科学史(下)-第36部分
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质。例如硼受了α射线轰击一会之后，便发出正电子流。其放射性的衰变和
正常的放射性相似，是时间的几何级数，在11 分钟内衰减一半。这种嬗变可
以下列化学方程式表示：
10B＋4He→14N→13N＋中子。
氦核14N 因具有过多能量，是不稳定的，于是分裂为比较稳定的13N 与中
子。然后13N 更缓缓地转变为稳定的碳原子与正电子：
13N→13C＋Σ＋。
这种放射性的氦可以作为具有氦的化学性质的放射气体收集起来。
人们已经利用α射线、速质子，特别是慢中子使很多种物质变成放射物
质，其中慢中子就是对于最重的元素也是有效的。以上只叙述了用直接间接
由放射物质得来的各种粒子轰击元素而造成元素的受控嬗变的情况。这样直
接间接由放射物质得来的粒子为数不多，因此多年来物理学家希望发明人工
制造有效的强粒子流。后来这种希望是实现了。
在氢或其同位素氘里放电，可以得到大量的质子与氘核，但要使它们达
到造成嬗变所必需的高速度，必须在很强的磁场里把它们加速。要取得高达
百万伏特的高电压，便需要大型的工艺装置，并需用现代的高速唧筒，以维
持高度的真空。
科克拉夫特（Cockcroft）与瓦耳顿（Walton）在剑桥进行的实421 验是
这方面的开路先锋。他们利用一套电容器与整流器将变压器的电压增高，现
在所期望的是用大型装置取得具有200 万伏特电压的直流电，它能产生长20
呎的火花。还有一种静电装置是华盛顿的范·德·格拉夫（Van de Graaff）。。
所设计制造的，这装置内有一传输器，不断地将电荷送入一个中空金属绝缘
球去，以致达到500 万伏特的高电位。
加利福尼亚的劳伦斯（E。 Lawrence）教授发明一种加速器，名叫“回旋
加速器”，离子在这装置里经过一个交流电场，和与之正交的磁场。这个装
置使质子和氘核循半径递增的螺旋形的路径而运动，间续地进出于电场。为
了达到交流电位的某一特定频率，离子总是在电力处在可以把离子进一步加
速的运动方向上的时候进入电场。这样，劳伦斯得到了质子和氘核的强粒子
流，其能量高达1600 万伏特，而具有100 微安的电流。这样获得的效果等于
16 公斤的纯镭所射出的α粒子。
这一类的装置无异是将极强有力的武器放在实验者的手里。科克罗夫特
与瓦耳顿证明，可以用大约十万伏特的质子，使锂与硼产生人工的嬗变。从
这种电压以至回旋加速器的几百万伏特，现代的实验室现在有了一系列能量
范围很广的可以引起嬗变的射弹。
锂有质量为6 和7 的两种同位素。在质子的轰击下，有时一个质子进入
7Li 的核。这样产生的8Be 不稳定，立即分裂为两个快速的α粒子，即氦核，
循相反方向射出。如果用氘核代替质子去作射弹，6Li 捅获一个氘核之后，
又产生一个8Be 的核，但具有大量的剩余能量。这种8Be 的核也象前一个反
应一样，分为两个α粒子，但具有比质子进入7Li 而产生的α粒子有更大的
速度。7Li 捕获一个氘核之后形成9Be，。。 再立刻分裂为两个α粒子和一个中子。
这些不过是奥利芬特（Oliphant）和哈特克（Harteck）首先加以研究的
嬗变的几个例子。仅借两万伏特就可以引起这种嬗变，来加速氘核射弹。以
后还研究出许多复杂得多的变化。从实验获得许多新同位素，如质量为3 的
氢（3H），质量为3 的氦（3He）。根据其释放的能量，可以算出这两种同位
素的质量：
2H＋2H=1H＋3H＋E
2。0147＋2。0147=1。0081＋3H＋0。0042。
氢和氘的原子量就是阿斯顿用质谱仪算出的数值。至于上式中所释放的
能量E 值是根据观测质子在空气中的行程（14。70 厘米）而算出的这种行程
说明质子的能量为298 万伏特。释放出的能量的3/4 应归于质子的动能，因
而E 的总值为397 万伏特。根据爱因斯但的理论，质量与能量是等价的；质
量减少dm 相当于释放c2dm 的能量（这里C 表光速，以每秒厘米数计为3×1010），所以与397 万伏特相当的质量为0。0042，因而3H 的质量为3。0171。
劳伦斯和他的同事们利用在回旋加速器里形成的、能量为1600 万伏特的
高速氘核去轰击铋，把它转变为放射性同位素，同天然放射性产品镭E 相同。
这是一个很有兴趣的成果。同样质量为23 的钠或钠盐被高速氘核所轰击，产
