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中编打开原子的大门
（三）

　　　 新的原子核模型
　　中子是1932年发现的。人们想起了卢瑟福的预言，他在1920年就认为原子核里会有不带电荷的中性粒子。现在中子真的发现了。就在这一年，德国青年物理学家海森堡根据物理学的一些原理，指出原子核里不可能有电子；他认为原子核是由质子和中子组成的。他的这种原子核模型很快就为科学界所接受，成为今天我们所熟知的常识。
　　海森堡的模型不同于质子-电子模型，一些符号却仍然保持原样，不过符号的意义有所不同。
　　α粒子是氦原子核，仍写作⁴₂He，左上角是质量数，也就是核中的质子和中子的总数；左下角是原子序数，就是核电荷数，也就是核中的质子数；左上角数字减去左下角数字，就是核中的中子数。氦原子核是由2个质子和2个中子组成的。
　　同样，氯有两种同位素，³⁵₁₇Cl核中有17个质子，有18个（35－17＝18）中子；³⁷₁₇Cl核中有17个质子，有20个（37－17＝20）中子。
　　中子的符号是¹₀n，左上角的1说明中子的质量是一个单位质量，左下角的0说明中子所带电荷为0。
　　发现中子的核反应是α粒子打到被核里，放出来一个中子。可以写成：
　　⁴₂He＋⁹₄Be→p--12₆C＋¹₀n反应式两边的符号的左上角是4＋9＝12＋1，左下角是2＋4＝6＋0。
　　原子核里只有两种粒子——质子和中子，而电子只在核外面运动，原子核里面是没有电子的。因此，人们又把质子和中子通称为“核子”。
　　但是，问题又来了。已经知道，有些放射性元素放出β射线（电子流）。如果原子核里没有电子的话，又怎么能够放出来电子呢？再有，原子核里有中子，那么为什么没有单个的中子在我们周围自由飘荡呢？
　　直到1950年，人们用实验证明了，自由的中子不稳定——中子有放射性，每13分钟就有一半的中子变成质子和电子。质子就是氢原子核，它是稳定的。
　　中子只有在原子核里，并且和质子按一定比例结合在一起的时候，它才是稳定的，原子核也才是稳定的。如果原子核里的中子偏多了，同质子不成比例了，中子在原子核里也会变成质子，同时放出一个电子。这个电子不能在核里呆下去，立刻以极大的速度从原子核里射了出来，这就是β射线。
　　反过来，如果原子核里面的质子偏多了，又会发生什么情况呢？原子核里质子不会和电子结合而变成中子，因为原子核里没有电子。质子只能把原子核外面的电子俘获一个到原子核里面来。还会发生一种情况，那就是质子放出正电子而变成一个中子，这是一种新的放射性。这种放射性是小居里夫妇首先发现的。
　　　 人工制造放射性元素
　　1934年11月15日，法国科学院召开会议，一位名叫约里奥-居里的年轻科学家在会议上提出科学报告，宣布他和他的夫人伊伦·居里一起得到的重要发现。
　　大家还记得在36年前，正是在这个讲台上，居里夫妇宣布他们发现了放射性元素钋和镭。那时候，小伊伦还只有1岁。如今青年一代科学家成长起来了，小居里夫妇发现了人工放射性。
　　这个重要发现还得从头说起。
　　前面已经讲过，贝特怀疑卢瑟福的实验丢掉些什么没有被探测到，他们用新的探测放射性的仪器发现了新的放射现象，并且由此发现了中子。小居里夫妇积极地参加了发现中子的研究工作。
　　小居里夫妇想：在卢瑟福的实验中没有放射出质子的那些元素，受到α粒子轰击会放射出中子，为什么那些放射出质子的元素，不会同时放射出中子呢？
　　他们仔细地重复了卢瑟福做过的实验，想看看有没有什么遗漏。
　　卢瑟福曾经发现，用α粒子轰击铝，就会放射出质子。这个核反应是：
　　⁴₂He＋²⁷₁₃Al→³⁰₁₄Si＋¹₁H
