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2018年1月22日 星期一

丁酉(鸡)年十二月初六

铀核裂变 - 简介 [回目录]

放射性现象的发现,把人们对于原子的认识引向深入,原子核的秘密逐渐被揭开了。

1911年,卢瑟福提出了原子的行星模型。他认为原子犹如一个小小的太阳系,中间是原子核(相当于太阳),集中了原子质量的极大部分;周围是电子(相当于行星),围绕着原子核旋转。

1919年卢瑟福用α粒子轰击氮,使氮转变成了氧,人类历史上破天荒第一次实现了原子的人工转变。几千年来,炼金术士们点石成金的梦想终于变成了现实。

1932年,英国物理学家查德威克发现了一种新的基本粒子,这种粒子不带电荷,被称为中子。这一突破性的发现不仅导致了现代原子核理论的建立(原子核由质子和中子组成),而且为人们提供了一种轰击原子核的强有力的新型“炮弹”。

1934年,法国科学家约里奥·居里和伊伦·居里在用α粒子轰击铝时,发现了人工放射性,这一发现引起了许多科学家的极大兴趣。从此,开始了大量制取人工放射性同位素的工作。

不久,年轻的意大利物理学家费米也着手制取放射性同位素。他的实验有个特点:他是用中子而不是象约里奥·居里那样用α粒子去轰击各种元素。费米所以用中子作为“炮弹”去轰击原子核,道理是很简单的:因为原子核是带正电荷的,所以带有两个正电荷的α粒子会被原子核所排斥,而不带电荷的中子必然比较容易接近并进入原子核内。

费米制取放射性同位素的方法对许多元素都是非常有成效的。在很短的时间内,他制取了约50种新的放射性同位素。其中有许多是进行β衰变的。这种衰变方式是放出一个电子,相当于原子核内一个中子变成了一个质子,也就是说,经β衰变生成的新同位素,其原子序数比原先的同位素增加了1。

92号元素铀是当时最重的元素,那么,铀吸收一个中子后发生β衰变的话,会出现什么情况呢?显然,结果将会产生93号元素,即所谓“超铀元素”。

可以设想,这个“超铀元素”大概是一个放射性元素。否则人们早已在稳定元素的行列中找到它了。还可以想象,这个元素衰变后,可能会形成一些原子序数更高的元素,例如94号元素。或许这将使我们有可能揭开元素数目限制的秘密,弄清铀之所以是元素周期表中最后一个元素的原因。

正是上述想法强烈地吸引着费米,激励着费米用中子去轰击当时最重的元素铀,从而导致了铀核裂变现象的发现——这无疑是本世纪最重大的发现之一。

费米的实验进行得很成功。铀经中子轰击后,产生了前所末见的新放射性,这种放射性由成分相当复杂的β射线所组成。费米对放射性强度衰减曲线进行了分析,结果表明,它包含四种半衰期:10秒、40秒、13分钟和90分钟。除了这四种半衰期外,他估计还至少有一种更长的半衰期。

我们知道,每种放射性同位素都放出自己特有的射线,并日具有自己特有的半衰期。因此,铀经中子轰击后产生的β放射性物质有五种半衰期,就表示生成了五种新的放射性同位素。

按照当时的一般看法,铀经中子轰击后形成的新放射性同位素,与铀的原子序数不应相差很大。但根据已有的资料来看,从86号到92号元素,没有一个同位素的半衰期与上述四种符合。于是费米就假定,他所发现的β放射性,是铀俘获一个中子后经β衰变所形成的93号元索(或原子序数更高的元素)放射出来的。也就是说,他认为自己发现了所谓“超铀元素”。

费米的这一发现在科学界引起了广泛的注意。有一些科学工作者对费米的结论表示怀疑,认为他的实验结果也可作别种解释。不久,实验证实91号元素镤具有与费米所发现的半衰期为13分钟的放射性物质相似的化学性质。是否费米所发现的就是元素镤的同位素呢?总而言之,费米关于发现“超铀元素”的结论看来是成问题的,这就是著名的“超铀元素之谜”。

这时,“超铀元素”的研究工作已在德国的一个实验室中大力展开。德国科学家哈恩和梅特纳对“超铀元素”加以详细研究之后,很快地看到,事情要比费米最初所设想的复杂得多。射线强度的衰减曲线表明,某些放射性物质可能并不是在中子轰击时产生的,而是经过一段时间后才产生出来的。这就是说,这些放射性物质并不一定是铀被中子轰击时立刻产生的,而可能是经过几次放射性衰变之后才形成的。

