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核物理|核技术诞生风云(二)

2021-08-07 15:23     来源:FI知识分享平     核物理原子核
人工核反应

男女搭配

作为早期放射性研究的权威人物,玛丽·居里(1867-1934)和她的丈夫皮埃尔·居里(1859-1906)两人一同为近现代物理学的发展扫清了不少障碍。


 
玛丽亚·斯克沃多夫斯卡·居里(Maria Skłodowska Curie,1867-1934),即居里夫人,波兰裔法国科学家。与丈夫皮埃尔·居里,以及天然放射性的发现者贝克勒尔共同获得1903年诺贝尔物理学奖,因发现元素钋和镭于1911年获得诺贝尔化学奖,成为史上第一个获得两项诺贝尔奖的科学家。在她的指导下,放射性物质被用于治疗癌症。由于长期接触放射性物质(尤其是强放射性的镭)导致骨髓造血功能衰竭,她于1937年因再生障碍性恶性贫血逝世。为了纪念她,1944年在加速器中发现的第96号元素被命名为锔(Curium)


皮埃尔·居里(Pierre Curie,1859-1906),玛丽·居里的丈夫,法国物理学家。发现了晶体的压电效应和顺磁体(比如氧)的磁化率于温度变化的“居里定律”。因对放射性物质的研究,同妻子玛丽·居里,以及天然放射性的发现者贝克勒尔共同获得1903年诺贝尔物理学奖。在实验中发现了放射线对细胞的破坏作用。于1906年不幸在马车事故中逝世。值得一提的是,他的一位学生是中国人民的老朋友——法国共产党成员,保罗·朗之万。

居里夫人发现镭的故事可以说是在全世界家喻户晓。但作为科学史上著名的女强人,居里夫人在实验物理上其他的成就也完全够得上被用来命名一个元素——放射性的第96号元素锔。跟这个荣誉相比,诺贝尔奖简直像是过家家。

【打个岔】
用人名命名的元素
自然界天然存在的稳定元素,如氢、氦一直到第83号元素铋,通常用其物理性质、光谱颜色、用途、发现地、历史传说等来命名;
放射性元素的命名则相对天马行空:像原子弹中的两位VIP,铀(Uranium)得名于天王星(Uranus),钚(Plutonium)得名于冥王星(Pluto);
而完全不存在的元素,即那些全部由核反应制成的元素的命名,是给那些杰出开拓者的嘉奖。除了上文提到的第96号元素锔,还有第99号元素锿(Einsteinium,挺明显的),第100号元素镄(Fermium,得名于费米,该系列后文主角中的主角;千万别和费米子Fermion搞混)等等。


1897年,玛丽·居里正在为自己的博士论文题目发愁。当她阅读了贝克勒尔关于铀的放射性的报告后,便开始着手向放射性这个方向进军。根据放射性物质可使空气导电的性质(上期提到的威尔逊云室也应用了这个原理),她和丈夫设计了一种可以探测辐射强度的简易装置,并以此证明了1828年发现的90号元素钍也具有放射性。

 
玛丽·居里和皮埃尔·居里设计的辐射测量仪(另一个更有名也更精确的辐射测量仪是盖革计数器,原理类似)。射线从平板电容器处通过,电离中间空气使其导电并使电容短路,电流计偏转的大小表示放射强度的大小。

通过逐渐分离、提纯沥青铀矿,他们发现了一种性质和铋相近的放射性元素,于1898年7月向法国科学院宣布发现了第84号元素,并用玛丽·居里的祖国波兰(Poland)命名为钋(Polonium)。短短5个月后,1898年12月16日,他们将先前实验中发现的另一种具有强放射性的副产物——镭,公之于众。在1899到1902年的这段时间,夫妻二人在实验室中呕心沥血,于数吨沥青铀矿中提炼出0.1克氯化镭(当时价值75万金法郎,若按照金法郎的标准含金量0.06克,约合45千克黄金)。

1891年进入大学,1895年结婚,1897年获得硕士学位的玛丽·居里,在她学术生涯刚开始的数年中便完成多项世界先进研究,皮埃尔·居里自然功不可没。不过在感叹“男女搭配,干活不累”的同时,也应该为两个人的聪颖和勤奋致以崇高的敬意。

深究放射性

“我一个物理学家怎么跑来搞化学了呢”

如之前的文章所说的那样,1900年的人们坚信物理学是个已经完全建成的大厦,剩下的工作仅是修修补补。此时物理学的老学究们还在争辩黑体辐射问题和以太说,却没想隔壁化学家的发现给物理学捅了个大篓子。

