原子核物理實驗方法

『壹』 原子物理

經過相當長時期的探索，直到20世紀初，人們對原子本身的結構和內部運動規律才有了比較清楚的認識，之後才逐步建立起近代的原子物理學。

1897年前後，科學家們逐漸確定了電子的各種基本特性，並確立了電子是各種原子的共同組成部分。通常，原子是電中性的，而既然一切原子中都有帶負電的電子，那麼原子中就必然有帶正電的物質。20世紀初，對這一問題曾提出過兩種不同的假設。

1904年，湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分布在一個大小等於整個原子的球體內，而帶負電的電子則一粒粒地分布在球內的不同位置上，分別以某種頻率振動著，從而發出電磁輻射。這個模型被形象的比喻為「果仁麵包」模型，不過這個模型理論和實驗結果相矛盾，很快就被放棄了。

1911年盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎上，提出原子的中心是一個重的帶正電的核，與整個原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉動，類似大行星繞太陽轉動。這種模型叫做原子的核模型，又稱行星模型。從這個模型導出的結論同實驗結果符合的很好，很快就被公認了。

繞核作旋轉運動的電子有加速度，根據經典的電磁理論，電子應當自動地輻射能量，使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變，因而發射光譜應是連續光譜。電子因能量的減少而循螺線逐漸接近原子核，最後落到原子核上，所以原子應是一個不穩定的系統。

但事實上原子是穩定的，原子所發射的光譜是線狀的，而不是連續的。這些事實表明：從研究宏觀現象中確立的經典電動力學，不適用於原子中的微觀過程。這就需要進一步分析原子現象，探索原子內部運動的規律性，並建立適合於微觀過程的原子理論。

1913年，丹麥物理學家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎上，結合原子光譜的經驗規律，應用普朗克於1900年提出的量子假說，和愛因斯坦於1905年提出的光子假說，提出了原子所具有的能量形成不連續的能級，當能級發生躍遷時，原子就發射出一定頻率的光的假說。

『貳』 考蘭州大學的粒子物理與原子核物理的研究生 考數幾

◆粒子物理與原子核物理

(070202)★

01原子核理論

02實驗核物理

03離子束物理及其應用

04強流中子技術及應用

05計算機技術與核儀器

①101思想政治理論

②201英語一

③601高等數學(物理類)

④802量子力學(含原子物理學)或837原子核物理(含核物理實驗方法)選一

復試筆試科目：普通物理(電磁學)
同等學力加試：

1.電動力學

2.量子力學、原子核物理選一門(與初試科目不能相同)

原子核物理 《原子核物理》，盧希庭主編，原子能出版社

《原子核物理實驗方法》復旦大學，清華大學、北京大學合編，第三版修本，

原子能出版社
高等數學(物理類) 《高等數學》（第一冊、第二冊），張志強編著，蘭州大學出版社

《高等數學》（第三冊），羅彥鋒編著，蘭州大學出版社

『叄』 什麼是核物理學

編輯詞條核物理學
核物理學又稱原子核物理學，是20世紀新建立的一個物理學分支。它研究原子核的結構和變化規律；射線束的產生、探測和分析技術；以及同核能、核技術應用有關的物理問題。它是一門既有深刻理論意義，又有重大實踐意義的學科。
核物理學的發展歷史
初期 1896年，貝可勒爾發現天然放射性，這是人們第一次觀察到的核變化。現在通常就把這一重大發現看成是核物理學的開端。此後的40多年，人們主要從事放射性衰變規律和射線性質的研究，並且利用放射性射線對原子核做了初步的探討，這是核物理發展的初期階段。
在這一時期，人們為了探測各種射線，鑒別其種類並測定其能量，初步創建了一系列探測方法和測量儀器。大多數的探測原理和方法在以後得到了發展和應用，有些基本設備，如計數器、電離室等，沿用至今。
探測、記錄射線並測定其性質，一直是核物理研究和核技術應用的一個中心環節。放射性衰變研究證明了一種元素可以通過衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀點，確立了衰變規律的統計性。統計性是微觀世界物質運動的一個重要特點，同經典力學和電磁學規律有原則上的區別。
放射性元素能發射出能量很大的射線，這為探索原子和原子核提供了一種前所未有的武器。1911年，盧瑟福等人利用α射線轟擊各種原子，觀測α射線所發生的偏折，從而確立了原子的核結構，提出了原子結構的行星模型，這一成就為原子結構的研究奠定了基礎。此後不久，人們便初步弄清了原子的殼層結構和電子的運動規律，建立和發展了描述微觀世界物質運動規律的量子力學。
1919年，盧瑟福等又發現用α粒子轟擊氮核會放出質子，這是首次用人工實現的核蛻變(核反應)。此後用射線轟擊原子核來引起核反應的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。
在初期的核反應研究中，最主要的成果是1932年中子的發現和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和質子組成的，中子的發現為核結構的研究提供了必要的前提。中子不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進入原子核而引起核反應。因此，中子核反應成為研究原子核的重要手段。在30年代，人們還通過對宇宙線的研究發現了正電子和介子，這些發現是粒子物理學的先河。
20世紀20年代後期，人們已在探討加速帶電粒子的原理。到30年代初，靜電、直線和迴旋等類型的加速器已具雛形，人們在高壓倍加器上進行了初步的核反應實驗。利用加速器可以獲得束流更強、能量更高和種類更多的射線束，從而大大擴展了核反應的研究工作。此後，加速器逐漸成為研究原子核和應用技術的必要設備。
在核物理發展的最初階段人們就注意到它的可能的應用，並且很快就發現了放射性射線對某些疾病的治療作用。這是它在當時就受到社會重視的重要原因，直到今天，核醫學仍然是核技術應用的一個重要領域。
大發展時期 20世紀40年代前後，核物理進入一個大發展的階段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼發現了核裂變現象；1942年，費密建立了第一個鏈式裂變反應堆，這是人類掌握核能源的開端。
在30年代，人們最多隻能把質子加速到一百萬電子伏特的數量級，而到70年代，人們已能把質子加速到四千億電子伏特，並且可以根據工作需要產生各種能散度特別小、準直度特別高或者流強特別大的束流。
20世紀40年代以來，粒子探測技術也有了很大的發展。半導體探測器的應用大大提高了測定射線能量的解析度。核電子學和計算技術的飛速發展從根本上改善了獲取和處理實驗數據的能力，同時也大大擴展了理論計算的范圍。所有這一切，開拓了可觀測的核現象的范圍，提高了觀測的精度和理論分析的能力，從而大大促進了核物理研究和核技術的應用。
通過大量的實驗和理論研究，人們對原子核的基本結構和變化規律有了較深入的認識。基本弄清了核子(質子和中子的統稱)之間的相互作用的各種性質，對穩定核素或壽命較長的放射性核素的基態和低激發態的性質已積累了較系統的實驗數據。並通過理論分析，建立了各種適用的模型。
通過核反應，已經人工合成了17種原子序數大於92的超鈾元素和上千種新的放射性核素。這種研究進一步表明，元素僅僅是在一定條件下相對穩定的物質結構單位，並不是永恆不變的。
天體物理的研究表明，核過程是天體演化中起關鍵作用的過程，核能就是天體能量的主要來源。人們還初步了解到在天體演化過程中各種原子核的形成和演變的過程。在自然界中，各種元素都有一個發展變化的過程，都處於永恆的變化之中。
通過高能和超高能射線束和原子核的相互作用，人們發現了上百種短壽命的粒子，即重子、介子、輕子和各種共振態粒子。龐大的粒子家族的發現，把人們對物質世界的研究推進到一個新的階段，建立了一門新的學科——粒子物理學，有時也稱為高能物理學。各種高能射線束也是研究原子核的新武器，它們能提供某些用其他方法不能獲得的關於核結構的知識。
過去，通過對宏觀物體的研究，人們知道物質之間有電磁相互作用和萬有引力(引力相互作用)兩種長程的相互作用；通過對原子核的深入研究，才發現物質之間還有兩種短程的相互作用，即強相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇稱不守恆現象的發現，是對傳統的物理學時空觀的一次重大突破。研究這四種相互作用的規律和它們之間可能的聯系，探索可能存在的靳的相互作用，已成為粒子物理學的一個重要課題。毫無疑問，核物理研究還將在這一方面作出新的重要的貢獻。
核物理的發展，不斷地為核能裝置的設計提供日益精確的數據，從而提高了核能利用的效率和經濟指標，並為更大規模的核能利用准備了條件。人工制備的各種同位素的應用已遍及理工農醫各部門。新的核技術，如核磁共振、穆斯堡爾譜學、晶體的溝道效應和阻塞效應，以及擾動角關聯技術等都迅速得到應用。核技術的廣泛應用已成為現代化科學技術的標志之一。
完善和提高 20世紀70年代，由於粒子物理逐漸成為一門獨立的學科，核物理已不再是研究物質結構的最前沿。核能利用方面也不像過去那樣迫切，核物理進入了一個縱深發展和廣泛應用的新的更成熟的階段。
在現階段，粒子加速技術已有了新的進展。由於重離子加速技術的發展，人們已能有效地加速從氫到鈾所有元素的離子，其能量可達到十億電子伏每核子。這就大大擴充了人們變革原子核的手段，使重離子核物理的研究得到全面發展。
隨著高能物理的發展，人們已能建造強束流的中高能加速器。這類加速器不僅能提供直接加速的離子流，還可以提供次級粒子束。這些高能粒子流從另一方面擴充了人們研究原子核的手段，使高能核物理成為富有生氣的研究方面。
從核物理基礎研究看，主要目標在兩個方面：一是通過核現象研究粒子的性質和相互作用，特別是核子間的相互作用；再者是核多體系的運動形態的研究。很明顯，核運動形態的研究將在相當長的時期內占據著核物理基礎研究的主要部分。
核物理學的應用
核物理研究之所以受到人們的重視得到社會的大力支持，是和它具有廣泛而重要的應用價值密切相關的。目前，幾乎沒有一個核物理實驗室不在從事核技術的應用研究。有些設備甚至主要從事核技術應用工作。
核技術應用主要為核能源的開發服務，如提供更精確的核數據和探索更有效地利用核能的途徑等；另外，同位素的應用是核技術應用最廣泛的領域。同位素示蹤已應用於各個科學技術領域；同位素葯劑應用於某些疾病的診斷或治療；同位素儀表在各工業部門用作生產自動線監測或質量控制裝置。
加速器及同位素輻射源已應用於工業的輻照加工、食品的保藏和醫葯的消毒、輻照育種、輻照探傷以及放射醫療等方面。為了研究輻射與物質的相互作用以及輻照技術，已經建立了輻射物理、輻射化學等邊緣學科以及輻照工藝等技術部門。
由於中子束在物質結構、固體物理。高分子物理等方面的廣泛應用，人們建立了專用的高中子通量的反應堆來提供強中子束。中子束也應用於輻照、分析、測井及探礦等方面。中子的生物效應是一個重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的療效。
離子束的應用是越來越受到注意的一個核技術部門。大量的小加速器是為了提供離子束而設計的，離子注入技術是研究半導體物理和制備半導體器件的重要手段。離子束已經廣泛地應用於材料科學和固體物理的研究工作。離子束也是用來進行無損、快速、痕量分析的重要手段，特別是質子微米束，可用來對表面進行掃描分析。其精度是其他方法難以比擬的。
在原子核物理學誕生、壯大和鞏固的全過程中，通過核技術的應用，核物理和其他學科及生產、醫療、軍事等部分建立了廣泛的聯系，取得了有力的支持；核物理基礎研究又為核技術的應用不斷開辟新的途徑。核基礎研究和核技術應用的需要，推進了粒子加速技術和核物理實驗技術的發展；而這兩門技術的新發展，又有力地促進了核物理的基礎和應用研究。

