到原子城堡探访“小矮人”——小矮人的兄弟们

探访“小矮人”世界

你们知道构成世上所有物质的最小粒子是什么吗？你可能会说是原子。那么，原子又是由什么组成的呢？组成原子的主要部分是什么，它长得什么样，怎么能让它们为我们所用，用在那些地方？如果你还不太清除，那就跟随我们一起寻找答案吧！

近期，我们将从由中科院近代物理所靳根明和肖国青两位老师主编的《探访“小矮人”世界——兰州重离子加速器》一书中摘录丰富有趣的内容，敬请期待......

第一章

到原子城堡探访小矮人

3.

小矮人的兄弟们

穿过一道道飞奔着的电子筑起的城墙，我们离开了这座城堡，来到了另一座城堡。我们穿过电子城墙，经过艰难的搜索，终于找到了城堡的主人。他与我们前面遇上的那个堡主一样，肚子里装有 26个质子和30个中子 。然后我们又接连拜访了几十个城堡的堡主，它们大多是多胞胎孪生兄弟。
后来，我们又来到一个新的城堡，有了之前寻找堡主的经验，我们很快就找到了堡主。乍一看，他与前面见到的那些小矮人一样；仔细看，又觉得有一点点差别。为了弄清楚具体情况，我下直升机与他攀谈起来。
“对不起，我可以称你为小矮人吗？”
“好哇！”
“刚才我见过另外一个城堡的主人，他与你长得很像。但我总觉得你们有一点点不一样。你能告诉我我的感觉是否正确吗？”

“你很幸运，见到了我们这些“少数派”。本来在大多数城堡中都居住着相同的小矮人，他们肚子里都装着 26个质子和 30个中子，就像多胞胎一样。但是我不一样，我的肚子看起来是不是小一点点？因为我肚子里的中子数目比他们的少2个，共有 28个。我算是他们的弟弟吧。我还有个大哥哥，他肚子里的中子数比你见到的那些哥哥还多1个。因为我们肚子里的质子数都一样，所以在元素周期表中都在一个位置，我们是同胞兄弟。”
“你还有别的哥哥吗？”
“有哇，只可惜他们太贪玩，经常变各种戏法，譬如吐出一粒电子，或从城墙上抓一粒电子吃了。这下可玩大了，因为吐出或吃进一个电子，那可就不是我们的兄弟了，变成了别人家的一员。”
“你们共有几种不一样的兄弟呀？

图1－8 小矮人和他的同胞兄弟 （同位素）

“让我算一下。我们兄弟当中，肚子里的中子数目最少的也有 19个，最多的有 47 个。我们兄弟一共 29种。其中 4 种兄弟比较文静，其他都很贪玩。肚子里的中子数越多或越少的兄弟，他们的戏法就变得越快。”
这些小矮人真淘气呀！
“谢谢你，让我们了解了这么多。那我们可以去拜访你的其他不一样兄弟吗?”
“可以，不过我也不知道哪个城堡是他们的，你们得自己一个一个地去找。看你们的运气吧！不过我要告诉你，我们家族的城堡都大小一样。不要到小城堡和大城堡中去找，他们与我们不是同一个家族！”

“谢谢你的忠告！再见！”
我们拜别了小矮人堡主人，飞向别的城堡。直升机上又响起那甜蜜的声音。
“刚才堡主人提到了同家兄弟，现在我就仔细讲一下同家兄弟的事。不过在开始介绍之前，我想先介绍一下元素周期表。”
电视屏幕上播出了一张图片，上面画了一个表格，每个方格都写着一个元素的名字和一些数字。

图1－9 小矮人大家族 （元素周期表）

“请看，这张表就是元素周期表。就像是梁山泊好汉排位次一样，每一种元素占一把椅子，代表它在周期表中的位置。它们的质量、性质都写在这张椅子上。表中从左到右、，元素性质的变化都比较相似。比如第二行，左边第一个是非常活泼的金属锂，就是用来做锂电池的锂。锂右边的邻居是金属铍，它们都是金属元素，所以靠在一起；铍的右边是硼，再右边是碳，它俩在一起，都不是金属元素，名字都带‘石’子旁；碳的右手边依次是氮、氧、氟，它们都是气体，所以字字都有‘气’字头；最右边的一个是非常不活泼的气体氖，过去把它充到小玻璃管中，加上电极，做成小氖泡指示灯。现在有更节能的指示灯，就不用氖泡了。其他几行基本保持这样的变化，从金属元素开始，到非金属元素，再到气体元素，最后是一个几乎从不与别人结合的气体元素，我们称它为稀有气体元素。每一行的‘变化’为一个周期，所以这个表就叫元素周期表，也就是元素性质周期变化的表。这个表中共有118个元素，比梁山泊 108位好汉还多了 10位。目前在地壳中可以找到的元素只有90个，其他28个元素都是近七八十年科学家们在实验中制造出来的。”