　　小居里夫妇重复了这个实验，他们使用了新的探测仪器，结果发现：放射出来的不但有质子，还有中子。卢瑟福当时由于使用的仪器不同，没有发现中子。
　　他们进一步仔细研究，发现在用α粒子轰击铝的时候，不仅放射出质子和中子，还会放射出电子。不过这种电子带阳电荷，是正电子。
　　他们用一块铅板插在α粒子源和铝片之间，铝片就停止放射质子和中子了。这说明α粒子被铅板挡住了，它和铝原子核的核反应也就停止了。奇怪的是这时候铝片仍然有放射性，继续放射出正电子，不过放出的正电子不断减少，持续半小时左右，才最后消失。
　　1933年10月，在布鲁塞尔的国际科学会议上，小居里夫妇报告了他们的实验结果。这些结果引起了到会的物理学家激烈的争论，大多数物理学家都说他们的实验不可靠。但是一些老科学家，如玻尔，认为这个发现很重要，他们对这一对年轻人给以支持和鼓励。
　　小居里夫妇没有灰心，他们回到实验室继续研究。他们认为α粒子轰击铝原子核以后放出中子变成了磷的同位素，也就是：
　　⁴₂He＋²⁷¹³Al→³⁰₁₅P＋¹₀n
　　而磷的同位素器³⁰₁₅P是放射性的，它会放射出正电子而变成稳定的硅同位素：
　　³⁰₁₅P→³⁰₁₄Si＋e^＋（⁰_＋1e）
　　为了检验这种想法是否正确，他们把经过α粒子强烈轰击的铝箔迅速溶解在盐酸里。铝和盐酸反应冒出了氢气，如果真有放射性磷的话，那就会生成磷化氢。磷化氢也是气体，所以冒出来的气体就会有放射性——放射正电子。
　　实验证实了他们的看法，气体真的有放射性。
　　同铝的情形相似，小居里夫妇发现，硼和镁受到α粒子的轰击会放出中子和正电子，也发生了人工放射性。
　　1934年11月15日，在法国科学院的会议上，他们详细地介绍了他们的实验结果。这一回谁也不怀疑了，大家以热烈的掌声通过了他们的科学报告。
　　以前人们只知道有铀、钍、镭、钋等天然存在的放射性元素，这些元素都是位于元素周期表末尾的重核元素。现在，小居里夫妇发现了列在周期表前面的轻核元素也可以有放射性的同位素。它们在自然界并不存在，而是人工制造的，是人工放射性元素。
　　卢瑟福在他当时的条件下，发现了人工核反应，实验是做得十分仔细的，获得了非常重要的发现。但是科学并没有停步不前，不过十多年的时间，就发现他的实验还有不足的地方。在卢瑟福实验的基础上，发现了中子，又发现了人工放射性，科学又大踏步地前进了。谁也不能说自己的研究工作已经尽善尽美了。谁也不应该认为，以前的科学家已经把什么都发现了，我们已经不能有所作为了。
　　1935年底，小居里夫妇由于发现了人工放射性而得到了诺贝尔化学奖。同年得到诺贝尔物理奖的是发现中子的查德威克。
　　约里奥-居里在领取奖金的演说中预言：“我们看清楚了，那些能够创造和破坏元素的科学家也能够实现爆炸性的核反应……如果在物质中能够实现核反应的话，那就可以释放出大量有用的能量。”
　　核反应和释放能量，有什么关系呢？
　　　 亏损掉的质量
　　组成宇宙间万物的基本砖石，我们已经知道的有质子、中子、电子，还有正电子，它们的质量到底有多大呢？非常非常的小！
　　1个质子的质量是：
　　0.000000000000000000000001673克。
　　1个中子的质量是：
　　0.000000000000000000000001675克。
　　1个电子的质量是：
　　0.000000000000000000000000000911克。
　　它们太小了，我们在计算它们的质量的时候，不能老是在小数点后面去画一大串0，数一大串0，为了方便起见，需要规定一个衡量它们的专用质量标准。
　　现在科学家统一采用的标准是碳的同位素¹²₆C的原子质量（0.00000000000000000000001993克）的1／12。把它叫做1个原子质量单位，符号是u。
　　1个原子质量单位（1u）
