一路物理传奇：从原子结构到核能利用

一路物理传奇：从原子结构到核能利用

曹则贤

中科院物理所

2021-04-13 10:12:17

转自公众号：返朴

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从原子结构、原子核结构、放射性、核反应一直到核能利用，一路过来都是物理的传奇。本文讲述这一路上带来关键基础突破的几个思想者的故事，重点在于努力补齐这幅宏大画卷中的物理逻辑。

原子是个古老的概念，约在公元前六世纪的古印度就有，甚至有二原子、三原子的说法。古希腊时期即有德谟克里特、留基伯等人提出的原子学说。

提起原子，当代人们很容易读到的关于原子结构的描述大约是这样的：原子由带正电荷的原子核和绕其运动的电子组成，而原子核是由与电子数量相等的带正电荷的质子以及一定数量的电中性的中子所组成。电子质量约为0.91×10-30kg，中子和质子的质量约为1.67×10-27kg，中子略大一点点儿。在给定元素的原子核中，中子数目分布在质子数目附近的一个小范围内。质子、中子合称核子。

原子核是1911年由卢瑟福发现的，质子是1920年由卢瑟福命名的，而中子则是1932年由查德威克发现的。

质子和电子的电荷被称为基本电荷，分别表示为+1和-1个基本电荷单位。如果类似宇称算符，PP=1，故本征值只有P=1和P=-1两种可能的话，则世界是只有正负两种电荷的世界，q=(+1, -1)，这是一种极性的世界。只有质子和电子的集合，一样能够解释原子的质量、电中性甚至发光谱等问题。

但是原子中还存在中子，这名字就是强调中子是电中性的。我的问题或者疑惑是，中子到底是电荷为零，即原子世界的电荷极性应为q=(+1, 0, -1)，还是中子就不该谈论电荷，原子世界的电荷极性就是q=(+1, -1)？

气体可以在电场下被离化、发光，但在气体非常稀薄时整个放电管是黑的但阳极却被照亮了，这引出了阴极射线的概念。阴极射线有动量，在电场磁场下偏转，最后导致了电子这个概念的提出。

1897年，汤姆孙发现了电子。有阴极射线，就有阳极射线，带正电荷，关键是有好多种不同的荷质比，不象阴极射线那么单纯。这使得这个方面的研究有点拖沓。原子里有电子和带正电的粒子，那么它们是怎么构成原子的呢？于是有了李子布丁模型，带正电的布丁上均匀分布着带负电荷的电子。1911年，基于1909年Geiger-Marsden的α粒子轰击金箔实验，卢瑟福提出了原子核加核外电子的原子模型。

相较于电子和质子，中子是合适的用于轰击原子核的抛射体，质量比电子大又不会如质子那样被原子核静电排斥，速度不大的中子就能进入原子核。中子甫一发现，费米就认识到了这一点。用α粒子轰击原子核，比如铝原子核，会让一些原来没有放射性的原子核有了放射性，这就是小居里夫妇1934年发现的人工放射性。费米用中子进行诱导人工放射性的研究，把眼光瞄向了重原子核，当时已知最重的原子核是铀原子核U-238。

入射中子被原子核俘获，据信就产生了一个质量更大的原子核。费米对此结果很高兴。然而，1938年费米携全家去领诺奖，借机离开欧洲去了美国，这项工作被打断了。

同时期有很多人研究中子轰击原子核，包括小居里夫妇，一位德国化学家哈恩和他的奥地利女助手迈特纳。后来迈特纳于1938年逃离德国去了斯德哥尔摩。哈恩和助手Fritz Strassmann继续这项工作，但是他们发现结果总会产生元素钡，这太奇怪了。

迈特纳是维也纳大学的物理博士，应该更懂核物理，故哈恩把发现写信告诉了迈特纳。迈特纳在和表侄Otto Frisch，其人当时在玻尔研究所，讨论这个问题时，后者提及玻尔曾说原子核可能不一定是卢瑟福设想的是硬核，而是跟水滴一样是柔软的。迈特纳假设原子核是水滴状的，振荡、拉长、分裂，她算了算一个原子核分裂事件能释放200MeV。

Frisch的一个朋友告诉他这个分裂类似细胞分裂，于是他用了fission一词儿来描述核裂变。Frisch和迈特纳的文章五周后发表在Nature上。迈特纳发表这篇文章没告诉哈恩，哈恩的文章略在前，但没有裂变模型的内容。哈恩因核裂变现象的发现获得1944年的诺贝尔化学奖。

接下来的故事就是大家耳熟能详的了。

既然反应产生了多于一个的中子，若中子继续引起裂变，这就是链式反应，核分裂事件数就会成幂函数式增长。玻尔邀请惠勒和他一起研究具体的可行性。当然，关于什么速度的中子遇到什么样的铀材料才能引起链式反应，别说没理论，有理论也不好使，于是在普林斯顿建立了实验装置来研究裂变速率同中子能量的关系，结果发现是个两头翘的曲线，即在高速和低速两端都有较大的裂变速率。

其实，是U-235容易由慢中子引起裂变，U-238容易由快中子引起裂变。由于裂变产生的中子速度较慢，实际上是说U-235适合用来产生链式反应，用于制造原子弹。既然是德国人先发现的核裂变，容易想到德国人可能也明白这个可用于造原子弹。

接下来非物理的故事就是Leo Szilard担心德国先造出原子弹，求Isidor Isaac Rabi连夜开车去长岛找爱因斯坦签署一份呼吁，然后求熟人Alexander Sachs递交给时任美国总统罗斯福。罗斯福于1939年10月下令成立铀问题咨询委员会，并拨款$6000开展中子研究。接下来就是建立核反应堆，让裂变过程慢下来才能可控地进行，才能仔细研究。

1941年12月6日，罗斯福总统批准了曼哈顿工程。1945年7月16日第一颗原子弹试爆成功，人类从此走入被核武器恐怖笼罩的时代。

如今，75年过去了，拥有核武器构成的相互吓阻似乎避免了第三次世界大战的爆发，核能的和平利用成了与核武开发相平行的主流，并成了未拥有核武器的国家研制核武器的幌子。福兮祸兮，只有历史能够回答。