『肆』 求原子核物理的液滴模型解釋，有文獻更好.

①液滴模型。主要的實驗事實依據是核的密度為很大的常數，顯示核基本上是不可壓縮的；原子核的比結合能近乎為常數，核的結合能正比於核子數，表明核力具有飽和性，核子只與鄰近的幾個核子相互作用。這與宏觀的液滴甚為相似。據此，30年代中期N.玻爾等人提出液滴模型，把原子核看成一個帶電的不可壓縮液滴，根據液滴的經典運動規律對原子核作動力學描述，並適當加入量子效應引起的修正；以後又逐步增加一些新的自由度，如將質子、中子分別看成兩類流體，甚至將自旋取向不同也看成不同流體，並引入可壓縮性、粘滯性等性質。根據液滴模型可得出准確度相當高的原子核質量半經驗公式，在一定程度上可說明原子核的表面振動，相當成功地說明原子核裂變的機制。其不足是不能說明原子核性質的周期性變化現象。

『伍』 科學揭秘：蘇聯的第一顆原子彈是如何研製細節剖析

1949年8月29日， 蘇聯 試爆了 第一顆原子彈 。俄羅斯核物理專家葉·韋利霍夫接受記者采訪，介紹了當時研製 原子彈 的經過。

記者尤里· 梅德韋傑夫 ：哈里頓院士1993年說，蘇聯的原子彈是根據情報部門獲取的美國原子彈的材料復制而成的。是這樣的嗎？

尤里·梅德韋傑夫：鈾礦足夠嗎？

葉·韋利霍夫：最初使用的並不是本國的鈾礦。我們非常走運：哈里頓和基科因在德國發現了100噸鈾礦。這在1946年的物理反應堆試驗中發揮了重大作用。第一顆原子彈使用的鈾是從德國、捷克及本國獲得的。

尤里·梅德韋傑夫；1949年8月29日進行了我國第一顆原子彈的試驗。據說，為了以防萬一，貝利亞准備了一份一旦發射失敗就予以處決的人員名單。後來，這些本來可能被處決的人卻得到了英雄獎章，有的還獲得了列寧勛章。

葉·韋利霍夫：不排除這種可能，但確切情況我不了解。

尤里·梅德韋傑夫：這場瘋狂的軍備競賽有必要嗎？在建設秘密軍營過程中，有許多囚犯和軍人喪生，有的深受其害。

葉·韋利霍夫：這是一個復雜的問題。研製原子彈付出了巨大的人員傷亡代價，但我同時在直接參與了這項工作的人員的回憶錄中還讀到：這些年代是他們一生中最美好的年華，一種非凡的激情將他們連接在一起。有一封信中還說，我國第一顆原子彈就像初戀一樣讓人難以忘懷。

應當考慮到那些年代的特殊背景。美國人在日本使用原子彈向蘇聯敲響了警鍾：這意味著，明天我們也可能遭到襲擊，盡管蘇聯在戰爭中取得了勝利。但對許多人來說，研製原子彈是戰爭的繼續。誰也不知道，自己將派往何處，也不知道什麼是輻射，誰也不能拒絕。

