第七章 現代煉金術
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用核液體制成一層類似的膜，那麼這層膜的總重量将是5千萬噸（約為1千艘遠洋郵輪的重量），橫絲上将能懸挂1萬億噸的東西，這大約是火星的第二顆衛星&ldquo火衛二&rdquo的重量！要用核液體吹出這樣一個肥皂泡，肺得多麼強大才行啊！
在把原子核看成微小的核液滴時，絕不要忽視這些液滴是帶電的，因為約有一半核子是質子。
原子核之所以不穩定，首要原因就在于核内存在着兩種相反的力：一種是試圖把原子核分成好幾塊的核子之間的電斥力，另一種則是把原子核維持在一起的表面張力。
如果表面張力占優勢，原子核就不會自行分裂，兩個原子核在彼此接觸時會像兩個普通液滴一樣具有融合在一起（聚變）的趨勢。
反過來，如果電斥力搶了上風，原子核就會傾向于自動分裂成幾個高速飛離的碎塊。
這種分裂過程通常被稱為&ldquo裂變&rdquo。
1939年，玻爾和惠勒（JohnArchibaldWheeler）對不同元素原子核中表面張力與電斥力的平衡作了精确的計算，并且得出了一個極為重要的結論：元素周期表中前一半元素（大約到銀為止）的原子核是表面張力占上風，更重的原子核則是電斥力占上風。
因此，所有比銀更重的元素的原子核原則上都不穩定，如果外界刺激的作用足夠強，就會碎裂成兩塊或更多塊，并且釋放出相當多的内部核能（圖65b）。
反之，當總原子量不超過銀原子的兩個輕原子核相互靠近時，就可能自發産生一個聚變過程（圖65a）。
圖65 不過要記住，除非我們做了幹預，否則無論是兩個輕原子核的聚變，還是一個重原子核的裂變，在通常條件下都不會發生。
事實上，要使兩個輕原子核發生聚變，我們必須克服其電荷之間的斥力，使它們相互靠近；要迫使一個重原子核發生裂變，就必須猛烈地轟擊它，使它以足夠大的幅度振動。
這種必須有初始的激發才能實現某個過程的事态，在科學上被稱為亞穩态。
懸崖峭壁上的岩石、口袋裡的火柴、炸彈裡的TNT炸藥，都是亞穩态的例子，每一種情況下都有大量能量等待被釋放。
但如果不踢岩石，岩石就不會滾下；不劃或不加熱火柴，火柴就不會點燃；不用雷管引爆，TNT就不會爆炸。
在我們生活的世界上，除銀塊47以外幾乎每一個物體都是潛在的核爆炸物。
但我們并沒有被炸得粉身碎骨，這是因為核反應的啟動是極其困難的，或者用更科學的語言來說，是因為核轉變需要極高的活化能。
就核能而言，我們生活（或者更确切地說，是最近生活）的世界很像一個愛斯基摩人的世界，這個愛斯基摩人居住在冰點以下的環境中，所能接觸的固體隻有冰，液體隻有酒精。
他從未聽說過火，因為用兩塊冰彼此摩擦是生不出火的；他隻會把酒精看成一種好喝的飲料，因為他無法把其溫度升到燃點。
當人類最近發現可以将原子内部蘊藏的巨大能量釋放出來時，那種巨大的惶恐和驚訝多麼像這個愛斯基摩人第一次看到酒精燈燃起時的心情啊！ 然而，一旦開啟核反應的困難得到克服，一切麻煩就得到了應有的報償。
例如，取等量的氧原子和碳原子，按照方程式 O+C&rarrCO+能量 将其化合，那麼每克混合物将會釋放920卡48的熱量。
如果将這兩種原子的普通化合（分子聚合，圖66a）替換成它們原子核的聚變（圖66b）： 6C12+8O16=14Si28+能量， 那麼每克混合物将會釋放14000000000卡的熱量，是前者的1500萬倍。
同樣，每克複雜的TNT分子分解成水分子、一氧化碳分子、二氧化碳分子和氮氣（分子裂變）會釋放大約1000卡熱量，而同樣重量的物質（比如汞）在核裂變過程中會總共釋放10000000000卡熱量。
