《物理的故事——在悖论中前行》
第57节作者:
江湖小片 日期:2017-09-07 20:22:51
第五十四回:神奇的中子
在量子物理中,我们一直都是以光子、电子、和原子核(其中的质子)作为研究的对象。因为在1932年以前,人类确实只认为这些例子的存在。
1910年,卢瑟福用α粒子轰击原子,得出了原子=原子核+电子的结论。到了1914年,他又如法炮制,他用阴极射线(高速电子)轰击氢原子,得到带正电的阳离子,这就是氢原子的原子核,带电为1个单位,质量也是1个单位。他认为这就是与阴极射线对应的阳极射线,并命名为“质子”。质子出自希腊语,意思为第一。1924年,他用实验证明了质子的存在。
那么一个最基本的问题来了,电子只有质子质量的千分之一,所以在考虑原子的质量时,应该为质子质量的总和,比如氮核有14个单位的质子组成。但是稳定状态下,它的电子数只有7个,这样的话原子就不能呈中性的了。如果这都成立的话,一切宇宙万物都无从谈起了。
那时候正值量子理论的发展高峰时期,那些反对量子力学的物理学家以此为突破口攻击,但是没有人对原子核构造进行更多的探问。再次探问的人正是卢瑟福,他认为假设一个质子和电子组合在一块,就能成为了一种新的不带电的粒子,其质量和质子差不多,因为不带电所以无法将它密封在磁场中,从而有很强的穿透力。1920年卢瑟福在美国贝克利演讲中提到了这点。
1930年,德国物理学家博特(Bothe)和贝克(Becker),用α粒子轰击较轻的原子时,得到一种很强的射线,这种射线在磁场中不偏转,并且再通过很厚铅原子时,数量并未减少,说明有很强的穿透力,而这种穿透力是α和β射线做不到的,所以他们认为这是另外一种类似γ的射线。1932年,居里夫人的儿子和儿媳妇约里奥居里夫妇,重复了博特和贝克的实验,不同的是,他们把产生的射线通过石蜡,测算出速度比博特和贝克估计的速度大很多,但是他们同样延续了博特和贝克的思考方式。他们认为产生的粒子是质子的一种效应。
卢瑟福的学生查德威克(Chadwick,1891—1974)在看到小居里夫妇的论文后咨询卢瑟福,卢瑟福对小居里夫妇的论断表示质疑,他认为这极有可能就是当年在贝克利演讲中想要寻找的粒子。
由于这种例子不带电,所以很难在磁场中测量其速度,查德威克将这种粒子撞击原子核,测量被撞击后的原子核的速度,从而确定了其粒子的质量和质子相当。在结合1920年卢瑟福的预言,他们认为这是就卢瑟福当年要找的粒子。由于不带电,故而命名为“中子”。1935年,查德威克获得诺贝尔奖,而小居里夫妇则遗憾地感慨道:“要是我们夫妻俩听过卢瑟福的贝克利演讲的话,就不会让查德威克捷足先登了。”人生往往如此,最大的遗憾并不我是输了,而是我差一点赢了。
至此时,原子核的内部可以描述为:有质子和中子组成,质子带一个单位正电荷、中子不带电,质子与中子的质量差不多(不是相等)。中子不带电,库仑力就完全失效。质子和中子又是什么和平相处的呢?在中子之前,人类已经认识了引力和电磁力这两种力,它们目前都有很好的理论基础,引力有万有引力公式和爱因斯坦的相对论,而电磁力有麦克斯韦方程和新建立起的量子力学。引力与电磁力都是远程作用,现在原子核内部,有一种“排斥力”显然要大于万有引力的,否则原子核也坍缩了,所以人类认为还有一种叫“强作用力”存在于原子核中。与之对应的还有“弱作用力”,比如常说的电子与核之间的作用力、中子衰变成质子加中微子等等。
强核力范围很小,大约只有一个核子的直径那么大,事实上,把核子聚集在一起的强核力,只在相邻核子间起作用。中子有核吸引力,没有电排斥力,从而缓和了质子之间排斥力的影响。质子越多,就需要有更多中子来保持原子核的稳定。因此,在大而稳定的原子核中,中子的数量多于质子。在已知的92中基本元素中,超过83号元素铋,原子核就开始不稳定,会自动衰减更成更小的原子核,超过第92号元素的铀原子核十分不稳定,无法在自然状态下存在。如第94号元素钚是人工制造出来的,主要用于核能和核武器,在宇宙中无法找到。
(核裂变反应图)
一个中子点火,重元素原子核发生裂变,裂变成小而稳定的原子核和多个中子,这些中子又激发其他的原子核,同时原子核产生质量亏损,根据质能方程,在亏损过程中会释放出大量的能量。除了核裂变还有核聚变。
(核聚变反应图)
两个氢的同位素(与氢质子相等,中子不等)氕、氘,在高温情况下发生聚变,聚变成氦原子和一个中子,同样产生质量亏损,释放出比裂变更大的能量。氢弹的基本上就是依据这样的原理制成的。
核反应释放能量的原理源于爱因斯坦的质能方程,人们往往将爱因斯坦和核武器挂钩,实际上,爱因斯坦也就写过信给罗斯福总统提到过,他本人并没有参加“曼哈顿计划”。
日期:2017-09-07 20:51:03
第五十六回:稳恒态宇宙vs“大爆炸”
恒星的演化的过程实际也是宇宙元素演化的过程,这个过程由霍伊尔和他的合作者进行了详细的阐述了。
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