　　＝0.00000000000000000000000166克。
　　当然¹²₆C的质量是12u。按此原子质量单位计算：
　　质子的质量是1.00728u
　　中子的质量是1.00867u
　　电子的质量是0.000549u
　　既然原子是由质子、中子和电子组成的，那么，一个原子的质量就应该等于组成它的基本粒子的质量的总和了。但是，实际上并不这样简单。
　　那位善于测量原子核质量的阿斯顿，把他的仪器不断改进，测量得越来越准，结果问题就来了。
　　氦原子核是由2个质子和2个中子组成的，外面有2个电子。
　　氦⁴₂He原子的质量应该是：
　　2×1.00728＋2×1.00867＋2×0.00055＝4.033u。
　　可是实际测量得到的⁴₂He原子的质量则是：
　　4.00260u，亏损了0.0304u。
　　碳同位素¹²₆C的核中有6个质子，6个中子，原子核外有6个电子。因此它的原子质量应该是：
　　6×（1.00728＋1.00867＋0.00055）＝12.099u。
　　实际上¹²₆C的质量是12u，又亏损了0.099u。
　　再看铀²³⁸₉₂U的原子，它的核由92个质子和146个中子组成，核外有92个电子。这些粒子的质量加在一起应该是239.986u。但直接测量得的²³⁸₉₂U原子的质量却是238.051u，又亏损了1.935u。
　　这可真是怪事！
　　二加二不等于四，二加二竟然小于四！
　　用质子、中子和电子这些基本砖石构成预制件——原子的时候，总是要亏损一些质量。
　　这些亏损的质量哪里去了呢？物质守恒定律是不是错了呢？
　　　 核子的结合能
　　我们用砖块砌墙，要用沙浆把砖块粘在一起。砌好的墙的总质量，一定比所用的全部砖块的质量大，因为还要加上沙浆的质量。
　　核子结合成原子核的情形正好相反。用物质世界的基本砖石——质子和中子砌成的预制件——原子核的质量反而变小了，似乎在原子核里把质子和中子粘在一起的沙浆有负的质量。
　　难道质量还会有负的？
　　质量不会有负的。但是在原子核里，质子和中子确实是靠亏损掉的质量而紧密地结合在一起的。这又是怎么回事呢？
　　在1905年，伟大的物理学家爱因斯坦曾经提出来一个非常重要的定律。这个定律说，当一个过程放出能量E的时候，就会亏损掉一部分质量m，能量和质量的关系是：
　　E＝mc²或m＝E／c²
　　公式中C是在真空中光的速度，约等于
　　300000000米／秒。
　　反过来，当一个过程得到能量时，质量又会增加一部分。
　　真的是这样吗？为什么在我们平常接触到的各种现象中没有发现这种情况呢？
　　这是因为我们接触到的吸收或者放出能量的过程，一般都属于物理变化和化学变化。和核反应相比，物理变化和化学变化吸收或放出的能量要少得多，相应地引起的质量的变化也极小，因而难以察觉。
　　正像前面讲过的，由质子和中子合成4克氦原子核的时候，质量会亏损0.03克。这时会放出多少能量呢？按公式E＝mc²计算，放出的能量：
　　E＝0.00003×（300000000）²
　　＝2700000000000（焦耳）
　　但是，当把4克氢（和32克氧）燃烧成水时放出的能量是480000焦耳。根据爱因斯坦公式，这样多的氢和氧生成水后，质量会亏损多少呢？由m＝E／c²：
　　　　　　　480000
　　m＝————————
　　　　　（300000000）²
　　＝0.0000000000053（千克）
　　＝0.0000000053克
　　这亏损掉的质量是非常小的，当然是很难察觉和测量出来的。
　　对比一下，用4克氢当燃料烧成水的化学反应放出的热量大约可以把1公斤水烧开，而在合成4克氦原子的核反应中，放出的热量可以把5000吨水烧开，两者大小相差达到500万倍！