但不要忘了，大多數化學反應在幾百度的溫度下就很容易發生，而即使溫度達到幾百萬度，相應的核轉變可能也沒有開始呢！啟動核反應的這種困難說明，整個宇宙尚無在一次劇烈的爆炸中變成純銀的危險，所以大家盡請放寬心。
圖66 三、轟擊原子 原子量的整數值為原子核的複雜性提供了強有力的證據，但隻有通過直接的實驗證據，将原子核打碎成兩塊或更多塊，才能最終證明這種複雜性。
1896年，貝克勒耳（Becquerel）發現的放射性最早暗示的确有可能實現這種打碎過程。
事實表明，鈾和钍等位于周期表末端的元素會自動發出穿透性很強的輻射（類似于普通的X-射線），原因在于這些原子在緩慢地自發衰變。
通過對這一新發現的現象進行認真的實驗研究，人們很快便得出結論說，重原子核在衰變中自動分裂成兩個非常不等的部分：（1）被稱為&alpha粒子的小塊，它是氦的原子核；（2）原有原子核的剩餘部分，它是子元素的原子核。
鈾原子核碎裂時釋放出&alpha粒子，由此産生的子元素（被稱為鈾XI）的原子核經過電荷的内部重新調整，釋放出兩個帶負電的自由電荷（普通電子），變成了比原來的鈾原子核輕四個單位的鈾同位素原子核。
接着又是一系列&alpha粒子發射和更多的電荷調整，直到最終變成穩定的鉛原子核，才不再繼續衰變。
另外兩個放射系也有交替發射&alpha粒子和電子的類似的放射性嬗變，那就是以重元素钍開始的钍系和以锕開始的锕系。
這三個系的元素都會持續地自發衰變，直到最終剩下三種不同的鉛同位素。
我們在上一節談到，元素周期表中後一半元素的原子核是不穩定的，因為破壞性的電力超過了傾向于把原子核維持在一起的表面張力。
好奇的讀者若是将它與上述自發放射性衰變對比一下，可能會感到詫異：既然所有比銀重的原子核都是不穩定的，為什麼隻有鈾、鐳、钍等少數幾種最重的元素才能觀測到自發衰變呢？答案在于，雖然從理論上講，所有比銀重的元素都應被視為放射性元素，而且它們也的确在慢慢衰變成較輕的元素，但在大多數情況下，自發衰變發生得非常緩慢，以緻無法注意到。
碘、金、汞、鉛等大家所熟知的元素的原子經過數百年也隻能分裂一兩個，這實在太慢了，即使最靈敏的物理儀器也無法将它記錄下來。
隻有那些最重的元素，其自發分裂的傾向才能強到産生明顯的放射性。
49這種相對的嬗變率還決定了不穩定原子核的分裂方式。
例如，鈾原子核就能以許多不同的方式裂開：它可以自動分裂成兩個相等的部分，三個相等的部分，或者若幹個大小不等的部分。
不過，正如通常發生的那樣，最容易的方式是分裂成一個&alpha粒子和剩餘的子核。
人們觀測到，鈾原子核自發分成兩半的概率要比放射出一個&alpha粒子的概率低約一百萬倍。
所以在1克鈾中，每秒鐘都有上萬個原子核在發射&alpha粒子而發生分裂，而要看到一次鈾原子核分成相等兩半的自發裂變過程，我們卻要等上幾分鐘！ 放射性現象的發現無可置疑地證明了原子核結構的複雜性，并為人工産生（或誘發）核嬗變的實驗鋪平了道路。
這樣便産生了一個問題：如果特别不穩定的重元素會自行發生衰變，那麼用某種高速運動的粒子強力轟擊其他穩定的原子核，能否将它們打碎呢？ 帶着這樣的想法，盧瑟福決定用不穩定的放射性原子核自動分裂所産生的核碎塊（&alpha粒子）來轟擊各種穩定元素的原子。
與今天幾個物理實驗室使用的巨型原子擊碎器相比，1919年他最早做核嬗變實驗時使用的儀器（圖67）真是簡單到了極點。
它包括一個圓筒形的真空容器，上面有一扇由熒光材料制成的薄窗作為屏幕（c）。
起轟擊作用的&alpha粒子來源于沉積在金屬片上的一個放射性物質薄層（a），被轟擊的靶（這裡是鋁）呈箔狀（b），與轟擊源相隔一段距離。
