趣味地球化学最新章节_亚历山大·叶夫根尼耶维奇·费尔斯曼著

原子分裂
——铀和镭

放射性元素

我们已经知道，地球化学的基础是原子，原子是“不可分的”。那么这种物质粒子到底是什么呢？真的“不可分”吗？118种原子在构造上就一定没有相同之处吗？

物理学和化学对于原子的概念基础一直是原子是不能再分的小球体。所以才能解释每种原子的性质。科学家们虽然猜测过原子有复杂的结构，却没有深入研究过。直到1896年，著名的法国物理学家 贝克勒尔 发现了一种奇特的现象，那就是铀能够放射出一种从未见过的射线。不久之后，居里夫妇发现了新元素——镭，镭的放射情况要比铀的清楚许多。从这时候起人们意识到原子有着非常复杂的结构，在经过居里夫人、 约里奥-居里 夫妇（玛丽·居里夫人的女儿和女婿），以及其他科学工作者的努力，终于搞清楚了原子结构。我们不但知道了构成原子的是哪些粒子，而且了解了这些粒子的大小和重量，它们如何排列，还有是什么样的力量将它们结合了起来。

之前说过，原子的直径虽然只有一亿分之一厘米那么小，但结构却是像太阳系那般复杂。原子中心的原子核直径只有原子直径的十万分之一，但原子质量却几乎集中在这小小的核上。原子核带正电，而且原子越重，带正电的小粒子越多。每种原子的小粒子数正好等于该原子的原子序数。原子核外是电子，电子在离核距离不同的轨道上绕核旋转着。并且，电子个数也等于该原子的原子序数，所以整个原子是呈电中性的。

再说回原子核，原子核是由最简单的两种小粒子组成，一种就是带正电的小粒子，即质子，另一种是不带电的粒子，也就是中子。质子其实就是氢原子核，中子也是实质的粒子，质量与质子质量差不多。在原子核里，质子与中子结合得很紧密，所以原子核在化学反应中非常稳定，不发生变化。

打开元素周期表，从轻元素看向重元素，我们会发现：

●轻元素的原子核中含有差不多个数的质子和中子，因为这些元素的原子量大约是原子序数的两倍。

●重元素的中子数多于质子数，再往后，中子比质子多了许多，这时候原子核就变得不稳定了。

从第81号元素铊起，就存在不稳定同位素了。不稳定的元素原子核会自己分裂，放出大量能量的同时也变成了另一种元素的原子核。从第84号元素钋开始，元素的原子核都是不稳定的，这些元素被称为放射性元素。

放射性是原子自我分裂的一种性质，原子放射后成为别的原子，同时以各种射线的形式放出能量，这样的射线有三种：

●第一种射线是α射线，它是实质的粒子，每个粒子带2个正电荷，每个α粒子的重量是氢原子的4倍，由此可以看出，这种粒子其实是氦原子核。

●第二种射线是β射线，它是一种高速飞射的电子流。

●第三种射线叫γ射线，波长比X射线短。

镭盐放射衰变

我们把1克左右的镭盐放在小玻璃管中，并把管子两头熔化封口，然后开始观察镭盐放射衰变时的现象。

第1步： 如果有可以精密测量温度的仪器，我们就可以看到这个盛镭盐的玻璃管的温度要高于周围环境。这说明在放射衰变，也就是原子核分裂的过程中，会有大量的能量放出。

实验证明，1克镭“衰变”1小时可以放出140 卡的热，如果让它连续衰变到铅，这个过程差不多要2万年，放出的热大约是290万大卡，相当于半吨煤燃烧发出的热量。

第2步： 将盛镭盐的玻璃管平放，用小抽气机抽出管里的气体，并将气体输进已准备好的一只已抽去空气的玻璃管中。然后，把这只玻璃管也熔化封口，我们发现这个玻璃管在暗处也会和盛着镭盐的玻璃管一样发出浅绿色或浅蓝色的光。这便是次级放射现象，是由镭产生的另外一种放射性元素氡引起的，氡也是一种稀有气体。

在40天以内玻璃管中的氡含量是不断增加的，之后保持不变。这是因为40天后氡的衰变速度等于产生它的速度。氡的放射性可以用带电的验电器验证，方法是把盛着氡的玻璃管拿近验电器。射线会把周围的空气变成离子，这样空气就成了导电体，验电器上的电性就失去了。如果每天都做上面的实验，日子一长，就可以看出，盛氡的玻璃管对于带电验电器的作用越来越小。3.8个天后，作用力失去一半；（氡的半衰期是3.8天）40天后，玻璃管对验电器一点儿作用都没有了。

如果人为地在这个玻璃管中造出放电现象，再用分光镜观察气体放电时的发光现象，就会发现另一种气体的光谱，这个新出现的气体便是氦。

第3步： 把放镭盐的玻璃管保存好多年后再将其取出，然后用灵敏的分析方法看内壁上有没有其他的元素，就会发现空玻璃管中有极少量的铅。1克镭1年的衰变结果是生成4.00×10 ^-4 克的铅和172立方毫米的气体氦。