尤里·梅德韋傑夫：難道人們真的以為美國人會向前不久的盟友投擲原子彈嗎？

葉·韋利霍夫：不少院士對此確信無疑。

『陸』 原子核物理方面的問題，希望可以得到解答

這個不算是核物理范疇的題目。應該是高中階段考察動量守恆和質能方程的題目。
該實驗是He（氦）核轟擊Be（鈹）靶的物理實驗，實驗確實屬於核物理實驗。
但即便是速度10七次方，由狹義相對論對到的質量速度公式，其質量的變化也是微乎其微，可以忽略不計。因此，請用動量守恆來解決第一問。如下
其中質量比為核子數之比。He是4，Be是9，n是1，C是12
C12在Y方向分速度為（4/12）*10E7m/s。在X方向分速度為(1.5/3)*10E7m/s。
求得C12，速度為0.6*10E7m/s。（1）得解
（2）問可有質能方程求得，E=△m*c²。其中E=5.7MeV=5.7*10E6*1.6*10E-19J
求得△m=1.013*10E-29Kg

『柒』 科學家湯姆生、盧瑟福、玻爾、道爾頓關於原子理論（觀點）研究獲得的具體途徑或方法。

湯姆生的"葡萄乾布丁"模型,他認為原子是一個均勻的球體,質子均勻分布其中,而電子就象葡萄乾一樣鑲嵌在其中.他好象通過測定電子的質荷比來提出這個模型的~.(http://www.cnysgz.com:801/ygjy/ygwl/Print.asp?ArticleID=2581 這個是湯姆生的方法的介紹)

盧瑟福,他的模型是"太陽系軌道"模型,他認為原子象太陽系,原子核集中大部分質量和正電荷,而電子象行星一樣在外圍轉動,他是通過阿爾法散射實驗來提出這個模型的,這個實驗高中的原子物理有介紹.

玻爾,是盧瑟福的學生,他的模型和盧瑟福大體相仿,不同的是電子運動的軌道是有限的,電子只能在這些軌道上"躍遷",而躍遷就是吸收和放出能量的過程.他是通過研究氫原子的光譜(巴爾末公式),而這個研究過程在高中原子物理學中也有介紹,可以參看相關的書籍.

道爾頓的原子模型就非常簡單了,他認為原子是不可再分的實心球體.

下面還有相關介紹,看亦可,不看亦可.

原子研究發展史
BC400年希臘哲學家德謨克列特提出原子的概念。
1803年道爾頓提出原子說。
1833年法拉第提出電解定律,此暗示原子帶電,且電可能以不連續的粒子存在。
1874年司通內建議電解過程被交換的粒子叫做「電子」。
1879年克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發現陰極射線。
1886年哥德斯坦從放電管中發現陽極射線。
1897年湯姆生證實陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,並測量出電子的荷質比。e/m=1.7588 × 108 庫侖 / 克
1909年米立坎的油滴實驗測出電子之帶電量,並強化了「電子是粒子」的概念。
1911年拉塞福的α粒子散射實驗,發現原子有核,且原子核帶正電、質量極大、體積很小。其條利用(粒子(即氦核)來撞擊金箔，發現大部分(99.9％)粒子直穿金箔，其中少數成大角度偏折，甚至極少數被反向折回(十萬分之一)。
1913年莫士勒從 X 一射線光譜波長的關系,建立原子序概念。
1913年湯姆生之質譜儀測量質量數 , 並發現同位素。
1919年拉塞褔發現質子。其利用α粒子撞擊氮原子核與發現質子 接著又用α粒子撞擊棚 (B) 、氟 (F) 、鋁 (A1) 、磷 (P) 核等也都能產生質子,故推論「質子」為元素之原子核共有成分。
1932年查兌克發現中子。其利用α粒子撞擊鈹原子核
1935年湯川秀樹發現介子理論，這種介子使原子核穩定。

1897年，J.J.湯姆遜在研究陰極射線的時候，發現了原子中電子的存在。這打破了從古希臘人那裡流傳下來的「原子不可分割」的理念，明確地向人們展示：原子是可以繼續分割的，它有著自己的內部結構。那麼，這個結構是怎麼樣的呢？湯姆遜那時完全缺乏實驗證據，他於是展開自己的想像，勾勒出這樣的圖景：原子呈球狀，帶正電荷。而帶負電荷的電子則一粒粒地「鑲嵌」在這個圓球上。這樣的一幅畫面，也就是史稱的「葡萄乾布丁」模型，電子就像布丁上的葡萄乾一樣。

但是，1910年，盧瑟福和學生們在他的實驗室里進行了一次名留青史的實驗。他們用α粒子（帶正電的氦核）來轟擊一張極薄的金箔，想通過散射來確認那個「葡萄乾布丁」的大小和性質。但是，極為不可思議的情況出現了：有少數α粒子的散射角度是如此之大，以致超過90度。對於這個情況，盧瑟福自己描述得非常形象：「這就像你用十五英寸的炮彈向一張紙轟擊，結果這炮彈卻被反彈了回來，反而擊中了你自己一樣」。

盧瑟福發揚了亞里士多德前輩「吾愛吾師，但吾更愛真理」的優良品格，決定修改湯姆遜的葡萄乾布丁模型。他認識到，α粒子被反彈回來，必定是因為它們和金箔原子中某種極為堅硬密實的核心發生了碰撞。這個核心應該是帶正電，而且集中了原子的大部分質量。但是，從α粒子只有很少一部分出現大角度散射這一情況來看，那核心占據的地方是很小的，不到原子半徑的萬分之一。

於是，盧瑟福在次年（1911）發表了他的這個新模型。在他描述的原子圖象中，有一個占據了絕大部分質量的「原子核」在原子的中心。而在這原子核的四周，帶負電的電子則沿著特定的軌道繞著它運行。這很像一個行星系統（比如太陽系），所以這個模型被理所當然地稱為「行星系統」模型。在這里，原子核就像是我們的太陽，而電子則是圍繞太陽運行的行星們。

但是，這個看來完美的模型卻有著自身難以克服的嚴重困難。因為物理學家們很快就指出，帶負電的電子繞著帶正電的原子核運轉，這個體系是不穩定的。兩者之間會放射出強烈的電磁輻射，從而導致電子一點點地失去自己的能量。作為代價，它便不得不逐漸縮小運行半徑，直到最終「墜毀」在原子核上為止，整個過程用時不過一眨眼的工夫。換句話說，就算世界如同盧瑟福描述的那樣，也會在轉瞬之間因為原子自身的坍縮而毀於一旦。原子核和電子將不可避免地放出輻射並互相中和，然後把盧瑟福和他的實驗室，乃至整個英格蘭，整個地球，整個宇宙都變成一團混沌。

不過，當然了，雖然理論家們發出如此陰森恐怖的預言，太陽仍然每天按時升起，大家都活得好好的。電子依然快樂地圍繞原子打轉，沒有一點失去能量的預兆。而丹麥的年輕人尼爾斯.玻爾照樣安安全全地抵達了曼徹斯特，並開始譜寫物理史上屬於他的華彩篇章。

玻爾沒有因為盧瑟福模型的困難而放棄這一理論，畢竟它有著α粒子散射實驗的強力支持。相反，玻爾對電磁理論能否作用於原子這一人們從未涉足過的層面，倒是抱有相當的懷疑成分。曼徹斯特的生活顯然要比劍橋令玻爾舒心許多，雖然他和盧瑟福兩個人的性格是如此不同，後者是個急性子，永遠精力旺盛，而他玻爾則像個害羞的大男孩，說一句話都顯得口齒不清。但他們顯然是絕妙的一個團隊，玻爾的天才在盧瑟福這個老闆的領導下被充分地激發出來，很快就在歷史上激起壯觀的波瀾。

1912年7月，玻爾完成了他在原子結構方面的第一篇論文，歷史學家們後來常常把它稱作「曼徹斯特備忘錄」。玻爾在其中已經開始試圖把量子的概念結合到盧瑟福模型中去，以解決經典電磁力學所無法解釋的難題。但是，一切都只不過是剛剛開始而已，在那片還沒有前人涉足的處女地上，玻爾只能一步步地摸索前進。沒有人告訴他方向應該在哪裡，而他的動力也不過是對於盧瑟福模型的堅信和年輕人特有的巨大熱情。玻爾當時對原子光譜的問題一無所知，當然也看不到它後來對於原子研究的決定性意義，不過，革命的方向已經確定，已經沒有什麼能夠改變數子論即將嶄露頭角這個事實了。

在濃雲密布的天空中，出現了一線微光。雖然後來證明，那隻是一顆流星，但是這光芒無疑給已經僵硬而老化的物理世界注入了一種新的生機，一種有著新鮮氣息和希望的活力。這光芒點燃了人們手中的火炬，引導他們去尋找真正的永恆的光明。

終於，7月24日，玻爾完成了他在英國的學習，動身返回祖國丹麥。在那裡，他可愛的未婚妻瑪格麗特正在焦急地等待著他，而物理學的未來也即將要向他敞開心扉。在臨走前，玻爾把他的論文交給盧瑟福過目，並得到了熱切的鼓勵。只是，盧瑟福有沒有想到，這個青年將在怎樣的一個程度上，改變人們對世界的終極看法呢？

是的，是的，時機已到。偉大的三部曲即將問世，而真正屬於量子的時代，也終於到來。

*********
飯後閑話：諾貝爾獎得主的幼兒園

盧瑟福本人是一位偉大的物理學家，這是無需置疑的。但他同時更是一位偉大的物理導師，他以敏銳的眼光去發現人們的天才，又以偉大的人格去關懷他們，把他們的潛力挖掘出來。在盧瑟福身邊的那些助手和學生們，後來絕大多數都出落得非常出色，其中更包括了為數眾多的科學大師們。

我們熟悉的尼爾斯.玻爾，20世紀最偉大的物理學家之一，1922年諾貝爾物理獎得主，量子論的奠基人和象徵。在曼徹斯特跟隨過盧瑟福。

保羅.狄拉克（Paul Dirac），量子論的創始人之一，同樣偉大的科學家，1933年諾貝爾物理獎得主。他的主要成就都是在劍橋卡文迪許實驗室做出的（那時盧瑟福接替了J.J.湯姆遜成為這個實驗室的主任）。狄拉克獲獎的時候才31歲，他對盧瑟福說他不想領這個獎，因為他討厭在公眾中的名聲。盧瑟福勸道，如果不領獎的話，那麼這個名聲可就更響了。

中子的發現者，詹姆斯.查德威克（James Chadwick）在曼徹斯特花了兩年時間在盧瑟福的實驗室里。他於1935年獲得諾貝爾物理獎。

布萊克特（Patrick M. S. Blackett）在一次大戰後辭去了海軍上尉的職務，進入劍橋跟隨盧瑟福學習物理。他後來改進了威爾遜雲室，並在宇宙線和核物理方面作出了巨大的貢獻，為此獲得了1948年的諾貝爾物理獎。

1932年，沃爾頓（E.T.S Walton）和考克勞夫特（John Cockcroft）在盧瑟福的卡文迪許實驗室里建造了強大的加速器，並以此來研究原子核的內部結構。這兩位盧瑟福的弟子在1951年分享了諾貝爾物理獎金。

這個名單可以繼續開下去，一直到長得令人無法忍受為止：英國人索迪（Frederick Soddy），1921年諾貝爾化學獎。瑞典人赫維西（Georg von Hevesy），1943年諾貝爾化學獎。德國人哈恩（Otto Hahn），1944年諾貝爾化學獎。英國人鮑威爾（Cecil Frank Powell），1950年諾貝爾物理獎。美國人貝特（Hans Bethe），1967年諾貝爾物理獎。蘇聯人卡皮查（P.L.Kapitsa），1978年諾貝爾化學獎。

除去一些稍微疏遠一點的case，盧瑟福一生至少培養了10位諾貝爾獎得主（還不算他自己本人）。當然，在他的學生中還有一些沒有得到諾獎，但同樣出色的名字，比如漢斯.蓋革（Hans Geiger，他後來以發明了蓋革計數器而著名）、亨利.莫斯里（Henry Mosley，一個被譽為有著無限天才的年輕人，可惜死在了一戰的戰場上）、恩內斯特.馬斯登（Ernest Marsden，他和蓋革一起做了α粒子散射實驗，後來被封為爵士）……等等，等等。

盧瑟福的實驗室被後人稱為「諾貝爾獎得主的幼兒園」。他的頭像出現在紐西蘭貨幣的最大面值——100元上面，作為國家對他最崇高的敬意和紀念。

五

1912年8月1日，玻爾和瑪格麗特在離哥本哈根不遠的一個小鎮上結婚，隨後他們前往英國展開蜜月。當然，有一個人是萬萬不能忘記拜訪的，那就是玻爾家最好的朋友之一，盧瑟福教授。

雖然是在蜜月期，原子和量子的圖景仍然沒有從玻爾的腦海中消失。他和盧瑟福就此再一次認真地交換了看法，並加深了自己的信念。回到丹麥後，他便以百分之二百的熱情投入到這一工作中去。揭開原子內部的奧秘，這一夢想具有太大的誘惑力，令玻爾完全無法抗拒。

為了能使大家跟得上我們史話的步伐，我們還是再次描述一下當時玻爾面臨的處境。盧瑟福的實驗展示了一個全新的原子面貌：有一個緻密的核心處在原子的中央，而電子則繞著這個中心運行，像是圍繞著太陽的行星。然而，這個模型面臨著嚴重的理論困難，因為經典電磁理論預言，這樣的體系將會無可避免地釋放出輻射能量，並最終導致體系的崩潰。換句話說，盧瑟福的原子是不可能穩定存在超過1秒鍾的。

玻爾面臨著選擇，要麼放棄盧瑟福模型，要麼放棄麥克斯韋和他的偉大理論。玻爾勇氣十足地選擇了放棄後者。他以一種深刻的洞察力預見到，在原子這樣小的層次上，經典理論將不再成立，新的革命性思想必須被引入，這個思想就是普朗克的量子以及他的h常數。

應當說這是一個相當困難的任務。如何推翻麥氏理論還在其次，關鍵是新理論要能夠完美地解釋原子的一切行為。玻爾在哥本哈根埋頭苦乾的那個年頭，門捷列夫的元素周期律已經被發現了很久，化學鍵理論也已經被牢固地建立。種種跡象都表明在原子內部，有一種潛在的規律支配著它們的行為，並形成某種特定的模式。原子世界像一座蘊藏了無窮財寶的金字塔，但如何找到進入其內部的通道，卻是一個讓人撓頭不已的難題。

