原子核

原子并不小，尽管它大约比你能在光学显微镜下看到的微生物还要小大约一千倍。一架“离子显微镜”能清晰地展现出一枚锋利针尖上原子美丽的规则排列的图案。但原子核却真的很小。试想一下，一个比原子小一千倍的东西还没有小到原子核的大小，大约还要再小 20 倍左右。如果一个原子被放大到一辆公共汽车的大小，原子核大约像这个字母 i 上的小点。

太多的事情出于偶然，甚至在科学领域里也一样。一些科学家将装有感光板的盒子放在放电真空管附近，当他们发现感光板变得模糊了，就把它换一个地方保存，因而错过了发现 X 射线的机会。伦琴则更留心一些；他认识到放电过程发出了不可见而能够穿过像纸板或人体的射线。经过几个星期紧张地研究，他刚好在 1896 年圣诞节前发表了他惊人的结果。

那是 19 世纪最激动人心的发现：报纸的舆论却主要是关心这种轻率的射线可能会冒犯庄重的女士！其他一些科学家一直在努力寻找除了放电以外的能发出具有穿透力射线的放射源。在众多值得怀疑的声明中，巴黎的贝克勒耳的发现站住了脚：铀及其化合物具有“放射性”。它们像是永不枯竭似的发出类似 X 射线的射{ewc MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0052-1.bmp}线。这些射线能穿过不透明的物体，使感光板变暗，并让电荷通过空气。

当时也在巴黎的皮埃尔·居里和玛丽·居里证实了以上的发现，并发现铀矿渣的放射性比铀矿里所有成分的放射性还要大；于是他们开始寻找并终于找到了（普通化学方法无法测量的）微量放{ewc

MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0053-1.bmp}射性物质。他们将其命名为钋（以纪念玛丽·居里的祖国波兰）和镭。其他一些人加入了工作，几年中又发现了十几种其他的放射性物质。

同时，放射线看起来不止一种。最具穿透力的一种，如 X 射线一样能穿透厚金属板的，被称为γ射线；β射线也能穿透薄的金属板并能被磁场偏转，与汤姆逊 1897 年建立的放电过程中产生的电子非常像。最没有穿透力的一种，α射线，能被几英寸厚的空气或一张纸挡住。但卢瑟福对它们却有独特的兴趣，因为它们被一个磁场偏转到了完全相反的方向。这说明它们带正电荷并被假设为失去了一个或两个电子的原子。到了 1908 年卢瑟福明确地证明α射线是放射性原子中发出的并失去了两个电子的氦原子，它以每秒几千公里的速度运动。但他并不知道氦原子最多只有两个电子可以失去，α射线实际上是以每秒几千公里速度运动的氦原子核。

所有这些射线在黑暗中都能产生化学微光。1903 年（在两个地方同时）发现α射线使锌的硫化物不仅产生了微光，简直就是在闪火花，这能说服最后一个仍怀疑原子是真实的人（就像平静的湖面上自然激溅的水花能说服一个多疑的渔夫一样）。

希望能看到原子的强烈愿望导致了闪烁镜的产生，那是由一块倍数很大的放大透镜、一层锌的硫化物和微量的钋组成的玩意儿。

但对于卢瑟福来说，它意味着更多的东西：通过计数单个的闪光（智慧的闪光），也就是计数单个的组成α射线的“α粒子”，他把整个研究课题

放到了定量的基础上。他还研究了α粒子穿过金属薄片而受到的随机偏转，他想通过这种途径了解关于金属原子结构的一些东西。绝大部分的粒子受到很小的偏转，这与当时原子结构的理论吻合；但有极少数的一些粒子被强烈地偏转了，有的超过了 90 度。这对卢瑟福来说（他也是这样说的），就好像对着一张纸开炮而炮弹被反弹回来一样奇怪。

好几天他一直喃喃自语说，在那些原子中一定有一些强得难以置信的力。当时普遍认为原子是一团混合的正电荷，电子镶嵌其中，就像布丁里的葡萄干一样。这种原子不会使α粒子绝大部分几乎没有偏转地通过而使很少的一些被强烈地弹回；这个过程中电子非常轻，可以简单地不予考虑。

事后诸葛亮当然会认为这很简单。原子不是布丁那样，而几乎是空的，它的几乎全部质量都集中在中心一个非常小的体积里。这个原子核必须带正电荷以抵消电子所带的负电荷。α粒子（它本身是氦原子核）穿过原子时通常与原子有一定的距离，仅仅受到很小的偏转；但偶然的一个α粒子会有极少的机会几乎正对着原子核运动，它将受到强烈的电排斥力，在很接近时可能达到一磅左右，对一个非常轻的粒子来说这是一个大得惊人的力，足以使它停下来并被反弹回去。卢瑟福做了一个很简单的计算来算出会有多少α粒子被偏转得超过给定的角度，当用闪光点的计数来验证计算结果时，二者很一致；新的原子模型与实验事实非常吻合。

