打开原子的大门-第16章
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0。000000000000000000000001673克。
1个中子的质量是：
0。000000000000000000000001675克。
1个电子的质量是：
0。000000000000000000000000000911克。
它们太小了，我们在计算它们的质量的时候，不能老是在小数点后面去画一大串0，数一大串0，为了方便起见，需要规定一个衡量它们的专用质量标准。
现在科学家统一采用的标准是碳的同位素 12 6 C的原子质量（0。00000000000000000000001993克）的1／12。把它叫做1个原子质量单位，符号是u。
1个原子质量单位（1u）
＝0。00000000000000000000000166克。
当然 12 6 C的质量是12u。按此原子质量单位计算：
质子的质量是1。00728u
中子的质量是1。00867u
电子的质量是0。000549u
既然原子是由质子、中子和电子组成的，那么，一个原子的质量就应该等于组成它的基本粒子的质量的总和了。但是，实际上并不这样简单。
那位善于测量原子核质量的阿斯顿，把他的仪器不断改进，测量得越来越准，结果问题就来了。
氦原子核是由2个质子和2个中子组成的，外面有2个电子。
氦 4 2 He原子的质量应该是：
2×1。00728＋2×1。00867＋2×0。00055＝4。033u。
可是实际测量得到的 4 2 He原子的质量则是：
4。00260u，亏损了0。0304u。
碳同位素 12 6 C的核中有6个质子，6个中子，原子核外有6个电子。因此它的原子质量应该是：
6×（1。00728＋1。00867＋0。00055）＝12。099u。
实际上 12 6 C的质量是12u，又亏损了0。099u。
再看铀 238 92 U的原子，它的核由92个质子和146个中子组成，核外有92个电子。这些粒子的质量加在一起应该是239。986u。但直接测量得的 238 92 U原子的质量却是238。051u，又亏损了1。935u。
这可真是怪事！
二加二不等于四，二加二竟然小于四！
用质子、中子和电子这些基本砖石构成预制件——原子的时候，总是要亏损一些质量。
这些亏损的质量哪里去了呢？物质守恒定律是不是错了呢？
核子的结合能
我们用砖块砌墙，要用沙浆把砖块粘在一起。砌好的墙的总质量，一定比所用的全部砖块的质量大，因为还要加上沙浆的质量。
核子结合成原子核的情形正好相反。用物质世界的基本砖石——质子和中子砌成的预制件——原子核的质量反而变小了，似乎在原子核里把质子和中子粘在一起的沙浆有负的质量。
难道质量还会有负的？
质量不会有负的。但是在原子核里，质子和中子确实是靠亏损掉的质量而紧密地结合在一起的。这又是怎么回事呢？
在1905年，伟大的物理学家爱因斯坦曾经提出来一个非常重要的定律。这个定律说，当一个过程放出能量E的时候，就会亏损掉一部分质量m，能量和质量的关系是：
E＝mc 2 或m＝E／c 2
公式中C是在真空中光的速度，约等于
300000000米／秒。
反过来，当一个过程得到能量时，质量又会增加一部分。
真的是这样吗？为什么在我们平常接触到的各种现象中没有发现这种情况呢？
这是因为我们接触到的吸收或者放出能量的过程，一般都属于物理变化和化学变化。和核反应相比，物理变化和化学变化吸收或放出的能量要少得多，相应地引起的质量的变化也极小，因而难以察觉。
正像前面讲过的，由质子和中子合成4克氦原子核的时候，质量会亏损0。03克。这时会放出多少能量呢？按公式E＝mc 2 计算，放出的能量：
E＝0。00003×（300000000） 2
＝2700000000000（焦耳）
但是，当把4克氢（和32克氧）燃烧成水时放出的能量是480000焦耳。根据爱因斯坦公式，这样多的氢和氧生成水后，质量会亏损多少呢？由m＝E／c 2 ：
480000
m＝————————
（300000000） 2
＝0。0000000000053（千克）
＝0。0000000053克
这亏损掉的质量是非常小的，当然是很难察觉和测量出来的。
对比一下，用4克氢当燃料烧成水的化学反应放出的热量大约可以把1公斤水烧开，而在合成4克氦原子的核反应中，放出的热量可以把5000吨水烧开，两者大小相差达到500万倍！
反过来，如果要把氦原子核拆开成为质子和中子，也需要让氦原子核获得同样多的能量，不然就补不回亏损的质量。这种由若干个质子、中子等核子结合成原子核的时候放出的能量，叫做原子核的结合能。
结合能为什么这样大呢？这是因为核子间的作用力——核力是一种很强的力。
在过去，人们只知道宇宙间存在着两种作用力。第一种作用力是万有引力，第二种作用力是电磁作用力。在打开原子核以后，人们发现了第三种作用力——核力。
关于核力的详细情形目前还不清楚，但是有一点是可以肯定的，就是在极短的距离之内，核力是非常非常大的。有人估计，它要比万有引力大10 38 倍！
万有引力无论距离多远都能起作用。核力就不同了，只有当核子的距离比0。0000000000001厘米还小的时候，强大的核力才发生作用。比这距离稍远一些，核力就不起作用了。所以原子核是非常小而且又是非常牢固的。
