第七章 現代煉金術
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一、基本粒子
我們知道，各種化學元素的原子有着相當複雜的力學系統，許多電子在圍繞着中心的原子核旋轉，那麼我們自然會追問：這些原子核是最終不可分的物質結構單元，還是可以繼續分成更小、更簡單的部分呢？是否有可能将這92種不同的原子減少成幾種真正簡單的粒子呢？
早在19世紀中葉，這種簡單化的渴望就促使英國化學家普魯特（WilliamProut）提出了一個假說：各種化學元素的原子都有一種共性，它們都是以不同程度&ldquo集中&rdquo起來的氫原子罷了。
該假說的根據在于：用化學方法測定的不同元素的原子量與氫元素的原子量之比非常接近于整數。
于是根據普魯特的說法，既然氧原子的重量是氫原子的16倍，那它一定是由聚在一起的16個氫原子構成的，原子量為127的碘原子一定是由127個氫原子聚集而成的，等等。
然而，當時的化學發現并不利于接受這個大膽的假說。
通過精确地測量原子量，事實表明，大多數元素的原子量隻是與整數非常接近，有少數則根本不接近。
（例如，氯的化學原子量為35.5。
）這些似乎與普魯特的假說直接相抵觸的事實使它受到了懷疑，普魯特直到去世也不知道自己實際上是多麼正确。
直到1919年，他的假說才因為英國物理學家阿斯頓（Aston）的發現而重新受到注意。
阿斯頓表明，普通的氯其實是兩種不同氯元素的混合物，它們擁有相同的化學性質，但原子量不同，一種是35，一種是37。
化學家所測定的非整數原子量35.5隻是該混合物的平均值。
38 對各種化學元素的進一步研究揭示了一個驚人的事實：大多數元素都是由化學性質相同而原子量不同的幾種組分混和而成的。
于是，它們被稱為&ldquo同位素&rdquo（isotopes）39，即在元素周期表中占據同一位置的東西。
事實上，不同同位素的質量總是一個氫原子質量的整倍數，這給普魯特被遺忘的假說帶來了新生。
我們在上一節看到，原子的主要質量都集中于原子核，因此可以用現代語言将普魯特的假說重新表述成：不同種類的原子核是由不同數量的基本的氫原子核構成的，氫原子核因其在物質結構中的作用而被賦予了&ldquo質子&rdquo（proton）這個專名。
不過，以上陳述需要作一項重要修改。
以氧原子核為例，由于氧在元素的天然排序中是第八位，所以氧原子應包含8個電子，氧原子核也應帶8個正電荷。
但氧原子的重量是氫原子的16倍，所以如果假設氧原子核由8個質子所構成，那麼電荷數是對的，但質量不對（均為8）；如果假設它由16個質子所構成，那麼質量對了，電荷數又錯了（均為16）。
顯然，要想擺脫這個困難，隻有假設在構成複雜原子核的質子中，有一些失去了原有的正電荷，成為電中性的。
早在1920年，盧瑟福就曾提出存在着這種無電荷的質子或者我們現在所謂的&ldquo中子&rdquo，不過用實驗發現它還要等到12年後。
需要注意的是，不要把質子和中子看成兩種完全不同的粒子，而要看成現在被稱為&ldquo核子&rdquo的同一種基本粒子的兩種不同的帶電狀态。
事實上，我們已經知道，質子可以失去正電荷而變成中子，中子也可以獲得正電荷而變成質子。
将中子作為原子核的結構單元引入進來，剛才讨論的困難便得到了解決。
為了理解氧原子核為何有16個質量單位但隻有8個電荷單位，可以認為它是由8個質子和8個中子構成的。
原子量為127、原子序數為53的碘的原子核有53個質子和74個中子，而重元素鈾（原子量為238，原子序數為92）的原子核則有92個質子和146個中子。
