物理群星
1932 原子与核物理

人工核蜕变

Artificial Nuclear Disintegration

按经典算法要上百万伏才能撞进原子核,量子隧穿说几十万伏就够。1932 年,12.5 万伏的人造质子把锂核打成两个氦核——原子核第一次被完全人工加速的粒子改变,放出的能量与质量的减少大致相符。

当时的困境

原子核第一次被人为改变,用的还是大自然的炮弹。1919 年,卢瑟福让放射源射出的 α 粒子穿过氮气,在荧光屏上看到了射程远得多的闪烁——那是从氮里打出来的氢核。他在论文里写道,氮原子被快 α 粒子「蜕变」了。至于核里究竟发生了什么,要等到 1925 年:布莱克特用自动云室拍了两万多张照片、四十多万条径迹,从中找出 8 个分叉——α 粒子没有把氮核打碎,而是被吞了进去,吐出一个质子,自己变成了氧:

714N+24He→817O+11H{}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{17}_{8}\mathrm{O} + {}^{1}_{1}\mathrm{H}

此后十年,卢瑟福与查德威克用同样的办法打碎了一串轻元素,然后就走不动了。天然 α 粒子的能量由放射源决定,调不了;数量少得可怜,四面八方乱飞,真正撞上原子核的万里挑一;而且只有 α 这一种炮弹。沃尔顿后来算过一笔账:几微安的氦离子只要加到几百万伏,就抵得上几百克镭放出的 α 粒子——而全世界的镭加起来也没有多少。

人造炮弹的路却被一堵墙挡着。原子核带正电,靠近它的正电粒子会被库仑力推开。按经典力学,质子要撞进最轻的锂核,也得先翻过约一百万伏的势垒;更重的核要几百万伏。可是 1920 年代末,能稳稳加在一根真空管上的电压只有三十万伏上下——那已是 X 射线管的极限。照这个算法,人造粒子打开原子核是很多年以后的事。

洞见时刻

裂缝来自另一个方向。α 衰变一直有个怪处:铀核放出的 α 粒子只有四百多万电子伏,可卢瑟福用快一倍的 α 粒子去打铀核,测到的仍是纯粹的库仑斥力——势垒比这高得多,它是怎么出来的?1928 年,伽莫夫、以及格尼与康登各自给出了答案:粒子有波动性,可以穿过它翻不过去的势垒,概率随能量指数变化,但不是零。

同年伽莫夫访问卡文迪什实验室,考克饶夫跟他讨论了反过来的问题:从外面打进去的质子,要多大能量才钻得进轻核?穿透的概率大致由这个因子决定:

P∼exp⁡ ⁣(−2πZ1Z2e24πε0 ℏv)P \sim \exp\!\left(-\frac{2\pi Z_1 Z_2 e^2}{4\pi\varepsilon_0\,\hbar v}\right)

Z1Z_1、Z2Z_2 是两边的电荷数,vv 是相对速度。关键在于电荷越小,指数越不吓人。锂只有 3 个正电荷,质子只有 1 个。据考克饶夫 1951 年的诺贝尔演讲,他在给卢瑟福的备忘录里算出,300 千伏的质子穿进硼核的概率就相当可观,锂的条件更好;沃尔顿在同一天的演讲里记得的数字更低——10 万电子伏的质子也有「虽小但不可忽略」的机会。

小概率之所以够用,是因为人造的质子多。拿这个因子粗估:12.5 万电子伏的质子打锂,穿透因子约万分之二;升到 50 万电子伏,涨到约百分之一点五,多了六十多倍。而 10 微安的质子流每秒就有六千多万亿个质子。不必翻过势垒,只要敲门的次数够多。卢瑟福同意了。

考克饶夫与沃尔顿的第一台装置在 1930 年把质子加到约 28 万伏,他们去找锂发出的 γ 射线,一无所获。实验室搬家后,他们改用倍压整流电路和直玻璃筒搭起一座新的高压塔,1932 年初在《自然》上报告,能给出最高 60 万伏的稳定质子流。

