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标  题: 世纪发现之--中子和质子
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月31日12:23:10 星期四), 站内信件

〖本文摘自《百年科学发现》〗
　　　　　　　中子与质子的发现
　　人类祖先还没有学会使用火的时候，他们就已经在不知不觉地
享受着核能的赐予了。几十亿年来，太阳一直在照耀着地球，促进
了地面生命的演化和发展。太阳的能量从何而来？今天，科学家已
经有足够的证据证明：太阳的能量来自核能。古代的人们曾有设想
太阳是个大火球，不断地燃烧着。然而科学家们根据对太阳质量和
辐射强度进行了分析发现，不管通过什么化学反应引起的燃烧，要
维持太阳辐射的光和热的强度，只要1500年左右，就会把所有燃料
耗尽。但是地球已经存在了大约46亿年，在此期间，太阳基本像现
在一样照耀着地球，只有比化学能大过几百万倍的核能，才有可能
长期维持着太阳的不断辐射。原子核的内部怎么会蕴藏着这么巨大
的能量？我们可以如何利用？原子核里到底有什么秘密？
　　1945年8月6日和8日，美国在日本的广岛和长崎先后投下了
两颗原子弹，城市变成了一片废墟，8月15日，日本宣布投降，第
二次世界大战结束了。原子弹的空前破坏力给全世界的人们留下了
极其深刻的印象，就连美国也惊诧于这种新武器的威力。战后，许
多国家开始致力于核武器和核能的开发，人们开始广泛关注核军备
竞赛和核反应堆的发展。前苏联切尔诺贝利核电站的放射性泄漏事
件，使人们能核能的利用既感到有希望，有带着几分恐惧。然而，
不管你愿意不愿意，核能已经开始进入我们的生活，成为继木材、
煤炭和石油之后的又一能源。
近代的原子-分子学说
　　宇宙万物的原始组成，自古以来在世界各地都引起人们有极大的
兴趣。我国古代的五行学说认为，万物是由金、木、水、火、土五
种基本元素组成的。古代希腊人把气与水、火、和土并列为世界的
四种基本物质元素。2000多年前，希腊哲学家德谟克利特主张宇宙
万物只有一种起源，即他称为“原子”的一种极小颗粒，他认为原
子不可分割，无质的区别而只有大小、形状的差异，“原子”和“虚
空”是万物的本原。随着人类文明的进步和近代科学的兴起，古代
的五种（或四种）基本元素的概念越来越不能说明化学研究是出现
的新现象。"原子"这一模糊的概念随着控化学和物理学的发展而获
得了更加明确和丰富的意义。
　　19世纪，英国化学家和物理学家道尔顿提出了原子论，他认为，
化学元素是由非常微小的、不可再分割的物质粒子即原子组成，原
子是不可改变的。化合物由分子组成，而分子是由几种原子化合而
成，是化合物的最小粒子。同一元素的所有原子相同，不同元素的
原子不同。只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合，
在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失。接着，
意大利物理学家阿伏加德罗提出了分子的概念，他指出：所有相等
体积的气体，无论是元素、化合物还是混合物，都有相等的分子数。
气体元素的最小粒子不一定是单原子，很可能是由多个原子结合成
的单一分子，同等体积的气体原子数日虽然不同，但分子数目是一
样的。但是在接着的近半个世纪，人们没有重视阿伏加德罗的理论，
化学家们根据不同的标准，测得的相对原子量也不同。到了1858年，
意大利化学家坎尼查罗提出，只有接受阿伏加德罗定律，才能真正
解决化学式问题和原子量问题，他的观点得到了人们的赞同，近代
的原子-分子论确立了。接着，人们发现了大量的元素并测定了精确
的原子量，到1869年，俄国化学门捷列夫提出元素性质与元素的原
子量之间存在周期性变化规律，并给出了第一张元素周期表，1871
年，他又发表了修正的第二张元素周期表。
放射性和电子的发现
　　十九世纪末，德国物理学家伦琴发现了X射线。法国物理学家贝