40 就這樣，在提出近一個世紀後，普魯特的大膽假說才最終得到了應有的認可。
現在我們可以說，已知的無窮無盡的物質都隻是源于兩種基本粒子的不同結合：（1）核子，它是物質的基本粒子，要麼可以帶一個正電荷，要麼呈電中性；（2）電子，帶負電的自由電荷（圖57）。
圖57 以下是《物質烹饪全書》（TheCompleteCookBookofMatter）中的幾個菜譜。
它們顯示了在宇宙廚房中，每一道菜是如何用核子和電子烹制出來的。
水 将8個中性核子和8個帶電核子結合成核，外面圍上8個電子，便成了氧原子。
用這種方法制備出大量氧原子。
再給單個帶電核子配上單個電子，便成了氫原子。
用這種方法制備出數目為氧原子兩倍的氫原子。
給每一個氧原子加上兩個氫原子，将如此得到的水分子混合在一起置于杯中，保持冷卻。
食鹽 将12個中性核子和11個帶電核子結合成核，外面圍上11個電子，便成了鈉原子。
将18個或20個中性核子和17個帶電核子結合成核，外面圍上17個電子，便成了氯原子的兩種同位素。
以這種方法制備出同樣數目的鈉原子和氯原子，将它們排成三維國際象棋棋盤的樣式，形成規則的食鹽晶體。
TNT 将6個中性核子和6個帶電核子結合成核，外面圍上6個電子，便成了碳原子。
将7個中性核子和7個帶電核子結合成核，外面圍上7個電子，便成了氮原子。
再按照水的上述配方制備出氧原子和氫原子。
将6個碳原子排成一個環，環外則有第7個碳原子。
将3對氧原子與環上的3個碳原子相連，并且在氧原子與碳原子之間分别放置1個氮原子。
給環外的那個碳原子連上3個氫原子，給環内剩下的兩個碳原子也各連上1個氫原子。
把這樣得到的分子規則地排列起來，形成許多小晶體，并把所有這些小晶體壓在一起。
不過操作時要小心，因為這種結構不穩定，很容易爆炸。
我們已經看到，中子、質子和帶負電的電子是構造任何物質的必要單元，但這份基本粒子清單似乎還不太完備。
事實上，如果普通的電子是帶負電的自由電荷，為什麼不能有帶正電的自由電荷即正電子呢？ 此外，如果作為物質基本單元的中子可以獲得一個正電荷而變成質子，它為何就不能帶負電而變成負質子呢？ 回答是：自然中的确存在着正電子，除了電荷符号，它與通常的負電電子完全相似。
負質子也有可能存在，但還未被實驗物理學成功地探測到。
在我們這個物理世界中，正電子和負質子（如果有的話）的數量之所以沒有負電子和正質子多，是因為這兩組粒子可以說是彼此敵對的。
衆所周知，一正一負兩個電荷碰到一起時會彼此抵消。
既然這兩種電子不過是帶正電和帶負電的自由電荷罷了，所以不能指望它們會共存于同一個空間區域。
事實上，一旦正電子與負電子相遇，它們的電荷會立即相互抵消，兩個電子将不再作為個體粒子而存在。
兩個電子的這樣一個相互湮滅過程将在其相遇點産生強烈的電磁輻射（&gamma射線），輻射的能量就是兩個湮滅電子的初始能量。
根據物理學的基本定律，能量既不能創造也不能毀滅，我們這裡看到的不過是自由電荷的靜電能變成了輻射波的電動能罷了。
這種因正負電子相遇而産生的現象，玻恩（MaxBorn）教授稱之為兩個電子的&ldquo狂野婚姻&rdquo41，更為憂郁的布朗（T.B.Brown）教授則稱之為&ldquo雙雙自殺&rdquo。
42圖58a顯示了這種相遇狀況。
圖58兩個電子的&ldquo湮滅&rdquo産生電磁波，以及電磁波經過原子核附近&ldquo産生&rdquo一個電子對的過程示意圖 兩個相反電荷的電子的&ldquo湮滅&rdquo過程的逆過程是&ldquo電子對的産生&rdquo，即強烈的&gamma射線導緻似乎從虛無中産生了一個正電子和一個負電子。
