第七章 现代炼金术 (1/2)

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    一、基本粒子

    我们知道，各种化学元素的原子有着相当复杂的力学系统，许多电子在围绕着中心的原子核旋转，那么我们自然会追问：这些原子核是最终不可分的物质结构单元，还是可以继续分成更小、更简单的部分呢？是否有可能将这92种不同的原子减少成几种真正简单的粒子呢？

    早在19世纪中叶，这种简单化的渴望就促使英国化学家普鲁特（William Prout）提出了一个假说：各种化学元素的原子都有一种共性，它们都是以不同程度“集中”起来的氢原子罢了。该假说的根据在于：用化学方法测定的不同元素的原子量与氢元素的原子量之比非常接近于整数。于是根据普鲁特的说法，既然氧原子的重量是氢原子的16倍，那它一定是由聚在一起的16个氢原子构成的，原子量为127的碘原子一定是由127个氢原子聚集而成的，等等。

    然而，当时的化学发现并不利于接受这个大胆的假说。通过精确地测量原子量，事实表明，大多数元素的原子量只是与整数非常接近，有少数则根本不接近。（例如，氯的化学原子量为35.5。）这些似乎与普鲁特的假说直接相抵触的事实使它受到了怀疑，普鲁特直到去世也不知道自己实际上是多么正确。

    直到1919年，他的假说才因为英国物理学家阿斯顿（Aston）的发现而重新受到注意。阿斯顿表明，普通的氯其实是两种不同氯元素的混合物，它们拥有相同的化学性质，但原子量不同，一种是35，一种是37。化学家所测定的非整数原子量35.5只是该混合物的平均值。38

    对各种化学元素的进一步研究揭示了一个惊人的事实：大多数元素都是由化学性质相同而原子量不同的几种组分混和而成的。于是，它们被称为“同位素”（isotopes）39，即在元素周期表中占据同一位置的东西。事实上，不同同位素的质量总是一个氢原子质量的整倍数，这给普鲁特被遗忘的假说带来了新生。我们在上一节看到，原子的主要质量都集中于原子核，因此可以用现代语言将普鲁特的假说重新表述成：不同种类的原子核是由不同数量的基本的氢原子核构成的，氢原子核因其在物质结构中的作用而被赋予了“质子”（proton）这个专名。

    不过，以上陈述需要作一项重要修改。以氧原子核为例，由于氧在元素的天然排序中是第八位，所以氧原子应包含8个电子，氧原子核也应带8个正电荷。但氧原子的重量是氢原子的16倍，所以如果假设氧原子核由8个质子所构成，那么电荷数是对的，但质量不对（均为8）；如果假设它由16个质子所构成，那么质量对了，电荷数又错了（均为16）。

    显然，要想摆脱这个困难，只有假设在构成复杂原子核的质子中，有一些失去了原有的正电荷，成为电中性的。

    早在1920 年，卢瑟福就曾提出存在着这种无电荷的质子或者我们现在所谓的“中子”，不过用实验发现它还要等到12年后。需要注意的是，不要把质子和中子看成两种完全不同的粒子，而要看成现在被称为“核子”的同一种基本粒子的两种不同的带电状态。事实上，我们已经知道，质子可以失去正电荷而变成中子，中子也可以获得正电荷而变成质子。

    将中子作为原子核的结构单元引入进来，刚才讨论的困难便得到了解决。为了理解氧原子核为何有16个质量单位但只有8个电荷单位，可以认为它是由8个质子和8个中子构成的。原子量为127、原子序数为53的碘的原子核有53个质子和74个中子，而重元素铀（原子量为238，原子序数为92）的原子核则有92个质子和146个中子。40

    就这样，在提出近一个世纪后，普鲁特的大胆假说才最终得到了应有的认可。现在我们可以说，已知的无穷无尽的物质都只是源于两种基本粒子的不同结合：（1）核子，它是物质的基本粒子，要么可以带一个正电荷，要么呈电中性；（2）电子，带负电的自由电荷（图57）。

    图57

    以下是《物质烹饪全书》（The Complete Cook Book of Matter）中的几个菜谱。它们显示了在宇宙厨房中，每一道菜是如何用核子和电子烹制出来的。