当时，我已经知道了玻尔如何将普朗克的量子理论运用到环绕在原子核周围的电子上，也知道了通过许多人的研究证明了原子是不可分的；总之，电子是在我们称为原子的巨大的空的体积中（与原子核相比而言）占据它们的位置。卢瑟福认为对原子核本身的研究是下一代科学家的事，但他仍渴望一试，而且他也有一些线索。

一个重要的线索来自新的放射物质。放射性元素使化学家们很困惑：它们太多以至于无法放入已建立得很好的元素表中，有一些表现出完全相同的行为而且无法用化学手段区分。到了 1913 年，由英国化学家索迪提出的一个假设已开始发展起来，他创造了一个新词“同位素”来区分那些在化学上相同但具有不同放射特性（或具有不同原子量）的物质。同时，物理学家指出一些普通的元素如氯或铜，实际上是两种或更多不同原子量的原子的混合物，也就是说，两种或更多同位素的混合物。

这些结论惊人地支持了一个有百年历史的观点。这个观点认为所有不同的原子是由氢原子牢固结合成的一团，并且用化学方法无法破坏它。这个观点被提出来是因为在原子量刚建立时，许多原子的原子量几乎是整数。但遗憾的是有一些不是，所以这种观点看来是错的。现在，那些例外的原子被看作是两种或更多同位素的混合物，比如氯元素包括两种原子，原子量分别是35 和 37，以 3 比 1 的比率混合。这样就能解释化学家们发现的原子量为 35.5 的氯元素。这种观点很早就被提出，但现在有了证据：让离子流高速通过有磁场的真空，离子流会因为离子质量的不同而被分为几束，这样就可以测量它们的质量。“质谱仪”很快发展起来并能给出非常精确的结果。

到了 1911 年，这个观点被理所当然地接受了：实际上原子所有的质量集中在原子核；最轻的原子核，氢原子核，则是一块基石，因此它被赋予了一个特殊的名字“质子”（希腊文中的“第一”）。原子量则被假定为某一给定同位素中质子的个数。但是这样就会使原子核所带正电荷两倍于卢瑟福的测量结果，于是必须假设原子核中含有电子以中和多余的正电荷。例如氯的

两种同位素，较轻的原子核中含有 35 个质子和 18 个电子；较重的原子核中

含有 37 个质子和 20 个电子，两种同位素同样带有 17 个单位电荷。这样才能

使元素周期表上的第 17 号元素氯的两种同位素具有相同的化学性质。

这只是研究原子核结构的开始，它的大小仍是未知数，正如 19 世纪中叶的化学家们清楚地知道一些分子的结构但不知道它们的大小。卢瑟福有很好的证据说明α粒子只是被金箔和银箔中的电排斥力反弹回来的而并没有接触到原子核本身。这样，原子核必定小于某一大小。但他无法指出到底小多少。

1914～1918 年，世界大战使他中断了研究。德国潜艇试图围困英国逼其投降，卢瑟福则和其他人一起把时间花在了研究水下监听系统上。快到战争结束他才重新研究他热爱的α粒子，在α粒子穿过氮气的时候他偶然观察到了快质子。显然，氮核微弱的排斥力（与金核或银核相比）不足以防止偶然的碰撞。这说明氮核至少包含质子；碰撞的频率给出了原子核大小的一些信息。而且质于比释放它们的α粒子更具有穿透力。就像一记轻敲激发了一个缠紧的弹簧一样。报纸上登着“原子被分开了”，能量从原子核中被释放出来了。有人计算说如果一盎司的氮原子核的能量被利用起来，足够使“玛丽皇后号”横渡好几次大西洋。

但有一点障碍：没有人能将α粒子瞄准氮核，绝大部分α粒子错过氮核把能量耗在撞开电子上而变成没有用的氦原子。爱因斯{ewc MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0057-1.bmp}坦把这称为“像在黑暗中打麻雀”。每次撞击能释放出几倍于子弹的能量，但如果要浪费成千上万的子弹才能产生一次撞击，那又有什么用呢？

不管怎样，这是一个重要的线索，其他地方的物理学家开始重复和扩展卢瑟福的实验。和预期的一样，只有轻核在α粒子的轰击下才产生质子，重核的排斥力太强使碰撞不能发生。实验设备很简单：一个α粒子源，比如一薄层钋（它是十分理想的，因为它几乎不发出其他任何射线），一层希望被轰击的元素（或合适的化合物），一层锌的硫化物和一个大倍数的放大透镜用来观察闪光，还需要一些能插入粒子运动路径的云母或金属箔以测量粒子的穿透力。

