我们为什么要谈“核”色变

——核的历史变迁
来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-18

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  如果站在太阳系,以“上帝视角”去观察太阳系,伸出手把时间滑到40亿年之前,同时缓缓拉近视角,视野中的那颗蔚蓝的星球正在发生着最原始的生命变迁,它开始有了生命的迹象,而这也注定会有更加璀璨的烟火在这片古老的星系绽放。

  我们把时间线从先贤奋斗快进到人民安居乐业的时代,奋斗在这片土地上的人们开始了思想上的进修,开始了更高层次的追求。他们开始思考物质,思考生命,而在这个伟大的过程中,诞生了许多人们广为流传的思想学说,被称为哲学。其中,古希腊哲学家德谟克利特提出了原子论,这是第一次在人类社会中出现原子这一词。那么,原子论是什么呢,原来,它是一种唯物论,认为物质的本质是原子和虚空,原子是一种最后的不可分割的物质微粒,它的基本属性是"充实性",每个原子都是毫无空隙的,有点类似于实心铁球,当然它没有铁球那么大。原子论强调了原子是构成物质的最基本微粒,万物都是由不可分割的微粒——原子构成的,原子的结合和分离是万物变化的根本原因,就像云聚云散,花开花落。

  同时,生活在进步,人类文明也在进步,每一个时代都有着出彩的人物。17世纪后期,牛顿,英国思想家、物理学家、数学家、科学家和哲学家,他明确地指出,一切物质都是由微小的颗粒组成的,这一点很像之前的原子论,强调物质最基本的组成微粒,以及基本微粒的不可分性。但是,遗憾的是,这些论点没有被科学的实验证明,无法被科学界普遍接受,也无法推行运用。

  在这之前,原子仍旧是一种哲学概念,第一次把原子学说从哲学推测转变为科学概念的,是英国一个教会学校的化学教员——道尔顿,他首先研究法国化学家普鲁斯特于1806年发现的结论:参与化学反应的物质质量都成一定的整数比(定比定律),之后他又独立的发现当两种元素所组成的化合物类型超过一种时,如果,在这些化合物中,一种元素的量是一定的,那么与它化合的另一种元素的量总是成倍数地变化(倍比定律)。物质世界的本质规律总是那么令人着迷啊,这在当时是多么不可思议并且有趣的一种现象啊。而当道尔顿用自己天才般的想象力去总结这俩规律时,就诞生了他的代表理论——原子论,显然他依旧沿用了“原子”这一个称号,也许是因为他觉得原子从古至今就被赋予了“不可分割”这样一个内涵吧,而此时的“原子”,却被赋予了科学的内涵,因为他的原子论,有着雄厚的科学依据。这个时候科学界同道尔顿一样,认为原子不可分割,是最基本的实心球体,尽管后世证明这个理论是错误的——原子不是实心球体,但是这是第一次将原子从哲学带入科学。这个时候,原子,确实是一种化学上的概念。

  当时间的脚步走到1858年的时候,情况就变的有些不同了,究竟不同在哪里呢?那就是,阴极射线被发现了,那么阴极射线究竟是什么呢?它是德国物理学家尤利乌斯·普吕克在1858年进行气体放电研究的过程中发现的。稍后,英国物理学家克鲁克斯在实验室里研究自然的伟力——闪电时,也发现了这种射线——当装有2个电极的玻璃管(cathode ray tube)里的空气被抽到相当稀薄的时候,为2个电极间加上几千伏的电压,这时在阴极对面的玻璃壁上闪烁着绿色的辉光,但是肉眼并没有看到有什么东西从阴极上发射出来,这,究竟是怎么一回事呢?这种现象引起了当时许多科学家的浓厚兴趣,进行了很多实验研究。并且,科学家发现当在阴极和对面玻璃壁之间放置障碍物时,玻璃壁上就会出现障碍物的阴影,这表明阴极,确实在发出一种看不见的射线,而且很像一种粒子流。在人们还没有弄清楚这种射线的真面目之前,大家只好将它称为“阴极射线”。

  就在科学界陷入对阴极射线的苦苦研究,争论它究竟是什么的时候。1896年,天然放射性先后被法国物理学家贝克勒尔,波兰物理学家、放射化学家居里夫人发现,即宏观上天然存在的某些物质所具有的能自发地放射出射线的性质,被称为天然放射性,而且贝克勒尔在研究铀盐的实验中,发现铀盐发出的射线能使空气电离,也可以穿透黑纸使照相底片感光。同时,外界压强和温度等因素的变化不会对实验产生任何影响,这意味着这种性质是物质最基本的属性不因为外界环境的改变而改变,而这一次的发现终于撬开了通往原子核大门上的一丝缝隙。这时,原子有了它物理上的科学意义。