我們說&ldquo似乎&rdquo從虛無中産生，是因為每一個新電子對的産生都要消耗&gamma射線所提供的能量。
事實上，形成一個電子對所消耗的輻射能量精确地等于湮滅過程中所釋放的能量。
當入射輻射靠近某個原子核時，電子對的産生過程最容易發生，43圖58b是該過程的示意圖。
大家知道，硬橡膠棒和毛織物彼此摩擦時會帶上相反的電荷，這便是表明兩種相反電荷可以從起初沒有電荷的地方産生的一個例子。
這并不值得大驚小怪。
如果有足夠多的能量，我們就能制造出任意數量的正負電子對。
但要明确一個事實：相互湮滅過程很快會使它們不複存在，并把原來消耗的能量如數交回。
這種&ldquo大量生産&rdquo電子對的一個有趣例子是所謂的&ldquo宇宙射線簇射&rdquo現象，這是從星際空間射來的高能粒子流在大氣層引發的。
雖然這些在宇宙的空曠空間中縱橫穿梭的粒子流究竟從何而來仍然是科學的一個未解之謎，44但我們已經非常清楚電子在以驚人的速度轟擊大氣層的上層時發生了什麼。
這種高速電子在靠近大氣層原子的原子核時，原有的能量會逐漸失去，并以&gamma輻射的形式釋放出來（圖59）。
這種輻射引發了無數電子對産生過程，新生的正、負電子沿着原有電子的路徑繼續前進。
這些次級電子仍然有很高的能量，會引發更多的&gamma輻射，從而産生更多的新電子對。
穿過大氣層時，這個陸續倍增的過程多次重複，以至于當原初的電子最終到達海平面時，有一半正、一半負的次級電子相伴随。
不用說，高速電子穿透大質量物體時也會産生這種宇宙射線簇射，不過由于物體密度較高，分支過程發生的頻率要高得多（見插圖2a）。
圖59 宇宙射線簇射的起源 現在我們轉到負質子是否可能存在的問題。
可以預期，這種粒子可由中子獲得一個負電荷或者失去一個正電荷而得到。
但不難理解，這種負質子和正電子一樣是無法長時間存在于任何普通物質中的。
事實上，它們将立即被最近的帶正電的原子核吸引和吸收，進入原子核結構之後很可能會變成中子。
因此，即使這種負質子的确能作為基本粒子的對稱粒子而實際存在于物質中，發現它們也絕非易事。
别忘了，正電子是在普通負電子的概念被引入科學之後又過了近半個世紀才被發現呢。
倘若負質子的
該假說的根據在于：用化學方法測定的不同元素的原子量與氫元素的原子量之比非常接近于整數。
于是根據普魯特的說法，既然氧原子的重量是氫原子的16倍，那它一定是由聚在一起的16個氫原子構成的，原子量為127的碘原子一定是由127個氫原子聚集而成的，等等。
然而，當時的化學發現并不利于接受這個大膽的假說。
通過精确地測量原子量，事實表明，大多數元素的原子量隻是與整數非常接近，有少數則根本不接近。
（例如，氯的化學原子量為35.5。
）這些似乎與普魯特的假說直接相抵觸的事實使它受到了懷疑，普魯特直到去世也不知道自己實際上是多麼正确。
直到1919年，他的假說才因為英國物理學家阿斯頓（Aston）的發現而重新受到注意。
阿斯頓表明，普通的氯其實是兩種不同氯元素的混合物，它們擁有相同的化學性質，但原子量不同，一種是35，一種是37。
化學家所測定的非整數原子量35.5隻是該混合物的平均值。
38 對各種化學元素的進一步研究揭示了一個驚人的事實：大多數元素都是由化學性質相同而原子量不同的幾種組分混和而成的。
于是，它們被稱為&ldquo同位素&rdquo（isotopes）39，即在元素周期表中占據同一位置的東西。
事實上，不同同位素的質量總是一個氫原子質量的整倍數，這給普魯特被遺忘的假說帶來了新生。
我們在上一節看到，原子的主要質量都集中于原子核，因此可以用現代語言将普魯特的假說重新表述成：不同種類的原子核是由不同數量的基本的氫原子核構成的，氫原子核因其在物質結構中的作用而被賦予了&ldquo質子&rdquo（proton）這個專名。
不過，以上陳述需要作一項重要修改。
以氧原子核為例，由于氧在元素的天然排序中是第八位，所以氧原子應包含8個電子，氧原子核也應帶8個正電荷。
但氧原子的重量是氫原子的16倍，所以如果假設氧原子核由8個質子所構成，那麼電荷數是對的，但質量不對（均為8）；如果假設它由16個質子所構成，那麼質量對了，電荷數又錯了（均為16）。
顯然，要想擺脫這個困難，隻有假設在構成複雜原子核的質子中，有一些失去了原有的正電荷，成為電中性的。
早在1920年，盧瑟福就曾提出存在着這種無電荷的質子或者我們現在所謂的&ldquo中子&rdquo，不過用實驗發現它還要等到12年後。
需要注意的是，不要把質子和中子看成兩種完全不同的粒子，而要看成現在被稱為&ldquo核子&rdquo的同一種基本粒子的兩種不同的帶電狀态。
事實上，我們已經知道，質子可以失去正電荷而變成中子，中子也可以獲得正電荷而變成質子。
将中子作為原子核的結構單元引入進來，剛才讨論的困難便得到了解決。
為了理解氧原子核為何有16個質量單位但隻有8個電荷單位，可以認為它是由8個質子和8個中子構成的。
原子量為127、原子序數為53的碘的原子核有53個質子和74個中子，而重元素鈾（原子量為238，原子序數為92）的原子核則有92個質子和146個中子。
40 就這樣，在提出近一個世紀後，普魯特的大膽假說才最終得到了應有的認可。
現在我們可以說，已知的無窮無盡的物質都隻是源于兩種基本粒子的不同結合：（1）核子，它是物質的基本粒子，要麼可以帶一個正電荷，要麼呈電中性；（2）電子，帶負電的自由電荷（圖57）。
圖57 以下是《物質烹饪全書》（TheCompleteCookBookofMatter）中的幾個菜譜。
它們顯示了在宇宙廚房中，每一道菜是如何用核子和電子烹制出來的。
水 将8個中性核子和8個帶電核子結合成核，外面圍上8個電子，便成了氧原子。
用這種方法制備出大量氧原子。
再給單個帶電核子配上單個電子，便成了氫原子。
用這種方法制備出數目為氧原子兩倍的氫原子。
給每一個氧原子加上兩個氫原子，将如此得到的水分子混合在一起置于杯中，保持冷卻。
食鹽 将12個中性核子和11個帶電核子結合成核，外面圍上11個電子，便成了鈉原子。
将18個或20個中性核子和17個帶電核子結合成核，外面圍上17個電子，便成了氯原子的兩種同位素。
以這種方法制備出同樣數目的鈉原子和氯原子，将它們排成三維國際象棋棋盤的樣式，形成規則的食鹽晶體。
TNT 将6個中性核子和6個帶電核子結合成核，外面圍上6個電子，便成了碳原子。
将7個中性核子和7個帶電核子結合成核，外面圍上7個電子，便成了氮原子。
再按照水的上述配方制備出氧原子和氫原子。
将6個碳原子排成一個環，環外則有第7個碳原子。
将3對氧原子與環上的3個碳原子相連，并且在氧原子與碳原子之間分别放置1個氮原子。
給環外的那個碳原子連上3個氫原子，給環内剩下的兩個碳原子也各連上1個氫原子。
把這樣得到的分子規則地排列起來，形成許多小晶體，并把所有這些小晶體壓在一起。
不過操作時要小心，因為這種結構不穩定，很容易爆炸。
我們已經看到，中子、質子和帶負電的電子是構造任何物質的必要單元，但這份基本粒子清單似乎還不太完備。
事實上，如果普通的電子是帶負電的自由電荷，為什麼不能有帶正電的自由電荷即正電子呢？ 此外，如果作為物質基本單元的中子可以獲得一個正電荷而變成質子，它為何就不能帶負電而變成負質子呢？ 回答是：自然中的确存在着正電子，除了電荷符号，它與通常的負電電子完全相似。