認真調整裝置，使得所有入射的&alpha粒子都會嵌在箔靶上。
因此，如果沒有受到從被轟擊的靶材料射出的次級核碎塊的影響，熒光屏将始終漆黑一片。
圖67 最初是如何使原子裂開的 一切就位之後，盧瑟福透過顯微鏡觀察屏幕，他所看到的景象幾乎不可能被誤認為漆黑一片。
整個屏幕上閃爍着成千上萬個小亮點！每一個亮點都是由質子撞擊熒光屏産生的，而每一個質子則是入射的&alpha粒子從靶上的鋁原子中撞出的一個&ldquo碎塊&rdquo。
就這樣，元素的人工嬗變就從理論上的可能性變成了科學上的既定事實。
50 盧瑟福做了這個經典實驗的幾十年之後，元素的人工嬗變已經成為最大和最重要的物理學分支之一。
無論是轟擊核的高速粒子的生産方法，還是對結果的觀測，都取得了巨大進展。
有一種被稱為雲室（或者根據其發明者的名字被稱為威爾遜雲室）的儀器能使我們最清楚地親眼看到粒子撞擊原子核時發生了什麼。
圖68是雲室的示意圖，其工作原理基于這樣一個事實：像&alpha粒子這樣的高速運動的帶電粒子在穿過空氣或任何其他氣體時，會使沿途的原子發生某種變形。
這些粒子的強電場會使碰巧擋住它們去路的氣體原子失去一個或多個電子，從而留下大量離子化的原子。
這種事态的持續時間并不長，因為粒子一過，離子化的原子很快就會重新俘獲電子，恢複正常狀态。
不過，如果這種發生電離的氣體中充滿了水蒸氣，那麼每一個離子都會形成微小的水滴&mdash&mdash水蒸氣的一個性質是，它往往會積聚在離子、灰塵等東西上&mdash&mdash從而沿着粒子軌迹産生一條細細的霧帶。
換句話說，帶電粒子在氣體中的運動軌迹就像拖着尾煙的飛機一樣變得可見。
圖68 威耳遜雲室的示意圖 從技術角度來看，雲室是非常簡單的儀器，主要包括一個金屬圓筒（A），一個玻璃蓋（B），内有一個可上下移動的活塞（C）（移動裝置未在圖中畫出）。
玻璃蓋與活塞表面之間充有空氣（或按需要充有其他氣體）和一定量的水蒸氣。
一些粒子從窗戶（E）進入雲室之後，如果活塞驟然下降，則活塞上部的氣體将會冷卻，水蒸氣将開始沿着粒子的軌迹凝結成薄薄的霧帶。
受到從邊窗
原子核之所以不穩定，首要原因就在于核内存在着兩種相反的力：一種是試圖把原子核分成好幾塊的核子之間的電斥力，另一種則是把原子核維持在一起的表面張力。
如果表面張力占優勢，原子核就不會自行分裂，兩個原子核在彼此接觸時會像兩個普通液滴一樣具有融合在一起（聚變）的趨勢。
反過來，如果電斥力搶了上風，原子核就會傾向于自動分裂成幾個高速飛離的碎塊。
這種分裂過程通常被稱為&ldquo裂變&rdquo。
1939年，玻爾和惠勒（JohnArchibaldWheeler）對不同元素原子核中表面張力與電斥力的平衡作了精确的計算，并且得出了一個極為重要的結論：元素周期表中前一半元素（大約到銀為止）的原子核是表面張力占上風，更重的原子核則是電斥力占上風。
因此，所有比銀更重的元素的原子核原則上都不穩定，如果外界刺激的作用足夠強，就會碎裂成兩塊或更多塊，并且釋放出相當多的内部核能（圖65b）。
反之，當總原子量不超過銀原子的兩個輕原子核相互靠近時，就可能自發産生一個聚變過程（圖65a）。
圖65 不過要記住，除非我們做了幹預，否則無論是兩個輕原子核的聚變，還是一個重原子核的裂變，在通常條件下都不會發生。
事實上，要使兩個輕原子核發生聚變，我們必須克服其電荷之間的斥力，使它們相互靠近；要迫使一個重原子核發生裂變，就必須猛烈地轟擊它，使它以足夠大的幅度振動。
這種必須有初始的激發才能實現某個過程的事态，在科學上被稱為亞穩态。
懸崖峭壁上的岩石、口袋裡的火柴、炸彈裡的TNT炸藥，都是亞穩态的例子，每一種情況下都有大量能量等待被釋放。