然而，像當年的貝爾佐尼一樣，玻爾也有著一個探險家所具備的最寶貴的素質：洞察力和直覺，這使得他能夠抓住那個不起眼，但卻是唯一的，稍縱即逝的線索，從而打開那扇通往全新世界的大門。1913年初，年輕的丹麥人漢森（Hans Marius Hansen）請教玻爾，在他那量子化的原子模型里如何解釋原子的光譜線問題。對於這個問題，玻爾之前並沒有太多地考慮過，原子光譜對他來說是陌生和復雜的，成千條譜線和種種奇怪的效應在他看來太雜亂無章，似乎不能從中得出什麼有用的信息。然而漢森告訴玻爾，這裡面其實是有規律的，比如巴爾末公式就是。他敦促玻爾關心一下巴爾末的工作。

突然間，就像伊翁（Ion）發現了藏在箱子里的繪著戈耳工的麻布，一切都豁然開朗。山重水復疑無路，柳暗花明又一村。在誰也沒有想到的地方，量子得到了決定性的突破。1954年，玻爾回憶道：當我一看見巴爾末的公式，一切就都清楚不過了。

要從頭回顧光譜學的發展，又得從偉大的本生和基爾霍夫說起，而那勢必又是一篇規模宏大的文字。鑒於篇幅，我們只需要簡單地了解一下這方面的背景知識，因為本史話原來也沒有打算把方方面面都事無巨細地描述完全。概括來說，當時的人們已經知道，任何元素在被加熱時都會釋放出含有特定波長的光線，比如我們從中學的焰色實驗中知道，鈉鹽放射出明亮的黃光，鉀鹽則呈紫色，鋰是紅色，銅是綠色……等等。將這些光線通過分光鏡投射到屏幕上，便得到光譜線。各種元素在光譜里一覽無余：鈉總是表現為一對黃線，鋰產生一條明亮的紅線和一條較暗的橙線，鉀則是一條紫線。總而言之，任何元素都產生特定的唯一譜線。

但是，這些譜線呈現什麼規律以及為什麼會有這些規律，卻是一個大難題。拿氫原子的譜線來說吧，這是最簡單的原子譜線了。它就呈現為一組線段，每一條線都代表了一個特定的波長。比如在可見光區間內，氫原子的光譜線依次為：656，484，434，410，397，388，383，380……納米。這些數據無疑不是雜亂無章的，1885年，瑞士的一位數學教師巴爾末（Johann Balmer）發現了其中的規律，並總結了一個公式來表示這些波長之間的關系，這就是著名的巴爾末公式。將它的原始形式稍微變換一下，用波長的倒數來表示，則顯得更加簡單明了：

ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）

其中的R是一個常數，稱為里德伯（Rydberg）常數，n是大於2的正整數（3，4，5……等等）。

在很長一段時間里，這是一個十分有用的經驗公式。但沒有人可以說明，這個公式背後的意義是什麼，以及如何從基本理論將它推導出來。但是在玻爾眼裡，這無疑是一個晴天霹靂，它像一個火花，瞬間點燃了玻爾的靈感，所有的疑惑在那一刻變得順理成章了，玻爾知道，隱藏在原子里的秘密，終於向他嫣然展開笑顏。

我們來看一下巴耳末公式，這裡面用到了一個變數n，那是大於2的任何正整數。n可以等於3，可以等於4，但不能等於3.5，這無疑是一種量子化的表述。玻爾深呼了一口氣，他的大腦在急速地運轉，原子只能放射出波長符合某種量子規律的輻射，這說明了什麼呢？我們回憶一下從普朗克引出的那個經典量子公式：E = hν。頻率（波長）是能量的量度，原子只釋放特定波長的輻射，說明在原子內部，它只能以特定的量吸收或發射能量。而原子怎麼會吸收或者釋放能量的呢？這在當時已經有了一定的認識，比如斯塔克（J.Stark）就提出，光譜的譜線是由電子在不同勢能的位置之間移動而放射出來的，英國人尼科爾森（J.W.Nicholson）也有著類似的想法。玻爾對這些工作無疑都是了解的。

一個大膽的想法在玻爾的腦中浮現出來：原子內部只能釋放特定量的能量，說明電子只能在特定的「勢能位置」之間轉換。也就是說，電子只能按照某些「確定的」軌道運行，這些軌道，必須符合一定的勢能條件，從而使得電子在這些軌道間躍遷時，只能釋放出符合巴耳末公式的能量來。

我們可以這樣來打比方。如果你在中學里好好地聽講過物理課，你應該知道勢能的轉化。一個體重100公斤的人從1米高的台階上跳下來，他/她會獲得1000焦耳的能量，當然，這些能量會轉化為落下時的動能。但如果情況是這樣的，我們通過某種方法得知，一個體重100公斤的人跳下了若干級高度相同的台階後，總共釋放出了1000焦耳的能量，那麼我們關於每一級台階的高度可以說些什麼呢？

明顯而直接的計算就是，這個人總共下落了1米，這就為我們台階的高度加上了一個嚴格的限制。如果在平時，我們會承認，一個台階可以有任意的高度，完全看建造者的興趣而已。但如果加上了我們的這個條件，每一級台階的高度就不再是任意的了。我們可以假設，總共只有一級台階，那麼它的高度就是1米。或者這個人總共跳了兩級台階，那麼每級台階的高度是0.5米。如果跳了3次，那麼每級就是1/3米。如果你是間諜片的愛好者，那麼大概你會推測每級台階高1/39米。但是無論如何，我們不可能得到這樣的結論，即每級台階高0.6米。道理是明顯的：高0.6米的台階不符合我們的觀測（總共釋放了1000焦耳能量）。如果只有一級這樣的台階，那麼它帶來的能量就不夠，如果有兩級，那麼總高度就達到了1.2米，導致釋放的能量超過了觀測值。如果要符合我們的觀測，那麼必須假定總共有一又三分之二級台階，而這無疑是荒謬的，因為小孩子都知道，台階只能有整數級。

在這里，台階數「必須」是整數，就是我們的量子化條件。這個條件就限制了每級台階的高度只能是1米，或者1/2米，而不能是這其間的任何一個數字。

原子和電子的故事在道理上基本和這個差不多。我們還記得，在盧瑟福模型里，電子像行星一樣繞著原子核打轉。當電子離核最近的時候，它的能量最低，可以看成是在「平地」上的狀態。但是，一旦電子獲得了特定的能量，它就獲得了動力，向上「攀登」一個或幾個台階，到達一個新的軌道。當然，如果沒有了能量的補充，它又將從那個高處的軌道上掉落下來，一直回到「平地」狀態為止，同時把當初的能量再次以輻射的形式釋放出來。

關鍵是，我們現在知道，在這一過程中，電子只能釋放或吸收特定的能量（由光譜的巴爾末公式給出），而不是連續不斷的。玻爾做出了合理的推斷：這說明電子所攀登的「台階」，它們必須符合一定的高度條件，而不能像經典理論所假設的那樣，是連續而任意的。連續性被破壞，量子化條件必須成為原子理論的主宰。

我們不得不再一次用到量子公式E = hν，還請各位多多包涵。史蒂芬.霍金在他那暢銷書《時間簡史》的Acknowledgements裡面說，插入任何一個數學公式都會使作品的銷量減半，所以他考慮再三，只用了一個公式E = mc2。我們的史話本是戲作，也不考慮那麼多，但就算列出公式，也不強求各位看客理解其數學意義。唯有這個E = hν，筆者覺得還是有必要清楚它的含義，這對於整部史話的理解也是有好處的，從科學意義上來說，它也決不亞於愛因斯坦的那個E = mc2。所以還是不厭其煩地重復一下這個方程的描述：E代表能量，h是普朗克常數，ν是頻率。

回到正題，玻爾現在清楚了，氫原子的光譜線代表了電子從一個特定的台階跳躍到另外一個台階所釋放的能量。因為觀測到的光譜線是量子化的，所以電子的「台階」（或者軌道）必定也是量子化的，它不能連續而取任意值，而必須分成「底樓」，「一樓」，「二樓」等，在兩層「樓」之間，是電子的禁區，它不可能出現在那裡。正如一個人不能懸在兩級台階之間漂浮一樣。如果現在電子在「三樓」，它的能量用W3表示，那麼當這個電子突發奇想，決定跳到「一樓」（能量W1）的期間，它便釋放出了W3-W1的能量。我們要求大家記住的那個公式再一次發揮作用，W3-W1 = hν。所以這一舉動的直接結果就是，一條頻率為ν的譜線出現在該原子的光譜上。

玻爾所有的這些思想，轉化成理論推導和數學表達，並以三篇論文的形式最終發表。這三篇論文（或者也可以說，一篇大論文的三個部分），分別題名為《論原子和分子的構造》（On the Constitution of Atoms and Molecules），《單原子核體系》（Systems Containing Only a Single Nucleus）和《多原子核體系》（Systems Containing Several Nuclei），於1913年3月到9月陸續寄給了遠在曼徹斯特的盧瑟福，並由後者推薦發表在《哲學雜志》（Philosophical Magazine）上。這就是在量子物理歷史上劃時代的文獻，亦即偉大的「三部曲」。

『捌』 不知哪位哥有關於原子核物理的資料,小生跪求

鈾原子核裂變現象的發現還得從美籍義大利物理學家費米利用中子轟擊鈾核的實驗研究工作談起。當人工放射性核素發現以後，科學家們就紛汾利用α粒子、質子以及中子去轟擊周期表上各種元素，以求獲得更多的人工放射性核素。而費米就是利用α粒子轟擊鈹能發射中子的核反應過程，把鐳和鈹均勻混合在一起，就可以製成能發射大量中子的鐳－鈹中子源。然後，利用這些中子去轟擊各種元素，並用自製的高靈敏度蓋革—彌勒計數管進行測量。結果發現將近六十多種被中子照射過的元素中，約有四十多種能產生放射性核素。
後來，費米在長期的實驗工作中發現，如果把所用的鐳－鈹中子源加以適當改進，在中子源和銀圓筒之間加上一層石蠟或其它含氫物質，就能使銀的放射性強度大大增加，這可從蓋革—彌勒計數管上得到反映。

這是因為鐳－鈹中子源所發射的快中子能量很大，不易和銀發生反應。現在通過石蠟後快中子被減速成熱中子，其能量和分子熱運動能量相當，即能量為0.0253電子伏或速度為每秒2200米。由於熱中子運動速度很慢，它在核周圍的停留時問就會加長，因此和核作用的機會也就越多，所產生的放射性也就越強，計數就大大增加。

費米在獲得熱中子後，重新對鈾核進行轟擊試驗。看它能否被鈾核俘獲生成更多的原子序數大於92的93、94……一系列超鈾元素。然而，大量實驗結果證明，在鈾核俘獲中子後的生成物中，呈現出非常復雜的輻射成分。在測量中發現它們是由多種β射線所組成，先後共測得四種不同能量的β射線，根據它們輻射強度隨時間衰減的曲線分析，得到四種不同的半衰期，分別為10秒、40秒、12分和90分。而費米及其助手當時也無法從這些復雜的放射性物質中識別出事先想找到的93號新元素。這是因為他們中間缺少精通化學分析的科學家。即使在這些新產生的放射性物質中確已存在93號元素，他們也不能用化學方法由辨別它們。

由於費米及其同事在生產人工放射性核素中一直認為元素俘獲一個中子後，經過β衰變能生成原子序數增加1的新元素，所以費米等人總是專心致志地去尋找原子序數比鈾更大的超鈾元素。因而對在實驗過程中所遇到的那些復雜的β衰變現象未能做出符合客觀實際的解釋，對鈾核反應過程中所形成的放射性核素，也未能作直接的化學測定，就誤認為93號元素已經找到。這樣也就錯過了發現「鈾核裂變」的良機。

正像約里奧·居里夫婦在1932年研究α粒子轟擊鈹時，未能及時發現中子一樣，費米他們雖然已到了發現鈾核裂變的門口，卻未能再往前路一步，沒有能及早揭開鈾核裂變的秘密。直至1939年，93號元素才被美國物理學家麥克米倫和艾貝爾森在伯克利的加利福尼亞大學輻射實驗室，用熱中子轟擊鈾靶而生成。並用化學方法鑒別出第一個難以捉摸的超鈾元素—鎿。

與此同時，奧地利物理學家梅特涅和她的合作者—德國物理化學家哈恩一起在柏林威廉皇家研究院，從事中子轟擊鈾核的研究工作，並利用他們在化學分析工作方面的有利條件，對所生成的多種放射性同位素進行了詳細研究。

他們在測量中發現，實際情況要比費米最初預料的還要復雜得多。這是指各種放射性強度的衰減曲線在不同的觀測時間內變化很大，也就是稅，即使中子照射停止，有些放射性物質仍能不斷產生，其衰變過程還是相當復雜的。

另外，他們還測得了費米沒有測到的半衰期，其中包括某些長半衰期，一共有九種，—它們分別為10秒、40秒、2.2分、16分(費米測得為13分)、23分、59分(費米測得為90分)、5.7小時、45小時和66小時。然而，在分析與這些半衰期相對應的放射性同位素時，他們卻仍認為是生成了超鈾元素，即想像在鈾元素中形成了類鉑、類金、類錸、類鋨和類銥的93、94、95、96和97號新元素。但是，當用化學方法對它們進行鑒別時，很快發現這種想像是錯誤的。

梅特涅和哈恩他們所用的化學鑒別法是一種在放射化學中常用的分析微量放射性物質的方法。即為了能取得微量的放射性物質，往往預先加入幾毫克相同的穩定元素或化學性質相似的元素(通常稱為載體)，這種裁體能把微量放射性物質載帶入沉澱物中。如果不是同種元素，則可設法把微量放射性物質與裁體分離。哈恩他們曾經選擇了各種元素作為載體，並把它加入被中子轟擊過的鈾元素里。其中有一種鋇元素，當他們把鋇從中子轟擊過的鈾元素中分離出來進行測量時，果然發現有相當一部分的放射性物質被鋇載帶出來。

那末這些放射性物質到底是什麼核素呢？由於他們和費米一樣，也是一心想尋找超鈾元素，而不願往「鈾前」元索(原子序數遠小於鈾)方面考慮。為此他們認為那些化學性質和鋇相似的放射性核素很可能是「鐳」。它在周期表中是第83號元素，位於鋇元素的下面，和鋇是同族元素，所以在化學性質上，鐳和鋇確有很多相似之處。然而，兩者畢竟不是同一種元素，所以可用化學方法把載體鋇和放射性物質「鐳」分離開來。但事與願違，雖然作了很大努力，但始終未能把「鐳」從鋇載體中分離開來。事實上，這一實驗結果已經表明此種「鐳」放射性物質就是鋇，但他們就是不敢下此結論。

與此同時，法國的約里奧·居里夫婦也在自己的實驗室里進行過中子轟擊鈾的試驗。同樣他們也測得了一些被命名為「類錸」、「類鋨」和「類銥」的93、94和95號元素。他們的實驗結果也未能超越費米等人的結論。