克勒尔在研究荧光物质是否与X射线有关时意外地发现铀能使用黑
纸包起来的底片感光，进一步研究后，他得出结论，这是新射线是
从铀原子本身发射出的，铀具有放射性。放射性的发现打开了一个
巨大的新的研究领域，这不仅使原有的原子观念发生了重要变化，
也是人们认识原子核的开始。接着，居里夫妇发现钍、钋、镭等元
素也具有放射性，并发现了放射性衰变的定量规律并引入了半衰期
的概念：每一种放射性元素的原子都有一定概率进行特定的衰变，
有N个原子的元素在一段时间后就会因为衰变而只剩下N / 2个，
这段时间就叫做该元素的半衰期。由于研究放射性的贡献，贝克勒
尔和居里夫妇被共同授予1903年的诺贝尔物理奖。
　　X射线的发现不仅导致了放射性物质的发现，也促进了电子的发
现。1897年，英国物理学家汤姆逊证明，阴极射线（真空管内金属
电极在通电时其阴极发出的射线）是一种粒子流，其质量只有氢离
子的千分之一，汤姆逊将其命名电子，它是电荷的最小单位，比原
子更小，是一切化学原子的共同组成部分。电子是从阴极内释放出
来的，而这种阴极则是由金属原子组成，可见电子是从原子中放出
来的。
卢瑟福的原子模型和原子核
　　在放射性研究中，人们发现放射性物质所发出的射线实际属于不
同的种类，放射性以α、β或γ射线三种方式释放出来，它们后来
被更加具体地加以识别，α射线是高速的氦原子核，带正电；β射
线是电子，带负电；那些不受电磁影响的电磁波称为γ射线（实际
上是高能量的质子）。
　　新西兰物理学家卢瑟福发现：在聚集起来的、电中和了的α粒
子中显示出氦的黄色光谱线，证实了α粒子和氦离子的同一性，也
证明了氦元素起源于其他元素。除了少数例外，一种放射性元素或
者发射α射线、或者发射β射线，发射α射线的元素变成周期表中
居于前两位的元素，其质量减少4，发射β射线的变成周期表中居
于下一位的元素，质量不变。伴随着α或β衰变，常常会放射出γ
射线，γ射线贯穿力特别强，是一种能量高的电磁辐射，γ射线不
会引起元素在周期表上位置的变化，只是释放该元素原子内部过剩
的能量。
　　放射性的发现说明了原子具有复杂的内部结构，也打破了长期
以来人们认为原子是永恒不变的观念，因为天然放射性元素的原子
就在不断地以一定规律进行变化。但是，能不能使自然界是稳定的
元素原子也发生变化？卢瑟福想到，α粒子是从放射性元素的原子
是释放出来的，如果将α粒子当作"炮弹"打进稳定元素的原子去，
会有什么结果？
　　1910年，卢瑟福与其他科学家合作进行了α粒子在金和其他金
属薄膜中的散射试验。根据试验的结果，卢瑟福建立了原子的有核
模型：原子的正电荷和质量集中在原子中心一个很小的区域内，并
把它叫做原子核，原子中的电子像行星绕着太阳那样绕着原子核运
动，原子中的空间也像太阳系中的空间一样，绝大部分是空荡荡的。
由于原子表现出电中性，原子核一定是带正电的，其带电量与核外
电子所带负电量一样。
　　1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打
掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核，也是最轻
的原子核。卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射线相对
的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福
将它命名为质子。在新的原子模型的基础上，卢瑟福估计原子核的
半径约为10-14米，大约只有原子半径的万分之一。原子的绝大部
分质量集中在如此小的原子核内，因此核内物质的密度极高，它比
通常物质的密度大约高出1012倍，1立方厘米的核物质将有约千吨
重的量级。
　　1919年，卢瑟福用加速了的高能α粒子轰击氮原子，结果发现
有质子从氮原子核中被打出，而氮原子也变成了氧原子。这可能是
人类第一次真正将一种元素变成另一种元素，但是，这种元素的嬗
变暂还没的衫价值，因为几十万个粒子中才有一个被高能粒子打中。