但如果不踢岩石，岩石就不會滾下；不劃或不加熱火柴，火柴就不會點燃；不用雷管引爆，TNT就不會爆炸。
在我們生活的世界上，除銀塊47以外幾乎每一個物體都是潛在的核爆炸物。
但我們并沒有被炸得粉身碎骨，這是因為核反應的啟動是極其困難的，或者用更科學的語言來說，是因為核轉變需要極高的活化能。
就核能而言，我們生活（或者更确切地說，是最近生活）的世界很像一個愛斯基摩人的世界，這個愛斯基摩人居住在冰點以下的環境中，所能接觸的固體隻有冰，液體隻有酒精。
他從未聽說過火，因為用兩塊冰彼此摩擦是生不出火的；他隻會把酒精看成一種好喝的飲料，因為他無法把其溫度升到燃點。
當人類最近發現可以将原子内部蘊藏的巨大能量釋放出來時，那種巨大的惶恐和驚訝多麼像這個愛斯基摩人第一次看到酒精燈燃起時的心情啊！ 然而，一旦開啟核反應的困難得到克服，一切麻煩就得到了應有的報償。
例如，取等量的氧原子和碳原子，按照方程式 O+C&rarrCO+能量 将其化合，那麼每克混合物将會釋放920卡48的熱量。
如果将這兩種原子的普通化合（分子聚合，圖66a）替換成它們原子核的聚變（圖66b）： 6C12+8O16=14Si28+能量， 那麼每克混合物将會釋放14000000000卡的熱量，是前者的1500萬倍。
同樣，每克複雜的TNT分子分解成水分子、一氧化碳分子、二氧化碳分子和氮氣（分子裂變）會釋放大約1000卡熱量，而同樣重量的物質（比如汞）在核裂變過程中會總共釋放10000000000卡熱量。
但不要忘了，大多數化學反應在幾百度的溫度下就很容易發生，而即使溫度達到幾百萬度，相應的核轉變可能也沒有開始呢！啟動核反應的這種困難說明，整個宇宙尚無在一次劇烈的爆炸中變成純銀的危險，所以大家盡請放寬心。
圖66 三、轟擊原子 原子量的整數值為原子核的複雜性提供了強有力的證據，但隻有通過直接的實驗證據，将原子核打碎成兩塊或更多塊，才能最終證明這種複雜性。
1896年，貝克勒耳（Becquerel）發現的放射性最早暗示的确有可能實現這種打碎過程。
事實表明，鈾和钍等位于周期表末端的元素會自動發出穿透性很強的輻射（類似于普通的X-射線），原因在于這些原子在緩慢地自發衰變。
通過對這一新發現的現象進行認真的實驗研究，人們很快便得出結論說，重原子核在衰變中自動分裂成兩個非常不等的部分：（1）被稱為&alpha粒子的小塊，它是氦的原子核；（2）原有原子核的剩餘部分，它是子元素的原子核。
鈾原子核碎裂時釋放出&alpha粒子，由此産生的子元素（被稱為鈾XI）的原子核經過電荷的内部重新調整，釋放出兩個帶負電的自由電荷（普通電子），變成了比原來的鈾原子核輕四個單位的鈾同位素原子核。
接着又是一系列&alpha粒子發射和更多的電荷調整，直到最終變成穩定的鉛原子核，才不再繼續衰變。
另外兩個放射系也有交替發射&alpha粒子和電子的類似的放射性嬗變，那就是以重元素钍開始的钍系和以锕開始的锕系。
這三個系的元素都會持續地自發衰變，直到最終剩下三種不同的鉛同位素。
我們在上一節談到，元素周期表中後一半元素的原子核是不穩定的，因為破壞性的電力超過了傾向于把原子核維持在一起的表面張力。
好奇的讀者若是将它與上述自發放射性衰變對比一下，可能會感到詫異：既然所有比銀重的原子核都是不穩定的，為什麼隻有鈾、鐳、钍等少數幾種最重的元素才能觀測到自發衰變呢？答案在于，雖然從理論上講，所有比銀重的元素都應被視為放射性元素，而且它們也的确在慢慢衰變成較輕的元素，但在大多數情況下，自發衰變發生得非常緩慢，以緻無法注意到。
碘、金、汞、鉛等大家所熟知的元素的原子經過數百年也隻能分裂一兩個，這實在太慢了，即使最靈敏的物理儀器也無法将它記錄下來。