可见，镭的放射过程会接连生成新的放射性元素，一直到生成没有放射性的铅为止。其实镭本身也是由铀开始的一连串衰变当中的一个产物。放射性元素衰变过程中产生的一系列元素，叫作放射系。

现在有4种放射系，包括3个天然放射系和一个人工放射系。

第一个是铀—镭系，原始核是铀238，它共经过14次连续衰变，包括8次发射α粒子的衰变和6次发射β粒子的衰变，最后衰变为不带放射性的稳定核素铅206。居里夫妇所发现的镭及氡都是这个衰变链的中间产物，故也称为铀—镭系。

第二个是铀—锕系，衰变的起始核是铀的一种同位素铀235，共经过11次连续衰变，其中7次α衰变和4次β衰变，终核是稳定核素铅207。

第三个是钍系，起始核是钍212，共经过10次连续衰变，包括6次α衰变和4次β衰变，最后衰变成的终核是稳定核素铅208。

第四个是人工放射系镎系，起始核是钚241，此放射系共经过13次连续衰变，包括8次α衰变和5次β衰变，终核是稳定核素铋209。

放射性元素的衰变

放射性元素的所有原子核都是不稳定的，并且在一定时间内衰变的概率相同。所以，含有成千上万放射性原子的物质，衰变的速度是固定的。科学证明，不管是接近0℃的低温还是上千摄氏度的高温，不论是几千个大气压的压力还是高压放电，任何物理或是化学作用都不会对放射性元素的衰变造成影响。

放射性元素的蜕变速度一般用半衰期T来衡量，也就是全部放射性原子衰变一半所用的时间。很明显，这个时间对于各种不同的放射性元素来说都是不同的，但对于某种放射性原子来说却是一定的。

放射性元素的半衰期差异很大，最不稳定的原子核可能不到一秒钟就变了，但像铀和钍这类的元素却需要好几十亿年。在连续衰变的过程中，下一代的原子核和上一代一样也是不稳定的，也会放射，就这样衰变下去，最后便生成了稳定的原子核。这其实就是放射系的过程。

之前也提到过，放射性元素衰变时会放出大量的热。地球之所以发热，正是因为这巨大的热量。它们还同时放出的氦，飞艇和气球里充满的就是氦气，如果从地球的存在之日算起，氦气的数量足有好几亿立方米。衰变作用其实也是一只天然钟表，我们可以根据它算出地球从形成固体到现在有多少年了，还有各种岩石又生成了多久。

那么，怎样利用铀、钍和镭的衰变来测定地质年代呢？让我们来揭晓答案，原理是不论是物理作用还是化学作用，放射性元素的原子还是会以一定的速度衰变。还有，它们衰变后生成了的氦原子和铅原子会随着衰变时间越来越多。

我们已经知道1年里1克铀或1克钍产出的氦和铅的量，然后再测定出某种矿物里所含铀、钍、氦和铅的量，根据氦对铀和钍，铅对铀和钍的数量比率，就能够算出这种矿物已经存在多少年了。

含有铀和钍原子的矿物就像是一个沙漏，让我们来看看沙漏的构造。它是上下连通的两个容器，上面容器里盛着一定量的沙。开始计时时，将沙漏固定，这样沙就会在重力的作用下，慢慢地从上面的容器掉入下面的容器里。装入的沙子重量，是正好可以让这些沙子经过10分钟或更长的时间完全掉入下面的容器。用沙漏可以测量任何时间间隔，因为沙子是依照固定的速度往下掉的，只要先称好总沙的质量，再称下瓶中沙的质量，就可以知道从开始漏沙到现在已经过去了多长时间。科学家们根据类似于沙漏的计时手法测量地球上存在的矿物，发现有些矿物差不多已有20亿年的历史，这样我们便能看出，我们的地球真的是一颗古老的星球，它的岁数不论怎样都比20亿年大很多啊！

最后，再为大家讲一个现象。不知道大家还记不记得我曾经讲过，从第84号元素起，除了有稳定的同位素，还有不稳定有放射性的同位素。在稳定的原子核中，质子与中子个数有一定比率，但如果比率受到破坏，原子核就会不稳定。如果核里中子数过多，原子就会有放射性。

放射性的威力

科学家们考虑到元素原子核的有放射性的性质，便想利用人类技术改变原子核里质子数与中子数的比率，这样，就能把稳定的原子核变成人造放射性元素。要做到这个需要一些特别的“炮弹”，它不能比原子核大，并且可以带着大量的能量去冲击原子核。

首先，科学家们想到可以将α粒子作为“炮弹”去破坏氮原子核，英国物理学家 卢瑟福 是第一个做成这个实验的人，他于1919年用α射线冲击氮原子核，观察到氮原子核里飞出了质子。

15年后的1934年，法国青年科学家约里奥－居里夫妇利用由钋放射出的α粒子轰击铝，发现在α粒子的轰击下，铝不但放射出含有中子的射线，并且在停止轰击后，还可以在短时间内保持发出β射线。他们对此进行了化学分析，确定这时不是铝原子在进行放射，而是磷原子，磷原子是铝受到α粒子的作用后生成的。就这样，人类制得了第一批人造放射元素，打开了人工放射的大门。