然而，有些在思想上框框比較少的年輕科學家，他們根據在實驗中一方面未能直接分離得到超鈾元素；另一方面從鋇載體中確實測得了放射性物質的存在，且又不能把它同鋇分離出來的實驗結果，提出了富有創見的大膽設想。其中最值得一提的是德國年輕科學家諾達克夫婦，他們當時都在布列斯高的弗萊堡大學物理化學學院中工作。他們認為費米所做的中子轟擊鈾的實驗，在化學分析方面未能對超鈾元素的發現提出過令人信服的論據。

為此，他們在1934年曾經提出過自己的看法，他們認為鈾核在中子作用下發生了核裂變反應。而且這種反應和其它核反應有很大區別，似乎在中子轟擊鈾核時，鈾核被分裂成幾塊碎片是完全可能的。同時，這些碎片應是已知元素的同位素，但不是被轟擊元素鈾的相鄰元素。

這是一個後來在1939年被證實的極其有價值的假定。然而當時卻未能引起像費米那樣的物理學權威人士的重視，當然也就根本談不被被承認了。費米在獲悉這些不同意見後，仍堅持認為能量很低的熱中子決不能擊破如此堅固的原子核堡壘，使核發生裂變，這簡直是難以想像的。特別是當費米得知當時世界—致公認的放射化學權威哈恩也同意他已經獲得超鈾元素的看法時，他對自己的實驗結果就更加確信無疑了，這樣費米他們也就又一次失去了完成—項重大發現的機會，這也是費米在自己的科研生涯中所犯的一次最大的失誤。

二十年後，在安葬這位偉大的科學家時，曾經參加過這項實驗的費米的一位學生物理學家西格列說：「上帝按照他自己的不可思議的動機，使我們當時在核分裂現象上成為盲人」。當然實際上使他們迷失方向的決非是上帝的旨意，而是當時他們在化學知識方面的不足，以及主觀上犯了先驗論的錯誤所致。世上任何一位科學家在自己短暫的科學生活中，總是難免有不足之處的，但他們對推動科學事業發展的不朽功勛卻永遠值得大家稱頌。

不管怎樣，許多科學家在用中子轟擊鈾核的實驗中，不斷找到各種各樣鈾前元素的事實有力地沖擊著費米等人認為獲得了超鈾元素的錯誤結論。例如，在1938年，伊倫·居里和薩維基從被中子轟擊過的鈾中，測得了一種在哈恩等人實驗中所沒有測得的半衰期為3.5小時的新的放射性核素。它的化學性質和稀土元素鑭十分相似，起初假定它是錒的放射性同位素。但在進一步測量中發現，這種放射性同位素可用化學方法把它和錒分離，卻不能與鑭分開。

由此可見，這些半衰期為3.5小時的放射性物質與其說是錒的同位素，倒不如說是鑭的同位素更符合實際。這就是說他們實際上已經測得了鈾核的裂變產物鑭，發現了鈾核的裂變現象。但當他們發表找到鑭元素的論文時，卻仍認為鑭是由鈾俘獲中子後所形成的超鈾元素衰變而成，決沒有想到鑭是鈾核在中子直接作用下的裂變產物。仍舊未能沖破權威們關於生成超鈾元素的束縛。

正當原子核科學事業不斷向前發展的時候，希特勒法西斯統治下的納粹德國所發動的侵略戰爭也正在逐步升級。1938年3月，中立的奧地利被德國所吞並。而這時正在德國從事鈾核裂變研究工作的梅特涅教授，由於她是猶太人，她的奧地利國籍使她成了敵對國的公民，這樣她就被迫離開拍林前往瑞典的斯德哥爾摩避難。

她的合作者、德國籍的哈恩和施特拉斯曼仍舊留在柏林繼續對鈾核的裂變現象進行研究，且也向伊倫·居里等人一樣找到了鑭的同位素。同時他們得到啟發，把過去同鋇載體—齊沉澱下來的「鐳」同位素，重新進行化學分離。

當時他們採用了比較先進的「分步結晶法」的化學分離技術，結果仍然未能從鋇載體中分離出所想像的「鐳」，看來這種和鋇載體結合得如此緊密的放射性核素只能是鋇本身。正如哈恩和施特拉斯曼後來在自己著作中所描述的那樣：「作為化學家的我們，不得不肯定地聲明，鈾俘獲中子後所產生的新物質的性質並不和鐳相同，而恰恰是和鋇相同」。

至此應該說他們已經發現了鈾核在中子作用下發生了裂變的奇跡，可是奇跡的創造者卻還是不敢承認。這是因為雖從化學角度上看，這些精通各種化學分析方法的著名化學家，他們對自己的實驗結果是深信不疑的，但從核物理觀點上看，這似乎又是不可能發生的事情。即當用能量很低的熱中子去轟擊周期表上最重的鈾核時，結果怎麼會得到原子序數為56的中等質量數的鋇元素呢？它只比鈾元素的—半大一點。

如果鈾核不是分裂成大小差不多的兩半片。那末鋇是得不到的。像鈾核這種密度很高的堅硬堡壘，很難想像它能被能量很低的熱中子炸成兩半。難怪哈恩他們即使早已發現了鈾核的裂變現象，但卻遲遲不敢發表自己的實驗結果。

然而哈恩他們也深深懂得科學研究本身是不能有任何虛假的。在被中子轟擊過的鈾元素中，鋇核鑭等中等質量元素的出現是誰也抹煞不了的實驗事實，為了尊重事實，他們覺得完全有必要趕快把這個新發現的實驗結果公布與世。

在1938年8月22日，他們終於正式發表了這—重要的實驗事實，同時還寫信給在瑞典避難的梅特納教授。她曾和他們共事過三十年，由於希特勒的戰爭政策和迫害猶太人的罪惡行徑，使她未能參加最後階段的實驗工作。但現在她終於知道了在被中子轟擊過的鈾元素中，確實存在著鋇同位素。喜悅的心情使她久久不能平靜，她反復思考鈾核俘獲中子後怎麼會生成鋇的奇怪現象。

她想鈾核中有92個質子146個中子；而鋇只有56個質子和82個中子。兩者的質量數和原子序數相差這樣大，這在以往的任何核反應過程中都是從未有過的。不論是α粒子或質子和中子，當它們轟擊靶核時，只能生成某種和原來靶核質量數相近的新元素，同時伴隨著放射出某些質量數較小的粒子，如α粒子、質子、中子、電子或正電子等。而在中子與鈾核的反應過程中，卻出現了意想不到的鋇元素，這到底是什麼緣故？她想很可能在鈾核俘獲中子的過程中發生了某種特殊的核反應。

為此她大膽地假定是否存在著這樣一種可能性，即當穩定性較差的鈾核吞噬中子後，使鈾核得到了多餘的能量，並處於激發態，顯得更加不穩定，最後分裂成兩個較輕的核碎片，而鈾核的電荷數和質量數也將分成大約相等的兩部分。這樣就能滿意地解釋哈恩他們所發現的鋇和鑭的實驗結果，因為它們的質量數幾乎是鈾的一半。

接著，梅特涅又立刻把上述想法告訴了她的侄子弗里施，當時他流亡丹麥，在哥本哈根玻爾所主持的研究所工作。他們兩人經過仔細而又深入的討論後，完成了關於解釋鈾核裂變現象的論文，並想在1939年1月發表。於此同時，弗里施把論文送給了與梅特涅教授有著很密切聯系的玻爾教授。因為在他們的論文中，引用了玻爾的核理論對鈾核的裂變現象進行了說明。當時有位美國生物學家阿諾德剛好也在哥本哈根工作，他建議把鈾核分裂成兩片的現象仿照活細胞的一分為二現象稱作為「裂變」，從此這個名稱就一直被沿用至今。