到1924年，卢瑟福已经从许多轻元素的原子核中打出了质子，进一
步证实了质子的存在。
　　卢瑟福在实验基础上建立了原子的核模型，提示了原子核这一
物质更深层次的存在，他和他直接或间接指导过的许多世界各地的
物理学家形成了一个大的学派，一切从实际出发了几十年原子核物
理研究和核技术应用的兴旺发达局面。他是原子核物理的开拓者，
也是探索原子核奥秘的带头人。
中子的发现
　　发现了电子和质子之后，人们一开始猜测原子核由电子和质子
组成，因为α粒子和β粒子都是从原子核里放射出来的。但卢瑟福
的学生莫塞莱注意到，原子核所带正电数与原子序数相等，但原子
量却比原子序数大，这说明，如果原子核光由质子和电子组成，它
的质量是不够的，因为电子的质量可忽略不计。在此基础上，卢瑟
福早在1920年就猜测可能还有一种电中性的粒子。
　　卢瑟福的另一位学生--英国物理学家查德威克在卡文迪什实验
室里寻找这种电中性粒子，他一直在设计一种加速方法使质子获得
高能，从而撞击原子核，以发现有关中性粒子的证据。1929年，他
准备对铍原子进行轰击。
　　与此同时，德国物理学家博特及其学生贝克尔已经先行一步。
他们共同合作用α粒子轰击一系列元素，在对铍元原子核进行轰击
实验时，发现有一种未知辐射产生。为了确定这种辐射的一些性质，
他们试着把各种物体放在辐射经过的路途上，结果发现这种辐射的
贯穿能力极强，能穿透几厘米厚的铅板。当时知道，能有这样强辐
射能力的只有γ射线。因此，他们认为这种辐射是γ射线的一种。
　　1931年，法国物理学家居里夫妇用当时最强大的放射性钋Po
源所产生的α射线重复了博特-贝克尔的实验，研究了用α粒子轰击
铍时发生的"铍辐射"，除了得到与博特-贝克尔相同的结果外，他们
还惊奇地发现，这种辐射能将含氢物质中的质子击出。人们从未发
现γ射线具有这种性质，但居里夫妇想不出这种辐射还能是什么别
的东西。他们仅仅报道说，发现α射线能够产生一种新的作用。
　　1932年这些结果公布后，见到德国和法国同行的实验结果，查
德威克意识到，这种新射线可能就是多年来苦苦寻找的中子。他立
即利用实验室的优越条件重复了同样的实验，证明所谓"铍辐射"是
电中性的粒子流，而且这种粒子具有几乎与质子相等的质量。不到
一个月，查德威克就发表了《中子可能存在》的论文，他指出，γ
射线没有质量，根本不可能将质子从原子核是撞出来，只有那些与
质子质量大体相当的粒子才有这种可能，他并且测量了中子的质量，
确证了中子确实是电中性的。查德威克找到了12年前他的老师卢瑟
福所预言的粒子--中子，为此，他获得了1935年的诺贝尔物理学奖。
　　多年以后，博特为自己发现了"铍辐射"却没有认识到它就是中
子而深感遗憾。连居里也表示，如果他们去听了卢瑟福1932年的一
场演讲，就不会失去这次重大发现的良机，因为卢瑟福就是在那场
演讲中谈到自己对中子存在的猜想。这是科学史上著名的一个“真
理碰上了鼻子还没有发现”的例子。
原子核的结构与强、弱相互作用
　　中子的发现对认识原子核的内部结构是一个关键，具有重大的
理论意义。在发现中子之前，人们把原子核看作由电子和质子组成，
质子-电子假说在物理学界浒了十多年之久。就在查德威克发现中子
的当年，德国物理学家海伯森当即提出，原子核是由质子和中子组
成的，从前的质子-电子模型不能解释许多实验现象，而质子-中子
模型可以很好说明原子量与原子序数的关系。新模型很快被人们接
受，质子与中子统称为核子。
　　但是，核子是如何组成原子核的呢？这成为一个新问题。质子
带正电、而中子是电中性的，核内没有负电荷，许多正电荷怎么能
挤作一团而不飞散呢？到发现中子为止，人们只知道万有引力和电
磁力两种相互作用，它们都是所谓的长程力。而单靠质子间的万有
引力远远不足以克服它们之间的电排斥力，在接受了中子-质子假说
以后，物理学家开始猜测存在着第三种相互作用力--核子之间的核
相互作用。这种力是一种短程相互作用，当质子相距很近时，核吸
引力超过电排斥力，它们就会互相吸引；当距离增大，核力会急剧
减小。1935年，日本物理学家汤川秀树提出了"交换粒子"的概念，
作为新相互作用理论的基本概念。他认为，这种交换粒子质量介于
电子和质子之间，约为电子质量的250倍左右，质子的1/7，因此
这种粒子后来被称为介子。1947年，英国物理学家鲍威尔在宇宙线
中发现了汤川所预言的介子，被命名为π介子。
　　汤川的理论被证实以后，原子核内相互作用的理论研究开始活
跃起来。人们发现了两种完全不同的作用力，一种是强相互作用，
这种以π介子传递方式产生的相互作用具有这样的特点：强度极大、
独立于电荷、作用距离和作用时间极短。另一种是弱相互作用，这
种弱核力导致了原子核的不稳定性，同时控制着原子核的衰变或放
射性，被称为β衰变。
　　强核力范围很小，大约只有一个核子的直径那么大，事实上，
把核子聚集在一起的强核力，只在相邻核子间起作用。中子有核吸
引力，没有电排斥力，从而缓和了质子之间排斥力的影响。质子越
多，就需要有更多中子来保持原子核的稳定。因此，在大而稳定的
原子核中，中子的数量多于质子。原子核中的质子数又称为原子数
（Z），它与电子数相同。中子数量为N，核子数量A是N与Z之和。
有92种基本原子核，分别属于92种原子，它们与元素周期表中元
素的排列一致。一般排在周期表最前面的"轻核"的质子和中子数相
等（N=Z）。例如，氦-4的原子核有2个质子和2个中子，硅-28各
有14个质子和中子。但是"重核"中大多数是中子多于质子，金-197
有79个质子和108个中子，铀-238有92个质子和146个中子。重
核中，中子多于质子与强核力的独特性质有关，也关系到原子核的
稳定性。超过83号元素铋的原子核都不稳定，它们自动分解或衰减
成更小的原子核。超过第92号元素铀的原子核十分不稳定，无法在
自然状态下存在。如第94号元素钚是人工制造出来的，主要用于核
武器，在宇宙中无法找到。
链式核反应及其应用
　　到了本世纪30年代，物理学家和化学学家都清楚地认识到，在
原子核内部聚集着巨大的能量，因为把核子聚集在一起的力十分强
大，所以与此相关的能量是十分巨大的。当原子核的巨大能量释放
出来时，只消耗了很少的核物质。根据爱因斯坦著名的公式E=mc2
来推测，很少量的物质可以转变成十分巨大的能量。但是，发现了
原子核并看到了核中蕴藏着巨大能量的卢瑟福一直到1937年去世都
认为，为了释放出这种能量，必须花费更多能量来得到轰击原子核
的粒子，这是得不偿失的，因此永远不可能发掘出原子核的能量来
供人类利用。
　　化学燃烧过程之所以能够继续下去，是因为燃烧过程是一种链
式反应：在存在充分助燃物的情况下，一点点能量就可以把构成燃
烧的化学反应在局部燃料中印发（点燃），反应产生的能量除了再点
燃相邻部分的燃料外还有多余，相邻的这一部分燃料的燃烧又能产
生更多的能量去点燃更多的燃料——如此链式进下去，使燃烧得以
自持。一个烟头的火种可以从点燃一片枯叶开始，直到最后把整个
森林烧毁。对于燃烧过程来说，易燃物所需的点火温度低，其中燃
烧容易持续下去，直到燃料耗尽了为止。但有的燃料的燃烧却需要
较高的温度，为了使燃烧维持，除了需要有燃料和助燃物以外，还
要有良好的保温措施。如果把一块燃烧的煤从炉中取出，它便会因
为热量向周围散失过快而逐渐熄灭。
　　能否象点燃枯叶一样点燃原子呢？头一个认真考虑核链式反应
的是匈牙利物理学家西拉德。使用一个中子撞击原子核并使其分裂，
放出两个新的中子继续撞击其它原子核，并如此倍增下去，那么就
会引发一种核链式反应。可惜这个设想不能实现，因为只有一个能
量很高的中子才能从原子核中打出两个中子，而打出来的中子一般
都没有足够的能量来使反应继续下去。不过，裂变反应的发现提供
了新的可能性。对于易裂变核素，这种反应只需要慢中子就能引起，
而且每次裂变中可以放出两个以上的中子和巨大的能量。一克铀完
全裂变的话释放的能量约相当于燃烧三吨煤时放出的，而且这么多
能量是在短短不到一秒钟的时间之内释放出来的，因此核链式反应
还可能做成威力惊人的炸弹。
　　西拉德1937年来到了美国。他清楚地想象到这种应该称为“核
弹”的东西所具有的可怕的爆炸力，深恐希特勒可能在德国核科学
