第十四章B原子核的人工轉(zhuǎn)變

第十四章B原子核的人工轉(zhuǎn)變從天然放射性衰變中可以知道原子核是可以轉(zhuǎn)變的，那么能不能用人工方法使核發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而研究其變化規(guī)律呢？再進(jìn)一步想，能不能用人工方法使原子核按人們的需要來改變，比如制造重金屬等，實(shí)現(xiàn)真正的“點(diǎn)石成金”。北京正負(fù)電子對撞機(jī) 蘭州重離子加速器（主體部分）圖14-4 圖14-51919年盧瑟福用a粒子轟擊原子核，實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)人工核反應(yīng)，在以后的數(shù)十年間，許多國家都建造了大型粒子加速器，用它們深入地研究核和粒子的奧秘，圖14-4是我國建造的正負(fù)電子對撞機(jī)，圖14-5是蘭州重離子加速器主體部分。利用這些設(shè)備科學(xué)家進(jìn)行著各種各樣的人工核轉(zhuǎn)變。什么是原子核的人工轉(zhuǎn)變？世界上首例原子核人工轉(zhuǎn)變是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢?一、原子核的人工轉(zhuǎn)變氮?dú)?氮?dú)鈭D14-6用人工的方法使原予核發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程叫做原子核的人工轉(zhuǎn)變。盧瑟福用a粒子轟擊氮核的實(shí)驗(yàn)，是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)原子核人工轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖14-6所示。A是放射性物質(zhì)，F(xiàn)是銀箔，選擇銀箔的厚度使從A射出的a粒子恰好能被完全吸收，而不能穿過。S是熒光屏，M為顯微鏡，可以觀察熒光屏上是否出現(xiàn)閃光，當(dāng)容器通過閥門T通入純凈的氧氣或二氧化碳時(shí)，熒光屏S上沒有閃光，說明這時(shí)a粒子已全部被銀箔F吸收。當(dāng)容器內(nèi)通入純凈的氮?dú)鈺r(shí)，熒光屏S上出現(xiàn)閃光。盧瑟福認(rèn)為，這些閃光一定是a粒子擊中氮核后，產(chǎn)生能量較大的新粒子透過銀箔引起的。氮?dú)?氮?dú)鈭D14-6后來，測出這種粒子的質(zhì)量和電量，才知道它就是氫原子核，即質(zhì)子。原子核在人工轉(zhuǎn)變過程中的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)也應(yīng)當(dāng)是守恒的，因而以上實(shí)驗(yàn)中的人工轉(zhuǎn)變過程，可用核反應(yīng)方程表示：14N+4He—17O+11H。7 2 8 1自主活動(dòng)完成下列人工轉(zhuǎn)變過程的核反應(yīng)方程:

（1）i99F+42He—i]H+。（2） 23]]Na俘獲1個(gè)a粒子后放出一個(gè)質(zhì)子。圖14-7是a粒子穿過充滿氮?dú)獾脑剖視r(shí)拍攝的照片，在許多a粒子的徑跡中有一條徑跡發(fā)生了分叉，分叉后細(xì)而長的是質(zhì)子的徑跡，粗而短的是一新生的氧核的徑跡，分叉處就是氮核俘獲a粒子發(fā)生人工轉(zhuǎn)變的地方。大家談圖14-7云室照片中的分叉徑跡，為什么“細(xì)而長的是質(zhì)子徑跡，粗而短的是氧核徑跡”？后來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，除了氧和碳之外，原子序數(shù)在21以下的較輕元素的原子核，在a粒子轟擊下都能發(fā)生類的轉(zhuǎn)變，都放出質(zhì)子。于是，盧瑟福認(rèn)為氫核是原子核的組成部分，他把氫核命名為質(zhì)子（proton），用符號[P表示。 圖14-7隨著質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)，人們又在思索：質(zhì)子的電荷數(shù)是1，質(zhì)量數(shù)也是1，如果原子核全部是由質(zhì)子組成的，那么任何原子核的電荷數(shù)跟質(zhì)量數(shù)應(yīng)當(dāng)是相同的，但實(shí)際上原子核的電荷數(shù)只有質(zhì)量數(shù)的一半，或更少些。這個(gè)問題又該如何解釋呢？中子的發(fā)現(xiàn)1920年，盧瑟福在一次演講中提出猜想：“在某種情況下，有可能由一個(gè)電子更加緊密地與氫核結(jié)合在一起組成一個(gè)中性的雙子。這樣的原子也許有很新穎的特性……它應(yīng)很容易進(jìn)入原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部，或者與核結(jié)合在一起，或者被核的強(qiáng)場所分解……”這就是盧瑟福的中子假說。1930年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)放射性元素針（Po）發(fā)出的a粒子轟擊鈹（Be）時(shí)會產(chǎn)生一種看不見的射線，它的貫穿本領(lǐng)極大，在電場和磁場中都不會偏轉(zhuǎn)，因此確認(rèn)它是由一種不帶電的中性粒子組成的。1932年，約里奧?居里夫婦也做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并用這種未知的射線轟擊含氫的石蠟（圖14-8），發(fā)現(xiàn)放出了有巨大能量的質(zhì)子，因而他們認(rèn)為這種中性粒子就是能量很大的Y光子。軸『Be） 石蠟針（P。）喋! 廠*青w二二二二質(zhì)子件一…「土、新粒子圖14-8盧瑟福的學(xué)生查德威克（1891-1974）看到并仔細(xì)分析了約里奧?居里夫婦的文章，他立

查德威克圖14-9查德威克圖14-9通過動(dòng)量守恒與能量守恒計(jì)算出其質(zhì)量近似等于質(zhì)子質(zhì)量。查德威克于1932年2月17日在《自然》雜志上發(fā)表了這一結(jié)果，并將這一中性粒子命名為中子（neutron），用符號i0n表示。中子誕生了！它是原子核的組成部分。這一發(fā)現(xiàn)是原子核人工轉(zhuǎn)變的又一個(gè)重要成果，產(chǎn)生“鈹輻射”的核反應(yīng)方程是：4 9Re—>1 12L4e9e1^n12—。2 4 0 6中子的發(fā)現(xiàn)使查德威克榮獲了1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而約里奧?居里夫婦則因判斷失誤，與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)失之交臂。大家談人工轉(zhuǎn)變與放射性衰變有什么區(qū)別？*三、放射性同位素前面提到過的126C與146C，有什么區(qū)別呢？它們的質(zhì)子數(shù)相同，即核外電子數(shù)相同，因而它們的化學(xué)性質(zhì)相同，屬于同一種元素一一碳。但它們的中子數(shù)是不同的。146C比126C多兩個(gè)中子，而且具有放射性。這種有相同的核電荷數(shù)和不同中子數(shù)的元素叫同位素。具有放射性的同位素叫放射性同位素，通常說的21H（氘）、3]H（氤）和11H（氫）是同位素，23492U、23592U和23892U也是同位素。約里奧?居里夫婦用a粒子轟擊鋁箔時(shí)，除探測到中子外，還探測到正電子（正電子的質(zhì)量跟電子相同，帶一個(gè)單位正電荷，符號是01e）o奇怪的是把a(bǔ)粒子源移開之后，鋁箔不再發(fā)射中子，但仍繼續(xù)發(fā)射正電子。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)正電子是從新生成的磷核中發(fā)射出來的，a粒子轟擊鋁核的核反應(yīng)方程是：2713Al+42He一30]5P+10n。新生成的3015P是磷的一種同位素，它具有放射性，也有一定的