    水　将8个中性核子和8个带电核子结合成核，外面围上8个电子，便成了氧原子。用这种方法制备出大量氧原子。再给单个带电核子配上单个电子，便成了氢原子。用这种方法制备出数目为氧原子两倍的氢原子。给每一个氧原子加上两个氢原子，将如此得到的水分子混合在一起置于杯中，保持冷却。

    食盐　将12个中性核子和11个带电核子结合成核，外面围上11个电子，便成了钠原子。将18个或20个中性核子和17个带电核子结合成核，外面围上17个电子，便成了氯原子的两种同位素。以这种方法制备出同样数目的钠原子和氯原子，将它们排成三维国际象棋棋盘的样式，形成规则的食盐晶体。

    TNT　将6个中性核子和6个带电核子结合成核，外面围上6个电子，便成了碳原子。将7个中性核子和7个带电核子结合成核，外面围上7个电子，便成了氮原子。再按照水的上述配方制备出氧原子和氢原子。将6个碳原子排成一个环，环外则有第7个碳原子。将3对氧原子与环上的3个碳原子相连，并且在氧原子与碳原子之间分别放置1个氮原子。给环外的那个碳原子连上3个氢原子，给环内剩下的两个碳原子也各连上1个氢原子。把这样得到的分子规则地排列起来，形成许多小晶体，并把所有这些小晶体压在一起。不过操作时要小心，因为这种结构不稳定，很容易爆炸。

    我们已经看到，中子、质子和带负电的电子是构造任何物质的必要单元，但这份基本粒子清单似乎还不太完备。事实上，如果普通的电子是带负电的自由电荷，为什么不能有带正电的自由电荷即正电子呢？

    此外，如果作为物质基本单元的中子可以获得一个正电荷而变成质子，它为何就不能带负电而变成负质子呢？

    回答是：自然中的确存在着正电子，除了电荷符号，它与通常的负电电子完全相似。负质子也有可能存在，但还未被实验物理学成功地探测到。

    在我们这个物理世界中，正电子和负质子（如果有的话）的数量之所以没有负电子和正质子多，是因为这两组粒子可以说是彼此敌对的。众所周知，一正一负两个电荷碰到一起时会彼此抵消。既然这两种电子不过是带正电和带负电的自由电荷罢了，所以不能指望它们会共存于同一个空间区域。事实上，一旦正电子与负电子相遇，它们的电荷会立即相互抵消，两个电子将不再作为个体粒子而存在。两个电子的这样一个相互湮灭过程将在其相遇点产生强烈的电磁辐射（γ射线），辐射的能量就是两个湮灭电子的初始能量。根据物理学的基本定律，能量既不能创造也不能毁灭，我们这里看到的不过是自由电荷的静电能变成了辐射波的电动能罢了。这种因正负电子相遇而产生的现象，玻恩（Max Born）教授称之为两个电子的“狂野婚姻”41，更为忧郁的布朗（T. B. Brown）教授则称之为“双双自杀”。42图58a显示了这种相遇状况。

    图58 两个电子的“湮灭”产生电磁波，以及电磁波经过原子核附近“产生”一个电子对的过程示意图

    两个相反电荷的电子的“湮灭”过程的逆过程是“电子对的产生”，即强烈的γ射线导致似乎从虚无中产生了一个正电子和一个负电子。我们说“似乎”从虚无中产生，是因为每一个新电子对的产生都要消耗γ射线所提供的能量。事实上，形成一个电子对所消耗的辐射能量精确地等于湮灭过程中所释放的能量。当入射辐射靠近某个原子核时，电子对的产生过程最容易发生，43图58b是该过程的示意图。大家知道，硬橡胶棒和毛织物彼此摩擦时会带上相反的电荷，这便是表明两种相反电荷可以从起初没有电荷的地方产生的一个例子。这并不值得大惊小怪。如果有足够多的能量，我们就能制造出任意数量的正负电子对。但要明确一个事实：相互湮灭过程很快会使它们不复存在，并把原来消耗的能量如数交回。

    这种“大量生产”电子对的一个有趣例子是所谓的“宇宙射线簇射”现象，这是从星际空间射来的高能粒子流在大气层引发的。虽然这些在宇宙的空旷空间中纵横穿梭的粒子流究竟从何而来仍然是科学的一个未解之谜，44但我们已经非常清楚电子在以惊人的速度轰击大气层的上层时发生了什么。这种高速电子在靠近大气层原子的原子核时，原有的能量会逐渐失去，并以γ辐射的形式释放出来（图59）。这种辐射引发了无数电子对产生过程，新生的正、负电子沿着原有电子的路径继续前进。这些次级电子仍然有很高的能量，会引发更多的γ辐射，从而产生更多的新电子对。穿过大气层时，这个陆续倍增的过程多次重复，以至于当原初的电子最终到达海平面时，有一半正、一半负的次级电子相伴随。不用说，高速电子穿透大质量物体时也会产生这种宇宙射线簇射，不过由于物体密度较高，分支过程发生的频率要高得多（见插图2a）。

    图59　宇宙射线簇射的起源

    现在我们转到负质子是否可能存在的问题。可以预期，这种粒子可由中子获得一个负电荷或者失去一个正电荷而得到。但不难理解，这种负质子和正电子一样是无法长时间存在于任何普通物质中的。事实上，它们将立即被最近的带正电的原子核吸引和吸收，进入原子核结构之后很可能会变成中子。因此，即使这种负质子的确能作为基本粒子的对称粒子而实际存在于物质中，发现它们也绝非易事。别忘了，正电子是在普通负电子的概念被引入科学之后又过了近半个世纪才被发现呢。倘若负质子的确可能存在，我们就可以设想反原子和反分子的存在。它们的核由普通的中子和负质子所构成，外面围绕着正电子。这些“反”原子将和普通原子拥有完全相同的性质，我们根本说不出“反水”、“反黄油”等等与普通的水和黄油有什么不同，除非是把普通物质和“反”物质放到一起。但如果这样两种相反的物质碰到一起，带有相反电荷的电子就会立即发生湮灭，带有相反电荷的质子也会立即相互中和，其爆炸的剧烈程度会超出原子弹。因此，如果真的存在着由反物质构成的星系，那么从我们这个星系抛出一块普通的石头到那里，或者从那里抛来一块石头，着陆时会立即变成一颗原子弹。

    现在我们必须抛开这些关于反原子的奇想而去考虑另一类基本粒子。这种粒子也许同样不同寻常，而且会实际参与各种可观测的物理过程。它就是所谓的“中微子”，是“从后门”进入物理学的。虽然招致了各方面的反对，但它已经在基本粒子家族中占据了牢固的位置。它是如何被发现和得到认可的，这是现代科学中最令人激动的侦探故事之一。

    中微子的存在是用数学家所谓的“归谬法”发现的。这项令人激动的发现并非始于存在着某种东西，而是始于丢失了某种东西。这种丢失的东西就是能量，因为按照一条最古老也最稳固的物理学定律，能量既不能创生也不能消灭，如果发现本应存在的能量丢失了，这就表明一定有个贼或一群贼把能量拿走了。于是，一些讲求秩序、喜欢给事物起名字的科学侦探就把这些尚未看到踪影的能量大盗命名为“中微子”。