这一次他们不找 γ 射线了,而是在锂靶旁边开一扇云母窗,窗外放一块硫化锌荧光屏,等 α 粒子。1932 年 4 月 14 日,电压才升到 12.5 万伏,沃尔顿就在显微镜里看到了 α 粒子特有的明亮闪烁。它们在空气里的射程约 8.4 厘米;两块屏、两个人各按一个电键,证明 α 粒子是成对飞出的——锂 7 吞下一个质子,碎成两个氦核:

37Li+11H→24He+24He{}^{7}_{3}\mathrm{Li} + {}^{1}_{1}\mathrm{H} \to {}^{4}_{2}\mathrm{He} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}

打进去的质子只有十几万电子伏,出来的两个 α 粒子各带约 8.6 MeV,合计约 17.2 MeV,是入射能量的一百多倍。多出来的能量只能来自原子核本身。按当时的质量表,反应前锂与氢的质量和比两个氦核多出约 0.0154 个原子质量单位,而 17.2 MeV 需要 0.0184;贝恩布里奇不久重测了锂 7 的质量,差额改成 0.0180。今天的原子质量给出 0.0186,合 17.35 MeV。

这常被说成「第一次证实了 E=mc2E=mc^2」。两周后刊出的《自然》短信要克制得多:每次蜕变放出约 1600 万电子伏,「与这种蜕变所涉及的原子质量减少所预期的大致相符」。那时的核质量误差不小,两边真正对上,还要等后来几年质谱与核反应数据的反复校对。

涟漪效应

加速器成了核物理的主角。消息传开,各地立刻跟进。伯克利的劳伦斯小组用回旋加速器重复出锂的蜕变,1932 年 10 月发表;卡文迪什又证实硼、铍等轻元素也能被质子打碎,硼碎成三个 α 粒子。1933 年起,重水从美国寄来,氘核成了新炮弹;1934 年奥利芬特、哈特克与卢瑟福用氘核轰击氘,第一次在实验室里让两个轻核聚合,同时发现了氚和氦 3:

2H+2H→3H+p,2H+2H→3He+n{}^{2}\mathrm{H} + {}^{2}\mathrm{H} \to {}^{3}\mathrm{H} + p, \qquad {}^{2}\mathrm{H} + {}^{2}\mathrm{H} \to {}^{3}\mathrm{He} + n

此后的核物理,靠的是范德格拉夫静电加速器、回旋加速器,以及它们一代比一代大的后裔。倍压高压塔自己也没有退场:费米实验室的质子链,四十年里第一级都是一台 75 万伏的考克饶夫-沃尔顿预加速器,直到 2012 年才换成射频四极加速器。同一种倍压电路还藏在老式显像管电视、复印机与各种小型高压电源里。

反应能量成了称量原子核的秤。既然放出的能量对应质量的减少,量出核反应的能量,就能反推核的质量,与质谱仪互相校对。1933 年贝恩布里奇专门写了一篇《质量与能量的等价》比较两者;1930 年代的核质量表,有很大一部分是这样一个反应接一个反应拼出来的。精度一路提高,2005 年雷恩维尔等人比较硅、硫俘获中子时放出的 γ 光子能量与原子质量差,在一千万分之四的水平上仍然吻合。

原子能的门缝。一次反应放出的能量比打进去的多一百多倍,报纸很快写起「分裂原子」与无穷的能源。可绝大多数质子只是在靶里慢下来、把能量变成热,真正撞上锂核的只是极小的一部分;算总账,输入远大于输出。据《泰晤士报》1933 年 9 月 12 日的报道,卢瑟福在英国科学促进会上说,指望从原子嬗变里获取动力的人是在「说梦话」。据西拉德本人的回忆,他正是读了这篇报道,想到了换一种不带电、不怕库仑势垒的炮弹——中子——就可能让反应自己延续下去。那要等到 1938 年发现核裂变之后才成为现实。