图1－10 门捷列夫的元素周期表

稍微停了一下，甜美的声音又继续传来。
“你知道这个表的来源吗？早在1869年，人们就已经发现了63种不同的元素，也知道了它们的质量和性质。俄国的一位化学教授门捷列夫在经过长时间的苦思冥想后，决定根据这些元素的质量和性质把它们排列在一起。结果他发现，这些元素的性质随着质量增加而反复变化。按照反复出现的现象将它们分组，每组按质量从小到大排成纵队，然后，按照每个纵队中第一个元素的质量从小到大依次从左到右将这些纵队集合在一起，形成一个方阵。这就像学校课间做的广播操，所有班都在操场集合，每个班排成一个纵队。这就是世界上第一个元素周期表。为了纪念这位教授做的贡献，人们又将元素周期表称作门捷列夫元素周期表。后来随着越来越多新元素的发现，这个周期表就变成了现在的样子。

直升机又飞过了一个一个的城堡，它们的堡主不是肚子里装有30个中子的，就是装有 28个中子的堡主。那个有点不同的兄弟在哪儿呢？
“不要泄气，我们会找到的。”甜蜜的声音传进了我的耳朵。好吧，继续拜访，我们不达目的绝不罢休。
直升机又进入一个新的城堡，我们好不容易找到了堡主。
“你好！”我远远地就和他打招呼。
“你好！我能为你做点什么？”小矮人非常客气。
“我想拜访一下小矮人的兄弟，不是多胞胎孪生的兄弟。”
“那你可找对了，我就是你要找的人。”
“太好了！我已经拜访过几十个小矮人了，不过他们都是孪生兄弟。你可是真难找啊！”我激动得眼泪都要流出来了。
“当然了，我们 100个兄弟，其中 91个都是孪生的。我与他们差别很小，不仔细看，你是发现不了的。我来考考你的眼力，看看我和他们有什么不同？”
“好吧，我来试试。”我端详着这位堡主约2分钟，才看出来他的肚子有点大。
“你眼力还不错。我的肚子是稍微大了一点点。我肚里除了 26个质子，还有 31个中子，比孪生兄弟中最多的那位多了1个中子。100个兄弟当中，我的孪生兄弟大概只有 2个。所以你很难找到我。不过更难找到的是那个肚子里有 32个中子小的兄弟。在四五百个兄弟当中才能找到一个！”
“真是太难找了！不过没关系，我会尽力找到他们。拜拜！”
直升机离开了城堡，去寻找他们中的那个最难找的兄弟。

“刚才介绍过了元素周期表，现在我来介绍一下同位素。”优美动听的声音又响了起来。“你拜访的每一个堡主，就是一个原子核。每个堡主肚子里都装着质子和中子。这些质子和中子组成了原子核。肚子里的质子数目相同的那些堡主，在周期表中占同一个位置。在这个位置上，那些肚子里的中子数目不同的堡主是亲兄弟，我们叫他们同位兄弟，化学上不叫兄弟，叫‘素’，也就是最基本的成员，因此，同位兄弟即为同位素。周期表中的 118 个位置，每个位置上都会有很多兄弟，就是很多同位素。现在有人仔细数了数所有非孪生同位兄弟，总共有 3473个。就拿之前你拜访过的铁元素说吧，它在元素周期表中排在第 26 位，现在这个位置上，已经有了29位中子数目不同的兄弟。”
同位素可真不少啊！
她稍微停顿了一下，又接着说：“现在，按照每个同位素兄弟的质子数目和中子数目画张图，竖线代表质子数目，横线表示中子数目。将所有不同的同位素都按照他们的质子数目和中子数目，填到这张图中。”
这时候，我的眼前出现了一个蓝色屏幕。
“请看大屏幕上的图。这些同位素聚在一起，从左下方到右上方，形成了一条狭长的带子，微微有点下弯。这就是同位素的国土。一种同位素也就是一种原子核，或者叫核素。所以，研究原子核的人叫它核素图。蓝色的背景像海洋，同位素或者核素的国土是大陆，那么，在它的右上方显得稀稀拉拉，好像是群岛一样的，那里的同位素(核素)的质子数目和中子数目都特别多，当然那些堡主也就特别胖，像是超重的大胖子，也叫超重核素。”

图1－11 小矮人的世界版图 （核素图）

“为什么这些核素只在这一条狭长的带子上，不像地球上的陆地分为几个洲？”我好奇地提出了一个问题。
“这个问题有点复杂！先说说肚子里的质子和中子吧，他们每两个直接都有一股力。这股力比较奇怪，当它们互相靠近的时候，也就是把肚子稍微压小时，它们都想将对方推开，压得越厉害，它们的推力也就越大。但是真要把它们分开的话，它们又像是用什么胶水粘在一起一样，不愿分开，还得用很大的力才能把它们拉开。它们相距得越远，用于把它们拉开的力就会越小。另外，质子和中子之间的粘合力要比质子和质子之间、中子和中子之间的粘合力大得多。”

“那它们之间的力与同位素又有什么关系呢？”我不解地问了一句。
“关系可大了！同数目的质子和中子会更稳定地聚集在一起，所以，在比较轻的稳定原子核中，质子和中子的数目都大致相等。但是，由于质子与中子之间的拉力大一些，也就是说同样数目的质子可以拉住更多的中子。这就形成了不同的同位素。当然，中子的数目不能太多，否则就拉不住了。质子带有电荷，质子之间有电排斥力，所以，中子数目太少时，质子也不可能待在一起。这就限制了同位素的数目，使其不可能很多。”
在甜美的声音讲解中，我们经过几百次的努力，最后终于访问到了那个孪生兄弟最少的铁元素堡主——他肚子里有32个中子。