科学家们仔细地测量了各种原子核的质量，算出了由基本粒子构成原子核的结合能。
太阳为什么能够不停地发出极大量的光和热呢？贝特在1938年指出：在太阳的炽热的核心里正在发生着四个质子合成一个氦核（同时放出两个正电子）的过程。正像上面计算的那样，在这过程中放出大量的结合能。
这是热核能，也就是核聚变能。
科学家还用计算证明，如果把重的原子核，例如铀核，分裂成两块的话，也会放出大量的能量。
1克 235 92 U分裂成差不多相等的两块时，放出的能量如果都能转化成电能，就相当于23000度电。
这是核裂变能。
但是，怎样才能使铀原子核分裂成两块，放出这样多的能量来呢？
从预言到成为现实，只用了不到十年的时间。
用中子当炮弹
小居里夫妇的发现为研究原子核的科学家打开了新路。大家都在研究用人工方法制造新的放射性元素。才几年，他们就制造出400多种人造放射性元素。
意大利的科学家费米认为，用α粒子轰击原子核并不是理想的办法，因为α粒子带两个阳电荷，在射到别的原子核里去的时候，同性电荷相斥，就很难射中。他决定换用中子作炮弹。
将镭射气——氡和铍粉封在小玻璃管中，氧放射出来的α粒子打在铍上就产生中子。这就是一个不断发射中子的中子源。
费米用中子去轰击各种元素。他按照周期表的次序去试验。结果，前8个元素——从氢到氧，用中子轰击以后都没有什么反应。但是用中子轰击氟的时候，盖革计数器响了。
用中子轰击氟，生成了人工放射性元素。这种人工放射性元素放出β射线，也就是带阴电荷的电子流。
中子不带电，氟原子核里多了一个中子，所带的阳电荷数并不改变，只是质量增加了一个原子质量单位，所以生成的是氟的同位素：
1 0 n＋ 19 9 F→ 20 9 F
这种氟同位素是放射性的，它放出β射线——电子流。当然，核的阳电荷数目就要增加，变成原子序数比氟大1的氖：
20 9 F→ 20 10 Ne＋e …
费米继续做的试验很顺利，在氟以后的元素大都可以被中子击中，变成放射性元素，而且花样很多。
铝原子核被中子击中后放出α粒子，变成放射性钠：
1 0 n＋ 27 13 Al→ 24 11 Na＋ 4 2 He
放射性钠放出β射线后变成稳定的镁：
24 11 Na→ 24 12 Mg＋e …
磷原子核被中子击中后放出质子，变成放射性硅：
1 0 n＋ 31 15 P→ 31 14 Si＋ 1 1 H
放射性硅放出β射线后变回成稳定的磷：
31 14 Si→ 31 15 P＋e …
碘原子核被中子击中以后什么粒子也不放出，变成放射性碘：
1 0 n＋ 127 53 I→ 128 53 I
放射性碘放出β射线后变成稳定的氙：
128 53 I→ 128 54 Xe＋e …
费米用中子做炮弹，一下子就制成许多种放射性同位素。同时，他还发现周期表中的重元素（原子序数大的元素）的核在被中子击中以后，都不放出α粒子或质子，而是生成原来元素的放射性同位素。这些放射性同位素都是放射β射线的。
放射β射线，也就是放射电子，放射的结果是原子核减少一个单位阴电荷（也就是增加一个单位阳电荷），变成原子序数增加1的另一种元素。
铀是周期表上当时已经发现的最后一个元素，它的原子序数是92。人们早就想找到铀后面的元素，但是一直没有找到。
费米想：可不可以用人工来合成铀后面的元素呢？
他用中子轰击铀，果然得到了放射β射线的同位素。在放射β射线以后，它就应该成为原子序数是93的元素了。用中子再轰击93号元素，就会生成94号元素；再轰击94号元素，又会生成95号元素。
费米做过实验以后，在1934年宣布他用人工方法制造出来了超铀（原子序数比铀大的）元素。它们的原子序数是93、94、95。
费米还仿照门捷列夫的办法，把自己发现的93、94、95号三个元素分别起名叫做“类铼”、“类锇”和“类铱”。
费米犯了一个错误
人工制造出了超铀元素！
这又是一个重大的发现。几乎各国有名的原子科学家都相信费米的实验结果，相信真的制造出了93、94和95号元素，但是有一位科学家持不同的意见。
就在费米宣布制出超铀元素的那一年，《应用化学杂志》上刊登了一封来信。信中指出：“用中子轰击重核，可能使这核分裂成几个大块的碎片。当然，这些碎片必然是已知元素的同位素，而不是这重元素相邻的元素。”
这封信是德国女科学家诺达克写来的。她曾经发现了元素铼，后来一直在寻找着超铀元素。她认为费米没有制出来超铀元素，因为费米提出的新元素的化学性质，更像已知的元素。
诺达克的意见没有受到重视。当时世界有名的德国放射学专家哈恩也认为，诺达克的看法纯粹是谬论。
但是，少数人的意见并不一定是错误的。4年以后，才证明费米错了，诺达克是正确的。作出证明的恰恰是哈恩自己。
在费米宣布他的发现以后，许多支持费米的科学家都在重复费米的实验，想研究一下93、94和95号元素的性质。他们大多得到和费米同样的结果。
1938年，小居里夫妇用中子轰击纯铀，然后进行分析。他们有了新发现，在轰击过的铀中发现了元素镧。镧是57号元素，它在中子轰击以前的铀中是没有的。换句话说，镧是在中子轰击铀以后产生的。
哈恩听到这个消息以后，再也坐不住了，立刻跑到实验室里做起实验来。
哈恩和他�
