原子物理的產(chǎn)生
前言
“一千個(gè)人心中有一千個(gè)哈姆雷特”，在文學(xué)創(chuàng)作中這話不假，一個(gè)角色帶給人們的印象因人而異。但必須承認(rèn)，世界上總有一些事情是自帶背景板的;它們帶給人們的印象往往極為一致。人們?cè)谡務(wù)撃切┡c“核”相關(guān)的話題時(shí)便是如此：字里行間或多或少都帶著一種感覺——危險(xiǎn)。
可以肯定的是，核彈是核領(lǐng)域“危險(xiǎn)”氛圍的最主要貢獻(xiàn)者。這種威力空前(盡管要比人們普遍認(rèn)知的威力要小得多)的炸彈甚至從誕生前就威懾著世人，直到今天，并且以后也將在人們的心中刻入恐懼。但這并不妨礙崇尚力量的人將這種恐懼轉(zhuǎn)化為對(duì)核技術(shù)的贊美，即使是看起來更滑稽一點(diǎn)的形式。
在眾多技術(shù)應(yīng)用當(dāng)中，核技術(shù)可以說是最具有辯證性質(zhì)的一種;它直觀地體現(xiàn)了數(shù)學(xué)家諾伯特·維納(Norbert Wiener，1894-1964)在《控制論》一書序言中所說的“新的發(fā)展在為善和作惡上都有著無限可能”。核武器的爆炸可以毀滅半徑一公里內(nèi)暴露著的所有生物，電磁輻射和殘留放射物可以影響方圓數(shù)十千米甚至數(shù)百千米的土地;不過這種超級(jí)炸彈也促使了大國(guó)間的和“和平”狀態(tài)。核反應(yīng)堆的發(fā)明使人類看到了“無限能源”的曙光，為交通運(yùn)輸和電網(wǎng)提供了充沛的能量;但錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)、不恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)維也會(huì)促成如切爾諾貝利和福島這種“造輻社會(huì)”的核災(zāi)難。
核技術(shù)有點(diǎn)像遠(yuǎn)古時(shí)期的火：核技術(shù)讓人類得以利用原子內(nèi)部極為豐富的能量，使擺脫化學(xué)能、走向更廣闊的宇宙成為可能;而傳統(tǒng)化學(xué)能的主要釋放形式——火，則在更古老的時(shí)代中，為人類開辟了文明的長(zhǎng)河。
核技術(shù)于現(xiàn)代人，正如同火于原始人。它們都帶有著危險(xiǎn)野性的美，為我們所用時(shí)給予我們無與倫比的能量，但稍有不慎便“玩火自焚”;控制它們的過程中充滿了苦難，但這也是令我們能傲然立于世界的資本。不夸張地說，在掌控了火之后，人類文明因核技術(shù)而偉大。
所以，我們應(yīng)當(dāng)看一看，這個(gè)能令人類文明偉大的技術(shù)是如何誕生的。
起點(diǎn)：天然放射性的發(fā)現(xiàn)
核技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在只過了一個(gè)世紀(jì)多一點(diǎn)點(diǎn)——如果你將核技術(shù)的起點(diǎn)定為1896年貝克勒爾(Antoine Henri Becquerel，1852-1908)發(fā)現(xiàn)天然放射性——這在整個(gè)科學(xué)史的尺度上來看是極為迅速的(這也是為什么近五十年的核事故都非常慘烈，因?yàn)樵谌魏渭夹g(shù)的應(yīng)用初期，人們很容易出現(xiàn)“這肯定能行”的錯(cuò)覺)。
不過由于此時(shí)人們對(duì)原子的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)有限，貝克勒爾自己其實(shí)也不知道放射性和原子之間的關(guān)系。他的研究其實(shí)是基于倫琴對(duì)X射線的研究，想法很簡(jiǎn)單：既然X射線是陰極射線照射金屬板的產(chǎn)物，那么熒光物質(zhì)(大晚上能亮的東西，比如此時(shí)的鈾熒光涂料)經(jīng)陽光照射激發(fā)后，會(huì)不會(huì)在黑暗環(huán)境中也能發(fā)出和X射線類似的東西使底片感光?