哈恩和梅特纳对射线强度的衰减曲线进行了仔细的分析,肯定了上述假说的正确性。经过长时间的精心研究,到1937年,他们编制出了铀经中子轰击的三种核转变方案。从这些核转变方案中可以看到,被中子轰击过的铀经历了一连串的放射性衰变。第一和第二个放射性衰变链的头一个成员,其半衰期分别为10秒和40秒,这是哈恩和梅特纳经过长期细致的工作,直接由化学方法可靠地确定的。半衰期为2.2分钟的放射性物质,是半衰期为10秒钟的放射性物质的子体。这种关系,可以通过改变中子轰击的时间予以确定。对于放射性衰变链的其它各环节,也确定出了类似的联系。

以上我们看到,哈恩和梅特纳获得了费米所未曾发现的一些半衰期,特别是一些较长的半衰期。半衰期的总数已达九种之多,而所推测的“超铀元素”的最高原子序数已增高到97。这里,哈恩等已将费米的13分钟和90分钟两个半衰期分别改变为16分钟和59分钟。

在哈恩和梅特纳所假定的“超铀元素”的衰变方案中,有三个平行的放射性衰变系列。为什么不多不少是三个系列呢?是因为铀有三个同位素的缘故吗?这或许是可能的,即铀238、铀235和铀234俘获中子后各自形成了一个放射性系列。但是射线强度的测量结果表明,把所观察到的半衰期归结为属于含量极小的同位素铀235(占0.72%),特别是铀234(占0.0055%),是很不合理的。

1936年,有人用中子轰击溴时,发现生成的溴80具有18分钟和4.4小时两个半衰期,这就是所谓同核异能现象。这一发现给哈恩等“帮了大忙”,似乎他们可以摆脱困境了。

于是他们假定,上述三个系列是由铀的一个主要同位素铀238产生出来的。也就是说,铀238经中子轰击,生成铀239,铀239有三种同核异能态,这三种同核异能态形成了各自的衰变系列。

虽然铀经中子轰击后产生的以及衰变产生的各种放射性物质之间的关系,已经可靠地确定下来,虽然哈恩和梅特纳所提出的解释似乎是当时唯一可能的解释,但是这种说法还是不能不引起人们的怀疑。

为什么铀一下子产生了三个同核异能态呢?为什么“超铀元素”也竟有三个同核异能态呢?为什么俘获一个中子的铀要经过五次β衰变才能到达稳定的产物呢?为什么原子序数为95或97的元素竟会是一种稳定元素呢?

问题的存在并不一定是坏事。问题是乌云,它预示着暴风雨的即将来临;而雨过天晴,迎来的必将是更加明媚的阳光。为了揭开“超铀元素之谜”,科学家们在紧张地、孜孜不倦地工作着。

在法国,伊伦·居里和沙维奇也在进行中子轰击铀的实验。1938年,他们发现铀经中子轰击后,除了出现哈恩等所指出的那些半衰期外,还存在一种3.5小时的半衰期。他们对这种放射性物质的化学性质进行了研究现它与稀土元素镧的化学性质相似。所以他们假定,这种放射性物质是与镧的化学性质相似的锕的一个同位素。

但不久,他们又发现了一个奇怪的事实,即半衰期为3.5小时的放射性物质,可用化学的方法与锕分离,但不能与镧分离。这种放射性物质与其说是锕的同位素,倒不如说是镧的同位素。

伊伦·居里和沙维奇实际上已经到达了解决问题的边缘,因为半衰期为3.5小时的放射性物质确确实实是镧的一个同位素。遗憾的是,传统的观念束缚了他们,以至他们始终认为:中子轰击铀的产物必定是周期表中靠近铀的那些元素,而决不可能是周期表中部的元素。另外,他们对样品进一步进行分级结晶,结果表明:半衰期为3.5小时的放射性物质终究是能与镧稍稍分离的。

于是,他们就千方百计将自己发现的放射性物质安置到已经十分“拥挤”的所谓“超铀元素”的行列中去。就这样,传统的观念和“不幸”的实验数据,把他们从新发现的边缘引向了歧途。现在知道,铀裂变产物中也有半衰期约为3.5小时的钇同位素存在,因此,这个结果很可能是由于钇同位素的少量沾污造成的。