  历史的车轮就在这种争议与研究之中缓缓的向前推进,1897年,基于阴极射线、放射性等一系列实验研究成果,英国物理学家汤姆生利用几种不同的方法测定了阴极射线的带电量与质量的比值(荷质比),证明了这是一种更基本的粒子,也就是说,电子被发现了。同时,他的研究证实了强电场、紫外光的照射、炽热金属都会发射出同样的带电粒子(电子),因此,他认为电子是比原子更基本的物质组成单元,因为,如果原子是最基本的,那么就不会有阴极射线,也就是说阴极射线的发现,说明原子还有着相同的性质,而他的其他研究也证实了这个结论——原子还有着更基本的性质,所以,他认为,原子可分,即电子是原子的组成部分。至此,最基本一词终于不再是原子的代称。

  或者说,原子开始正式入驻物理学界,科学也正式进入了原子核物理的大门,人们开始了对于原子的一系列探究。从之前就可以看到,在这个时间,“核”指代最多的还是原子,这个词的出现,证明了原子不是最基本,原子是可分的。换句话说,人类文明进入了物理的原子时代。

  1898年,基于科学界已有的各种实验事实,以及本人的研究,汤姆生提出了自己的核模型,他认为原子还是实心球体,带正电的物质均匀地分布于球体内,带负电的电子一颗一颗地镶嵌在球内各处的一个个同心环上。原子处于最低状态时(最低能态),电子在平衡位置不动。当原子被激发到有能量状态(高能态)时,电子在平衡位置上作振动,并发生能量辐射——电磁辐射。这个理论被当时人们形象的称为“西瓜模型”,它解释当时对于元素周期性的解释,但是,理论中认为电子的一个状态是静止的,正电物质均匀分布,这就不能很好的解释实验观测到的大量不同频率的氢原子光谱,因为振动的触发条件只有一个,即能量发生改变,随后发生的振动辐射的能量是相同的,也就是频率应该是相同的 ,因为频率与能量成正比关系。

  1909年汉斯·盖革和恩斯特·马斯登在卢瑟福指导下于曼彻斯特大学成功做出物理史上一个里程碑式的实验——α粒子散射实验(散射:分子或原子相互接近时,由于双方具有很强的相互斥力,迫使它们在接触前就偏离了原来的运动方向而分开,这通常称为“散射”),卢瑟福是物理学家汤姆生的学生,可以说,虽然汤姆生的原子论理论不是完美的,但是他却是物理史上堪称伟大的物理学家。

  当用α粒子撞击薄金箔时发现,大部分粒子的偏转角度很小,有的甚至没有发生偏转,而有的粒子却发生了90°偏转,也就是说,这一部分粒子被直接“撞”了回去,根据汤姆生的西瓜模型计算,α粒子穿过金箔后的偏转角度最大不会超过零点几度,因为电子质量很小,比α粒子的质量小得多,α粒子碰到电子,就如子弹碰到尘埃,前进方向不会发生明显改变,更不会发生尘埃把子弹直接撞回去的情况,因此,科学界急需一套更加完美的理论去解释这种现象。

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  α粒子散射实验原理图

  为此,1912年,卢瑟福提出了自己的核模型,认为原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心区域,叫原子核,电子在原子核外绕核作轨道运动,原子核带正电,电子带负电,这被称为行星模型,但是,这个理论却无法解释电子如何稳定地待在核外,因为正负电子之间的电场力不满足稳定性的要求。正因为这一点,在当时很多科学家都把它看作是一种猜想,或者是形形色色的诸多模型中的一个而已,而忽视了卢瑟福提出模型所依据的坚实的实验基础,并没有去深入研究论证这样一个理论的可行性,不得不说,这是科学界的一次遗憾。当时对原子的认识还比较浅,因此并没有认识到相关原子核的能量等问题,但是卢瑟福在他的实验研究中运用的轰击原子核实现元素人工衰变的方法为后世的核反应埋下了伏笔。 

