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小居里夫妇的发现为研究原子核的科学家打开了新路。大家都在研究用人工方法制造新的放射性元素。才几年，他们就制造出400多种人造放射性元素。 意大利的科学家费米认为，用α粒子轰击原子核并不是理想的办法，因为α粒子带两个阳电荷，在射到别的原子核里去的时候，同性电荷相斥，就很难射中。他决定换用中子作炮弹。 将镭射气——氡和铍粉封在小玻璃管中，氧放射出来的α粒子打在铍上就产生中子。这就是一个不断发射中子的中子源。 费米用中子去轰击各种元素。他按照周期表的次序去试验。结果，前8个元素——从氢到氧，用中子轰击以后都没有什么反应。但是用中子轰击氟的时候，盖革计数器响了。 用中子轰击氟，生成了人工放射性元素。这种人工放射性元素放出β射线，也就是带阴电荷的电子流。 中子不带电，氟原子核里多了一个中子，所带的阳电荷数并不改变，只是质量增加了一个原子质量单位，所以生成的是氟的同位素： 1 0 n＋ 19 9 F→ 20 9 F 这种氟同位素是放射性的，它放出β射线——电子流。当然，核的阳电荷数目就要增加，变成原子序数比氟大1的氖： 20 9 F→ 20 10 Ne＋e - 费米继续做的试验很顺利，在氟以后的元素大都可以被中子击中，变成放射性元素，而且花样很多。 铝原子核被中子击中后放出α粒子，变成放射性钠： 1 0 n＋ 27 13 Al→ 24 11 Na＋ 4 2 He 放射性钠放出β射线后变成稳定的镁： 24 11 Na→ 24 12 Mg＋e - 磷原子核被中子击中后放出质子，变成放射性硅： 1 0 n＋ 31 15 P→ 31 14 Si＋ 1 1 H 放射性硅放出β射线后变回成稳定的磷： 31 14 Si→ 31 15 P＋e - 碘原子核被中子击中以后什么粒子也不放出，变成放射性碘： 1 0 n＋ 127 53 I→ 128 53 I 放射性碘放出β射线后变成稳定的氙： 128 53 I→ 128 54 Xe＋e - 费米用中子做炮弹，一下子就制成许多种放射性同位素。同时，他还发现周期表中的重元素（原子序数大的元素）的核在被中子击中以后，都不放出α粒子或质子，而是生成原来元素的放射性同位素。这些放射性同位素都是放射β射线的。 放射β射线，也就是放射电子，放射的结果是原子核减少一个单位阴电荷（也就是增加一个单位阳电荷），变成原子序数增加1的另一种元素。 铀是周期表上当时已经发现的最后一个元素，它的原子序数是92。人们早就想找到铀后面的元素，但是一直没有找到。 费米想：可不可以用人工来合成铀后面的元素呢？ 他用中子轰击铀，果然得到了放射β射线的同位素。在放射β射线以后，它就应该成为原子序数是93的元素了。用中子再轰击93号元素，就会生成94号元素；再轰击94号元素，又会生成95号元素。 费米做过实验以后，在1934年宣布他用人工方法制造出来了超铀（原子序数比铀大的）元素。它们的原子序数是93、94、95。 费米还仿照门捷列夫的办法，把自己发现的93、94、95号三个元素分别起名叫做“类铼”、“类锇”和“类铱”。 慢中子效应 Slow neutron effects 概述 意大利实验物理学家费米在罗马大学改用中子进行人工核反应。当他用中子对当时已知的92种元素逐一进行轰击实验时，不但发现了许多元素的同位素，而且发现了著名的慢中子效应，即经过石蜡减速之后的慢中子更能引起人工核反应。正是由于这一重大实验发现，费米获得1938年的诺贝尔物理学奖，为后来核能技术的开发奠定了初步的技术基础。 中子通过含有大量氢的物质的时候，和氢原子核——质子发生碰撞，速度变慢了，更容易被银原子核所俘获，所以产生的人工放射性更强。 发现者简介 费米(EnricoFermi, 1901-1954)是意大利物理学家，1926年任罗马大学理论物理学教授，1927年曾提出一种统计理论，在微观世界有广泛应用，是核物理学的理论基础之一，1933年，费米提出β衰变理论，1934年在实验室中发同了慢中子所引起的人工放射性，因此荣获1938年诺贝尔物理学奖。