答案是：是，也不是。
是，指的是鈾確實(shí)可以在黑暗中使底片感光;不是，指的是鈾并非受到陽光激發(fā)，而是自身可以通過某種獨(dú)特反應(yīng)產(chǎn)生射線，直接使底片感光。但這個(gè)射線可作用的距離非常短，僅有幾厘米不到，既不像能穿透空氣數(shù)十厘米的陰極射線，更不像穿透能力超強(qiáng)的X射線。這個(gè)新的射線在1898年被盧瑟福命名為α射線，隨后查明該射線即氦的原子核，包含2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子。
人們對(duì)于原子的認(rèn)識(shí)
物質(zhì)是由什么組成的呢?這是一個(gè)可能跟人類文明有著同樣歷史的問題。憑借獨(dú)特的抽象理解能力，人類在漫長(zhǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中認(rèn)識(shí)到，這個(gè)世界由某些基礎(chǔ)的客觀存在組成，它們的自由組合形成了這個(gè)變化萬千的世界。先人們的主要觀點(diǎn)可以大致分為兩大派別：元素說(比如“五行”)，和原子說。
現(xiàn)代科學(xué)證明，這兩個(gè)都不對(duì)，但都沒有完全錯(cuò)，二者觀念的有機(jī)結(jié)合促成了現(xiàn)代物理化學(xué)的發(fā)展。而現(xiàn)代原子論便脫胎于古代的樸素原子說。原子說是很有歷史的一個(gè)理論——如果你將古代哲學(xué)認(rèn)識(shí)論中提到的基礎(chǔ)微粒≈現(xiàn)代物理中原子的概念。古希臘哲學(xué)家留基伯(Λε?κιππος，約公元前 500-前440年)和他的學(xué)生德謨克利特(Δημ?κριτος，約公元前460年-前370年)提出：萬物由原子構(gòu)成。這句話所代表的觀點(diǎn)被后世稱為“原子唯物論”，至今仍是哲學(xué)教科書中的常客。
到了17世紀(jì)，由于玻璃制造工藝的進(jìn)步，光學(xué)得以蓬勃發(fā)展。在法國(guó)數(shù)學(xué)家皮埃爾·伽森荻和英國(guó)科學(xué)家艾薩克·牛頓研究了光于物體的反射、折射現(xiàn)象后(用小球間的碰撞很容易理解反射和折射)，物質(zhì)的微粒說和光的微粒說一同登上了歷史舞臺(tái)。
緊接著于18世紀(jì)，在前人如波義爾、拉瓦錫的理論基礎(chǔ)上，英國(guó)的約翰·道爾頓(John Dalton，1766-1844)和意大利的阿伏伽德羅(Amedeo Avogadro，1766-1856)等一眾化學(xué)家完善了“原子-分子”學(xué)說。眾多的新元素被逐漸發(fā)現(xiàn)，隨著俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫(Менделе?ев，1834-1907)于1869年創(chuàng)立元素周期表，至此，化學(xué)反應(yīng)的基本組成單位的形式——即不同元素的原子和其組合形成的分子——已經(jīng)探明。
元素周期表創(chuàng)立的時(shí)候僅發(fā)現(xiàn)了63種元素，門捷列夫便根據(jù)周期律在其中加入“類鋁”等共計(jì)11種新元素，并準(zhǔn)確預(yù)言了這些新元素的原子量、性質(zhì)，甚至是比重(“類鋁”就是1875年法國(guó)化學(xué)家布瓦博德朗發(fā)現(xiàn)的鎵，門捷列夫估計(jì)其比重為5.9 g/cm³，布瓦博德朗首先測(cè)出4.7 g/cm³隨后修正為5.94 g/cm³，現(xiàn)認(rèn)為其比重為5.904 g/cm³)。由于門捷列夫?qū)π略氐念A(yù)言實(shí)在是太準(zhǔn)確了，很難不讓人想到這些不同元素的原子間似乎有著某種更加內(nèi)在的聯(lián)系。這隱約地指出原子似乎并不是不可分割的。
這一點(diǎn)由隨后對(duì)天然放射性的研究證實(shí)。
射線的本質(zhì)
發(fā)現(xiàn)了放射性并不代表就知道了這個(gè)物質(zhì)究竟放出了個(gè)什么東西。此前人們先后發(fā)現(xiàn)了通高壓電從金屬中被激發(fā)的陰極射線，以及被陰極射線轟擊的金屬片所激發(fā)的X射線。而1896年發(fā)現(xiàn)的天然放射線中似乎又包含了一種全新的射線。如果能直接看到這些射線，那就好辦多了。但在現(xiàn)代，人們才通過掃描隧道顯微鏡勉強(qiáng)看到微觀粒子的面貌，而此時(shí)離這種顯微鏡的發(fā)明(1981年)還有近100年的時(shí)間。但科學(xué)家并不是全無辦法，尤其對(duì)于那些度假時(shí)間充足的科學(xué)家。