当年的两个反应今天还在用。质子打硼 11 碎成三个 α 粒子、不放中子,被一些聚变研究机构当作「无中子聚变」的候选燃料;质子束打锂靶,则是医院里硼中子俘获治疗所用加速器中子源的常见方案(走的是锂 7 放出中子的另一条反应道,质子要 190 万电子伏以上)。

1951 年,考克饶夫与沃尔顿因此共获诺贝尔物理学奖,距那个四月已经十九年。

如果没有它

这件事本身不会被耽搁太久。1932 年伯克利的回旋加速器已经能把质子推过百万电子伏,华盛顿卡内基研究所的图夫在建范德格拉夫加速器,早几年柏林还有人跑到阿尔卑斯山上拉导线取雷电。只要有人把荧光屏对准一块锂靶,就会看到同样的闪烁;伯克利在几个月内就做到了。

真正会迟到的,是一个判断:原子核的门槛比经典力学说的低得多,而且低多少可以算。考克饶夫与沃尔顿测到的蜕变数目随质子能量上升的曲线,正符合伽莫夫、格尼与康登的势垒穿透理论。这让波动力学第一次在原子核的「入口」得到检验——此前它只解释了粒子从核里「出来」。它也让加速器的设计有了依据:不必死磕百万伏,几十万伏加上足够大的束流就能开始做实验。

1932 年常被称为核物理的「奇迹年」:年初尤里发表了氘的发现,查德威克在 2 月找到了中子,安德森在夏天拍到了正电子,四月的这几粒闪光则给了物理学家一种可以自己控制的炮弹。少了其中任何一件,1930 年代的核物理都要缺一块;少了这一件,缺的是动手的手段——此后几年的人工放射性、核反应截面、核能级的测量,大半都是在加速器上做出来的。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.考克饶夫、沃尔顿《快质子使锂蜕变》,《自然》第 129 卷第 649 页(1932)
  2. 2.考克饶夫、沃尔顿《高速正离子实验(二):高速质子使元素蜕变》,《皇家学会会刊 A》第 137 卷第 229–242 页(1932)
  3. 3.卢瑟福《α 粒子与轻原子的碰撞(四):氮中的反常效应》,《哲学杂志》第 37 卷第 581–587 页(1919)
  4. 4.布莱克特《用威尔逊方法拍摄的氮核放出质子》,《皇家学会会刊 A》第 107 卷第 349–360 页(1925)
  5. 5.伽莫夫《论原子核的量子理论》,《物理学杂志》第 51 卷第 204–212 页(1928)
  6. 6.格尼、康登《波动力学与放射性蜕变》,《自然》第 122 卷第 439 页(1928)
  7. 7.劳伦斯、利文斯顿、怀特《快速质子使锂蜕变》,《物理评论》第 42 卷第 150–151 页(1932)
  8. 8.贝恩布里奇《质量与能量的等价》,《物理评论》第 44 卷第 123 页(1933)
  9. 9.奥利芬特、哈特克、卢瑟福《用重氢观察到的嬗变效应》,《自然》第 133 卷第 413 页(1934)
  10. 10.考克饶夫诺贝尔演讲《高速核子与原子核的相互作用实验》(1951)
  11. 11.沃尔顿诺贝尔演讲《快速粒子的人工产生》(1951)
  12. 12.雷恩维尔等《对 E=mc2E=mc^2 的直接检验》,《自然》第 438 卷第 1096–1097 页(2005)
  13. 13.P. R. Karns、D. S. Bollinger、A. Sosa《费米实验室磁控管负氢离子源的近期运行》,arXiv:1704.08177(2017)——2012 年秋改由射频四极加速器把负氢离子加到 750 千电子伏,取代原先的考克饶夫-沃尔顿预加速器