科学是沿着曲折的道路前进的。科学研究的课题也象生活的其它方面一样,当你知道了它的答案以后,你觉得它是那样的简单明了。但在此之前,却是高深莫测、疑团纷纷。

哈恩和史特拉斯曼立刻在自己的实验室里重复了伊伦·居里和沙维奇的工作,但是他们把研究计划稍稍扩大了一些。他们在经中子轰击过的铀中不仅找到了镧的类似物,同时也找到了钡的类似物。

开始,他们也和伊伦·居里等一样,受到传统思想的牢固束缚,因而把钡的类似物当成是镭的同位素。从92号元素跳到88号元素,他们假定了一个所谓“双重α衰变”,并且把这称作是一个惊人的“成果”。

此时,在经中子轰击过的铀中,发现的放射性物质的总数已达到十六种之多;“超铀元素之谜”的混乱程度也达到了它的顶峰。

但是不久(1938年底),哈恩和史特拉斯曼用严格的化学方法证明,所谓的镭同位素实际上是钡同位素,而所谓的锕同位素实际上是镧同位素。哈恩和史特拉斯曼在自己的文章中写道:“作为化学家的我们,不得不肯定地声明,铀俘获中子后所产生的新物质的性质并不与镭相同,而与钡相同”。这就是想“猎取”“超钠元素”而获得的意外结果。

为什么铀经中子轰击后竟会产生周期表中部的元素钡和镧的放射性同位素呢?

哈恩写信给当时在瑞典的梅特纳,把自己的新发现告诉了她。梅特纳曾与哈恩共事长达三十年之久,她深信哈恩的结果是正确无误的。这一信念使她抛弃了传统观念,而从事实出发,同她的侄儿弗里希一起,首先对哈恩和史特拉斯曼所得到的意外结果作出了正确的解释。

根据原子核的液滴模型,原子核内的核子(质子和中子的统称),起着和液滴内的分子相类似的作用。由核子间的强烈吸引力而产生的表面张力,使原子核成为球形。若给原子核以一定的能量,原子核“液滴”就会发生振荡,变成椭球形,然后又回到球形,再变成椭球形,周而复始。在这过程中一般通过γ射线的发射,或α粒子或β粒子的发射,将多余的能量释放出去,而使原子核最后稳定在球形状态。

梅特纳和弗里希认为,铀核俘获一个中子时,情况却有些不同,铀核既不发射γ射线,也不发射α粒子或β粒子,而是继续振荡下去,逐渐变成哑铃状,由于正电荷的强烈排斥作用,最后使铀核分裂成两半。两个碎片带着巨大的能量飞离出去,铀核的电荷和质量大致相等地分配给这两个碎片。梅特纳和弗里希认为,哈恩和史特拉斯曼所观测到的钡和锕,就是这样的铀碎片。

关于铀核裂变成两个碎片的假设,及时而正确地解决了“超铀元素”问题。现在,雨过天晴,一切疑团都烟消云散了。所谓的类铼、类锇、类铱等等,决不是比铀还重的“超铀元素”,更不是什么“超铀元素”的同核异能态,它们实际上是铼、锇、铱等周期表中部元素的同位素,它们的质量约等于铀的一半。这些就是铀核裂变的碎片。

科学史上往往出现这样的情况,人们追求的是一件引人入胜的东西,而得到的却是一件更有价值的宝贝,铀核裂变现象的发现就是一个典型的例子。

裂变现象的发现史是一部曲折的历史,前后经历了五年的时间。费米实际上是第一个实现铀核裂变的人,但是他没有能了解它的本质。伊伦·居里和沙维奇已经接近了解决问题的边缘,但他们在大门口犹豫徘徊。直到1938年底,哈恩和史特拉斯曼才给出了铀核裂变的确凿无疑的证据。而梅特纳和弗里希“心有灵犀一点通”,对此作出了正确的解释。

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从这里我们可以清楚地看到,在科学研究的道路上要取得重大成就,不但一定要坚持实践第一,绝对尊重事实,而且一定要敢于抛弃传统的观念,因为科学上的任何重大突破都必然是对传统观念的否定。

核裂变现象的发现,打开了大规模利用原子能的大门,原子能世纪真正到来啦。

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更新时间 : 2009-08-06

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