　　反过来，如果要把氦原子核拆开成为质子和中子，也需要让氦原子核获得同样多的能量，不然就补不回亏损的质量。这种由若干个质子、中子等核子结合成原子核的时候放出的能量，叫做原子核的结合能。
　　结合能为什么这样大呢？这是因为核子间的作用力——核力是一种很强的力。
　　在过去，人们只知道宇宙间存在着两种作用力。第一种作用力是万有引力，第二种作用力是电磁作用力。在打开原子核以后，人们发现了第三种作用力——核力。
　　关于核力的详细情形目前还不清楚，但是有一点是可以肯定的，就是在极短的距离之内，核力是非常非常大的。有人估计，它要比万有引力大10³⁸倍！
　　万有引力无论距离多远都能起作用。核力就不同了，只有当核子的距离比0.0000000000001厘米还小的时候，强大的核力才发生作用。比这距离稍远一些，核力就不起作用了。所以原子核是非常小而且又是非常牢固的。
　　科学家们仔细地测量了各种原子核的质量，算出了由基本粒子构成原子核的结合能。
　　太阳为什么能够不停地发出极大量的光和热呢？贝特在1938年指出：在太阳的炽热的核心里正在发生着四个质子合成一个氦核（同时放出两个正电子）的过程。正像上面计算的那样，在这过程中放出大量的结合能。
　　这是热核能，也就是核聚变能。
　　科学家还用计算证明，如果把重的原子核，例如铀核，分裂成两块的话，也会放出大量的能量。
　　1克²³⁵₉₂U分裂成差不多相等的两块时，放出的能量如果都能转化成电能，就相当于23000度电。
　　这是核裂变能。
　　但是，怎样才能使铀原子核分裂成两块，放出这样多的能量来呢？
　　从预言到成为现实，只用了不到十年的时间。
　　　 用中子当炮弹
　　小居里夫妇的发现为研究原子核的科学家打开了新路。大家都在研究用人工方法制造新的放射性元素。才几年，他们就制造出400多种人造放射性元素。
　　意大利的科学家费米认为，用α粒子轰击原子核并不是理想的办法，因为α粒子带两个阳电荷，在射到别的原子核里去的时候，同性电荷相斥，就很难射中。他决定换用中子作炮弹。
　　将镭射气——氡和铍粉封在小玻璃管中，氧放射出来的α粒子打在铍上就产生中子。这就是一个不断发射中子的中子源。
　　费米用中子去轰击各种元素。他按照周期表的次序去试验。结果，前8个元素——从氢到氧，用中子轰击以后都没有什么反应。但是用中子轰击氟的时候，盖革计数器响了。
　　用中子轰击氟，生成了人工放射性元素。这种人工放射性元素放出β射线，也就是带阴电荷的电子流。
　　中子不带电，氟原子核里多了一个中子，所带的阳电荷数并不改变，只是质量增加了一个原子质量单位，所以生成的是氟的同位素：
　　¹₀n＋¹⁹₉F→²⁰₉F
　　这种氟同位素是放射性的，它放出β射线——电子流。当然，核的阳电荷数目就要增加，变成原子序数比氟大1的氖：
　　²⁰₉F→²⁰₁₀Ne＋e^-
　　费米继续做的试验很顺利，在氟以后的元素大都可以被中子击中，变成放射性元素，而且花样很多。
　　铝原子核被中子击中后放出α粒子，变成放射性钠：
　　¹₀n＋²⁷₁₃Al→²⁴₁₁Na＋⁴₂He
　　放射性钠放出β射线后变成稳定的镁：
　　²⁴₁₁Na→²⁴₁₂Mg＋e^-
　　磷原子核被中子击中后放出质子，变成放射性硅：
　　¹₀n＋³¹₁₅P→³¹₁₄Si＋¹₁H
　　放射性硅放出β射线后变回成稳定的磷：
　　³¹₁₄Si→³¹₁₅P＋e^-
　　碘原子核被中子击中以后什么粒子也不放出，变成放射性碘：
　　¹₀n＋¹²⁷₅₃I→¹²⁸₅₃I
　　放射性碘放出β射线后变成稳定的氙：
　　¹²⁸₅₃I→¹²⁸₅₄Xe＋e^-
　　费米用中子做炮弹，一下子就制成许多种放射性同位素。同时，他还发现周期表中的重元素（原子序数大的元素）的核在被中子击中以后，都不放出α粒子或质子，而是生成原来元素的放射性同位素。这些放射性同位素都是放射β射线的。