不久后，科学家们决定使用另一种“炮弹”——中子。中子与α粒子相比更容易钻进原子核中，因为α粒子带正电，所以它一接近原子核，立刻会受到原子核的排斥。而中子不带电，原子核不会排斥它，那中子就能比较轻松地钻进原子核内部。科学家们利用中子冲击的方法已经制出了很多不稳定的人造放射性同位素。

铀235原子核链式反应图示

1939年人们发现，当带有少量能量的中子轰击元素铀时，铀原子核发生了另一种方式的衰变。这时候的铀原子核分裂成大小差不多的两块，这两块其实是元素周期表中部的两种元素的原子核，是它们不稳定的同位素，这叫对半分裂衰变。一年后，青年物理学家彼得尔扎克和弗廖罗夫发现，在自然界中也有这种衰变，只不过这种衰变比较稀少罢了。有多稀少呢，这么说吧，如果铀是按照普通方式衰变，半衰期是45×10 ⁸ 年，但若是按照对半分裂的方式衰变，半衰期则是44×10 ¹⁵ 年，所以第二种衰变方式的概率是普通衰变的千万分之一，但对半分裂衰变时放出的能量要远远多于普通衰变放出的能量。

铀锅

1946年，科学证明铀按照新方式放射时，除了会生成不稳定的原子核外，也会生成某种稳定的原子核。也就是说，铀在普通衰变时会生成氦原子，而在对半分裂衰变时则会生成氙原子或氪原子。

用中子轰击铀生成一系列新元素，超铀元素——第93号镎、第94号钚、第95号镅、第96号锔、第97号锫、第98号锎等，它们都在门捷列夫元素周期表中。最有趣的地方是人类可以调节对半分裂衰变的速度，如果大大加快这个过程，让1千克金属铀在一瞬间完全衰变，那它放出的热量相当于2000吨煤燃烧那样多，是非常惊人的大爆炸。爆炸之后的裂块会继续释放能量寻求平衡，直到它们变成比较稳定和缓慢衰变的金属原子为止。这其实就是原子弹为何会有如此大破坏力的原因。

奥本海默的故事

原子能的时代不可避免地到来了，虽然发展到今天，我们人类拥有了威力空前的武器。但是我不想多歌颂它，不想宣扬我们人类是多么的伟大，我只想给大家分享一下“美国原子弹之父”——奥本海默的故事。

1939年9月，第二次世界大战在欧洲爆发了，情报也显示德国已经在科学家海森堡的主持下进行原子弹的研究。美国罗斯福总统下达总动员令，开始了最高机密的曼哈顿计划，目标是赶在德国之前制造出原子弹。计划主持人是雷斯理·格劳维斯少将，格劳维斯选定奥本海默为发展原子弹计划主任。众多科学家，包括以和平主义者著称的爱因斯坦在其中起到了推动作用。他们的动机，主要是由于纳粹德国对这种武器的加紧研制严重威胁着整个人类文明，但也并不排除奥本海默曾提及的其他原因，如为了早日结束战争，以及对于原子科学的技术应用的好奇和冒险意识等。

然而，要把原子核裂变所提供的理论上的可能性，真正变成军事上可靠易行的原子武器，其间所需克服的理论、方法、材料，直到技术工艺上的种种难题，无疑是对于人类才智的极大挑战。

1942年8月，奥本海默被任命为研制原子弹的“曼哈顿计划”的实验室主任，在新墨西哥州沙漠建立洛斯阿拉莫斯实验室。3年后，洛斯阿拉莫斯实验室成功地制造了第一批原子弹，随后在阿拉摩高德沙漠上空引爆，并发出耀目闪光及冒起巨型蘑菇状云。

1945年8月6日上午8时15分17秒，美国空军朝日本广岛投下了第一枚原子弹。当原子弹爆炸时，奥本海默想到了古印度《摩诃婆罗多经》中的《福者之歌》：

漫天奇光异彩，犹如圣灵逞威，只有千只太阳，始能与它争辉。

奥本海默领导着整个团队完成了这场杜鲁门所盛赞的“一项历史上前所未有的大规模有组织的科学奇迹”，从而不仅验证了科学技术的巨大威力，为尽早结束战争做出了贡献，也为自己赢得了崇高的声誉，成了举国上下人所共知的英雄。他被人们誉为“原子弹之父”。但是，面对这至高无上的荣誉，他却说：“我感觉我的双手沾满了鲜血。”

所以在奥本海默担任了原子能委员会主席后，他怀着对于原子弹危害的深刻认识和内疚，怀着对于美苏之间将展开核军备竞赛的预见和担忧，怀着坚持人类基本价值的良知和对未来负责的社会责任感，和爱因斯坦满腔热情地致力于通过联合国来实行原子能的国际控制和和平利用，主张与包括苏联在内的各大国交流核科学情报达到核弹知识技术透明化，并反对美国率先制造氢弹。现在，国与国之间之所以没有出现过于强盛的大国霸权，奥本海默居功至伟。