1942年，他领导建成了世界上第一个原子核反应堆。 费米是一位全能物理学家，在理论和实验两方面都有很高的造诣，也是最后一位同时擅长理论物理和实验物理的物理学家。他对物理学的许多领域都有不可磨灭的贡献，如经典统计力学、量子统计力学、量子电动力学、理论核物理学等，并创立了原子核β衰变理论和中子物理学。 简史 古代人梦想的炼金术首先被卢瑟福实现，他用天然放射性物质发射出的高速α粒子（即氦核）轰击氮核，得到了氧核。1934年1月，约里奥·居里夫妇发现了人工放射性，即用α粒子轰击稳定原子核产生了放射性同位素。但是，用α粒子不能使原子序数大于20的原子核分裂，只有较轻的原子核才能被α粒子轰击分裂。费密想到了用中子来轰击原子核，他认为，对于原子核裂变来说，中子具有特别合适的轰击能力。α粒子带正电，当它靠近原子核时会受到很强的排斥力，从而偏离原子核，而中子不带电，它可以不受任何阻碍，一直前进到与原子核发生碰撞。在同事的帮助下，费密用中子轰击了周期表中的所有元素，并辩认了因此而产生的具有放射性的元素。 后来，费密和他的同事观察到：把中子源和被轰击的物体放在大量石蜡中，放射性会增加很多倍。水也会产生类似的效应。费密用“慢中子”解释了这一现象。他认为，由于质子和中子的质量相等，所以当快中子与静止的质子发生碰撞时，快中子损失能量变为“慢中子”，慢中子与重原子核的反应截面比快中子大得多。慢中子的发现为后来研究重核裂变的链式反应和原子核反应堆的理论设计奠定了基础。 发现经过 1934年10月，费米和他的伙伴们正在对某种金属进行人工放射性实验。他们把中子源放入银质圆筒里，然后把圆筒放在一个铅盒的中央和一角，它的放射性的强弱是不相同的。 一位伙伴认为这种异常是统计的错误和测量的不精确造成的，然而费米却说：“不，这也许是一个重要的发现。”并建议多做一递增各种情况的实验。经过一连几天的实验，费米他们又发现了更多的怪事。甚至当把中子源放到圆筒外面。在筒和源之间插上一块铅板的时候，圆筒的放射性竟然也增强了。 “这究竟是怎么一回事呢？”费米一时找不出答案。沉思片刻，他对伙伴们说：“铅是一种重物质，让我们试再试轻物质，比如说石蜡吧。”10月22日上午，费米他们找来一大块石蜡，在上面掏了个洞，把中子源放入洞内去辐照银圆筒，然后拿到盖革计数器上测量它的放射性。“喀、喀、喀……”计数器像发了疯似地响着。 看到这一情景，大伙儿非常惊讶，七嘴八舌地说：“真是不可想象！也许是见鬼了！” 中午，费米静静地躺在床上，而思想像脱缰的野马在驰骋，紧张地思考着解释石蜡奇特作用的原理，他运用丰富的想像，得到这样的解释：石蜡含有大量的氢，氢核即是质子，它的质量几乎和中子相同，当中子源被封在石蜡块里的时候，中子在到达银原子核前，便会同石蜡中的质子相碰，每碰一次就会失掉一部分能量，这正像一个台球在击中另一个台球后，就会慢下来一样。一个中子从石蜡中出事以前，会连续同许多质子相碰而减速，从而变为“慢中子”。就是这种慢中子，将比快中子有更多的机会被银原子俘获。这又好比一个飞快滚动的高尔夫球可能从球洞跳过去，而一个慢慢滚动的球却更容易进洞一样。 度过了午休，费米神情激动地跑进实验室，同伴们已经到齐了，他一口气讲述了自己的新想法，最后说：“如果我的想法是对的，那么，任何含氢万分大的其他物质，比如水，也应该具有同石蜡相似的效果。” “水？”同伴们不约而同地发出疑问。 “是的，水。”费米沉着地说，“让我们试试看，数量可观的水对银的放射性会有什么影响。” 说到“数量可观的水”，大家立刻想到实验室后面花园里的金鱼喷池，这是他们常来玩的地方。 年轻的物理学家说干就干，很快从实验室把中子源和银筒搬了出来，放到喷池的水下。在开致力计数器后，果然不出所料，水也把银的人工放射性增强了许多倍，费米的设想得到了实验证实，年轻人围着被绿树、鲜花环绕的金鱼喷池，激动地欢呼起来，庆祝实验和理论的成功。 正是这次不寻常的实验和由实验引出的理论，使费米在1938年，荣获了诺贝尔物理学奖。认识到慢中子的作用，给重核裂变的发现提供了重要理论依据。 |
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