　　放射β射线，也就是放射电子，放射的结果是原子核减少一个单位阴电荷（也就是增加一个单位阳电荷），变成原子序数增加1的另一种元素。
　　铀是周期表上当时已经发现的最后一个元素，它的原子序数是92。人们早就想找到铀后面的元素，但是一直没有找到。
　　费米想：可不可以用人工来合成铀后面的元素呢？
　　他用中子轰击铀，果然得到了放射β射线的同位素。在放射β射线以后，它就应该成为原子序数是93的元素了。用中子再轰击93号元素，就会生成94号元素；再轰击94号元素，又会生成95号元素。
　　费米做过实验以后，在1934年宣布他用人工方法制造出来了超铀（原子序数比铀大的）元素。它们的原子序数是93、94、95。
　　费米还仿照门捷列夫的办法，把自己发现的93、94、95号三个元素分别起名叫做“类铼”、“类锇”和“类铱”。
　　　 费米犯了一个错误
　　人工制造出了超铀元素！
　　这又是一个重大的发现。几乎各国有名的原子科学家都相信费米的实验结果，相信真的制造出了93、94和95号元素，但是有一位科学家持不同的意见。
　　就在费米宣布制出超铀元素的那一年，《应用化学杂志》上刊登了一封来信。信中指出：“用中子轰击重核，可能使这核分裂成几个大块的碎片。当然，这些碎片必然是已知元素的同位素，而不是这重元素相邻的元素。”
　　这封信是德国女科学家诺达克写来的。她曾经发现了元素铼，后来一直在寻找着超铀元素。她认为费米没有制出来超铀元素，因为费米提出的新元素的化学性质，更像已知的元素。
　　诺达克的意见没有受到重视。当时世界有名的德国放射学专家哈恩也认为，诺达克的看法纯粹是谬论。
　　但是，少数人的意见并不一定是错误的。4年以后，才证明费米错了，诺达克是正确的。作出证明的恰恰是哈恩自己。
　　在费米宣布他的发现以后，许多支持费米的科学家都在重复费米的实验，想研究一下93、94和95号元素的性质。他们大多得到和费米同样的结果。
　　1938年，小居里夫妇用中子轰击纯铀，然后进行分析。他们有了新发现，在轰击过的铀中发现了元素镧。镧是57号元素，它在中子轰击以前的铀中是没有的。换句话说，镧是在中子轰击铀以后产生的。
　　哈恩听到这个消息以后，再也坐不住了，立刻跑到实验室里做起实验来。
　　哈恩和他的助手几个星期不分昼夜地做实验。他们在用中子轰击过的纯铀中又找到了钡。钡的原子序数是56，是铀原子序数92的一半多一点。
　　哈恩改变了自己的看法，他的实验证实了诺达克的意见：铀在中子轰击后真的分裂成为大约相等的两块。
　　1938年12月22日，在德国《自然科学》杂志上，哈恩发表了他的发现。
　　这一次，原子核真的打开了！以前的实验仅仅打下原子核的一些小碎片。这次原子核被打成两块。
　　人类从此开始进入利用原子能的新世纪。
　　　 原子能的解放
　　一个中子能够打碎一个铀原子核。这个新的发现又震动了科学界，许多人都在进一步研究这个问题。他们发现铀核被打碎的碎片有大有小，可以生成各种元素。1946年，当时在法国的我国科学家钱三强和何泽慧夫妇发现，在中子轰击下，铀原子核还可以分裂成三块或四块。
　　然而最可能发生的情况是分裂成为大小差不多相等的两块。例如，一个中子打到铀的同位素²³⁵₉₂U的核里去，这个核就会分裂成为一个钡原子核¹⁴¹₅₆BA和一个氪原子核⁹¹₃₆Kr。在这同时，还会放出3个中子。
　　这可是合算的事！一个中子打碎了一个²³⁵₉₂U的核，同时又放出了3个中子。这3个中子又可以打碎另外3个²³⁵₉₂U的核，同时各放出3个中子，一共9个中子。9个中子又能打破9个²³⁵₉₂U的核，放出27个中子……也就是说，一个中子可以打破无数个²³⁵₉₂U的核。前面已经说过，铀原子核破裂就会放出大量的能量——原子核能来。如此说来，²³⁵₉₂U好比是火药，中子好比是小火星，一个小火星就会使一块火药着火爆炸，一块²³⁵₉₂U碰到一个中子也会爆炸。