  随后,1913年玻尔提出他的核模型,他认为电子不是随意占据在原子核的周围,而是在固定的层面上运动,当电子从一个层面跃迁到另一个层面时,原子便吸收或释放能量,这与洋葱的内层形状非常相似(如下图a),同时,为了解释氢原子线状光谱这一事实,玻尔在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型,1926年奥地利学者薛定谔补充提出电子云模型,即电子不是围绕核做近似圆周运动,而是其运行并没有固定的规律,对电子用统计的方法,在核外空间分布方式的形象描绘,由于电子有波粒二象性(见下文),不像宏观物体的运动那样有确定的轨道,因此无法画出它的运动轨迹。所以,我们不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方,只能知道它在某处出现的机会有多少。为此,就定义单位体积内电子出现几率密度,其大小,用小白点的疏密来表示,小白点密处表示电子出现的几率密度大,小白点疏处几率密度小,看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围,因此叫电子云(图b)。

  至此,沿用至今的现代原子核模型诞生了,而原子核物理也进入高速发展的快车道。

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  图a                      图b   电子云3D仿真图

  而在这个时间推进过程中,犹太裔物理学家爱因斯坦,在1905年发表了关于光量子说、狭义相对论这2篇重要论文,光量子学说认为:对于时间平均值,光表现为波动;而对于瞬时值,光则表现为粒子性。这是历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。粒子性就是光子(在光的照射下物体发射出的电子又被称为光子)与带电粒子相互作用时体现出的能量,动量方面的性质,非常类似小滑块,在考察粒子性的时候,可以把光子等效为实物体。而光子的波动性就是在一段时间里,光子在传播的过程中所体现出来的性质,非常典型的就是光的衍射,即光在传播过程中,遇到障碍物或小孔时,光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象。而爱因斯坦的光量子学说,实现了波动性和粒子性的大一统。在狭义相对论中他提出了著名的质能方程E=MC²,(E代表物质的能量,M为物质的质量,C为光速,是一个不变的量,即相对论犹如地基一样的其中一条基本假设——光速不变)这条理论表明,质量和能量是物质的两个属性,质量可以由惯性或者万有引力的作用体现出来,而能量则通过物质做功等体现,这个公式体现了这两个属性在量值或者数学上的关系,即M质量的物体对应MC²的能量,该质量的物体也必具有和这质量相当的能量。但是这两个属性不可分割,不能认为是质量会转化成能量。质能方程为后来的核反应能量计算提供了理论支持。

  在这之后很长一段时间内,科学家们乐此不疲的做着原子核撞击以及相关散射实验,终于,当约里奥-居里夫妇用次级辐射去轰击石蜡时再一次遇到了拦路虎,他们发现打出的质子能量约为5MeV(MeV:兆电子伏特,能量的单位,多用来表示粒子的能量),而按照散射公式计算,入射的γ射线能量至少应为50MeV,但是这在理论上是达不到的,而其余科学家的实验研究也或多或少的遇到过此类问题,当人们为这种现象陷入苦思冥想时,英国实验物理学家查德威克打破常规,仔细验证之前他的老师卢瑟福曾经预言过中子可能存在的相关研究,此时科学界普遍认为所有粒子不是带正电,就是带负电荷,因此并没有人真正把这种中性粒子视为一种基本粒子,最终,这颗明珠被胆识过人的查德威克摘下,这告诉我们,在科学或者生活中,要有足够的创新精神才能取得成功。

  在这个过程中,人们才逐渐意识到原子核里竟然蕴含如此巨大的能量,这就直接的推动了核反应以及核武器的发展。

  在1945年,美国向日本投递了世界上第一颗原子弹,结束了第二次世界大战,而这也是人类史上对于核能的第一个利用。

  至此,可以说核的危险性主要来自于两个方面,一是天然的或者人工放射性,二是能量的瞬间释放,即核武器。而在人们充满智慧的研究之下,放射性可以用于治疗一些不治之症,而人们最常接触的放射源对于人体的伤害几乎相当于被针扎了一下,这会被人体的自我修复机制恢复。医院里的放射性在医院专业的防护之下,也降到了最低,各个大国已经签署核武器条约,这个对我们的生活没有任何影响。因此,可以说,我们能够认识到的核能的安全系数是极高的,他们被利用于火力发电等方式,和火、天然气等能源一样,经历着从被发现——初步认识——充分认识——利用的过程,而在这个过程中有些事故我们不能避免,从火第一次被发现到如今,经历的道路曲折而漫长,我相信核能也是如此,必将会朝着小型化、合理化、常规化发展,这个过程,道路漫长,而我等将坚持不懈。

  时间再次复苏,多年以后,我们再次拉近一辆汽车,引入眼帘的是它的引擎系统里,一团散发着绚丽光芒的灿烂火焰。

 

 

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