书城童书学生最想知道的未解之谜:迷雾笼罩的科学
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第52章 室温核聚变现象之谜

1989年3月23日,美国化学家犹他大学化学系主任斯坦利·庞斯和英国化学家南安普敦大学的马丁·弗莱希曼教授在新闻发布会上宣布:他们经过5年多的研究,使用简单的实验装置,实现了“室温核聚变”。这不啻一声惊雷,震惊了全世界,更给肃穆神秘的核聚变研究带来了活力。

所谓核聚变反应,就是两个较轻的原子核聚合,形成质量较大的核,同时放出巨大的能量。恒星内部就在进行着这样的反应,它向外辐射的能量(如光等)就来自这样的反应。例如,太阳内部现在在进行着氢核聚变成氦核的反应。每秒燃烧约500万吨氢,每年向外辐射出约3.0×1031千卡能量。人工核聚变反应首先是用加速器实现的。1920年,世上第一台实用粒子加速器由英国物理学家考克罗夫特和贾尔顿制造成功。1933年,科学家用加速器做实验时发现,较轻的氘原子核能聚变为较重的氦原子核,并释放出巨大的能量和中子。据估计,1千克氛聚变时释放出来的能量相当于1000万千克煤燃烧时所产生的能量。对面临能源枯竭的人类来说,这实在太诱人了。地球上含有约100万亿吨氯(海水中就含有大量氘,氘结成的海水约占整个海水的1/6000),若能将这些氘都利用起来,人类就不必为能源即将枯竭而发愁了,它们聚变时释放出来的能量足够人类使用好几百亿年!而且聚变能在使用过程中既不会产生放射性废物,也不会产生烟尘、酸雨和温室效应,是一种十分干净的能源。核聚变反应示意图然而,核聚变能并非唾手可得。要使两个氘原子核发生聚变反应,须使它们彼此靠得足够近,在10~15米以内,这时核力才能将它们“黏合”成新的原子核。然而,氘原子核带有正电荷,当它们相互接近时,将受到强大的静电斥力的作用,越近斥力越大,两核的静电势能也越大。于是,静电势能(或斥力)犹如一座大山,把两个原子核分隔了出来,使它们无法接近。只有当两个原子核以极高的速度(每秒1000千米以上)相对运动时,才能使它爬上那座静电大山,相互间才能接近到核力(束缚力)起作用的范围,于是聚配成一个新核——氦核。为使氘核间的相对运动如此快,可将它们加热到上亿度的高温,这时氛就会“燃烧”起来(即发生聚变反应)。在如此高的温度下,任何材料都将被气化而不复存在。因此,科学家只能采用非实物材料制成的无“形”壁——磁约束和惯性约束来“装”处于核反应中的氘核。几十年来,人类在这方面的研究虽已花费了巨大的人力和物力,但进展甚微,至今尚处于实验室阶段。

在这似乎“山穷水尽”的时候,庞斯和弗莱希曼的“成果”无异显示出了核聚变研究的“柳暗花明又一村”。这两位化学家曾在美国盐湖城的米尔克里峡谷郊游时,交谈了各自的想法,提出了新的设想,决定独辟蹊径实现核聚变反应。他们自筹资金10万美元进行实验。他们的实验设备和方法相当简单,与大学里的一般化学实验很相似。在一个15厘米高的试管里装满了电解液,这是一种由含氘的重水和少量氘氧化钾等组成的液体,温度为27℃,试管外面绝缘,重水中放置两个电极,钯为阴极,铂为阳极。在室温条件下,当正负两个电极间通以每平方厘米100毫安量级的电流时,奇迹出现了。他们发现,氖在电流作用下释放出大量的热能,其释放出来的能量是输入的4倍(目前已提高到100倍),并发现了核聚变反应应释放出来的另两种典型物质:氦和中子。这一切预示着反应并非化学反应而是聚变反应。于是,他俩先后给《电分析化学》和《自然》杂志寄发了两篇论文。向全世界宣布,他俩应用简单的方法实现了人们梦寐以求的室温核聚变。

庞一弗实验震惊了科学界。科学家在惊讶的同时,迅速纷纷走进实验室,检验庞一弗实验。在短短一个月的时间里,美国、匈牙利、前苏联、意大利、民主德国、日本、巴西、波兰等国家以及我国中国科学院化学研究所和北京师范大学的科学家也相继宣布:他们已重现或部分地重现了庞一弗实验。然而,也有不少实验小组未能重现。其中有好几个是世界上久负盛名的实验小组。如英国的哈韦尔核实验室、美国的马萨诸塞技术所、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和布鲁克海文国家实验室等。科学界于是形成了截然不同的两种观点。一种是肯定的观点。持这种观点的主要是那些重现过庞一弗实验的科学家,他们无意撤回自己的观点,否定自己的实验。还有一些核物理的权威也认为是可能的,如被称为原子弹之父的劳伦斯·利弗莫尔实验室名誉主任爱德华·特勒博士就说:“刚开始听到这个消息时,我觉得那是绝不可能的。现在看来,很有可能是我完全错了。”不少理论物理学家还从理论方面阐述了室温核聚变的可能性。例如,美国麻省理工学院电气工程和计算机系副教授彼得·黑格尔斯坦就提出了室温核聚变的推测理论,并已申请了专利,我国著名原子物理学家苟清泉教授也提出了一种理论解释。他认为,氘(重氢)原子被把吸收而进入其晶格的八面体间隙位置时,会受到周围6个钯原子核吸引。这使氘原子公电子的电子云扩展成一个大球,于是氘核与价电子的结合就减弱了,行动比较自由。而相邻两个沉浸在电子层中的氛核则由于电子云(大球)的摒蔽,其间库仑斥力大大减弱,于是,它们在室温下也能碰撞,靠近到核力起作用的距离,从而出现核聚变反应。

另一种是怀疑的观点。持这种观点的科学家主要有下述3部分。一部分认为,庞一弗实验被舆论大大夸张了,实验结果还远未达到目前所宣传的程度。另一部分认为,庞一弗实验的结果也许是由于实验差错形成的。还有一部分则认为,庞一弗实验根本就不是核聚变反应,而是化学反应。怀疑终归怀疑,他们(持怀疑观点的科学家)还没有断然否定庞一弗实验。他们知道,一些新发现往往是在有悖常情的情况下开始的,这在科学史上屡见不鲜,而且室温核聚变也实在太迷人了,它若能实现的话,将导致一场重大的能源革命。故庞一弗实验至今还是一桩悬案,还有待科学家进一步查明。