第五、六节 核反应 核能与裂变

质子的发现

　　1919年，卢瑟福做了用 粒子轰击氮原子核的实验，实验装置如图所示，容器C里放有放射性物质A，从A射出的 粒子射到铝箔F上，适当选取铝箔的厚度，使容器C抽成真空后， 粒子恰好被F吸收而不能透过，在F后面放一荧光屏S，用显微镜册来观察荧光屏上是否出现闪光．通过阀门T往C里通进氮气后，卢瑟福从荧光屏S上观察到了闪光，把氮气换成氧气或二氧化碳，又观察不到闪光，这表明闪光一定是 粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的．

　　卢瑟福把这种粒子引进电场和磁场中，根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，确定它就是氢原子核，又叫做质子，通常用符号 表示．

　　这个质子是 粒子直接从氮核中打出的，还是 粒子打进复核后形成的复核发生衰变  时放出的呢?为了弄清这个问题，英国物理学家布拉凯特又在充氮的云室里做了这个实验．如果质子是 粒子直接从氮核中打出的，那么在云室里就会看到四条径迹：放射 粒子的径 迹、碰撞后散射的．粒子的径迹、质子的径迹及抛出质子后的核的反冲径迹．如果 粒子打进氮核后形成一个复核，这复核立即发生衰变放出一个质子，那么在云室里就能看到三条径迹：入射 粒子的径迹、质子的径迹及反冲核的径迹（见左上图）．布拉凯特拍摄了两万多张云室照片，终于从四十多万条“粒子径迹的照片中，发现有八条产生了分叉(见下图)．分叉的情况表明，这第二种设想是正确的．从质量数守恒和电荷数守恒可以知道产生的新核是氧17，核反应方程如下：

　　在云室的照片中，分叉后细而长的是质子的径迹，短而粗的是反冲氧核的径迹．

　　后来，人们用同样的方法使氟、钠、铝等核发生了类似的转变，并且都产生了质子．由于各种核里都能轰击出质子，可见质子是原子核的组成部分．

中子的发现

　　卢瑟福用 粒子轰击氮核发现质子后，有人设想原子核是由带正电的质子组成的．但是除了氢原子外，所有元素的原子核的质量数并不等于原子核的电荷数．例如，氦核的质量数为4，电荷数是2，铀238的质量数是238，电荷数是92，那么原子核里除了质子外还有什么呢?

　　1920年，卢瑟福预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把它叫中子．

　　1930年德国的物理学家博特报告：用由钋放出的 射线轰击铍(Be)时产生一种射线，这种射线的贯穿能力极强，它能穿透几厘米厚的铅板．当时唯一能够贯穿铅层的射线是 射线，所以认为这种射线可能是 射线．

　　1932年法国的物理学家约里奥·居里(1900—1958)和伊丽英·居里(1887～1956)夫妇发现，如果用来自铍的这种射线去轰击含有大量氢原子的石蜡，竟能从石蜡中打出质子(见上图)．通过计算表明，如果这种射线是 射线的话，打出石蜡中的氢原子核的 光子的能量应达到55Mev，但用钋衰变出的 粒子轰击铍核只能产生能量为7Mev的 光子，远小于从石蜡中打出质子所需光于的能量，约里奥·居里夫妇想不出这是为什么．

　　1932年英国物理学家查德威克(1891～1974)看到约里奥、居里夫妇的报告后，仔细地研究了这种射线．发现这种射线在磁场中不发生偏转，可见它是中性粒子流．测出这种射线的速度不到光速的十分之一，因此排除了它是 射线的可能．他用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打出了一些氢核和氮核，他测量了被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出这种射线粒子的质量，从而发现了中子．

现代战神——中子弹

　　中子弹是一种以高能中子辐射为主要杀伤力的低当量小型氢弹．只杀伤敌方人员，对建筑物和设施破坏很小，也不会带来长期放射性污染，尽管从来未曾在实战中使用过，但军事家仍将之称为战场上的“战神”——一种具有核武器威力而又可用的战术武器．

　　在美国华盛顿，甚至有专家认为，美国应重新考虑今后在亚洲的战略走向，防止中子弹技术扩散．中子弹被视为可以真正取胜的武器，1945年美国向广岛和长崎投下原子弹，其毁灭力令人战栗．自此以后，有良知的政治军事领袖和科学家认为原子弹是不可再用的武器，应该随受害者而宣告死亡．

　　于是美国科学家在50年代冷战之初，开始努力研制另类核武器．最初由加州大学一间实验室开始，这种秘密研究失败再失败，直到1977年才由美国陆军的科学家研制并试验成功，中子弹就此横空出世．

　　美国中子弹之父科恩受命研究中子弹时，主要考虑要以一弹阻止苏军坦克群入侵西欧，令对方所有作战人员死亡或受伤，通讯中断，坦克则完好无损，如此不仅令敌军惨败，也可使敌方反应放缓．

　　美国军方曾以美制和苏制先进坦克试验中子弹，结果坦克内的动物全部死亡．一枚普通中子弹，在二三百米上空爆炸，瞬间可使200辆配备强大火力的坦克丧失战斗力，人员死亡．

　　1977年美军试爆中子弹成功，卡特总统便以之为政治武器，希望逼前苏联裁军，保证不侵犯西欧．但到了1978年4月，卡特在国内外各种压力下，推迟了生产计划，改为只生产中子弹部件．

　　卡特所承受的最大压力来自法国．法国坚持认为，中子弹必将加速东西方军备竞赛，使亚欧的处境更加危险．法国所提不无道理，美国未防有诈而停产，谁料想，1980年法国竟然试爆了中子弹，并扬言将用它来保卫欧洲！此弹令法国在政治军事上大显神通，美国却气得直跳．让美国人气愤的还不只这些，没过多久，传来“更坏”的消息，前苏联也有了中子弹！

　　而中国在1964年成功试爆第一颗原子弹的同时，也放眼中子弹，那年，著名核子物理学家王淦昌，提出激光核聚变初步理论，从此中国科学家开始有系统地从事这方面研究．10年后，科学家采用激光技术，在实验室里观察到中子的产生过程．到80年代初，建造了用于激光聚变研究的装置，80年代末期成功试爆中子弹．

　　王淦昌是世界上最先提出激光核聚变概念的科学家之一，国际科学界是根据他于1941年提出的理论，首次在实验室证实了中微子的存在，美国中子弹之父科恩也拜读过他发表的有关原子和中子的论文．

原子弹

　　如果铀235的体积超过了它的临界体积，只要中子进入铀块，立即会引起铀核的链式反应，在极短的时间内就会释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸．原子弹就是根据这个原理制成的．图中所示弹构造示意图，弹壳里装着分开放置的高浓度铀235，每块的体积小于临界体积，因此不会爆炸，铀块外面包着一层能够反射中子的物质(如铍)，叫做中子反射层，以减少跑出铀块的中子，当铀块后面的普通炸药爆炸时，火药燃烧后气体把分开的铀块压到一起，由于空气中有游离的中子，铀核自发裂变也能产生一些中子，这样，超过临界体积的铀块立即发生链式反应产生猛烈爆炸．