    不过我们讲得有点快了，现在还是回到这桩“能量盗窃案”上来。我们已经看到，每一个原子的原子核都是由核子构成的，其中约有一半核子是中性的（中子），其余的带正电（质子）。如果给原子核额外增加一个或多个中子和质子，从而打破质子与中子相对数目的平衡，45那么就必定会出现电荷的调整。如果中子太多，就会有一些中子释放出负电子而变成质子；如果质子太多，就会有一些质子释放出正电子而变成中子。图60描绘了这两类过程。原子核的这种电荷调整就是通常所谓的β衰变，从原子核中释放出来的电子被称为β粒子。原子核的内部转变是一个明确的过程，它必定总是与定量能量的释放有关，这些能量被传递给出射电子。因此我们可以预期，给定物质释放出来的β电子应当有相同的速度。然而，对β衰变过程的观测证据与这种预期完全相反。事实上，我们发现给定物质释放出来的电子拥有从零到某一上限的不同动能。既然没有发现其他粒子，也没有其他辐射能够平衡这一差异，β衰变过程中的“能量盗窃案”就变得非常严重了。一度有人认为，这乃是著名的能量守恒定律失效的第一项实验证据，那对于整幢精美的物理学理论大厦而言真是一场极大的灾难。但还有一种可能：也许丢失的能量是被某种新的粒子带走了，我们目前的观测方法尚未察觉到它。泡利（Wolfgang Pauli）曾经提出，这种偷窃核能的“巴格达窃贼”的角色可由一些被称为中微子的假想粒子来扮演，它们不带电，质量不大于普通电子的质量。事实上，根据高速粒子与物质相互作用的一些已知事实可以断言，任何现有的物理仪器都察觉不到这种不带电的轻粒子，它们在任何屏蔽材料中都可以轻而易举地穿过极大距离。一层金属薄膜就能把可见光完全挡住，穿透性很强的X-射线和γ射线需要穿过几英寸厚的铅，强度才会显著减低，而一束中微子却能轻而易举地穿透几光年厚的铅！难怪用任何观测手段都发现不了中微子，它们能被发现仅仅是因为其逃逸导致了能量亏空。

    图60　负β衰变和正β衰变的示意图（为方便起见，所有核子都画在了同一个平面上）

    虽然中微子一旦离开原子核就捕捉不到了，但我们可以研究中微子离开原子核所引起的次级效应。用步枪射击时，枪身会向后撞击你的肩膀；大炮发射重型炮弹时，炮身会沿炮架向后坐。原子核射出高速粒子时，也应发生这种力学反冲效应。事实上，我们的确观测到，发生β衰变的原子核总会沿着与出射电子相反的方向获得一定的速度。但这种原子核反冲的特殊之处其实在于：无论被射出的电子是快是慢，原子核的反冲速度总是大致相同（图61）。这就有点奇怪了，因为我们本来预期一颗快速的炮弹会在炮身中引起比慢速的炮弹更大的反冲。对这个谜的解释是：原子核在射出电子时总会连带地射出一个中微子，以保持能量平衡。如果电子速度快，携带着大部分能量，中微子的速度就会慢一些，反之亦然。因此在这两种粒子的共同作用下，总会观测到原子核有较大的反冲。如果这种效应尚不能证明中微子的存在性，恐怕别的东西也证明不了了。

    图61

    现在，我们把前面的讨论结果总结一下，列出参与构成宇宙的完整的基本粒子清单，指出它们之间的关系。

    首先是核子，它们是物质的基本粒子。就目前所知，核子要么是电中性的，要么带正电，但也可能存在着带负电的核子。

    然后是电子，它们是带正电或负电的自由电荷。

    还有神秘的中微子，它们不带电，大概比电子轻得多。46

    最后是电磁波，它们在空间中传播电磁力。

    物理世界的所有这些基本成分不仅相互依赖，而且能以各种方式相结合。比如中子可以通过发射一个负电子和一个中微子而变成质子（中子→质子＋负电子＋中微子），质子又可以通过发射一个正电子和一个中微子而重新变成中子（质子→中子＋正电子＋中微子）。电荷相反的两个电子可以变成电磁辐射（正电子＋负电子→辐射），也可以反过来由辐射产生（辐射→正电子＋负电子）。最后，中微子可以与电子结合成宇宙射线中的不稳定粒子，即所谓的介子，它有时被错误地称为“重电子”（中微子＋正电子→正介子；中微子＋负电子→负介子；中微子＋正电子＋负电子→中性介子）。