隻有那些最重的元素，其自發分裂的傾向才能強到産生明顯的放射性。
49這種相對的嬗變率還決定了不穩定原子核的分裂方式。
例如，鈾原子核就能以許多不同的方式裂開：它可以自動分裂成兩個相等的部分，三個相等的部分，或者若幹個大小不等的部分。
不過，正如通常發生的那樣，最容易的方式是分裂成一個&alpha粒子和剩餘的子核。
人們觀測到，鈾原子核自發分成兩半的概率要比放射出一個&alpha粒子的概率低約一百萬倍。
所以在1克鈾中，每秒鐘都有上萬個原子核在發射&alpha粒子而發生分裂，而要看到一次鈾原子核分成相等兩半的自發裂變過程，我們卻要等上幾分鐘！ 放射性現象的發現無可置疑地證明了原子核結構的複雜性，并為人工産生（或誘發）核嬗變的實驗鋪平了道路。
這樣便産生了一個問題：如果特别不穩定的重元素會自行發生衰變，那麼用某種高速運動的粒子強力轟擊其他穩定的原子核，能否将它們打碎呢？ 帶着這樣的想法，盧瑟福決定用不穩定的放射性原子核自動分裂所産生的核碎塊（&alpha粒子）來轟擊各種穩定元素的原子。
與今天幾個物理實驗室使用的巨型原子擊碎器相比，1919年他最早做核嬗變實驗時使用的儀器（圖67）真是簡單到了極點。
它包括一個圓筒形的真空容器，上面有一扇由熒光材料制成的薄窗作為屏幕（c）。
起轟擊作用的&alpha粒子來源于沉積在金屬片上的一個放射性物質薄層（a），被轟擊的靶（這裡是鋁）呈箔狀（b），與轟擊源相隔一段距離。
認真調整裝置，使得所有入射的&alpha粒子都會嵌在箔靶上。
因此，如果沒有受到從被轟擊的靶材料射出的次級核碎塊的影響，熒光屏将始終漆黑一片。
圖67 最初是如何使原子裂開的 一切就位之後，盧瑟福透過顯微鏡觀察屏幕，他所看到的景象幾乎不可能被誤認為漆黑一片。
整個屏幕上閃爍着成千上萬個小亮點！每一個亮點都是由質子撞擊熒光屏産生的，而每一個質子則是入射的&alpha粒子從靶上的鋁原子中撞出的一個&ldquo碎塊&rdquo。
就這樣，元素的人工嬗變就從理論上的可能性變成了科學上的既定事實。
50 盧瑟福做了這個經典實驗的幾十年之後，元素的人工嬗變已經成為最大和最重要的物理學分支之一。
無論是轟擊核的高速粒子的生産方法，還是對結果的觀測，都取得了巨大進展。
有一種被稱為雲室（或者根據其發明者的名字被稱為威爾遜雲室）的儀器能使我們最清楚地親眼看到粒子撞擊原子核時發生了什麼。
圖68是雲室的示意圖，其工作原理基于這樣一個事實：像&alpha粒子這樣的高速運動的帶電粒子在穿過空氣或任何其他氣體時，會使沿途的原子發生某種變形。
這些粒子的強電場會使碰巧擋住它們去路的氣體原子失去一個或多個電子，從而留下大量離子化的原子。
這種事态的持續時間并不長，因為粒子一過，離子化的原子很快就會重新俘獲電子，恢複正常狀态。
不過，如果這種發生電離的氣體中充滿了水蒸氣，那麼每一個離子都會形成微小的水滴&mdash&mdash水蒸氣的一個性質是，它往往會積聚在離子、灰塵等東西上&mdash&mdash從而沿着粒子軌迹産生一條細細的霧帶。
換句話說，帶電粒子在氣體中的運動軌迹就像拖着尾煙的飛機一樣變得可見。
圖68 威耳遜雲室的示意圖 從技術角度來看，雲室是非常簡單的儀器，主要包括一個金屬圓筒（A），一個玻璃蓋（B），内有一個可上下移動的活塞（C）（移動裝置未在圖中畫出）。
玻璃蓋與活塞表面之間充有空氣（或按需要充有其他氣體）和一定量的水蒸氣。
一些粒子從窗戶（E）進入雲室之後，如果活塞驟然下降，則活塞上部的氣體将會冷卻，水蒸氣将開始沿着粒子的軌迹凝結成薄薄的霧帶。
受到從邊窗