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【元素家族-连载237】点石成金终于实现了

2018-04-21  RK588

暗中观察

前面的篇章里,我们曾多次提到历史上那些可笑的炼金术师,他们那些“点石成金”的狂想沦为我们的笑料。因为我们知道,金是一种元素,石头是另几种元素组成的,根据那伟大的“物质不灭定律”,要用化学方法让一种元素变成另一种元素是不可能的!


然而,随着对放射性的研究,科学家们发现很多放射性元素——比如镭、铀等——自身就在不停的进行衰变,变成其他元素。那么人类有没有可能掌握这门“技术”,那岂不是可以让宇宙里的所有元素打散重来,在元素周期表上进行自由的排列组合,得到我们真正需要的东西,“点石成金”也将不是梦想!


【古炼金术师们的梦想就是寻找那可以点石成金的“哲人石”!】

打响第一炮的是“诺奖幼儿园”园长卢瑟福,他在1919年用镭元素释放的α粒子“照射”纯的氮气,发现氮竟然变成了氧。这是人类历史上第一次在元素周期表上变戏法,操纵元素的变化不再是梦想!从这之后,科学家们开始用各种射线轰击其他原子,看看是否有什么新东西出现,一个伟大的亚原子时代即将拉开帷幕!


【“园长”已经落户西敏寺。】

前面我们还提到过居里夫人的女儿伊蕾娜*居里,她和丈夫约里奥*居里也是诺奖获得者,但他们的诺奖之路堪称崎岖。


1928年,小居里夫人研究了一种中性粒子射线,草率的将它当成一种超强γ射线。几年后查德威克仔细一看,这哪是什么γ射线啊,明明是中子,于是查德威克获得了1935年诺贝尔物理学奖。


【小居里夫妇。】

1932年,安德森发现了第一个反粒子——正电子,印证了狄拉克方程的预言,因此获得了1936年诺贝尔物理学奖。论文传到小居里夫妇那里,他们发现这正电子的轨迹图那么眼熟呢?于是他们立马翻出之前拍摄的各种云室里的图片,发现他们老早就得到了正电子的轨迹图,却错把它当成向放射源回流的电子,就此再度华丽错过诺奖。


俗话说,事不过三,但那是对平凡人来说的,伊蕾娜*居里明显不是凡人。话说1938年,小居里夫妇做了用中子轰击铀元素的实验,后面的事情我们都知道了,迈特纳大妈帮助哈恩发现了核裂变现象,并让哈恩得到了1944年诺贝尔化学奖,据说约里奥得知这一消息闭门思过好几天。


【老年的小居里夫妇,可以看到伊蕾娜*居里受了钋元素的核辐射后变得如此苍老。】

对于勤奋用心的人,上帝为他们关上一道门时,必定会为他们打开一扇窗。


1934年,小居里夫妇在研究钋元素时发现这种元素会以极高的速度射出α粒子,他们就用α粒子作为炮弹,轰击铝箔,结果发现铝箔竟然“沾染”了放射性。仔细研究后他们发现,原来是铝原子受到α粒子(氦核)的撞击,变成了放射性的磷30,磷30非常不稳定,逐渐释放出正电子,衰变成硅30。


这次小居里夫妇终于得偿所愿,第二年就因发现了人工放射现象而获得了诺贝尔化学奖。


【1934年,小居里夫妇参加伦敦物理大会。】

在这之前,卢瑟福用著名的金箔实验证明了原子的核式模型,原子核的截面面积大概只有整个原子的百亿分之一。用小居里夫妇的方法非常不易,本身“炮弹”就很难命中如此小的截面面积,更不用说库仑力的排斥作用了。在卢瑟福的人工核反应实验里,成功打中氮原子核引起核反应的α粒子只有10万分之一。更何况,天然放射性物质的射线本身就是往四面八方的,“火力”严重浪费,能不能设计一种定向的“原子大炮”,加强核反应的效率呢?


【根据原子核式模型,原子核位于正中,体积很小。】

1929年的一个晚上,一个年轻的小伙子坐在加利福利亚大学的图书馆里,查阅一些期刊文献。他并被其中的一个图表深深吸引了,图片上描述了一种粒子加速器,在一条直线上铺设越来越长的电极当作粒子“跑道”,这一系列小的“推力”最终将粒子加速到极高的能量。


小伙子笑了,这实在是一个愚蠢的设计,要产生更高能量的粒子,这样的粒子加速器就必须将“跑道”设计的更长,任何实验室都摆不下这么长的设备。就好像奥运会上,100米的跑道是直的大家都能接受,但如果800米的跑道也是直的,那赛场将因此而将长度延长7倍,那如果跑10000米呢?


早在古希腊时期,智慧的先人就设计了圆形跑道,为何20世纪的科学家不能借鉴呢?


【希腊首都雅典,复原的古奥运会赛场。】

年轻人立马在纸上画起了“跑道”,他用磁场约束带电粒子,让带电粒子做圆周运动,每过半圈再经过一个加速电场,用交流电来控制正负极。每加速一次,粒子速度越快,圆周运动的半径越大,经过足够多次数的旋转,粒子就会加速到极高的能量射出去“轰击”目标。原本需要跑一个直线马拉松的粒子在这个精心设计的电场和磁场组合里跑了好多圈,达到了同样的加速目的!


小伙子兴奋的对身边的同事说:“我要用它来轰碎原子!”是的,真正的“原子大炮”——回旋加速器诞生了!这个小伙子就是劳伦斯!


【1934年劳伦斯申请的专利上,关于回旋加速器的图片。】

劳伦斯因为发明了回旋加速器而获得1939年诺贝尔物理学奖,而他的发明带来的诺贝尔奖何止少数?无数的新元素、亚原子粒子都诞生于他的伟大发明,接下来一连串的精彩在等着我们!


而当人们对原子、原子核内部的了解越来越深入,“点石成金”也只是过气的梦想了。就在几年前,一位日本科学家用高能γ射线长时间照射水银,果真得到了一些金元素,这阵可算得上是“点汞成金”了。但在这个实验里,得到的并不是真正的黄金,而只是金元素的不稳定同位素,半衰期很短,很快就又变成其他元素了,因此几乎没有任何意义。很快我们就会看到,回旋加速器的神奇会给我们带来多少更有价值的新元素,那都是人类、甚至宇宙的造物主从来没见过的!


这就是发展吧!当人类还处于低级的认识阶段,会为一些问题所吸引或困扰,等到越过那个认知阶段,却发现本来的问题根本不是问题,或者根本不值得关注了,因为我们已经发现了更多的精彩!


【1939年诺贝尔物理学奖得主:劳伦斯。】

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