）相当于2万吨TNT，而如果作为燃料，则相当于大约2万吨汽油。如此，1吨花岗岩中的16克铀和钍，如果都转化为裂变物质，能够释放的能量就相当于320吨普通燃料。不论我们花了多少工夫才把这几克材料分离出来，能获得这么多能量也值了，特别是当我们快要耗尽所有富矿之时。

在搞定了铀等重元素的核裂变过程后，物理学家又征服了反向的核聚变过程。通过核聚变，两个轻元素的原子核能聚合在一起，构成一个较重的核，并释放出大量能量。我们会在第十一章中看到，太阳的能量就源于这样的聚变：在太阳内部剧烈的热碰撞下，普通氢核会结合在一起，形成较重的氦核。要复制这些所谓的热核反应用于服务人类，最好的聚变材料就是氘，重氘中的一种，它在普通的水中少量存在。氘核中有一个质子和一个中子。当两个氘核发生碰撞，会发生下面两种反应中的一种：

2氘核→+中子；

2氘核→+质子。

要促成这一转化，氘必须经受上亿摄氏度的高温。

氢弹是最早成功实现核聚变的装置，它的原理是通过原子弹的爆炸触发氘反应。但更复杂的问题是如何促成可控的热核反应，为和平利用带来庞大能量。主要困难在于如何约束高热气体，针对这一点，可以利用强磁场将氘核银制在中央的高温区域，避免氘核接触容器壁（能使容器壁熔化和蒸发！）。

【注释】

[1]其中，较重的氯占比25%，较轻的占比75%，平均原子量为：0.25×37＋0.75×35=35.5——这正是早期化学家发现的数字。

[2]来自希腊语，前半部分意为相同，后半部分意为位置。

[3]查看元素周期表，你会发现前面几种元素的原子量等于原子序数的两倍，这意味着这些元素的原子核包含相同数目的质子和中子。后面较重的元素，原子量增速更快，这表明它们包含的中子比质子多。

[4]注：负质子发现于1955年。

[5]参阅M.Born，Atomic physics（G.E.Stechers & Co.，New York，1935）。

[6]参阅T.B.Brown，Moderm Physics（John wiley & Sons，New York，1940）。

[7]尽管从原则上讲，电子对的生成能在完全的虚空中发生，但原子核周围的电场能大大促进电子对的生成。

[8]这些高能粒子的速度达到了光速的99.999 999 999 999 9%，对它们来源的最普遍（可能也是最合理）的解释是：它们可能是由宇宙中漂浮的巨大气体和尘埃云（星云）中可能存在的超高压加速产生的。实际上，我们可以想象，星云积聚电荷的过程类似于我们大气中的普通乌云积聚电荷的过程，只是星云内的电势差远高于雷暴期间乌云内的电势差。

[9]这可以通过轰击原子核的方法做到，本章后文有介绍。

[10]最新实验证据表明，中微子的质量不到电子的十分之一。

[11]注：在之后的科学发展中，人们发现核子（中子和质子）由夸克组成，已不再被视为基本粒子。

[12]应当记住，银的原子核既不会聚变也不会裂变。

[13]卡路里是热量单位，标准大气压下1克水升高1℃所需的能量为1卡。

[14]每克铀每秒内有数千个原子发生分裂。

[15]通过基础物理学我们知道，传至金属球形导体的电荷会分布在球体表面上。借此，我们可以为这个空心金属球充入任意高的电压，并在其表面开一个小洞，将另一个带有少量电荷的小导体送入球内，让其接触球内表面，通过它将少量电荷一次又一次地送入球内。实际操作中，可以使用一条传送带将小型变压器产生的电荷送入这个球形导体。

[16]回旋加速器主要由放在强磁场（磁场方向与图画平面垂直）中的两个半圆形金属盒组成。这两个盒子与一个变压器相连，交替带有正电和负电。从中心处的离子源射出的离子在磁场中沿圆形轨迹前进，每次从一个盒子进入另一个盒子时，就会加速一次。离子运动的速度越来越快，画出一条螺旋曲线，最终以极高的速度冲出。

[17]该装置由一系列长度递增的圆筒组成，它们由变压器交替充入正电和负电。离子从一个圆筒进入另一个圆筒时，会因电压差逐渐增速，并依次增加一定的能量。由于速度与能量的平方根成正比，只要圆筒的长度与整数的平方根成正比，离子就会始终与交变电场保持同相。以同样的方式将该系统延伸得足够长，我们就能把离子加速到任意大的速度。

[18]布莱克特拍摄的核反应（本书未提供照片）可由以下反应式表示：

[20]核反应式为：。

[21]该过程的核反应式可写成：a中子的产生：（来自镭的α粒子）→；b中子轰击氮原子：。

[22]此处的数值是为举例杜撰的，未对应具体元素。

[23]更详细的讨论请参阅Selig Hecht的《解释原子》（Explaining the Atom）一书，初版由Viking Press出版于1947年。经Eugene Rabinowitch博士修订和扩展的新版本进入了Explorer的平装本系列。

[24]图7-19（a）是通过扩散法分离同位素。将包含两种同位素的气体抽入分离室的左侧，气体会通过中间的挡板扩散到另一侧。由于较轻的分子扩散得更快，右侧气体中铀235的比例会更高。（b）是通过磁场法分离同位素。粒子束穿过强磁场，较轻的同位素会发生更强的偏转。但为了提高粒子束强度，必须使用较宽的缝隙，这样一来，铀235和铀238这两个粒子束会存在部分重叠，因此还是只能完成部分分离。

[25]有关铀堆的更详细的讨论，请参考关于原子能的专业书籍。