生质量为24 的放射性同位素。这种放射性的钠分裂时，发出一个β粒子，而
形成质量为24 的镁的稳定核，其半衰期为15 小时。因此劳伦斯得到强的放
射钠的源，可以作为镭的代用品，用于医疗工作。
查德威克与戈德哈伯（Goldhaber）使用γ射线将氘核2D 分裂为质子与
中子。齐拉德（Szilard）将质量为9 的铍（9Be）分裂为8Be 与一个中子。
这一方法能否发展，取决于能否取得高能强γ射线。
在这一时期里得到250 多种新的放射性物质。这些不稳定的同位素可能
存在于太阳上，也可能存在于刚从太阳分出的地球上，但是随着地球变冷，
它们便消失了，只留下衰变期很长的铀和钍了。
这些人工变化里，有些能量变化甚至比天然放射性分裂中的能量变化还
要大。例如21，000 伏特的氘核可以使一个锂原子变化，而发出2250 万伏特
的能量。因此可以赢得大量的能量，初看起来好象可以在这里得到原子能的
无限源泉。可是在一亿（108）个氘核中大约只有一个可以发挥作用，所以出
入相抵，我们所要供给的能量超过所获得的能量。而且就中子而论，中子自
身只能用效率极低的方法获得。在1937 年，的确，看起来好象用人工改变的
方法从原子中获得有用能量，并没有多大希望。在这一点上，我们应当记得，
在应用科学的历史上，以前希望没有这样大的前景，都曾经使得宗教界的先
知们惊恐万状过。事实上，1939 年哈恩（Hahn）和迈特纳（Meitner）就发
现当铀原子被中子撞击时，它的核分裂为两个主要成分，各占其质量的一半
左右，而且出现二、三或四个中子。乍一看来，这好象就是我们要寻找的垒
集过程，但事实上只有一种铀的轻的同位素（其原子量为235 而不是238）
可以分解到有用的程度，可是只有微量的存在。首先发现质量为235 的铀的
是登普斯特，明尼苏达的尼尔（Nier）和纽约哥伦比亚的布思（Booth），邓
宁（Dunning）与格罗斯（Grosse）旋即研究了它的分解①。同样的过程也发
生于钍。那时许多实验室异常努力地从事这些同位素的分离。虽然困难很大，
但是由于战争的刺激，很快就把这个工作推向高潮。起初轻的铀235 须从戌
分很大的U238 分出，或用小孔弥散法，或用阿斯顿的质谱仪法。分量少时，
由于中子的逃逸，不能引起连锁反应，因而这物质是稳定而无害的。可是如
果将无害的两块物质放在一起，而超过一定的份量，分解就逐渐垒集起来，
并引起巨大的爆炸。
化学反应是由原子外围的电子的变化引起的，这种爆炸却是由于原子核
的破裂所致，自然是一件可怕得多的事情。一磅铀所发出的核能等于很多吨
煤燃烧时产生的热能量。
原子量为238 的铀可用以捕获中等能量的中子，而发射出电子。这个过
程形成一种以前未知的元素，被命名为钚（Pu）。
为了和平的目的，可能需要用“缓和剂”来吸收一些在核反应中释放出
来的中子，借以控制而且减缓核反应。有些轻的原子，如石墨形态的碳，及
前面说过的重水里氢的同位素，都可用作缓和剂。铀238 可以插入缓和剂的
“堆”中，所释放出来的热能可以用来发电。
在1939—45 的战争期间，美英两国的物理学家、化学家与工程师，群策
群力，共同合作，在制造原子弹方面和德国人展开了生死攸关的竞赛，并且
在这一竞赛中取得了胜利。庞大而复杂的原子工厂在美国一个空旷地区建立
起来，1945 年投在日本的两颗原子弹结束了战争。留给各国政治家的工作便
是控制核能的使用，以期使它为人类造福而不是造祸。我们面前摆着可怕的
危险，也许核能的成力会使各国恐惧，从而迫使各国走上和平的道路。战争
的消除当是科学的最大胜利。
同时原子研究的和平应用，已经为戴尔爵士等人所开始了。一个最显著
的例子便是所谓“示踪元素”的使用。靠观测这类元素的性质，可以查明它
①
Aston，MassSpectraandIsotopes，London，1942；TheAtomic Bomb；Stationary Office； 1945。
们存在与运动的踪迹，其中最好的也许是某些放射物质。现今已有数量多得
多的同位素作为原子堆的副产物，供人使用，因此在近年内示踪元素的应用
发展异常迅速。放射原子可以混合在有机物内，作为动物的饲料，这样食物
在体年的运动，可以用盖格一弥勒计数器①去追踪它。我们可以不夸大他说，
放射性示踪元素为生物物理学与生物化学打开了一个完全新颖的领域，且给
予医疗界一个新的诊断法。
还有，放射物质的大量生产已经使放射治疗变得更容易、更便宜了，例
如用以毁灭癌性组织。