在1894年，查爾斯·威爾遜在蘇格蘭第一高峰本內(nèi)維斯峰上的天文臺(tái)泡了數(shù)周。在蘇格蘭郁郁蔥蔥、云霧繚繞的山林間休息的同時(shí)，他對(duì)陽光穿透云層形成的光學(xué)現(xiàn)象極為著迷。回到實(shí)驗(yàn)室后，他于1895年發(fā)明了充滿過飽和蒸汽的云室來觀察X射線對(duì)空氣的電離作用。
簡(jiǎn)單示意圖：在磁場(chǎng)的作用下，不同的電荷會(huì)使粒子束呈現(xiàn)不同的偏轉(zhuǎn)方向和角度
當(dāng)時(shí)的威爾遜正在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室做研究生課題，他的導(dǎo)師正是大名鼎鼎的開爾文勛爵J.J.湯姆森(J.J. Thomson，1824-1907)。湯姆森正在研究陰極射線的本質(zhì)——先前人們發(fā)現(xiàn)陰極射線會(huì)在磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)，說明這種射線應(yīng)該是某種帶電粒子。既然自己的學(xué)生創(chuàng)造了能這么方便觀測(cè)帶電粒子的裝置，自然是要拿來用一下。通過間接測(cè)量云室中每個(gè)液滴所帶的電荷量，湯姆森于1897年成功證明陰極射線由一種帶負(fù)電的粒子——電子所組成。由于原子本身不帶電，那么必然有一種東西抵消了電子的負(fù)電荷，湯姆森于1898年提出原子質(zhì)量均勻分布的模型，也就是著名的“棗糕模型”、“梅子布丁模型”。作為權(quán)威的湯姆森自然獲得了很多支持，但不是所有人都“信他的邪”。
原子的結(jié)構(gòu)
被稱為“法拉第之后最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家”的盧瑟福(1871-1937)此時(shí)也在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，導(dǎo)師也是湯姆森。同學(xué)威爾遜正在研究X射線，導(dǎo)師湯姆森正在研究陰極射線，他自己則在研究天然放射性產(chǎn)生的新射線;他們可以說是在原子物理當(dāng)時(shí)已知的三個(gè)方向上同時(shí)開花。
既然導(dǎo)師湯姆森使用了威爾遜云室作為研究手段，那盧瑟福自然也不會(huì)放過他同學(xué)的這個(gè)絕妙的創(chuàng)意。他用云室觀測(cè)鈾的放射線，于1898年發(fā)現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)方向完全相反的兩種粒子，并將其命名為α射線和β射線——后者就是他導(dǎo)師所研究的陰極射線，即電子。通過測(cè)量α射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)半徑，他發(fā)現(xiàn)組成α射線的粒子帶有2個(gè)正電荷，質(zhì)量非常大，速度也非常慢(僅為光速的1/10)。相比之下電子包含一個(gè)負(fù)電荷，質(zhì)量相當(dāng)小以至于很容易被加速到接近光速的水平。在對(duì)比了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和導(dǎo)師湯姆森的成果之后，他發(fā)現(xiàn)這顯然和正電荷均勻分布的“棗糕模型”有出入，所以自然反對(duì)這個(gè)理論——反正實(shí)驗(yàn)結(jié)果在手，我質(zhì)疑我有理。
盧瑟福已經(jīng)對(duì)原子的模型有了些新想法，即質(zhì)量應(yīng)該主要集中于原子中的一部分而非“棗糕模型”中那樣均勻地分布。要證明這一點(diǎn)，他的想法是首先要將原子“打碎”。不過天然鈾礦本身的放射性并不強(qiáng)，其放出的α射線單位面積內(nèi)的強(qiáng)度不太夠。不過好在他想到了一個(gè)新的武器——1898年由居里夫人和她的丈夫一同發(fā)現(xiàn)的第88號(hào)元素，有著強(qiáng)放射性的鐳。此時(shí)的世界即將步入風(fēng)起云涌的20世紀(jì)。