家的帮助下获得这样的炸弹。为了不让纳粹德国得到这一方面的提
示，在美国和其它反对希特勒德国的盟国物理学家从1940年起自愿
实行了一项保密计划，这在一定程度上是由于西拉德的努力。此外，
西拉德还和另外两位流亡的匈牙利物理学家一起去找爱因斯坦，让
他写信说服美国总统。爱因斯坦果然签署了这封信，说明了制造核
弹的可能性，极力主张美国不要让一个潜在的敌人首先掌握了这种
武器。主要是由于这封信的影响，在美国组织起一支强大的研究队
伍来发展核弹。
　　虽然核弹的原理看起来简单，但实际困难不少。首先，如果只
有铀原子才发生裂变，那么至少必须先得到一些纯净的铀，因为杂
志会增加裂变反应的难度，使必须的临界质量增加，甚至使系统达
不到临界，链式反应不能继续。当二次大战中美国着手研制核弹时，
几乎没有现成的铀可用，对于铀的提纯也毫无经验。其次，铀的用
量要很大才行，因为天然铀中只有不到0.7%的是易裂变的同位素铀
235，占绝大多数的同位素铀238核在吸收一个慢中子后并不发生裂
变，却接连发生两次负β衰变，依次转变成镎239和钚239，所以
铀238知识消耗了中子，妨碍了链式反应的进行。于是人们投入了
巨大的努力来分离这两种同位素，制备出铀235浓度高于正常值的
“浓缩铀”，保证链式反应的顺利进行。
核能：福音还是祸水
　　本世纪之初，爱因斯坦给出一个方程：能量等于质量乘以光速
的平方。这个简单的方程消除了质量与能量之间的鸿沟，意味着一
点点物质就可以转化为巨大的能量，人类又获得了一个改变世界的
强有力的手段，其意义可以与火的使用相媲美。
　　采用核能发电在经济上和环保上都很合算。法国电力公司测算，
每生产一千瓦时的电量需要耗费价值0.22法郎的燃煤，而使用核能
发电只需0.2法郎，便宜10％，同时不会产生二氧化碳等温室气体。
当然，使用核能发电要冒核泄漏的危险。1986年4月26日，苏联
的切尔诺贝利核电厂发生爆炸并引起大火，31人当即死亡。事故致
使达8吨多的强辐射物泄漏，其中一部分放射物已沉积在几百英里
以外的地方。电站周围面积1000平方公里的地区遭到了放射性污
染，有数十万人撒离该地区。专家预测，这次事故的后果要经过100
多年才能完全消除。
　　不过发生核泄漏的几率很小，据美国专家拉穆尔森教授研究，
正常情况下，在核电站运行中，导致10人死亡的核灾难平均300万
年才会发生一次。法国民用核能工业起步于1956年，至今已有40
多年的历史，但从未发生过导致人员死亡的核事故。随着科学技术
的发展和管理的更加完善，核事故的风险也越来越低，并非不可避
免。
　　但是，如果将核能变成武器，其后果则不堪设想。1945年8月
6日和9日，在第二次世界大战结束的前夕，美国空军在日本的广
岛和长崎接连投掷了二枚原子弹。这场人类有史以来的巨大灾难，
造成了10万余日本平民死亡和8万多人受伤。原子弹的空前杀伤和
破坏威力，震惊了世界，也使人们对以利用原子核的裂变或聚变的
巨大爆炸力而制造的新式武器有了新的感性认识。
据估计，现在美苏两国储存的核武器如果同时引爆，可以将地球毁
灭几千次。那样的话，人类几千年来逐步建立的文明将毁于一旦。
难道人类非要充当自己的终结者吗：
　　近年来，随着人类对核扩散所带来的危害性认识的提高，要求
全面销毁核武器，特别是反对各种类型的核试验的呼声日益高涨。
当前，如何使人类避免一场核灾难已变得越来越紧迫。近年来，联
合国等国际组织先后通过了一系列条约和协定，限制各国制造和使
用核武器。
　　核能是一枚双刃剑。它可以解决能源危机，也有能力给人类文
明划上句号。在这种情况下，人类在利用核能等科学技术造福于社
会的同时一定要慎重地考虑它的负面影响。站在新世纪的门槛上，
可以预见科技将更迅猛地改变人们的生活、工作和思维方式。因为
科技发展中的一个小失误都可能造成巨大损失。现在越来越多的人
意识到随着科学技术对社会各领域影响的日益扩大，科技如何发展，
怎样把握科技的发展，成为人类进入新千年前的重大课题。

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