    中微子与电子的结合载有过量内能，于是，这两种粒子结合起来的质量要比各自的质量之和大100倍左右。

    图62是参与构成宇宙的基本粒子的示意图。

    图62　现代物理学的基本粒子及其不同组合

    “但这次到头了吗？”你也许会问，“我们凭什么认为核子、电子和中微子真是基本的，而不能再分成更小的组分了呢？仅仅在半个世纪之前，人们不还以为原子是不可分的吗？今天的原子显示出了多么复杂的图像啊！”回答是，虽然我们无法预言物质科学的未来发展，但我们有可靠得多的理由相信，这些基本粒子的确是不可再分的基本单元。我们已经知道，原本认为不可分的原子显示出了各种极为复杂的化学、光学等性质，而现代物理学的基本粒子的性质却极为简单，在简单性上甚至堪比几何点的性质。此外，不同于经典物理学的大量“不可分原子”，我们现在只剩下了三种有本质不同的东西：核子、电子和中微子。虽然我们非常渴望把万物还原为最简单的形式，但也不可能把某种东西归于一无所有。看来，我们对物质基本要素的寻求已经触到底了。

    二、原子的心脏

    既已了解构成物质的基本粒子的本性和性质，现在我们可以更详细地研究每一个原子的心脏即原子核了。在某种程度上，原子的外层结构类似于一个微缩的行星系统，而原子核本身的结构却是完全不同的图像。首先，将原子核维持在一起的力显然不是纯粹的电力，因为核子中有一半（中子）不带电，另一半（质子）带正电，因此会相互排斥。如果粒子之间只存在斥力，如何可能得到一群稳定的粒子呢！

    因此，为了理解原子核的各个组分为何能保持在一起，必须假定它们之间存在着某种吸引力，既作用于带电粒子，也作用于不带电的粒子。这种与所涉粒子本性无关、使之保持在一起的力通常被称为“内聚力”。例如普通液体中就存在内聚力，它阻止各个分子朝四面八方飞散。

    原子核的各个核子之间也有这种内聚力，它防止原子核在质子之间电斥力的作用下分崩离析。因此，在原子核外，形成各个原子壳层的电子有足够的空间来回运动，而原子核的图像却是，许多核子就像罐头里的沙丁鱼一样紧紧堆在一起。本书作者最先提出，可以假定原子核物质的构造方式与普通液体类似。和普通液体一样，原子核也有表面张力现象。大家也许还记得，液体之所以有表面张力现象，是因为液体内部的粒子被相邻粒子朝各个方向同等地拉动，而位于表面的粒子只受到向内的拉力（图63）。

    图63　对液体表面张力的解释

    这使得任何不受外力作用的液滴都有保持球形的倾向，因为对于给定的体积而言，球体的表面积最小。因此，可以把不同元素的原子核简单地看成是由一种普遍的“核液体”所组成的不同尺寸的液滴。但不要忘了，这种核液体虽然在定性上非常类似于普通液体，但在定量上却与之差异甚大。事实上，核液体的密度比水的密度大

    240 000 000 000 000

    倍，表面张力则比水大

    1 000 000 000 000 000 000

    倍。为了更好地理解这些巨大的数，考虑下面这个例子。图64中有一个约2英寸见方的倒U字形线框，其上横搭一根直丝。在由此形成的框中覆上一层肥皂膜，这层膜的表面张力将把横丝向上拉。在横丝下方悬挂一个小重物，可以对抗这个表面张力。如果这层膜由普通的肥皂水制成，且厚度为0.01毫米，那么其自重将是1/4克左右，能够承受大约3/4克的总重量。

    图64

    倘若能用核液体制成一层类似的膜，那么这层膜的总重量将是5千万吨（约为1千艘远洋邮轮的重量），横丝上将能悬挂1万亿吨的东西，这大约是火星的第二颗卫星“火卫二”的重量！要用核液体吹出这样一个肥皂泡，肺得多么强大才行啊！

    在把原子核看成微小的核液滴时，绝不要忽视这些液滴是带电的，因为约有一半核子是质子。原子核之所以不稳定，首要原因就在于核内存在着两种相反的力：一种是试图把原子核分成好几块的核子之间的电斥力，另一种则是把原子核维持在一起的表面张力。如果表面张力占优势，原子核就不会自行分裂，两个原子核在彼此接触时会像两个普通液滴一样具有融合在一起（聚变）的趋势。

