三、核蜕变

E·卢瑟福等人认识到原子可自发地蜕变成不同元素的原子，彻底动摇了自拉瓦锡以来化学发展的基础——元素是不变的物质的概念。把一种元素转变成另一种元素是炼金术士盲目地“炼”了 1500 多年的最终目标。此时人们自然提出了问题——人工能导致这种蜕变吗？

1905 年，W·H·布拉格和克利曼（R.Kleeman）观察到在空气中由特定物质辐射出的α粒子具有一个特征的射程，当粒子行进了一段距离突然停止时便产生了电离作用。欧战期间，除 E·卢瑟福外，继续留在曼彻斯特实验室的科学家已经很少。忠心耿耿的马斯顿，在作为一名教授回到新西兰之前， 曾于 1915 年观察到一种奇特现象，当他用α粒子轰击空气的时候，出现一些粒子具有不寻常的射程。一个可能的解释是，这些粒子是氢核，因为如此距离的反冲，在利用α粒子去轰击氢时是经常出现的。但 E·卢瑟福却怀疑它是某种别的重要的东西。1915—1917 年，E·卢瑟福正忙于研究水下探测技术，他主要利用履行公职的多余时间，做了长期而耐心的研究。他决心要搞清楚这种长射程粒子的性质。在 1917 年 11 月的一篇论文中，E·卢瑟福自问道，那些粒子到底是氮原子、氦原子、氢原子呢？还是锂原子呢？战争一结束，他马上又回到放射性研究上来，他观察了α粒子在不同气体中的作用， 并于 1919 年报告了实验结果。他所用的α粒子源放在一个圆筒里，筒的一端带有能挡住α粒子的薄金属箔，恰好在金属箔后边的硫化锌荧光屏上的闪烁现象说明粒子正穿透金属箔。当筒内存在氢气时，能观察到很多闪烁现象。这说明由于α粒子与氢气碰撞产生高速氢核。若筒内是氧气或二氧化碳，则荧光屏几乎显示不出粒子来。

当用空气时，闪烁数量增多，这说明产生这种效应的不可能是氧、二氧化碳，也不是水蒸气，而是与氮有关系。

到 1919 年 6 月，E·卢瑟福准备好发表一篇题为《α粒子与氢原子的碰撞》的论文，论文共分四个部分。前三部分内容是精彩的，但没有什么独创性的见解；小标题为“氮的反常效应”的第四部分中写道：

“难以回避的结论是，α粒子与氮气碰撞后产生的这些长射程的原子不是氮原子而可能是氢原子⋯⋯若果真如此，结论必定是，氮原子在与高速α 粒子的紧密碰撞中所产生的强力下蜕变了。释放的氢原子是构成氮核的一个组成部分。⋯⋯总的说来，这些结果意味着假使用于实验的α粒子或其它相类似的粒子能量再大些的话，我们就可望轰碎许多较轻的原子核。”

这就是蜕变，这就是炼金术之梦的一种现代的形式：

¹⁴ N +⁴ He→¹⁷O +¹ Ho

7 2 8 1

这也是有史以来重大的发现之一。这种现象叫作原子核的“人工蜕变”。1920 年，E·卢瑟福把氢核作为基本粒子，并命名为质子。任何化学元

素的原子序数就是其原子核中的质子数。使氢电离而得到质子，质子在核子加速器中获得很高的速度，通常用它作为射弹进行核反应和进行研究。

1932 年，在剑桥大学 E ·卢瑟福实验室工作的科克罗夫特（J. D. Cockroft，1897—1967）和沃尔顿（E. T. S. Walton）第一次实现了利用质子使原子发生蜕变。他们用质子轰击了氧化锂，质子是用放电管中的氢气制备的，并通过倍压器加速。根据云室照片分析表明，α粒子的产生出现

在锂靶的相反方向。进一步研究证明，这是锂同位素⁷Li正被转变成氦。

¹ H +⁷ Li→ ⁴He +⁴ He

1 3 2 2

高能质子加速器的发展开创了用高能粒子轰击所有元素以实现元素蜕变的研究。自从尤里（Harold Clayton Urey，1893—1981）在 1932 年发现氘以后，重氢核即氘核很快被用作轰击粒子。随着中子的发现又有了更适用更有效的轰击粒子。

中子具有和质子同样的质量，但不带电，它的发现历史是极不寻常的。早在 1920 年，E·卢瑟福就认为存在有一种中性粒子。他想这种粒子大概是由当时已知的带正电的质子和带负电的电子相互亲合而形成的。他还指出， 用光谱学的方法不容易证实这种粒子的存在，而且这种粒子也不能被束缚在容器之中。E·卢瑟福和几乎所有的其他大实验室都做了不少的努力，力求能证明这种粒子的存在，但结果都没能成功。

E·卢瑟福的学生和合作者查德维克在剑桥大学的卡文迪许实验室做了大量的实验研究，查德维克最终发现了中子。中子发现颇为曲折，大致可以分成下面三个阶段。第一步是德国物理学家博特（Walther Bothe，1891—1957） 和德国物理学家贝克尔（H.Becker）所做出的引人注意的观察工作，1930 年观察到用α粒子轰击铍时会产生一种穿透力很强的射线。为了更好地了解这种“铍射线”，I·约里奥—居里（Iréne Joliot-Curie，1897—1956）和她的丈夫 F·约里奥—居里（Frederic Joliot-Curie，1900—1958）做了不少实验，这构成了第二步的进展。他们在铍板和测量仪器之间放置一块石蜡或其它含氢丰富的物质。结果发现当有石蜡插在中间时仪器记录到的效应比中间没有石蜡时要大得多，他们证明这是由于石蜡在铍射线照射下发射出大量质子的结果。但是他把“铍射线”解释为强γ射线，因康普顿效应而轰击出质子来。看来这种解释不能令人满意，正如子弹可以把小球打出来，但不能推动一辆汽车，因为质子的质量对于光子来说毕竟是太大了。这样发现中子的机会便轻易从约里奥—居里夫妇手下溜走了。与其说是疏忽，莫如说他们根本没有中性粒子这样概念。

然而，查德维克想到，他长期以来一直寻找的那种粒子也许就在这个过程里起作用。查德维克对此进行了详细的研究，使用了各种记录快速粒子的方法，得到了令人信服的证据，指出这种中性粒子确实是存在的，它的质量与质子相当。查德维克的解释与这种粒子的巨大穿透力相一致。因为它不带电，在路途中也不电离，因此在云室中也不留下踪迹。但是，观察到的这种中性粒子与 E·卢瑟福所假设的那种用质子和电子复合而成的中性粒子不相同。从量子力学和其它一些理论的角度来看，E·卢瑟福的观点是不足取的。因而必须认为已经发现了一种全新的粒子，其基本性质与 E·卢瑟福提出的质子完全一样。

按查德维克的看法，应当把这种现象解释为当铍受到α粒子的轰击时， 铍原子由于某种核过程而发射出中子，这些中子把富含氢的石蜡中的质子打了出来，正是这些从石蜡发出去的质子被仪器记录下来。这样，在α粒子撞击铍板和石蜡发出的质子之间，中子充当了不能直接观察到的中间产物。现在我们知道，在α粒子打进铍原子核的过程中发生了所谓核反应。由于产生的复合核是不稳定的，所以它将蜕变成一个碳原子和一个中子，中子在蜕变过程中获得了很大的速度。

⁹ Be +⁴ He→¹²C +¹ n

4 2 6 0

中子的发现（1932 年）是科学史上的重要事件。发现中子的最大成果是

使人们对原子核的结构有了新的认识。以前认为核是由当时已知的两种基本粒子——带正电的质子和带负电的电子所组成的。有一种现象似乎能很好地证明关于核结构的这种概念是对的，那就是放射性元素蜕变时会发射出电子

（β粒子）。这种电子不可能是从原子中的电子壳层发射出来的，而必定要假定它是从原子核中跑出来的。由于 E·卢瑟福的工作，已能可靠地估计出

原子核的大小，仅为原子的

1

1012

；但是在如此小的空间里要容纳质子而且

还要容纳很多电子——最重的原子中的电子总数在 100 以上，看来这个困难问题不好解决。

现在可以提出另外的看法，认为核是由中子和质子组成的，质子的数目即为原子核所带的正电荷数，或等于核外电子数，核外电子数和原子核的正电荷数是相等的；核中包含的中子数加质子数目给出了元素的原子量。这样便产生一问题：原子核蜕变时所发出的β射线中的电子到底是从哪里来的呢？既然质子和中子被看成是原子核中同等地位的基本粒子，因而对这种疑问便提出一种新的解释：可以设想一个中子通过发出 1 个电子而转变成质

子；或者，一个质子也可以通过发出 1 个正电子而转变成 1 个中子。在前一情况下，由于在核子之间转化中有电子产生，所以不必再假定核中存在有电子便可解释放射线中熟知的β辐射。人工放射性元素所显示的电子辐射情况亦是如此，此时一个质子转变成中子同时辐射出一个正电子。

查德维克由于发现中子而获得了 1935 年诺贝尔奖。据传 E·卢瑟福坚持要把发现中子的诺贝尔奖发给查德维克，说他完全应得到它。有人对 E·卢瑟福提出：约里奥—居里夫妇对此也做出了必不可少的贡献！据说，E·卢瑟福回答道：“发现中子的诺贝尔奖单独给查德维克，至于约里奥—居里夫妇嘛，他们是那样的聪明，不久会因别的项目而得奖的。”

由于中子不带电，不受核排斥，便很快用做原子蜕变的轰击粒子。中子可由与一种轻元素的（α，n）反应产生，一经生成就不能加速。然而，它们是很有用的轰击原子核的炮弹，获得中子的常用方法是用铍与像镭、钋或氡

（后来用钚）这样的α源混合。在回旋加速器中让氘核轰击铍或锂（α，n） 也可以产生中子。不幸的是，这些常用的获得中子方法被用为原子弹点火的中子源。