敲開原子世界的大門

小小的原子，人們從認識它到敲開它那神秘的大門，進而到利用其巨大的能量，竟用了一個多世紀，這其中還有許多感人而有趣的故事。

為原子構建“有核”模型

英國物理學家盧瑟福在科學道路上是個勇往直前、頑強進取的人。崇仰他的人在他的實驗室大門的右側雕刻著一條鱷魚：當年曾同盧瑟福一同工作過的人，都稱他為“鱷魚”。鱷魚是一種從不向后看的動物，它張開吞食一切的大口撲向前方。人們用“鱷魚”象征著盧瑟福在科學事業上執著追求的剛毅性格。

19世紀末期，原子已從古代科學家認為的不可分割到知道其內有電子存在。但盧瑟福對此并不滿足。他想，既然原子內有電子，那么，電子在原子內處于何等地位，而原子內部又是怎樣的情況，這些科學家們都無法解答，更不能證明是否有單個原子存在。他決心刨根問底，揭開原子世界的秘密。1899年，盧瑟福發現了鐳的兩種輻射：一種是不能貫穿很薄鋁片，但能產生顯著電效應的輻射，盧瑟福將其命名為α射線；另一種能貫穿較薄鋁片，并能穿過包裝紙使照相機底片感光的輻射，命名為β射線。

當時，人們對原子模型曾作過各種各樣的猜測。盧瑟福的老師湯姆生提出了原子的“西瓜模型”：球形的原子內部均勻地分布著陽電荷，帶陰電的電子夾雜其中。由于西瓜瓤帶陽電荷，而瓤子包著的瓜子帶陰電荷，所以整個“西瓜”呈中性。盧瑟福和他的學生用α射線粒子轟擊原子，按照原子“西瓜模型”的特點，α粒子應很容易穿過原子，而不會發生α粒子散射現象。然而，他們做了多次實驗，表明湯姆生的“西瓜模型”設想不符合事實。這是因為當盧瑟福以高能量的α粒子流轟擊金屬箔時，發現了一種奇妙的現象：大多數α粒子穿過金屬箔后依然沿直線前進，但有少數α粒子偏離了原來的運動方向，還有個別的α粒子被彈射回來，即和原來的入射方向恰好相反。這種偏離現象稱為α離子的散射。形象地說，那些少數不依原來的入射方向前進的α粒子，好比一個彈球打在一塊硬石上，彈球被反彈回來或被彈到別處一樣。盧瑟福想：用玻璃球打玻璃球，其中之一必定會彈射到別的方向去，而用玻璃球打在小砂粒上，決不會彈射回來，因為玻璃球比砂粒大得多。同樣，由于α粒子的質量要比電子大七八千倍，因而電子不可能將α粒子彈回的。這就是說，用α粒子轟擊原子是不會產生散射現象的。

盧瑟福做了在各種金屬薄膜下α粒子流的散射實驗，計算了在不同方向上散射的粒子數。通過多次實驗和反復觀察、計算，一幅嶄新的原子模型圖出現在他的面前：原子具有很小、很重、堅硬并帶正電的中心核。盧瑟福把這個核稱為“原子核”。于是，盧瑟福勾繪出新型的原子模型：環繞著原子核的大量電子，是在電磁引力作用下旋轉的。由于這種原子模型類似于環繞太陽運轉并以萬有引力維系運動的行星系，人們把盧瑟福的原子模型稱為“小太陽系”。

原子具有核結構是對原子科學具有標志意義的重大發展，盧瑟福也被人們尊稱為“原子核之父”。核模型的建立對原子物理學的發展起了重大作用，也為敲開原子世界的大門做出了開創性的貢獻。

發現敲開原子核的“炮彈”

在建立了“小太陽系”原子模型后，盧瑟福又在考慮以人工方法使自然界中一些元素的原子核轉變為另一元素的原子核。1919年，他用α粒子轟擊氮原子核，從里面打出一粒碎屑。這粒碎屑在涂著硫化鋅的熒光屏上發出閃光。他研究碎屑后，知道氮原子核吞并了α粒子，變成了氫原子核（質子）和原子量為17的氧原子核（普通氧原子核的原子量為16）。盧瑟福用人工方法成功地實現了元素的轉變。用α粒子轟擊氮核后，使元素氮轉變為氧的同位素氧-17，并放出一個質子。盧瑟福還測定了質子的射程，并發現從硼到鉀的所有輕元素中除碳和氧外，都可用α粒子進行轟擊，使它們產生嬗變并放出質子。1920年，盧瑟福在一次演講中做出了極為出色的預言，認為在原子的某個地方，可能存在著一個尚未被察覺到的中性粒子，這種粒子很可能比α粒子的用途大得多，它能自由地穿過物體，但卻不能把它控制在一個密封的容器中。

盧瑟福預言的這種中性粒子，就是后來作為轟擊原子核“炮彈”的中子。它是12年后英國物理學家查德威克在卡文迪什實驗室里發現的。查德威克在盧瑟福的指導下，長期從事尋找中子的研究。1932年，查德威克對法國物理學家約里奧·居里夫婦用α粒子轟擊鈹放射出的所謂“γ射線”進行了反復實驗。他發現這種“γ射線”不被磁場偏折，說明它是中性的。然而這種射線的運動速度卻與通常的γ射線大不相同，僅為光速的1/10，簡直太慢了。于是，他進一步研究試驗這種射線。當他把這種射線筆直地引向氮氣時，發現射線偶爾會以極大的力量打進氮原子里。但通常的γ射線不會發生這種現象。他還發現，這種射線在不同情況下，其能量也不同。查德威克終于認定這種射線與γ射線不同，它是由粒子組成的。為了確定粒子大小，他用這種粒子轟擊硼，并從新產生的原子核增加的質量來計算加到硼中去的這種粒子的質量。計算結果表明，這種粒子的質量與質子大致相等。憑著他與盧瑟福長期從事研究尋找中子的理論知識和經驗，查德威克終于確定這種射線正是長期尋找的中子流。這樣，他以實驗證實了盧瑟福關于中子的驚人預言，也為敲開原子核大門找到了“炮彈”。

妙法敲開原子核

當科學家們發現了原子核的秘密以后，就急不可待地想把原子核打開，以便把里面的能量釋放出來。然而，打開原子核并不那么容易。它不能像我們吃瓜子用牙把皮咬開，也不能像吃核桃那樣，用小錘子敲開它的殼。因為原子核實在太小了，而且其中的質子和中子彼此結合得特別結實。

經過研究和試驗，科學家想出了一個絕妙的方法，就是用中子作“炮彈”去轟擊原子核。1939年2月，人類終于敲開了原子世界的大門，德國科學家哈恩等用中子轟擊鈾原子核，結果鈾原子核一分為二，變成了質量差不多大小的兩塊“碎片”——兩個新原子核，同時釋放出驚人的巨大能量。

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