　　可是，科学家们过去用大量中子轰击铀片，并没发生爆炸。这又怎样解释呢？
　　原来天然的铀有三种同位素——²³⁴₉₂U、²³⁵₉₂U和²³⁸₉₂U。其中²³⁴₉₂U的量非常少，只占十万分之五；99％以上是²³⁸₉₂U；²³⁵₉₂U也很少，只占0.7％。受到中子撞击立刻发生裂变的只是²³⁵₉₂U的核。中子可以打到²³⁸₉₂U的核中去，但不会立刻发生裂变。所以，中子轰击天然铀的时候，打中²³⁵₉₂U的核的机会很少；²³⁵₉₂U的核裂变时产生的中子，也不会都击中别的²³⁵₉₂U的核。
　　如果全都是²³⁵₉₂U，情况怎样呢？会不会爆炸呢？会！但是有个条件，那就是²³⁵₉₂U裂变之后放出来的更多的中子，也要能击中别的²³⁵₉₂U的核才行。这就需要有足够多的²³⁵₉₂U的核。
　　这好比我们闭着眼用枪去射击树干。如果只有稀稀落落的几棵树，子弹大半穿过树和树间的空隙，射中树干的机会一定很小。如果在密林里，那就会弹无虚发，所有的子弹都射在树干上。
　　铀的裂变也是一样。²³⁵₉₂U的量要是不够多，不论是中子源发射出来的中子，还是²³⁵₉₂U核裂变产生的中子，大部分没有等到击中铀核，就已经逃离了这块铀，因为铀原子核间还是有很大空隙的。在这种情况下，就不能引起越来越多的铀核裂变。如果²³⁵₉₂U的量足够多，中子就跑不掉了。这时候就会出现一种可怕的场面：全部铀原子转眼间都分裂，放出极大量的能量，以致引起爆炸。大家都知道，这就是原子弹爆炸，更确切地说，这是核爆炸。
　　能达到核爆炸的最低限度的²³⁵₉₂U的量，大约是1千克左右，这叫做临界质量。
　　原子核打开了。人们得到的不仅仅是关于原子核是怎样构造的知识，更重要的是解放出来极为巨大的能量——核能。
　　世界名著《一千零一夜》中有一个故事：一位渔夫在海里捞到一个钢瓶，他打开瓶塞想看看里边有什么；结果出来一个魔鬼，差一点把渔夫害死；最后，渔夫靠他的智慧终于驯服了魔鬼。
　　人类打开原子的故事有点相似。开始的时候大家只想打开原子看看它到底是怎样组成的，结果，打开了原子的大门以后，却放出来了一个魔鬼——原子弹。
　　当然，我们不能让这样的魔鬼杀害人类自己，而是要驯服它，让它为我们服务——利用原子能发电、开动机器等等。
　　关于人类怎样驯服了这个魔鬼，这魔鬼又怎样为人类服务的故事，就不是我们这本书所要讲的了。
　　　 没有结束
　　上面我们讲了老一代的科学家们如何通过科学实验，逐步打开原子大门的故事。当然，故事没有讲全，也不可能讲完。
　　虽然原子的大门被打开还只有几十年，它引起的变化却胜过了人类历史的几千年。它标志着科学技术的发展进入了新的时代。
　　由原子中头一个分出来的是电子。自从掌握了电子运动规律，人类生活起了多大的变化啊！没有电子管就不会有无线电广播，更不用说电视了。当然还有电子计算机、自动控制、宇宙导航……这都是1897年发现电子以后的丰硕果实。因此，人们常说，20世纪是电子时代。
　　原子核被打开了，在原子的心脏里取得了更为宝贵的财富——原子核能。这将是取用不竭的新能源。所以人们又说，20世纪是原子能时代。
　　过去认为原子是组成宇宙万物的基本粒子。后来原子被打开了，人们又认为组成原子的质子、中子和电子是基本粒子。现在，科学家们发现基本粒子的种类远不止这几种。除了已经提到的正电子以外，还发现有μ介子、π介子、K介子、J粒子……到目前为止，已经发现有几百种。它们的质量、电荷等性质各不相同。它们的发现故事还可以再写几本书。