    反过来，如果电斥力抢了上风，原子核就会倾向于自动分裂成几个高速飞离的碎块。这种分裂过程通常被称为“裂变”。

    1939 年，玻尔和惠勒（John Archibald Wheeler）对不同元素原子核中表面张力与电斥力的平衡作了精确的计算，并且得出了一个极为重要的结论：元素周期表中前一半元素（大约到银为止）的原子核是表面张力占上风，更重的原子核则是电斥力占上风。因此，所有比银更重的元素的原子核原则上都不稳定，如果外界刺激的作用足够强，就会碎裂成两块或更多块，并且释放出相当多的内部核能（图65b）。反之，当总原子量不超过银原子的两个轻原子核相互靠近时，就可能自发产生一个聚变过程（图65a）。

    图65

    不过要记住，除非我们做了干预，否则无论是两个轻原子核的聚变，还是一个重原子核的裂变，在通常条件下都不会发生。事实上，要使两个轻原子核发生聚变，我们必须克服其电荷之间的斥力，使它们相互靠近；要迫使一个重原子核发生裂变，就必须猛烈地轰击它，使它以足够大的幅度振动。

    这种必须有初始的激发才能实现某个过程的事态，在科学上被称为亚稳态。悬崖峭壁上的岩石、口袋里的火柴、炸弹里的TNT炸药，都是亚稳态的例子，每一种情况下都有大量能量等待被释放。但如果不踢岩石，岩石就不会滚下；不划或不加热火柴，火柴就不会点燃；不用雷管引爆，TNT就不会爆炸。在我们生活的世界上，除银块47以外几乎每一个物体都是潜在的核爆炸物。但我们并没有被炸得粉身碎骨，这是因为核反应的启动是极其困难的，或者用更科学的语言来说，是因为核转变需要极高的活化能。

    就核能而言，我们生活（或者更确切地说，是最近生活）的世界很像一个爱斯基摩人的世界，这个爱斯基摩人居住在冰点以下的环境中，所能接触的固体只有冰，液体只有酒精。他从未听说过火，因为用两块冰彼此摩擦是生不出火的；他只会把酒精看成一种好喝的饮料，因为他无法把其温度升到燃点。

    当人类最近发现可以将原子内部蕴藏的巨大能量释放出来时，那种巨大的惶恐和惊讶多么像这个爱斯基摩人第一次看到酒精灯燃起时的心情啊！

    然而，一旦开启核反应的困难得到克服，一切麻烦就得到了应有的报偿。例如，取等量的氧原子和碳原子，按照方程式

    O+C→CO+能量

    将其化合，那么每克混合物将会释放920卡48的热量。如果将这两种原子的普通化合（分子聚合，图66a）替换成它们原子核的聚变（图66b）：

    6C12+8O16=14Si28+能量，

    那么每克混合物将会释放14 000 000 000卡的热量，是前者的1500万倍。

    同样，每克复杂的TNT分子分解成水分子、一氧化碳分子、二氧化碳分子和氮气（分子裂变）会释放大约1 000卡热量，而同样重量的物质（比如汞）在核裂变过程中会总共释放10 000 000 000卡热量。

    但不要忘了，大多数化学反应在几百度的温度下就很容易发生，而即使温度达到几百万度，相应的核转变可能也没有开始呢！启动核反应的这种困难说明，整个宇宙尚无在一次剧烈的爆炸中变成纯银的危险，所以大家尽请放宽心。

    图66

    三、轰击原子

    原子量的整数值为原子核的复杂性提供了强有力的证据，但只有通过直接的实验证据，将原子核打碎成两块或更多块，才能最终证明这种复杂性。

    1896年，贝克勒耳（Becquerel）发现的放射性最早暗示的确有可能实现这种打碎过程。事实表明，铀和钍等位于周期表末端的元素会自动发出穿透性很强的辐射（类似于普通的X-射线），原因在于这些原子在缓慢地自发衰变。通过对这一新发现的现象进行认真的实验研究，人们很快便得出结论说，重原子核在衰变中自动分裂成两个非常不等的部分：（1）被称为α粒子的小块，它是氦的原子核；（2）原有原子核的剩余部分，它是子元素的原子核。铀原子核碎裂时释放出α粒子，由此产生的子元素（被称为铀XI）的原子核经过电荷的内部重新调整，释放出两个带负电的自由电荷（普通电子），变成了比原来的铀原子核... -->>

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