0.1克的镭看起来并不多,但它暗蓝色的光芒已经清晰可见,其一个小时放出的热量足以瞬间熔化等重的冰;且混合了铍粉的镭放出的东西让周围的所有东西都带有了放射性(中子辐射作用的结果)。皮埃尔·居里在实验过程中还被射线照伤,在他的手臂上形成了类似于烧伤的痕迹(这也是放射疗法的起源)。在没有外界能量输入的情况下,一块金属能够放出射线,还能自己发光发热,这个现象似乎和能量守恒定理不太符合。先前,人们已经在为放射性物质的能量守恒问题很头疼了,如今新的放射性元素还会自己发热,这远远超出了以往的认识。

物理学的两朵“乌云”,黑体辐射和以太问题,质疑的还只是当时物理学最前沿的内容;但放射性这个问题,直接把当时物理学大厦的地基——能量守恒定律给刨了。这个问题相当大,以至于要等到将近1930年才能解决。人们此时只能忽略理论上的漏洞,通过实验继续探索。

实验物理的杰出代表人,欧内斯特·卢瑟福此时正在英属加拿大任物理学讲师。1898年他结识了他的助手弗雷德里克·索迪(1877-1956),二人便一同开展实验。

 
弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy,1877-1956),英国化学家,社会活动家,1921年诺贝尔化学奖得主。提出了同位素假说,协助发现了镤-231,发现放射性元素的位移规律,是放射化学的奠基人。他对一战中,科学的成果被应用于战争和屠杀感到不满,随后成为反战主义者,积极参加社会活动,指出科学应当促进文明而不是野蛮。遗憾的是,他还是活过了二战,并亲眼见证了他的学术成果铸就了人类史上前所未见的大杀器——核弹。

他们通过研究放射性的钍并从中提取出了质量不同的“另一种元素”——先前人们认为,质量不同,元素便不同。但进一步研究了这个“新元素”后,他们发现其化学性质、光谱和原来的钍样本一模一样。索迪为这种“新元素”起名为同位素,即元素相同但原子量不同——本质上是质子数相同、中子数不同(但此时质子和中子这两个微观粒子都未发现)。于是这两种不同的钍便成为了钍-228和钍-232。

这时卢瑟福突然想起了在剑桥的卡文迪许实验室见到的现象。上期提到,1898年还未到加拿大的卢瑟福借用威尔逊发明的云室观测放射线,并发现了质量较电子更大的α粒子——这个粒子从质量上来看非常像一个已知元素。通过收集镭放射出的粒子并进行光谱分析,他们发现果真如此——α粒子就是被电离的第2号元素,第一个惰性气体氦。随后,化学家拉姆赛(1852-1916,发现了众多惰性气体元素)经过光谱分析后发现,镭放出氦后剩下的物质也是一种惰性气体——86号元素,具有放射性的氡。

一个元素可以放出另一个元素并转变为新元素,这在当时可真是闻所未闻;一时间,社会上关于点铁成金的噱头频频出现。虽然科学家都对此嗤之以鼻并一有机会便加以驳斥,但某种意义上来说这些噱头的创造者们还蒙对了,“炼金术”真的可以实现——依靠的便是人工核反应。

大隐隐于市

19世纪末和20世纪早期是物理学极度热闹的一个时期:众星云集,既有老一辈的汤姆森,玻尔兹曼,也有新一代的卢瑟福、普朗克;随着新鲜血液的注入,不断地有旧的认识被新实验、新理论推翻。原子物理,量子物理开始作为物理史舞台的主角。

作为20世纪最富盛名的科学家,此时的爱因斯坦属于初出茅庐中的初出茅庐。1900年8月,爱因斯坦以班级第四,即倒数第二的成绩顺利从苏黎世联邦理工大学物理系毕业。虽然爱因斯坦在高中的成绩非常优秀,但在大学生活中,爱因斯坦沉迷谈恋爱,恋爱生活使他们荒废了学业。最终爱因斯坦本人仅以中等水平完成考试,而他的女朋友,后来的第一任妻子米列娃·玛丽克的毕业考试却没有通过。大学里不该干什么明白了吧

毕业后的爱因斯坦日子并不好过。他倒是热衷于去当个教授,但相比于他同学的优秀水平,爱因斯坦的成绩对于高校的吸引力只能说是聊胜于无。在同学的安排下,毕业后当过助理教授、中学讲师的爱因斯坦于1902年进入瑞士专利局工作。专利局工作的工资并不算高,但好处是拥有大量的闲暇时间,爱因斯坦得以继续进行他的思考和研究,并于1905年甩出了数篇极具含金量的论文,包含了光电效应、随机游走,以及对于本篇来说最重要的狭义相对论。在该文章中,爱因斯坦指出质量和能量等效,并推导出相对论中最著名的公式:E=mc2。

发表了论文的爱因斯坦只是升了个职,加了个薪。但在随后的数十年中,此时大隐隐于市的爱因斯坦和他的成果将在物理学中大放异彩,并间接改变整个人类文明的历史进程。

深入原子

由于此时爱因斯坦的低存在感,短时间是没他什么事了。况且作为理论物理学家,他的研究主要靠对已知现象的思辨,而不是对于未知现象的观察。而刚刚诞生的原子物理恰恰需要大量的实验来获取相关信息,所以原子物理或核物理发展的这一棒又交回实验物理学家手中。