但闪光很难观察。首先一个人必须呆在完全黑暗中半个小时使他的眼睛变得十分敏感；如果它们来得太频繁（超过每分钟 50 次），眼睛还是会漏掉一些闪光；如果少于每分钟一到两次，则还会“杜撰”出一些闪光。照这个速率需要很长时间才能得到很好的统计资料，并且主观误差会十分严重。在维也纳的物理系的学生必须轮流计数闪光次数，我不知道我是如何逃脱这个命运的。在黑暗中，心理因素与生理因素同样重要。为了得到没有偏见的结果，学生们并不知道他们在计数什么！但这并不起作用。他们发现主管们对大数目的报告比较满意。在“我们能做得比英国人好”的气氛中论文被发表了，这些论文使得维也纳成为了核物理学的“魔窟”。很明显，我们需要一个客观、快速和值得信赖的计数仪器。

方法就在手边：放射电子管已经出现（部分原因是 1914～1918 年战争中来自军方的兴趣）并被逐渐改良。在 20 世纪早期它们还发出很多噪声（不规则输出）而且绝缘不够好。当一个α粒子或一个质子在“离子室”中穿过两个电极（带相反电荷的金属片）时会产生微弱的电流脉冲。到了 1930 年，精选出来的电子管已经能放大这样的电脉冲。空气（如同其他气体）是很好的绝缘体；但一个α粒子或快质子会把挡在它路上的电子撞开，暂时留下一些

离子（带电荷的原子和分子）的径迹，它们被电极吸引而产生一个非常短暂的电脉冲。电脉冲被电子管放大后就能被一个计数器（很像出租车上的计价器）记录下来。

这些技术上的成就是决定性的。到了 30 年代中期，每分钟上千次计数变得非常普通，以前要做几年的工作现在只要几个星期了。并且从离子室中脉冲的大小能估计出由每个粒子产生的离子的个数，因此可估算出它的能量。开始时，计数β射线（快电子）是不可能的。它们也留下暂时的离子径

迹，但却稀一些，长得多；它们产生的闪光会非常弥漫而无法观察。盖革早在 1909 年就在卢瑟福的实验室里研究电子计数器。回到德国后，他改进了“盖革计数器”，使之能产生并记录一个很小的放电，甚至当一个粒子经过时只产生几个离子。那是一个很简单的装置，一个抽成真空的试管，沿它的轴心有一根带正电的导线。很快，这种装置被很多实验室采用。对公众来说，它成为了“原子”（原子核）物理学家的标志，就像鹅毛笔是作家的标志一样

（尽管大部分作家打字或使用磁带记录机）。今天，虽然盖革计数器仍然存在于一些学校的实验室，但它与鹅毛笔一样不属于这个时代了。现在我们用敏感的光电管来计数β射线产生的闪光，更加快速和可靠。喔，我已经走在我的故事的前面了。

在那时，物理学家们惊讶地注意到一些轻的元素，尤其是铍（一种轻的、坚硬的、有银色光泽的金属），显然无法被分开；至少它们在受到α粒子轰击时没有发出质子。玻特在 1930 年发现它们发出微弱的但具有很强穿透力的射线，这种射线被假设成“强”γ射线，也就是波长很短因此能量很大的 X 射线。在巴黎，依伦（玛丽·居里的女儿）和她的丈夫约里奥测量了各种不同的物质对来自铍的奇怪射线的阻挡能力，他们惊讶地发现石蜡具有相反的能力：穿过石蜡的射线变得更强了！

约里奥夫妇在猜测这其中的原因。石蜡含有很多的氮，显然，这种射线能撞击氮核（质子）使其高速运动；这些石蜡中出现的快质子在空气中产生更多的离子，使放射性看起来更强些。巴黎小组用威尔逊云室看出快质子确实来自于石蜡；但他们仍然认为“铍射线”是γ射线。有些理论家认为这种实验结果是错误的而对居里实验室不太重视。

但是，从 1919 年开始就在剑桥的卡文迪许实验室的卢瑟福，对来自巴黎

的结果感到很兴奋。像卢瑟福早在 1920 年怀疑的那样，它们可能是“中子”

（不带电荷的质子）吗？为找到这样的粒子，他们做了一些不成功的尝试。这种粒子被期望能穿过几英寸厚的固体物质，因为它们不带电荷，不用考虑会遇到的电子，而只会被偶尔遇到的原子核拦截下来；正如铍“射线”表现出来的那样！于是，在剑桥的物理学家开始寻找中子。合适的工具很有效：查德威克利用离子室能测量出各种不同的核（例如氮核和氧核）被铍射线撞击而高速运动后会产生多少离子。通过这个方法他证明了这种“射线”的确是具有与质子一样重量并不带电荷的高速粒子。

我听说后来卢瑟福遇到约里奥时问他：“你是否认识到你已经找到了我在 1920 年的演讲中讨论的中子？”约里奥回答说：“我从没读过你的演讲，我认为那只是一般的演说术的表演，没有什么新观点。”他犯了多么严重的错误啊！但在两年后他挽回了自己的错误，他和他的妻子发现了人工放射性。卢瑟福（他本人也承认）因为错误的道路而错过了这个发现。

中子被从原子核中撞击出来使它看起来是存在于原子核中的。实际上，

再也不需要原子核中包含电子的假设了（这种假设与量子理论很难调和）。一个原子核，比如同位素氯 35，应由 17 个质子和 18 个中子组成，而一个氯

37 原子核则多包含 2 个中子。这种简单的模型现在已经被广泛地接受了。但是关于β射线，就是某些放射性物质发出来的快电子，又是怎样一回

事呢？它们难道不能证明原子核中包含电子吗？也许一个中子（像卢瑟福猜测的那样）是一个质子和一个电子靠得很近的联合体？这种说法似乎很有道理，直到 1932 年，带正电的电子被发现（很快它被称为正电子）。也许，一个质子可能是一个中子和一个正电子靠得很近的联合体？我们不能同时采用这两种说法！海森伯提出，我们应把中子和质子看成是同一个实体（被称为核子）的两种不同状态。自然界中发出β射线的原子核中含有太多的中子（或者，太多的处于中子状态的核子），所以它们趋向于把一个中子变成一个质子以保持平衡。当然，一个额外的正电荷不会无中生有，而必须被一个相等的负电荷以β电子的方式从原子核中放出来以达到平衡。1934 年发现的“人工”放射性核具有的中子太少而不是太多；它们将质子转换为中子，同时产生正电子以补偿电荷的变化。

正电子的发现是一个错综复杂的故事。1911 年威尔逊对形成他家乡云雾的小水滴很感兴趣，他发现离子（带电荷的原子和分子）趋向于吸引水分而形成小水滴。他在几分之一秒内突然膨胀一个装有潮湿空气的容器，使得空气中的水分过饱和，这样在有离子通过时会产生小水滴。原子核分裂时产生的快α或β粒子穿过这样的一个“云室”（或“威耳逊云室”）时，它们产生的离子径迹会变成可见的小水滴的径迹。

开始看上去，它像一个轰动一时而很快就被遗忘的事件：一个使得在显微镜下不可见的、快速的粒子变为可见的方法，就像高空飞行的飞机被它的蒸汽径迹显露出来一样。这项技术很复杂，在它首次鼓舞人心后便被遗忘了十几年。但逐渐地，随着更多的物理学家掌握了怎样使它可靠地工作，云室找到了它的位置。当大数目的闪光被计数时，离子室和盖革计数器有一点像回答许多问题的游戏；要得到一份有意义的信息，你必须提出非常大量的问题，而你要对这些问题回答“是”或“不是”。但云室一次成功的膨胀就会立刻告诉你在云室中发生了什么，并有着明白的、有时是惊人的细节。非常值得去建造一个这样十分复杂和精致的仪器，并且花去几分钟或更多的时间等待扰动平息后以进行下一次膨胀。云室越来越多地显示事情是怎样进行的。同时，计数装置仍然在使用，因为，当一个事件被理解后，需要收集大量的数据进行统计。

本世纪早期，已经知道在没有任何辐射时仍有一些离子被形成。奥地利人亥斯把他的装置放在一个气球里，他发现高度越高，产生的离子越多。逐渐有证据表明，无论白天或黑夜，都有来自外层空间的“宇宙射线”。在 20 年代晚期，云室记录了一条偶然的轨迹，显然是由一个快电子造成的。将云室放入磁场，就会得到弯曲的轨迹，因为形成轨迹的粒子被磁场偏转了。轨迹弯曲的方向可以说明粒子带的是正电还是负电，有一些粒子看起来是带正电的；但也有可能是普通的电子以相反的方向运动。这是轨迹无法告诉我们的。

1933 年加利福尼亚的安德逊拍下了无疑是带正电的电子的轨迹；他能说明这一点是因为他在云室中放置的一块铅板减弱了穿过它的电子的能量，这使它后面的轨迹十分弯曲；电子经过什么方向进来的疑问就不再存在了。很

快，伦敦的布莱克特拍下了一束轨迹，有的向右偏有的向左，这很明确地说明从云室壁同时发出了带正电和带负电的电子。

奇怪的事并不是发现了正电子而是它们没有及时被认可：它们的确曾被拍摄下来，但在每个分立的事例中，这些证据被认为是没有说服力的。实际上，早在 1928 年的狄拉克的理论中就预言了正电子的存在；但大部分试验者对这个“数学上的推测”并没有足够重视。我们的试验物理学家实在是太谨慎了，甚至很难说服他们相信就在他们鼻子底下的东西！

那些年我对基国只有一些肤浅的认识，但至少我知道了德国式的生活方式不是唯一的。