　　其中最有趣的是发现了反粒子，例如正电子就是电子的反粒子。后来又发现了反质子，它与质子的质量一样，但带的电荷正好相反——带阴电荷。可以想象，一个反质子和一个正电子也可以构成一种氢原子——反氢原子。反质子和中子还可以构成各种各样的反元素的核，形成各种各样的反物质。当然，在我们现在生活的世界——正物质世界中，反物质是难以存在的，因为实验证明，反物质与正物质相遇就会爆炸而转化成巨大的能量。但是谁能断定，在无穷的宇宙中不会有反物质的世界存在呢？
　　现在谁也不敢说，这些“基本粒子”我们都认识清楚了；谁也不敢说，这些“基本粒子”是不可再分割的了。世界各国的科学家建造了各种复杂的仪器去寻找新的粒子，他们使这些“基本粒子”以极高的速度相互碰撞，企图打开“基本粒子”的大门。这是一场新的科学会战。
　　物质世界是无穷的，人类的认识是无穷的，科学的发展也是无穷的。
　　　 附　核子台球戏
　　为了说明原子核反应，让我们来看几场核子台球戏。在这种台球游戏中，台球桌面不是平坦的，上面有一座一座的小火山，火山顶上的火山口就是我们要把台球打进去的地方。火山口里面就是原子核。台球有三种，一种是红的——质子，一种是白的——中子，还有一种大球，是由2个红球和2个白球组成的，这是α粒子。
　　这个台球桌上的小火山的高度随元素的不同而不同：原子序数越大，火山就越高；火山的高度和原子核的电荷的斥力成正比。
　　第一个玩这游戏的是卢瑟福，他打的是大台球，他选的目标是一个比较高的火山口——金的原子核。
　　卢瑟福和他的学生盖革轮流打台球。大多数的球都从火山的旁边笔直地滚过去了，有少数台球爬上山坡的一侧，转一个方向又溜下去了。只有极少数正对着火山口滚去，可惜球的速度不够快，火山又比较高，所以爬到半山腰就倒退了回来。
　　他们一个球也没有打到火山口里去。但正是他们首先发现火山口的存在，并且探知，要把台球打进火山口是很不容易的：不仅要对准，而且要使足了劲打，不然的话，台球滚不上去。
　　这是第一次游戏。你们当然知道，这就是卢瑟福的α粒子散射实验。他发现了原子有一个带阳电荷的很小的核。
　　后来，卢瑟福又带他的学生马斯登和查德威克来玩台球或。他们打的还是大球，但比上一次用劲了；选择的目标是那些最低的火山口。这一次他们成功了。
　　马斯登第一个把大球打到氮的火山口里去了。大球笔直地冲上山坡，越爬越高，最后爬上山顶，掉进火山口里。这时候，奇怪的事发生了：从火山口里跳出来一个红球，沿着山坡滚下去了。
　　卢瑟福对这次成功极感兴趣，他和查德威克也把大球打向选定的目标。他们往氖、镁、硅、硫、氯、氩、钾的火山口里都打进去了球，接着火山口里也都跳出来一个红球。他们还想往更高的火山口里打球，但是力气不足，球始终没有爬上山去。
　　这次游戏结束了，他们相信在火山口里一定有红球——原子核中有质子。
　　大家都知道，这次游戏就是卢瑟福等人发现人工核反应的实验。
　　后来，这种游戏越来越普遍了。许多科学家都在玩这种台球戏。30年代初，在这种游戏中出现了德、英、法三国对抗的局面。
　　德国贝特在这种游戏中把大球打到锂、铍和硼的火山口里去，他看到似乎有什么东西由火山口里跳出来，滚走了。法国的小居里夫妇来玩台球，结果也一样，但是他们也没看清楚跳出来的是什么东西。最后，打台球的老手英国查德威克来了，他一下子就把大球打到铍的火山口里，接着他就抓住了由火山口中跳出来的球。原来是个白球，大小和红球几乎一样。这可是新发现，在火山口中除了红球以外还有白球——中子。
　　这次比赛，英国的查德威克胜利了。他抓住了白球——发现了中子。
　　小居里夫妇对这种游戏着了迷，他们不断地向铝的火山口里打进去大球。结果发现，大球落进了火山口，立即跳出来的可能是红球，也可能是白球。
　　休息的时候，他们还在看着这些火山口。突然，在跳出过白球的火山口里又跳出来一个小红球，飞快地滚走了。快捉住它！他们捉住小红球仔细一看，原来是正电子。