还可以把示踪剂混在肥料里，靠估计农作物内的放射性，来测量肥料在
农业生产上的效果。总之，示踪元素用途之广，差不多可以说是无限的。
物理理论的新发展，通常总是使人们要找到描述现象的数学方程式，比
从物理学上加以解释，要容易。例如海森堡与薛定谔的量子力学，通过解决
简单的例子建立起普遍的数学公式，后来才提出一些物理学的解释，例如状
态的叠加和测不准原理，也导致了425 一种满意的非相对论的量子论。
要使量子论成为相对论性的，狄拉克也觉得解决数学方面的问题很容
易，可是在解释上却有困难。他的解释最好用初始的与过渡的机遇来表示②。
这样，物理学如往常一样，仍然停留在概率演算的领域。
爱丁顿在我们所期待的物理学的新综合方面，取得一些进展。由于他把
物理常数，如质子与电子的质量以及它们的电荷等等的理论数值与观测的数
值加以比较，而得到很显著的符合，他成功地把万有引力、电力和量子论联
系起来①。关于现代物理学这方面的问题，可参看弗伦克尔（J。Frenkel）的
一篇综合叙述②。
化学
化学变化的动力学，在现代是一个不断研究的主题。阿累利乌斯首先提
出：在一定量的物质里，只有一定数目的分子参与化学变化，而且这数目是
随温度而增加的。这一理论现在看来是可疑的。现在人们以为这些分子，是
由于“碰撞”④，才变得运动迅速，从而起活化作用⑤，就是在单分子的反应
中也是如此。
氨与硝酸盐是农业肥料所需要的，硝酸盐也是制造开矿用的炸药和军用
炸药所必需的。有一个时期，大家害怕（特别是克鲁克斯）智利的硝酸盐矿
用完后，化学肥料会变得不足，世界小麦的供应也会变得不足。我们看见只
有在战争时期才发生过这个现象。在正常和平时期是没有这个现象的。植物
育种者已经培养出小麦的变种，可以适应北方的寒冷区域，因而扩大了种植
① 在盖格…弥勒计数器里，有一细丝沿一圆柱导体伸出。在丝与柱之间有1000 伏特的电位差，使观测者得
探查出一个电子的进入器内。
②
RoyalSociety，BakerianLecture；1941。
①
Proc。 Physical Sociefy；LIV， 1942，p。491。
②
Nature， Sept。30 andOct。7，1944。
③ Alexander Findlay； AHundred Years of Chemistry；London，1937。A。J。Berry，ModernChemistry，Cambridge；
1946。
④
C。N。Hinshelwood，The Kinetics of ChemicalChangeinGaseous Systems。
⑤
F。A。 Lindemann（LordCherwell），FaradaySoc。l922。
面积，化学家也用合成方法制出了氨与硝酸盐。
卡文迪什曾将电火花在空气里通过，而得到酸。一百年后挪威的伯克兰
（Birkeland）与艾德（Eyde）把这一方法加以大规模的发展。奈恩斯特
（Nernst）与约斯特（Jost），继后，哈伯（Haber）与勒·罗西诺尔（LeRossigno1）研究了氨、氮和氢在各种温度与压力下的平衡，并且利用各种催
化剂的帮助，于1905 年前后研究出一种实验室方法，从空气制成了氨，而且
到1912 年，哈伯的方法已经在工业和军事的用途上取得了成就，这是由于在
1914—1918 年的战争期间受了德国需要硝酸盐的巨大刺激的缘故。这个方法
就是使氮与氢在200 或更高的大气压与500℃的温度下，在一种催化剂上面
流动。再使氨与硫酸或硫酸钙起作用，而变成了硫酸氨，或将加热的氨和空
气一道通过象铂绒那样的催化剂，使氨变成硝酸氨。
一百多年前开始研究的一些催化剂，现在对于化学的动力理论与许多化
学工业，起了很重要的作用。催化剂很久以来就用于象哈伯法那样的反应中，
近年来应用得更广。将氢气通过混有镍屑的热油液，油便氢化，而变成一种
熔点较高更可口的脂肪。在高压下使氢气通过碳粉与煤焦油混合的热糊剂，
并用一种适当的催化剂，可使其氢化，生成物经过蒸馏，便成为汽车用的轻
油、中油和重油。催化剂用途的例子，多至难以一一列举①。
莫斯利的元素表中的缺空，现在已经差不多填满了。1925 年，W。和I。
诺达克（Nodack）使用X 射线分析，发现了43 和75 号元素，而命名为锝与
铼。1926 年B。S。 霍普金斯（Hopkins）宣布他发现了61 号元素鉯（ H 即钷
Pm）。这或许还没有得到完全的证实。周期表上的倒数第�
