首次人工核反應(yīng)

從十九世紀末到二十世紀初，科學(xué)家們連續(xù)不斷地對奇妙的原子世界進行了深入而又細致的研究，并取得了很多偉大的成就。他們在發(fā)現(xiàn)X射線和放射性的基礎(chǔ)上，找到了比原子更小的電子；并進一步發(fā)現(xiàn)了原子核的存在；通過精確測量，鑒別了同位素；對原子核的特性(包括核電荷、核質(zhì)量和核體積等等)進行了初步探索……

　　正當人們開始向原子核世界進軍的時候，卻爆發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)，戰(zhàn)火燃遍了整個歐洲。本來熱氣騰騰、欣欣向榮的科學(xué)研究工作，此時也都被戰(zhàn)爭陰云所籠罩。盧瑟福被迫參加了英國海軍的研究發(fā)展部，致力于潛水艇偵察問題的研究。居里夫人在法國參加了前線醫(yī)療服務(wù)隊……，許多科學(xué)家都離開了自己原來的研究部。

　　到了1918年，大戰(zhàn)剛一結(jié)束，盧瑟福就風(fēng)塵仆仆地回到原來的研究所，并以更大的熱情和充沛的精力投身到他原來所從事的研究工作中去。當時只有一位助手同他一起在十分簡陋的實驗室里進行α粒子散射實驗工作，他們每天重復(fù)地數(shù)著由于α粒子打在硫化鋅制成的熒光屏上所產(chǎn)生的閃光。

　　后來，盧瑟福來到劍橋大學(xué)，接任了湯姆遜老師的職務(wù)。他繼續(xù)用α粒子去轟擊一些輕元素的原子核，希望α粒子能進入原子核內(nèi)部進行“偵察”，以求早日揭開核世界的秘密。在1919年終于出現(xiàn)了奇跡，這是核科學(xué)史上難以忘懷的一年，盧瑟福成功地實現(xiàn)了人類有史以來第一次人工核反應(yīng)。堅硬而又微小的原子核首次被α粒子擊中后發(fā)生了很大變化，并從核反應(yīng)的過程中觀察到了一種新的粒子—質(zhì)子。同年6月，盧瑟福在英國皇家學(xué)院作了關(guān)于氮原子核被α粒子擊中能發(fā)射出質(zhì)子的報告，而且當眾做了實驗表演。

　　下面，就讓我們回顧一下，盧瑟福的第一次人工核反應(yīng)到底是怎樣實現(xiàn)的？

　　從三個天然放射系中，我們可以看到很多放射性元素都能發(fā)射帶有2個正電荷和質(zhì)量數(shù)為4的α粒子。為此人們就聯(lián)想到原子核是否都是由相同的α粒子所組成？因為只有原子核是帶正電荷的，并集中了原子的絕大部分質(zhì)量。但是事實上有許多原子核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不是2和4的倍數(shù)，所以人們又根據(jù)氫原子核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都是1的特點，認為原子核很可能是氫核和α粒子的混合體。然而，這僅僅是一種大膽的設(shè)想，還需用實驗加以驗證。為此，科學(xué)家們?yōu)榱嗽缛战议_原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的秘密，就利用當時僅有的α粒子束作為炮彈，不斷轟擊各種原子核。其中工作做得最多也是最有經(jīng)驗和成就的當然是盧瑟福教授。他在用鐳所發(fā)射的α粒子對重元素核和輕元素核轟擊時，發(fā)現(xiàn)了一種奇怪現(xiàn)象，即對重核(例如82號元素鉛)轟擊時，由于α粒子與重核間存在著巨大的靜電斥力，所以α粒子只能在離核相當遠的地方發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而對輕元素(如7號元素氮)恢轟擊時，它與α粒子間的靜電斥力就小得多了，此時α粒子有可能在離核較近的距離內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。然而科學(xué)家們感興趣的是：能否有個別高能量的α粒子能夠克服與核產(chǎn)生的靜電斥力進入核中。這樣，α粒子就能和核內(nèi)部發(fā)生作用，而后通過研究分析，就可以對原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能有所了解。盧瑟福根據(jù)這個想法，設(shè)計了新的實驗裝置。

　　1919年，盧瑟福用氮氣作為α粒子的轟擊靶核，結(jié)果看到了從熒光屏上所產(chǎn)生的明亮閃光。而這種閃光是來之不易的，因為原子核實在太小了，其直徑約為十億分之一厘米，所以α粒于束中的絕大多數(shù)注定是要打空的。盧瑟福的計算表明，每30萬個α粒子中只有一個能僥幸擊中氮原子核。

　　那末，明亮的閃光究竟是怎樣產(chǎn)生的呢？盧瑟福認為這決不可能是容器內(nèi)的α粒子所引起的。因為根據(jù)α粒子的最大能量7.7兆電子伏在氮氣中的射程不能大于28厘米。這樣，只要在實驗中把α源和熒光屏之間的距離固定在28厘米處，α粒子就不能透過銀箔到達熒光屏上了。當然，閃光也不可能是因α粒子激發(fā)原子后放出的特征x射線所造成。而唯一的可能就是由于α粒子直接和氮核相互作用產(chǎn)生了某種新粒子的結(jié)果。

　　為了證明這一點，盧瑟福又在抽空的容器中充以氫氣。結(jié)果在α粒子轟擊下，也能獲得與轟擊氮核時一樣的閃光。這是因為α粒子與氫核相互作用時，把能量傳遞給它。只要能量足夠大，獲得能量的氫核就得穿透銀箔在熒光屏上產(chǎn)生閃光。而原來α粒子轟擊氮核時，在碰撞過程中產(chǎn)生了一種類似于氫核的新粒子(后來被稱作質(zhì)子)，而且它的能量也很大，在氮氣中的射程大于28厘米(如在空氣中則為40厘米)，故能容易地穿過銀箔在熒光屏上產(chǎn)生和氫核相同的閃光。盧瑟福又把這種新粒子引入電磁場中，經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)其電荷和質(zhì)量同質(zhì)子完全一樣。

　　接著，盧瑟福為了最后肯定引起閃光的是質(zhì)子，而且它只能從氮原子核里產(chǎn)生出來的結(jié)論，又把氮氣經(jīng)過多次凈化后再行測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種閃光確實仍然存在，而且強度也未見減弱。這就充分說明閃光不可能是由于在氮氣中偶然含有氫或容器被氫污染所引起，而完全是由于α粒子和氮核相互作用的結(jié)果。這就是有史以來的第一次人工核反應(yīng)。

　　從反應(yīng)中可以看到，氮核被α粒子轟擊后，能夠生成氧的同位素氧17和質(zhì)子。從此人們不但知道在原子核中的確存在著同氫核一樣的粒子—質(zhì)子，而且通過核反應(yīng)，人們也能夠把一種元素轉(zhuǎn)變成另外一種新元素。自古以來，煉金術(shù)家們一直幻想著能把一種元素熔煉成另外一種有用的元素，這個宿愿終于被現(xiàn)代“煉金術(shù)”家實現(xiàn)了。

　　在此同時，1924年英國物理學(xué)家布萊開特利用威爾遜云室，直接測得了α粒子同氮核的反應(yīng)過程。這種測量裝置是在1912年由英國物理學(xué)家威爾遜精心設(shè)計制造而成的一種跟蹤離子軌跡的儀器。

　　盧瑟福為了想知道是否會有更多的元素在α粒子轟擊下也能產(chǎn)生出質(zhì)子和新的原子核。他曾借助上面的實驗裝置，繼續(xù)用α粒子去轟擊硼、氟、鈾、鋁和磷等元素，并仔細地觀測了它們的核反應(yīng)過程。到1924年為止，盧瑟福發(fā)現(xiàn)除了上述提及的元素外，還有氖、鎂、硅、硫和氯等元素經(jīng)過核反應(yīng)都能發(fā)射質(zhì)子。并總結(jié)歸納成以下幾點：

　　(1)實驗證明，原子核結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，它們中的某些核具有俘獲α粒子的本領(lǐng)，通過核反應(yīng)從核中發(fā)射出質(zhì)子，從而形成另外一種新元素。

　　(2)產(chǎn)生核反應(yīng)要有一定條件，即要求入射粒子具有一定的能量，一般為幾兆電子伏才能克服與靶核產(chǎn)生的靜電斥力，進入核內(nèi)產(chǎn)生反應(yīng)。當然，其命中率不高，需要大量入射粒子，才偶爾可得一、二次核反應(yīng)。

　　(3)核反應(yīng)過程一般都是吸能反應(yīng)，但也有例外。

　　(4)各種元素的核結(jié)合的松緊程度是不同的。如鋁核就結(jié)合得很松，而氦核就結(jié)合得比較緊。