梅特涅和弗里施在關於鈾原子核俘獲中子產生裂變的論文中，主要引用了玻爾關於原子核結構的液滴模型理論，對鈾核所以能產生裂變得到鋇和瀾等元素的結果，進行了十分生動而又令人信服的描述。弗里施在描述當時的情況中說：「我們逐漸清楚了，鈾原子核被破裂成兩個幾乎相等的部分……可以說是完全按照—定形式發生的。情形是這樣的……原始的鈾核逐漸變形，中部變窄，最終分裂成兩半。這種情況與生物學上細胞繁殖的分裂過程非常相似，這使我們有理由把這種現象在自己的第一篇報告中稱作為『核分裂』」。

他們在分析鈾核為什麼能產生裂變的出發點是把鈾核看為帶電的液滴，這就是玻爾的核液滴模型的根據。由於鈾核中有92個質子和146個中子，這同質子數和中子數相等的穩定核相比較，可看出鈾核中存在著過量的中子，所以鈾核本身就是一種很不穩定的原子核。

它像普通的水滴是由水分子間的表面張力維持形狀一樣，組成原子核的質子和中子(統稱為核子)之間的相互作用力(也稱核力)促使原子核也能保持一定的形狀。而帶正電子的質子又同普通電子一樣，也有趨向於表面的特性，它們各自在核表面上占據著一定的位置。另外質子間的靜電斥力使得質子有逃逸出核的可能，而核力又要把質子拉回到核里。

鈾原子核內各核子間雖然受到十分復雜的作用，而處於很不穩定的狀態。但是如果沒有外來的干擾，大多數情況下，鈾核還能維持比較完整的形狀。

然而，一旦鈾核俘獲了一個中子以後，形成鈾的復合核，並受到中子帶來的額外能量的擾動，結果使得鈾核內的核子更加劇烈地顫動起來，鈾核變成了橢圓形。隨後就愈變愈烈成為不能復原的啞鈴狀形。直到核內的電磁斥力把幾乎相等的兩部分從啞鈴的頸部完全斷裂開來，形成兩個新的中等質量數的原子核，同時放射出2～3個中子。

此外，由於鈾核的分裂並不是每次都在同一個啞鈴頸上斷開，所以許多鈾核分裂的結果就能得到—系列不同質量數的裂變碎片，這就是鈾核裂變產物十分復雜的主要原因。不過通常仍然有一種比較常見的分裂形式，即分裂成鋇和鑭。它們的原子序數分別為56和36，加起來剛好等於鈾的原子序數92。這和很多科學家在研究鈾核俘獲中子的實驗中，多次測得鋇元素的結果相—致。

當玻爾看到自己的液滴模型核理論能如此精確無誤地解釋鈾核俘獲中子的裂變現象時，其興奮激動的心情是難以表達的。正像他在自己短短的1500字的自傳中曾經描述過的那樣：「有助於揭開那遮蔽真理帳幕的—角，並且從而可以走到較為接近真理的路上，也許是一個科學家所能獲得的最大快樂」。

當時玻爾為此差一點沒有趕上去美國的火車。就在他赴美開會之際，梅特納和弗里施為了驗證他們對鈾核裂變現象的解釋，再一次對鈾核俘獲中子後的裂變產物進行了測量。他們從中不僅找到了鋇和鑭等其它元素，而且當他們將裂變後的兩部分裂變碎片的質量相加時，發現它們比裂變前的鈾核和中子的質量之和要小。這就是說，在鈾核的裂變反應過程中發生了質量虧損。

根據愛因斯坦的質能公式，即能量E等於質量和光速平方的乘積。這些失去的質量必定在鈾核發生裂變反應的過程中，以能量的形式釋放出來。弗里施在實驗中觀測到了這個異常巨大的能量，它能把測量儀表的指針逼到刻度以外，其數值約為200兆電子伏。

接著他們又把這個偉大發現通過海底電報告訴了已抵達美國的玻爾。當玻爾得知這一足以震驚世界的消息已被證實後，立即在一次物理學家會議上宣布了關於發現鈾核裂變的消息。與會者無不為之激動萬分，並立刻投入到鈾核裂變研究中去。數周之後，各國科學家也都先後證實了鈾核被中子裂變，和能釋放出巨大能最的事實。從此以後，核科學研究工作也就進入了利用原子核能，為人類造福的新時代。

『玖』 構建出世界的原子是這么微小的顆粒，是怎麼被人類發現的

原子很小，真的非常小。你可能聽說過，大千世界都是由微小的原子構成的。你或許也知道，我們無法用肉眼看到它們。但原子確實存在，並與每樣事物發生相互作用，構築了我們的世界。

同時，斯基帕以及其他物理學家還用查德威克在20世紀30年代使用過的中子束發射技術，對原子進行研究。斯基帕解釋說：「我們所做的就是向許多物質發射中子束。根據散射圖像，我們可以推斷原子核中散射出許多中子。這樣，我們就能計算出發生散射的物質的質量和大致體積。」

但是，原子並不是始終紋絲不動地待在那兒等著我們對它進行檢測。有時原子會發生衰變，這就意味著它們具有放射性。

自然界中的許多元素都具有放射性。衰變過程會產生能量，這就是核能的基礎，也是核彈的基礎。核物理學家研究的主要內容，就是深入了解核反應過程中發生的變化。伽馬射線就是一種原子衰變輻射。不同的放射性原子會產生不同的伽馬射線形態，這就意味著我們能夠通過探測原

子衰變過程中伴隨的伽馬射線的能量來辨別原子。這就是利物浦大學的哈克尼斯· 布倫南進行的實驗。布倫南進一步解釋說：「這一實驗所需的探測器，必須既能探測到射線的存在，又能探測出射線的能量。因為每種元素的原子核都有其獨特的指紋圖譜。」

射線探測區也可能存在其他類別的原子，尤其是在一些大型核反應中。因此，准確了解存在哪些放射性同位素就顯得格外重要。也正因為這樣，這類實驗通常都在核電站或是發生過核事故的地區進行。現在，哈克尼斯·布倫南及其同事的重點就放在研發對存在輻射的區域進行探測的系統裝置上。她說：「我們所要研製的科技設備和工具，需要能夠對存在輻射的特定區域進行三維成像。」原子如此之小，但我們能從中了解到很多奇妙的物理學知識

雲室是一種核輻射探測裝置，放射源周圍彌漫著冷卻到-40℃、達到過飽和狀態的酒精蒸汽雲。輻射源放射出的帶電粒子從酒精分子中轉移電子，在經過的路徑上產生離子。與此同時，酒精沿著帶電粒子經過的路徑濃縮為小液滴。這一實驗呈現出的結果令人驚嘆不已。

我們還遠遠沒有搞清楚原子究竟是什麼，只是揭示出它們有著驚人的復雜結構，在自然界中能夠發生許多奇異的變化。研究原子的過程使我們的科技水平以及利用核能的能力有了大幅進步，讓我們更好地了解了我們生活的世界。與此同時，也能更好地預防輻射對我們的傷害。

正如哈克尼斯·布倫南所說，「原子雖然如此之小，但我們能從中了解到很多奇妙的物理學知識」。我們周圍的所有事物，都是由微小的原子構成的。深入地了解原子，我們才能更好地了解世界。

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