負質子也有可能存在，但還未被實驗物理學成功地探測到。
在我們這個物理世界中，正電子和負質子（如果有的話）的數量之所以沒有負電子和正質子多，是因為這兩組粒子可以說是彼此敵對的。
衆所周知，一正一負兩個電荷碰到一起時會彼此抵消。
既然這兩種電子不過是帶正電和帶負電的自由電荷罷了，所以不能指望它們會共存于同一個空間區域。
事實上，一旦正電子與負電子相遇，它們的電荷會立即相互抵消，兩個電子将不再作為個體粒子而存在。
兩個電子的這樣一個相互湮滅過程将在其相遇點産生強烈的電磁輻射（&gamma射線），輻射的能量就是兩個湮滅電子的初始能量。
根據物理學的基本定律，能量既不能創造也不能毀滅，我們這裡看到的不過是自由電荷的靜電能變成了輻射波的電動能罷了。
這種因正負電子相遇而産生的現象，玻恩（MaxBorn）教授稱之為兩個電子的&ldquo狂野婚姻&rdquo41，更為憂郁的布朗（T.B.Brown）教授則稱之為&ldquo雙雙自殺&rdquo。
42圖58a顯示了這種相遇狀況。
圖58兩個電子的&ldquo湮滅&rdquo産生電磁波，以及電磁波經過原子核附近&ldquo産生&rdquo一個電子對的過程示意圖 兩個相反電荷的電子的&ldquo湮滅&rdquo過程的逆過程是&ldquo電子對的産生&rdquo，即強烈的&gamma射線導緻似乎從虛無中産生了一個正電子和一個負電子。
我們說&ldquo似乎&rdquo從虛無中産生，是因為每一個新電子對的産生都要消耗&gamma射線所提供的能量。
事實上，形成一個電子對所消耗的輻射能量精确地等于湮滅過程中所釋放的能量。
當入射輻射靠近某個原子核時，電子對的産生過程最容易發生，43圖58b是該過程的示意圖。
大家知道，硬橡膠棒和毛織物彼此摩擦時會帶上相反的電荷，這便是表明兩種相反電荷可以從起初沒有電荷的地方産生的一個例子。
這并不值得大驚小怪。
如果有足夠多的能量，我們就能制造出任意數量的正負電子對。
但要明确一個事實：相互湮滅過程很快會使它們不複存在，并把原來消耗的能量如數交回。
這種&ldquo大量生産&rdquo電子對的一個有趣例子是所謂的&ldquo宇宙射線簇射&rdquo現象，這是從星際空間射來的高能粒子流在大氣層引發的。
雖然這些在宇宙的空曠空間中縱橫穿梭的粒子流究竟從何而來仍然是科學的一個未解之謎，44但我們已經非常清楚電子在以驚人的速度轟擊大氣層的上層時發生了什麼。
這種高速電子在靠近大氣層原子的原子核時，原有的能量會逐漸失去，并以&gamma輻射的形式釋放出來（圖59）。
這種輻射引發了無數電子對産生過程，新生的正、負電子沿着原有電子的路徑繼續前進。
這些次級電子仍然有很高的能量，會引發更多的&gamma輻射，從而産生更多的新電子對。
穿過大氣層時，這個陸續倍增的過程多次重複，以至于當原初的電子最終到達海平面時，有一半正、一半負的次級電子相伴随。
不用說，高速電子穿透大質量物體時也會産生這種宇宙射線簇射，不過由于物體密度較高，分支過程發生的頻率要高得多（見插圖2a）。
圖59 宇宙射線簇射的起源 現在我們轉到負質子是否可能存在的問題。
可以預期，這種粒子可由中子獲得一個負電荷或者失去一個正電荷而得到。
但不難理解，這種負質子和正電子一樣是無法長時間存在于任何普通物質中的。
事實上，它們将立即被最近的帶正電的原子核吸引和吸收，進入原子核結構之後很可能會變成中子。
因此，即使這種負質子的确能作為基本粒子的對稱粒子而實際存在于物質中，發現它們也絕非易事。
别忘了，正電子是在普通負電子的概念被引入科學之後又過了近半個世紀才被發現呢。
倘若負質子的