　　大家都清楚，这次游戏就是小居里夫妇发现人工放射性的实验。
　　接着，费米来玩台球戏了。他打的台球是白球——中子。台球桌也不一样了，火山不见了，进球口就在台面上。这样的台球桌适用于白球——中子，因为中子不带电，不需要克服原子核的电荷对它的斥力，不需要爬坡。
　　费米的游戏比过去的玩法简单得多了，只要对准台面上的进球洞口，把白球打过去就行了，球的速度快慢没有关系。费米向各个洞里都打了白球。
　　他发现，头几个洞中打进去白球就像石沉大海，没有什么东西跳出来。以后的洞情况就不同了。有时候，白球进去红球出来。有时候，白球进去大球出来。而大多数情况下是白球进去以后，过一段时间跳出来一个小蓝球。这小蓝球不是别的，原来就是电子。
　　人们不禁要去张望一下火山口里的情况了。原来，火山口里像一只光滑的杯子，里面有若干个红球和白球。这些球在杯子里面悠哉游哉地荡来荡去，你碰我一下，我撞他一下，但是速度都不大，哪个球也爬不出火山口。
　　忽然，从火山口上掉下来一个大球，这大球掉进火山口就散开成两个白球和两个红球。这不速之客的到来，打乱了火山口里的正常秩序。各个球纷乱起来，乱跑乱撞，最后有一个红球或白球被几个球同时一撞，就爬上了火山口的边缘滚了出来。在这以后，剩下的球又平静下来。
　　人们原来以为火山口内一定会有小红球和小蓝球（正电子和电子）。看了以后才发现，火山口内只有红球和白球而没有什么小球。
　　人们发现，在周期表前面几个元素的火山口里，红球和白球的数目差不多一样多，白球也可以略多一点。譬如氧的火山口里就有8个红球和8个白球，这时候火山口里显得很稳定。如果再增加一个或两个白球，火山口里还是比较平静，不会发生问题。如果白球再增加一个，火山口里达到8个红球和11个白球。这时候，火山口里就动乱起来，突然，一个白球变成了红球，同时产生一个小蓝球；小蓝球的速度非常大，立刻爬上火山口滚了出去。以后，火山口里又平静下去，不过这时的火山口已经变成了氟的火山口。
　　如果火山口里红球多了怎么样？这时也会发生动乱，动乱的结果不是把多余的红球赶出火山口，就是这红球突然一下子变成了白球，同时产生一个小红球，飞快地滚出火山口。
　　在后面的火山口里，球的数目越来越多。白球的数目大约要比红球数目大半倍才能稳定下来。例如汞的火山口里就需要有80个红球和120个左右的白球。
　　在最后的几个大火山口里有200多个球碰来碰去，即使外边没有球打进来，由于内部的相互碰撞，也可能忽然把两个红球和两个白球一起挤出火山口，形成一个大球滚了出去。这就是天然放射的α粒子。
　　在挤出去两个红球和两个白球以后，火山口里的红球和白球比例又不太合适了，白球似乎稍微嫌多了一点。这时候，过多的白球就会突然变成红球，同时，放出去一个小蓝球。这就是天然放射的β射线。
　　好了，对核子台球戏我们暂时就介绍到这里为止。
　　当然，这只是一种极为简单的模型。大家不要认为原子核构造和原子核反应真像这个游戏中介绍的那样简单。例如，火山的半山腰就会有条隧道直通火山口里，有时候，外面的球不需要爬上火山口，在半山腰钻过隧道就可以进去。同样，火山口里的球也可以穿过隧道跑出来。当然出现这种情况的机会是很少的。
　　原子核物理学家们曾经提出来过各种各样的原子核构造模型。有的认为在原子核内，质子和中子是一层一层的，并且绕着共同的重心旋转；也有的认为原子核像一个液体油滴，等等。到底什么样的模型更符合实际，现在还在研究，还没有最后解决。

本文有关信息：
《打开原子的大门》
郭正谊　著
湖南教育出版社
ISBN 7-5355-2927-5/G·2922
收录时间：2005.01
来源：作者授权

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