书城科普读物数理化之谜
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第29章 原子核解密

原子很小,直径只有一百亿分之一米。在1根头发丝的端面上,能排下一万亿个原子。原子虽小,其内却并非毫无结构,而是一个丰富多彩的“世界”:一个直径为一千万亿分之一米的核(即核的直径为原子的十万分之一)和众多(至少1个)绕核运动的电子。若将原子放大1021(即10万亿亿)倍,它就像我们的太阳系了,太阳是核,众多绕太阳运动的行星是电子。即便是核,其内也是一个色彩斑斓的世界:由众多状态各异的质子和中子组成。这些质子和中子以300多种不同的组合方式,构成一个天然庞大的原子核家族,家族“人员”达300多种。自1934年以来,人工还制造了2400多种核(元)素,这更壮大了原子核家族的气势。但这些人造核素“命运”多舛、寿命短,不稳定,叫做奇异原子核。

氢原子核只有一个质子,大多数氧核有8个质子和中子,记作168O8,铀核有两种,23892U146和23592U143,都是第92号原子的核心,但核内中子数不同,23892U146含146个中子,则23592U143只含143个中子。23592U143占自然界所有铀的千分之七,是核能利用的主要原料。上述各原子核均是自然界存在的稳定原子核,其内的质子数Z和中子数N满足一定的关系。不满足这种关系的原子核就不稳定,将发生放射性衰变。或者说稳定原子核的N/Z的值是一定的(有一个允许范围),偏离了这一范围,原子核就不稳定。若偏离得太大,原子核就根本无法存在,“拼”不起来。人造核素的Z/N值越来越偏离稳定值,于是显示出了一系列奇异的性质(故称之为奇异原子核)。天然存在的300多种核素大部分是稳定的,约有十分之一是不稳定的,通过释放α或β或γ射线(α即氦核42He2,β即电子或正电子,γ是高能光子)而衰变。按照核理论,若无放射性衰变,自然界应存在约8000种核素。因此,人类应还能制造出几千种新核素或奇异原子核。

按照《辞海》,放射性是“不稳定原子核自发放出α、β、γ射线的现象。”现在,这个定义必须大大地加以扩充。1982年,科学家发现某些奇异原子核具有质子放射性,处于基态的人造核素151Lu(Lu表示镥)和147Tm(Tm表示铥)能自发地释放出一个质子[天然镥(第71号元素)的大多数(97.4%)是175Lu,比人造的151Lu多24个中子;天然铥(第69号元素)全部是169Tm,比人造的147Tm多22个中子。151Lu和147Tm的“Z/N”值均远离稳定的“Z/N”值中子极为贫乏而质子则大大过剩]。此外,还有β缓发粒子,包括β缓发α粒子(一个原子核经β衰变后,变成另一处于激发态的原子核,随后新生原子核又发射出α粒子)、β缓发中子、β缓发质子、β缓发双中子、β缓发三中子、β缓发双质子、β缓发氚,迄今已发现1000余种核素存在β缓发粒子,理论上预告至少有1000个核素存在β缓发粒子。1984年发现某些重核可自发放射146C8,1985年发现自发发射2010Ne14,理论预言,处于基态的原子核应能自发发射双质子、中子或双中子。

中子数或质子数为2,8,20,28,40,50,82等的原子核特别稳定,叫作“幻数”核(1949年迈耶与简森创立了核的壳层模型,解释了“幻数”,迈耶与简森因此荣获1963年度诺贝尔物理学奖)。幻数核和邻近幻数的核呈球形(闭壳层是球对称的),与幻数偏离远的原子核则有形变,有的如(扁盘式的)大饼形,有的如橄榄球形,甚至有的如雪茄烟状(1953年,奥·玻尔与莫特逊创建了核的集体模型,解释核的形变,荣获1975年度的诺贝尔物理学奖)。这缘自于稳定或近稳定的原子核。人造核素远离稳定区,在形体上也有独特之处。有些奇异原子核在基态时呈球形,但到了激发态却不是,有形变。例如人造18480Hg,其质子数Z=80,与质子幻数(82)接近,在基态时是球形,与天然稳定18480Hg类似,但处于激发态时就有形变,与22020Hg在激发态也呈球形不同。在奇异原子核中,还存在“变形幻数”。当中子数或质子数等于这种数时,相应的原子核形变很大。例如,38就是一个典型的形变幻数。

幻数与核能量有着巧妙的联系。球形核只有集体振动,“形变”核才有转动。相应于振动的能量比较高,一般在1兆电子伏特(1电子伏特=1.6×10-19焦耳)左右。例如10268Ni34(Z=28,为幻数)是典型球核,第一激发态能量E1为1.17兆电子伏特。相应于转动的能量比较低,例如,15464Gd90是典型形变核,E1只有0.123兆电子伏特。原子核24gPu,形变很厉害,其E1为0.0428兆电子伏特。最近发现了形变更厉害的“超”形变核:10038Sr62和7436Kr38,其E1分别为0.03兆电子伏特和0.028兆电子伏特,它们均具有形变幻数38(一个是质子数为38,另一个是中子数为38)。当原子核既具有形变幻数(Z=38),又具有球形幻数(N=40)时,核仍有形变,形变幻数(比球形幻数)“幻”得更厉害。现在,科学家正在寻找Z和N都等于38的原子核,期望创造形变新记录。

奇异原子核的奇特性质,正在不断地被揭露出来,这极大地丰富了核世界或核家族里的核现象。也许,随着奇异核一个个被制出来,Z/N值逐渐远离稳定区,将会发现更加奇异的核现象,甚至导致现有核理论的重大修改和突破。