第七章 現代煉金術
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（D）射入的強光照射，這些霧帶将在活塞黑色表面的映襯下清晰可見，并且可以用與活塞連動的照相機（F）拍攝下來。
這個簡單的裝置是現代物理學中最有用的儀器之一，我們由此得以拍下關于核轟擊結果的美妙照片。
圖69 靜電發生器的原理 基礎物理學告訴我們，傳遞給一個球形金屬導體的電荷會分布于它的外表面。
于是，經由球上開的一個小洞，将一個小的帶電導體一次次地伸進球内與球的内表面接觸，将小電荷陸續引入其内部，可以使這樣一個導體的電勢升到任意高。
在實際操作中，我們使用的是一條經由小洞進入球形導體的傳動皮帶，由它攜帶着一個小起電器所産生的電荷。
我們當然也希望設計出一些方法，能在強電場中加速各種帶電粒子（離子），以産生強大的粒子束。
這樣不但能省去稀罕昂貴的放射性物質，還能使用其他類型的粒子（比如質子），所獲得的動能也比普通放射性衰變所提供的能量高。
在産生密集高速粒子束的各種儀器當中，最重要的有靜電發生器、回旋加速器和直線加速器。
圖69、圖70和圖71分别簡述了它們的工作原理。
圖70 回旋加速器的原理 回旋加速器主要包括兩個置于強磁場（方向與紙面垂直）中的半圓形金屬盒。
兩個盒子與一個變壓器相連，因此交替帶正電和負電。
從中心的離子源射出的離子在磁場中沿着圓形軌道運動，每當從一個盒子進入另一個盒子時就會被加速。
離子運動得越來越快，描繪出一條展開的螺線，最後以極高的速度沖出。
圖71 直線加速器原理 這套裝置包括幾個長度逐漸增大的圓筒，由變壓器交替充以正電和負電。
從一個圓筒進入另一個圓筒的過程中，離子被現有的電勢差逐漸加速，因此能量每次都會有所增加。
由于速度與能量的平方根成正比，所以如果圓筒的長度正比于整數的平方根，就能保持離子與交變電場同相位。
把這套裝置建造得足夠長，就能把離子加速到任何想要的速度。
用上述類型的電加速器來産生各種強大的粒子束，用它們轟擊由不同材料制成的靶子，便可實現一系列核嬗變，通過雲室照片可以方便地對其進行研究。
插圖3和插圖4是其中幾張照片，顯示了核嬗變的過程。
這種類型的第一張照片是劍橋大學的布萊克特（P.M.S.Blackett）拍攝的，它所呈現的是一束天然的&alpha粒子穿過一個充有氮氣的雲室。
51首先可以看出，軌迹有明确的長度，這是因為粒子在穿過氣體時會逐漸失去動能，最後停止下來。
軌迹長度明顯有兩種類型，對應于具有不同能量的兩組&alpha粒子（粒子源是钍的兩種同位素ThC和ThC&prime的混合物）。
我們還注意到，&alpha粒子的軌迹一般來說是筆直的，隻是臨近最後，粒子已經失去大部分初始能量時，才容易由途中氮原子核的非正面碰撞而顯示出明顯偏折。
但這張照片最明顯的特征是一條特殊的&alpha粒子軌迹，它顯示出一種典型的分叉，一支細長，另一支粗短。
這是入射的&alpha粒子與雲室中的氮原子核面對面碰撞的結果。
細長的軌迹對應着被撞出氮原子核的質子，粗短的軌迹則對應着被撞到一旁的氮原子核本身。
由于沒有第三條軌迹可以對應于彈回的&alpha粒子，這表明入射的&alpha粒子已經附着在氮原子核上一起運動了。
由插圖3b我們可以看到人工加速的質子與硼核碰撞的結果。
從加速器管口（照片中心的黑影）發出的高速質子束射到硼片上，使原子核的碎塊朝四面八方飛過周圍的空氣。
照片上的一個有趣之處是，碎塊的軌迹似乎總是以三個為一組（照片上可以看到兩組，其中一組以箭頭标出），這是因為被質子擊中的硼原子核會分裂成三個相等的部分。
52 插圖3a是另一張照片，顯示的是高速運動的氘核（由一個質子和一個中子形成的重氫原子核）與靶材料中另一個氘核的碰撞。
53 照片中較長的軌迹對應于質子（1H1核），較短的軌迹則對應于三倍重的氫核，即所謂的氚核。
中子和質子都是構成每一個原子核的主要成分。
如果沒有涉及中子的核反應，雲室照片是不完備的。
然而，在雲室圖片中尋找中子的軌迹是徒勞的，因為中子不帶電，這匹&ldquo核物理學的黑馬&rdquo在穿過物質時不會造成任何電離。
不過，你若看到獵人槍口在冒煙，又看到天上栽下一隻鴨子，那麼即使沒有看見，你也知道有子彈發射過。
同樣，看着插圖3c這張顯示了一個氮原子核分裂成氦核（向下的軌迹）和硼核（向上的軌迹）的雲室照片，你想必會意識到，這個氮核是被從左邊過來的某個看不見的粒子狠狠撞了一下。
事實的确如此，為了拍攝這張照片，我們在雲室左壁放置了鐳和铍的混合物作為快中子源。
54 把中子源的位置和氮原子分裂的地點連接起來，我們就能看到中子穿過雲室所沿的直線了。
插圖4顯示了鈾核的裂變過程，它是包基爾德（Boggild）、布勞斯特勞姆（Brostrom）和勞瑞岑（Lauritsen）拍攝的。
照片顯示，從塗有被轟擊鈾層的一片鋁箔，沿相反方向飛出兩個裂變碎塊。
當然，無論是引發裂變的中子，還是裂變所産生的中子，都不會在照片上顯示。
用加速粒子轟擊原子核的方法而實現的各種核嬗變，我們可以一直描述下去，不過現在我們要轉到轟擊的效率這樣一個更重要的問題。
要知道，插圖3和插圖4隻顯示了單個原子解體的情況。
比如為了把1克硼完全轉化為氦，需要把其中包含的所有55000000000000000000000個硼原子都擊碎。
目前最強大的加速器每秒鐘能夠産生大約1000000000000000個粒子。
即使每一個粒子都能擊碎一個硼核，我們也得讓這台機器運行5500萬秒，即大約兩年才能完成這項工作。
然而，各種加速器所産生的帶電核粒子的實際效力要比這低得多。
在數千個粒子當中，通常隻能指望有一個粒子能夠擊碎靶材料中的原子核。
這種原子轟擊的效率之所以極低，是因為原子核周圍的電子能夠減慢在其中穿過的帶電粒子的速度。
由于電子殼層的靶面積遠大于原子核的靶面積，我們又顯然不能讓粒子都直接瞄準原子核，因此每一個粒子必須穿過原子的許多電子殼層，才有機會直接命中某個原子核。
圖72對這種情況作了圖解。
圖中的黑色圓點表示原子核，輕影線表示電子殼層。
原子的直徑約為原子核直徑的10000倍，因此其靶面積之比為100000000:1。
我們還知道，穿過一個原子的電子殼層之後，帶電粒子會失去大約萬分之一的能量，于是它穿過大約1萬個原子後會完全停下來。
從上述數據不難看出，在1萬個粒子當中，大約隻有1個粒子有機會在初始能量被原子的電子殼層耗盡之前撞到原子核上。
考慮到帶電粒子對靶材料的原子核施以毀滅性打擊的效率是如此之低，要把1克硼完全嬗變，必須讓一台現代加速器持續運行至少兩萬年！ 圖72 四、核子學 &ldquo核子學&rdquo是一個很不恰當的詞，但和許多這樣的詞一樣，它似乎仍在實際使用。
正如&ldquo電子學&rdquo這個詞被用來描述自由電子束的廣泛實際應用一樣，也應把&ldquo核子學&rdquo理解成對大規模釋放的核能加以實際利用的科學。
從前面諸節我們已經知道，（除銀以外）各種化學元素的原子核都蘊藏着巨大的内能：輕元素的内能可以通過核聚變過程釋放出來，重元素的内能則可以通過核裂變過程釋放出來。
我們還知道，用人工加速的帶電粒子轟擊原子核的方法雖然對于各種核嬗變的理論研究非常重要，但因效率極低而不能指望有什麼實際用處。
&alpha粒子和質子等普通帶電粒子之所以效率低下，本質上是因為它們的電荷使其在穿過原子時會失去能量，而且又難以足夠靠近被轟擊材料的帶電原子核。
既然如此，我們必定會想到，如果用不帶電的中子來轟擊各種原子核，也許能得到更好的結果。
但這裡有一個潛在的困難。
由于中子可以不費吹灰之力地穿透原子核，所以它們在自然中并不以自由形式存在。
即使用入射粒子将一個自由中子從某個原子核裡人為地踢出來（例如用&alpha粒子轟擊铍核産生中子），它很快也會被其他原子核重新俘獲。
于是，要想産生強大的中子束以轟擊原子核，必須把中子從某種元素的原子核裡一個個踢出來。
這使我們又回到了帶電粒子的低效。
不過，有一種辦法能夠擺脫這種惡性循環。
如果能用中子踢出中子，而且每一個中子都能産生不止一個後代，那麼這些中子就會像兔子或感染組織中的細菌一樣繁殖得越來越多（參見圖97）。
不用多久，由一個中子産生的後代就會多到足以轟擊一大塊材料中的每一個原子核。
自從發現一種特殊的核反應能夠實現這種中子增殖過程，核物理學便突然繁榮起來，使它離開了關注物質最隐秘性質的純科學這座靜谧的象牙塔，陷入了新聞大字标題、激烈的政治讨論和軍事工業發展的旋渦。
看報紙的人都知道，核能或通常所謂的原子能可以通過哈恩（OttoHahn）和施特拉斯曼（FritzStrassman）1938年發現的鈾核裂變過程釋放出來。
但不要以為裂變本身（也就是将重核分成兩個近乎相等的部分）能使核反應繼續下去。
事實上，裂變産生的這兩個核碎塊都攜帶着許多電荷（分别攜帶着鈾核的一半電荷左右），這使它們難以太過接近其他原子核。
因此，在鄰近原子電子殼層的作用下，它們将迅速失去自己的初始能量而趨于靜止，不會引起進一步的裂變。
要想發展出一種自我維持的核反應，裂變過程之所以至關重要，是因為人們發現每一個裂變碎塊在速度減慢之前會釋放出中子（圖73）。
圖73 裂變過程的各個階段 裂變之所以有這種特殊的後效，是因為重原子核的兩半碎塊起初就像兩節斷裂的彈簧一樣處于劇烈的振動狀态。
這種振動雖然不會造成第二次裂變（即每一個碎塊再分成兩塊），但很可能會抛射出幾個核結構單元。
當我們說每個碎
這個簡單的裝置是現代物理學中最有用的儀器之一，我們由此得以拍下關于核轟擊結果的美妙照片。
圖69 靜電發生器的原理 基礎物理學告訴我們，傳遞給一個球形金屬導體的電荷會分布于它的外表面。
于是，經由球上開的一個小洞，将一個小的帶電導體一次次地伸進球内與球的内表面接觸，将小電荷陸續引入其内部，可以使這樣一個導體的電勢升到任意高。
在實際操作中，我們使用的是一條經由小洞進入球形導體的傳動皮帶，由它攜帶着一個小起電器所産生的電荷。
我們當然也希望設計出一些方法，能在強電場中加速各種帶電粒子（離子），以産生強大的粒子束。
這樣不但能省去稀罕昂貴的放射性物質，還能使用其他類型的粒子（比如質子），所獲得的動能也比普通放射性衰變所提供的能量高。
在産生密集高速粒子束的各種儀器當中，最重要的有靜電發生器、回旋加速器和直線加速器。
圖69、圖70和圖71分别簡述了它們的工作原理。
圖70 回旋加速器的原理 回旋加速器主要包括兩個置于強磁場（方向與紙面垂直）中的半圓形金屬盒。
兩個盒子與一個變壓器相連，因此交替帶正電和負電。
從中心的離子源射出的離子在磁場中沿着圓形軌道運動，每當從一個盒子進入另一個盒子時就會被加速。
離子運動得越來越快，描繪出一條展開的螺線，最後以極高的速度沖出。
圖71 直線加速器原理 這套裝置包括幾個長度逐漸增大的圓筒，由變壓器交替充以正電和負電。
從一個圓筒進入另一個圓筒的過程中，離子被現有的電勢差逐漸加速，因此能量每次都會有所增加。
由于速度與能量的平方根成正比，所以如果圓筒的長度正比于整數的平方根，就能保持離子與交變電場同相位。
把這套裝置建造得足夠長，就能把離子加速到任何想要的速度。
用上述類型的電加速器來産生各種強大的粒子束，用它們轟擊由不同材料制成的靶子，便可實現一系列核嬗變，通過雲室照片可以方便地對其進行研究。
插圖3和插圖4是其中幾張照片，顯示了核嬗變的過程。
這種類型的第一張照片是劍橋大學的布萊克特（P.M.S.Blackett）拍攝的，它所呈現的是一束天然的&alpha粒子穿過一個充有氮氣的雲室。
51首先可以看出，軌迹有明确的長度，這是因為粒子在穿過氣體時會逐漸失去動能，最後停止下來。
軌迹長度明顯有兩種類型，對應于具有不同能量的兩組&alpha粒子（粒子源是钍的兩種同位素ThC和ThC&prime的混合物）。
我們還注意到，&alpha粒子的軌迹一般來說是筆直的，隻是臨近最後，粒子已經失去大部分初始能量時，才容易由途中氮原子核的非正面碰撞而顯示出明顯偏折。
但這張照片最明顯的特征是一條特殊的&alpha粒子軌迹，它顯示出一種典型的分叉，一支細長，另一支粗短。
這是入射的&alpha粒子與雲室中的氮原子核面對面碰撞的結果。
細長的軌迹對應着被撞出氮原子核的質子，粗短的軌迹則對應着被撞到一旁的氮原子核本身。
由于沒有第三條軌迹可以對應于彈回的&alpha粒子，這表明入射的&alpha粒子已經附着在氮原子核上一起運動了。
由插圖3b我們可以看到人工加速的質子與硼核碰撞的結果。
從加速器管口（照片中心的黑影）發出的高速質子束射到硼片上，使原子核的碎塊朝四面八方飛過周圍的空氣。
照片上的一個有趣之處是，碎塊的軌迹似乎總是以三個為一組（照片上可以看到兩組，其中一組以箭頭标出），這是因為被質子擊中的硼原子核會分裂成三個相等的部分。
52 插圖3a是另一張照片，顯示的是高速運動的氘核（由一個質子和一個中子形成的重氫原子核）與靶材料中另一個氘核的碰撞。
53 照片中較長的軌迹對應于質子（1H1核），較短的軌迹則對應于三倍重的氫核，即所謂的氚核。
中子和質子都是構成每一個原子核的主要成分。
如果沒有涉及中子的核反應，雲室照片是不完備的。
然而，在雲室圖片中尋找中子的軌迹是徒勞的，因為中子不帶電，這匹&ldquo核物理學的黑馬&rdquo在穿過物質時不會造成任何電離。
不過，你若看到獵人槍口在冒煙，又看到天上栽下一隻鴨子，那麼即使沒有看見，你也知道有子彈發射過。
同樣，看着插圖3c這張顯示了一個氮原子核分裂成氦核（向下的軌迹）和硼核（向上的軌迹）的雲室照片，你想必會意識到，這個氮核是被從左邊過來的某個看不見的粒子狠狠撞了一下。
事實的确如此，為了拍攝這張照片，我們在雲室左壁放置了鐳和铍的混合物作為快中子源。
54 把中子源的位置和氮原子分裂的地點連接起來，我們就能看到中子穿過雲室所沿的直線了。
插圖4顯示了鈾核的裂變過程，它是包基爾德（Boggild）、布勞斯特勞姆（Brostrom）和勞瑞岑（Lauritsen）拍攝的。
照片顯示，從塗有被轟擊鈾層的一片鋁箔，沿相反方向飛出兩個裂變碎塊。
當然，無論是引發裂變的中子，還是裂變所産生的中子，都不會在照片上顯示。
用加速粒子轟擊原子核的方法而實現的各種核嬗變，我們可以一直描述下去，不過現在我們要轉到轟擊的效率這樣一個更重要的問題。
要知道，插圖3和插圖4隻顯示了單個原子解體的情況。
比如為了把1克硼完全轉化為氦，需要把其中包含的所有55000000000000000000000個硼原子都擊碎。
目前最強大的加速器每秒鐘能夠産生大約1000000000000000個粒子。
即使每一個粒子都能擊碎一個硼核，我們也得讓這台機器運行5500萬秒，即大約兩年才能完成這項工作。
然而，各種加速器所産生的帶電核粒子的實際效力要比這低得多。
在數千個粒子當中，通常隻能指望有一個粒子能夠擊碎靶材料中的原子核。
