[其它杂谈]核能史话  首次人工核反应 [第16页]

第三章：核世界奥秘的探索

1、首次人工核反应

    从十九世纪末到二十世纪初，科学家们连续不断地对奇妙的原子世界进行了深入而又细致的研究，并取得了很多伟大的成就。他们在发现X射线和放射性的基础上，找到了比原子更小的电子；并进一步发现了原子核的存在；通过精确测量，鉴别了同位素；对原子核的特性(包括核电荷、核质量和核体积等等)进行了初步探索……。

    正当人们开始向原子核世界进军的时候，却爆发了第一次世界大战，战火燃遍了整个欧洲。本来热气腾腾、欣欣向荣的科学研究工作，此时也都被战争阴云所笼罩。卢瑟福被迫参加了英国海军的研究发展部，致力于潜水艇侦察问题的研究。居里夫人在法国参加了前线医疗服务队……，许多科学家都离开了自己原来的研究部。

    到了1918年，大战刚一结束，卢瑟福就风尘仆仆地回到原来的研究所，并以更大的热情和充沛的精力投身到他原来所从事的研究工作中去。当时只有一位助手同他一起在十分简陋的实验室里进行α粒子散射实验工作，他们每天重复地数着由于α粒子打在硫化锌制成的荧光屏上所产生的闪光。

    后来，卢瑟福来到剑桥大学，接任了汤姆逊老师的职务。他继续用α粒子去轰击一些轻元素的原子核，希望α粒子能进入原子核内部进行“侦察”，以求早日揭开核世界的秘密。在1919年终于出现了奇迹，这是核科学史上难以忘怀的一年，卢瑟福成功地实现了人类有史以来第一次人工核反应。坚硬而又微小的原子核首次被α粒子击中后发生了很大变化，并从核反应的过程中观察到了一种新的粒子—质子。同年6月，卢瑟福在英国皇家学院作了关于氮原子核被α粒子击中能发射出质子的报告，而且当众做了实验表演。

    下面，就让我们回顾一下，卢瑟福的第一次人工核反应到底是怎样实现的？

    从三个天然放射系中，我们可以看到很多放射性元素都能发射带有2个正电荷和质量数为4的α粒子。为此人们就联想到原子核是否都是由相同的α粒子所组成？因为只有原子核是带正电荷的，并集中了原子的绝大部分质量。但是事实上有许多原子核的电荷数和质量数都不是2和4的倍数，所以人们又根据氢原子核的电荷数和质量数都是1的特点，认为原子核很可能是氢核和α粒子的混合体。然而，这仅仅是一种大胆的设想，还需用实验加以验证。为此，科学家们为了早日揭开原子核内部结构的秘密，就利用当时仅有的α粒子束作为炮弹，不断轰击各种原子核。其中工作做得最多也是最有经验和成就的当然是卢瑟福教授。他在用镭所发射的α粒子对重元素核和轻元素核轰击时，发现了一种奇怪现象，即对重核(例如82号元素铅)轰击时，由于α粒子与重核间存在着巨大的静电斥力，所以α粒子只能在离核相当远的地方发生偏转；而对轻元素(如7号元素氮)恢轰击时，它与α粒子间的静电斥力就小得多了，此时α粒子有可能在离核较近的距离内发生偏转。然而科学家们感兴趣的是：能否有个别高能量的α粒子能够克服与核产生的静电斥力进入核中。这样，α粒子就能和核内部发生作用，而后通过研究分析，就可以对原子核的内部结构能有所了解。卢瑟福根据这个想法，设计了新的实验装置。

    1919年，卢瑟福用氮气作为α粒子的轰击靶核，结果看到了从荧光屏上所产生的明亮闪光。而这种闪光是来之不易的，因为原子核实在太小了，其直径约为十亿分之一厘米，所以α粒于束中的绝大多数注定是要打空的。卢瑟福的计算表明，每30万个α粒子中只有一个能侥幸击中氮原子核。

    那末，明亮的闪光究竟是怎样产生的呢？卢瑟福认为这决不可能是容器内的α粒子所引起的。因为根据α粒子的最大能量7.7兆电子伏在氮气中的射程不能大于28厘米。这样，只要在实验中把α源和荧光屏之间的距离固定在28厘米处，α粒子就不能透过银箔到达荧光屏上了。当然，闪光也不可能是因α粒子激发原子后放出的特征x射线所造成。而唯一的可能就是由于α粒子直接和氮核相互作用产生了某种新粒子的结果。

    为了证明这一点，卢瑟福又在抽空的容器中充以氢气。结果在α粒子轰击下，也能获得与轰击氮核时一样的闪光。这是因为α粒子与氢核相互作用时，把能量传递给它。只要能量足够大，获得能量的氢核就得穿透银箔在荧光屏上产生闪光。而原来α粒子轰击氮核时，在碰撞过程中产生了一种类似于氢核的新粒子(后来被称作质子)，而且它的能量也很大，在氮气中的射程大于28厘米(如在空气中则为40厘米)，故能容易地穿过银箔在荧光屏上产生和氢核相同的闪光。卢瑟福又把这种新粒子引入电磁场中，经测定发现其电荷和质量同质子完全一样。

    接着，卢瑟福为了最后肯定引起闪光的是质子，而且它只能从氮原子核里产生出来的结论，又把氮气经过多次净化后再行测量。结果发现这种闪光确实仍然存在，而且强度也未见减弱。这就充分说明闪光不可能是由于在氮气中偶然含有氢或容器被氢污染所引起，而完全是由于α粒子和氮核相互作用的结果。这就是有史以来的第一次人工核反应。

    从反应中可以看到，氮核被α粒子轰击后，能够生成氧的同位素氧17和质子。从此人们不但知道在原子核中的确存在着同氢核一样的粒子—质子，而且通过核反应，人们也能够把一种元素转变成另外一种新元素。自古以来，炼金术家们一直幻想着能把一种元素熔炼成另外一种有用的元素，这个宿愿终于被现代“炼金术”家实现了。

    在此同时，1924年英国物理学家布莱开特利用威尔逊云室，直接测得了α粒子同氮核的反应过程。这种测量装置是在1912年由英国物理学家威尔逊精心设计制造而成的一种跟踪离子轨迹的仪器。

    卢瑟福为了想知道是否会有更多的元素在α粒子轰击下也能产生出质子和新的原子核。他曾借助上面的实验装置，继续用α粒子去轰击硼、氟、铀、铝和磷等元素，并仔细地观测了它们的核反应过程。到1924年为止，卢瑟福发现除了上述提及的元素外，还有氖、镁、硅、硫和氯等元素经过核反应都能发射质子。并总结归纳成以下几点：

    (1)实验证明，原子核结构十分复杂，它们中的某些核具有俘获α粒子的本领，通过核反应从核中发射出质子，从而形成另外一种新元素。

    (2)产生核反应要有一定条件，即要求入射粒子具有一定的能量，一般为几兆电子伏才能克服与靶核产生的静电斥力，进入核内产生反应。当然，其命中率不高，需要大量入射粒子，才偶尔可得一、二次核反应。

    (3)核反应过程一般都是吸能反应，但也有例外。

    (4)各种元素的核结合的松紧程度是不同的。如铝核就结合得很松，而氦核就结合得比较紧。