既然知道了氦原子能“藏在”镭原子中后,卢瑟福就更怀疑他导师于1904年提出的“枣糕模型”了。1907年回到英国,来到曼彻斯特大学后,他便着手进行原子结构的分析。不过此时的他已经是获得了诺贝尔奖的大师,手下有着一整个实验室,里面个个都是人才,说话又好听。盖革(1882-1945,发明了盖革计数器)、查德威克(1891-1974,发现了中子)、玻尔(1885-1962,量子力学大师,量子化的原子模型提出者)等人此时都是卢瑟福的弟子。在卢瑟福的指导下,盖革和其他人完成了著名的α粒子散射实验,证明了原子的大部分质量和全部的正电荷集中在原子中一个极小的区域,即原子核里。卢瑟福于1911年提出了原子的“行星模型”,正式确认了原子核物理学的诞生。

 
α粒子散射实验原理,线条代表入射的α粒子。在卢瑟福的假设中,原子核集中了大部分质量和全部的正电荷,那么远离原子核的粒子会直线通过;靠近原子核的粒子的路径,会在同种电荷相互排斥的作用下偏转成曲线;而与原子核正面碰撞的粒子会被大角度反弹,即以原路径返回。实验显示有极少数的粒子能被反弹回来,证明了原子核的存在,且进一步说明原子核在原子中所占的体积极小。

当代炼金术士

1914年6月28日,萨拉热窝事件爆发,一个月后第一次世界大战爆发。由于资源优先投入战争,科学研究基本上中断。卢瑟福被英国海军征召,去研究怎么对付让原本“天下无敌”的皇家海军极为头疼的德国潜艇。

战争结束的1918年,卢瑟福回到剑桥的卡文迪许实验室当所长。他一上任就搞了个大课题——打碎原子核。先前他试图用α粒子“打碎”原子,发现原子内部空荡荡的,只有中心极小的一个原子核,这样原子里面有什么就清楚了;如果想知道原子核里面有什么,打碎原子核自然是首选的方法。这个课题的收获非常快:在同年,卢瑟福和他的学生用α粒子,即氦的原子核,去轰击7号元素氮的原子核,在产物中发现了氢原子核的存在。在进行反复观测后,卢瑟福认为氢的原子核为一个基本粒子,无论是氦、氮还是其他元素的原子核都包含氢核。由于氢是第1号元素,卢瑟福就用希腊语的Πρώτα(Prota),即“第一”来命名这个“第一粒子”——质子(Proton)。就这样,卢瑟福等人第一次实现了元素的人工核反应,而此前的研究都是基于天然的核反应——放射而进行的。这说明原子核也不是不可分割的,而是由若干数量的基础粒子组成。由于质子的质量和要比观测到的原子核的质量要小,卢瑟福便预言了中性基本粒子的存在,即还未发现的中子。

随后,他们在同一项实验中发现了另一种现象:光谱分析说明,被氦核轰击的氮元素的另一个产物是氧-17,比普通的氧-16多一个此时还未知的中子。原子核间的撞击居然可以产生新的,更重的原子核,这几乎说明了点铁成金的可能性。一时间声称可以造金子的骗子更多了。但卢瑟福顾不上辟谣,他正沉迷于新的研究中。1926年,他已经完成了α粒子轰击轻金属的研究。随后他的学生制造了一台“原子捣碎机”——“当代炼金术士”号,得名于卢瑟福的同名书籍。这台机器可以用质子(原子量为1)轰击锂原子核(原子量为7),使其分裂为2个氦原子核(α粒子,原子量为4)。

但一战后持续不到20年的和平氛围逐渐被火药味代替。随着世界经济的普遍拉胯,1922年,墨索里尼的法西斯政党控制了意大利,无数进步人士被迫害;1931年,日本帝国主义发动九一八事变,占领了中国东北地区大片土地,并进一步觊觎着中原大地;1933年,希特勒的纳粹党在德国上台,疯狂地将全世界推往战争的边缘。

不那么坏的消息是,1932年,卢瑟福的学生查德威克观测到了不带电的基础粒子——中子,为核技术的基础夯实了最后一块土。此时各国的科学家隐约地察觉到,核技术极有可能被用于军事方面,虽然他们并不知道这种应用的形式究竟是什么。随着意大利科学家恩利克·费米(1901-1954)在奥托·哈恩(1879-1968)发现的核裂变的基础上提出的“链式反应”被证实,人们知道了原子内部充沛的能量可以被转化为热量——这个热量既可以用于发电厂,也可以被用在炸弹里。

在21世纪的我们知道:庆幸的是,由于对人才的迫害,法西斯阵营并没有在核技术上取得什么有价值的进步。通往原子弹的道路是属于正义的人民的。
(待续)

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