這種原子轟擊的效率之所以極低，是因為原子核周圍的電子能夠減慢在其中穿過的帶電粒子的速度。
由于電子殼層的靶面積遠大于原子核的靶面積，我們又顯然不能讓粒子都直接瞄準原子核，因此每一個粒子必須穿過原子的許多電子殼層，才有機會直接命中某個原子核。
圖72對這種情況作了圖解。
圖中的黑色圓點表示原子核，輕影線表示電子殼層。
原子的直徑約為原子核直徑的10000倍，因此其靶面積之比為100000000:1。
我們還知道，穿過一個原子的電子殼層之後，帶電粒子會失去大約萬分之一的能量，于是它穿過大約1萬個原子後會完全停下來。
從上述數據不難看出，在1萬個粒子當中，大約隻有1個粒子有機會在初始能量被原子的電子殼層耗盡之前撞到原子核上。
考慮到帶電粒子對靶材料的原子核施以毀滅性打擊的效率是如此之低，要把1克硼完全嬗變，必須讓一台現代加速器持續運行至少兩萬年！ 圖72 四、核子學 &ldquo核子學&rdquo是一個很不恰當的詞，但和許多這樣的詞一樣，它似乎仍在實際使用。
正如&ldquo電子學&rdquo這個詞被用來描述自由電子束的廣泛實際應用一樣，也應把&ldquo核子學&rdquo理解成對大規模釋放的核能加以實際利用的科學。
從前面諸節我們已經知道，（除銀以外）各種化學元素的原子核都蘊藏着巨大的内能：輕元素的内能可以通過核聚變過程釋放出來，重元素的内能則可以通過核裂變過程釋放出來。
我們還知道，用人工加速的帶電粒子轟擊原子核的方法雖然對于各種核嬗變的理論研究非常重要，但因效率極低而不能指望有什麼實際用處。
&alpha粒子和質子等普通帶電粒子之所以效率低下，本質上是因為它們的電荷使其在穿過原子時會失去能量，而且又難以足夠靠近被轟擊材料的帶電原子核。
既然如此，我們必定會想到，如果用不帶電的中子來轟擊各種原子核，也許能得到更好的結果。
但這裡有一個潛在的困難。
由于中子可以不費吹灰之力地穿透原子核，所以它們在自然中并不以自由形式存在。
即使用入射粒子将一個自由中子從某個原子核裡人為地踢出來（例如用&alpha粒子轟擊铍核産生中子），它很快也會被其他原子核重新俘獲。
于是，要想産生強大的中子束以轟擊原子核，必須把中子從某種元素的原子核裡一個個踢出來。
這使我們又回到了帶電粒子的低效。
不過，有一種辦法能夠擺脫這種惡性循環。
如果能用中子踢出中子，而且每一個中子都能産生不止一個後代，那麼這些中子就會像兔子或感染組織中的細菌一樣繁殖得越來越多（參見圖97）。
不用多久，由一個中子産生的後代就會多到足以轟擊一大塊材料中的每一個原子核。
自從發現一種特殊的核反應能夠實現這種中子增殖過程，核物理學便突然繁榮起來，使它離開了關注物質最隐秘性質的純科學這座靜谧的象牙塔，陷入了新聞大字标題、激烈的政治讨論和軍事工業發展的旋渦。
看報紙的人都知道，核能或通常所謂的原子能可以通過哈恩（OttoHahn）和施特拉斯曼（FritzStrassman）1938年發現的鈾核裂變過程釋放出來。
但不要以為裂變本身（也就是将重核分成兩個近乎相等的部分）能使核反應繼續下去。
事實上，裂變産生的這兩個核碎塊都攜帶着許多電荷（分别攜帶着鈾核的一半電荷左右），這使它們難以太過接近其他原子核。
因此，在鄰近原子電子殼層的作用下，它們将迅速失去自己的初始能量而趨于靜止，不會引起進一步的裂變。
要想發展出一種自我維持的核反應，裂變過程之所以至關重要，是因為人們發現每一個裂變碎塊在速度減慢之前會釋放出中子（圖73）。
圖73 裂變過程的各個階段 裂變之所以有這種特殊的後效，是因為重原子核的兩半碎塊起初就像兩節斷裂的彈簧一樣處于劇烈的振動狀态。
這種振動雖然不會造成第二次裂變（即每一個碎塊再分成兩塊），但很可能會抛射出幾個核結構單元。
當我們說每個碎