8.原子裂变、铀和镭

从前面几节我们不难看出，原子是地球化学科学的基础，它在希腊文中的意思为“不可分”。原子有92种，元素也不多不少刚好92种，它们组合出了我们身边的世界。

“不可分的”那些物质微粒子究竟为何物呢？难道果真“不可分”？各个原子间互不相干，它们的结构真的不同吗？

认为原子是无法再分的小球体，这种观点一直都是化学和物理学的基石。物质的物理和化学性质由“不可分”的原子做了最好的诠释，这也正是物理学家和化学家虽然设想过原子有复杂的构造，而一直没进行深究的原因。

法国的贝克勒尔在1896年注意到没人发现的一种现象，他通过长期观察发现铀会放射出射线，而且镭这种新元素也让居里夫妇发现并提取到了，镭的放射现象比铀要明显很多，人们这才明白原来原子的构造并不简单。后来，在居里夫人、约里奥—居里夫妇、卢瑟福、罗让杰斯特文斯基、波尔和诸多科学家的共同努力之下，原子结构才在人们眼前清晰起来。人们不但认识了构造原子的众多微小粒子，而且还了解到了那些粒子的大小、重量、它们的排列方法以及促成它们结合的力量等。

我前面讲过，各个化学元素的原子，外表看上去尽管很小（直线长度为一亿分之一厘米），其构造却是相当复杂的，它们的结构如同太阳系般繁复。

它内部的核（核的直线长度只不过是原子直线长度的十万分之一，相当于十亿万分之一厘米），原子的质量大部分在核上。

原子核具有正电荷，重量大的原子，核内携带的正电小粒子就多，令人不可思议的是各个原子的小粒子数跟该元素在门捷列夫周期表中占据的方格的序号居然相等。

原子的核外也有电子围绕，各个电子在距核不同距离的位置上围绕着核运动。电子个数与核的正电荷数一样多，因此原子就属于电中性。

所有化学元素的小粒子均由两种小粒子构成：一种为质子，即氢原子核，另一种为中子，氢原子的质量带一个正电荷相当于质子的质量。中子实际上也是粒子，拥有和质子几乎一样的质量，不过它不带正电也不带负电。

质子和中子紧紧聚集在原子核之中，因此原子核面对所有的化学反应表现得都很淡定，也就是说身边的化学反应对它根本不起作用。

展开化学元素周期表，由轻元素一直看到重元素，不知大家注意到了没有？轻元素的原子核包含的质子和中子（不难发现，因为门捷列夫周期表中的前面的一些元素的原子量等同或者接近于元素序号的两倍）数相同。

继续向下看，下面我们来探讨重元素，通过观察我们发现，原子核内的中子数超出了质子数。而且我们还发现中子数比质子要多出不少，原子核也不稳定。从原子排位的第81位开始，人们发现存在稳定的同位素，也出现了不稳定的同位素，而那些不稳定元素的原子核就会不由自主地裂开，产生大量的能，成为别的元素的原子核。

自排位为第86号的元素开始，这些元素的原子核就没有哪一个是稳定的，它们被称作放射性元素。

放射性就是原子自动发生裂变的一种特性，放射现象发生后原子摇身一变成为其他元素的原子，而且通过放不同射线的方式释放出大量的能量。射线有三种。

首先就是α射线，即高速射出的粒子，一个粒子一般带有2个正电荷；就重量而言，一个α粒子其实就是氦的原子核，相当于氢原子的4倍。

其次为β射线，即高速朝外飞射的电子流。一个电子一般带一个负电荷——此为电荷的最小单位，电子的重量仅为氢原子的1/840。

最后是γ射线，与Χ射线相像，不过它的波长短于Χ射线。

若是我们取约1克盐放在小玻璃管中，将它的两个口熔化后封死，然后观察，于是我们就能看到镭盐放射的整个过程。

一是，倘若有那么一种仪器，测得出温度的微小变化，人们就不难测算出，该放置镭盐的玻璃管的温度较其周围的温度要高。

于是人们就有了下面的结论，镭盐的内部似乎存在一个功能齐全的发热器，并一直在工作。经观察我们就有了如下发现：在放射过程中，也就是说在原子核发生裂变的过程中，一直有能量释放出来。事实说明，约为一克的镭在放射的过程中，1个小时能产生140小卡的热量；假如一直让它变化到铅（那得等两万年左右），光产生的热量就达290万大卡，等同于半吨煤燃烧后产生的热量。

将放盐后的玻璃管水平摆放，拿一台小型抽气机把管子里面的空气抽干净，并放到预先抽完空气的玻璃管中，接着把后面的那支玻璃管的两边熔化后封上。这样一来，在黑暗中就有淡绿色或者是淡绿色的光线射出，这样的话就与放了镭盐的玻璃管的发射情形一模一样了。

这称之为次级放射现象，来自于镭引发的一种放射性元素。它就是氡（Rn），是一种气态物。

在40天之内氡在玻璃管里的含量一直在递增，以后就稳定下来了，过了40天氡衰变的速度就和产生它的速度相同了。用带电的验电器也能查出氡的放射性，仅需将装有氡的玻璃管靠近验电器即可。自然界的空气变身离子的原因就是因为地球上放射线的存在，在这个过程中空气扮演着导电体的角色，于是验电器上的电就发挥不了作用。

如果我们反复做上面的实验，就很容易有这样的感悟，时间一长，放氡的玻璃管对验电器的影响就会慢慢减弱。超过3.8个昼夜，影响就会减弱一半；超过40天，再让玻璃管靠近验电器，就什么也不会发生了。但是假如人们在密封的玻璃管内制造放电现象，而借助分光镜观察玻璃管内的气体放电时发出的光呈何种样子，我们就会观察到那种气体的光谱了，玻璃管本来是没有这种新的氡气气体的。然后我们将镭盐放进玻璃管好些年，到了一定的时间我们把它拿出来，而后我们用比较前沿的研究方法查看玻璃管里是否还存在别的化学元素，这时候大家会看见玻璃管里出现了稀少的金属铅。

一年内一克镭的变化情况，放射出4.00×10-4克的原子量相当于206的铅及172立方毫米的氦气体。

这充分说明，不断有新的放射性元素诞生于镭的衰变过程，这个过程一直可持续到产生没有放射性的铅出现。一旦元素铅产生，金属镭的放射过程也就终止了。实质上镭在这个衰变过程伊始，就只不过是自铀产生放射开始的接连放射过程当中的一个环节。

放射性元素在放射过程中接连产生的元素系列，人们称之为放射系。

放射性元素的原子核均不稳定，其在一定时间出现衰变的概率一样。因此，一大块内含千百万原子的放射性物质，其发生衰变的速度是不变的，无论是它们遭遇怎样的化学或物理反应。

科学研究表明，液体氦从近似零度的低温逐渐上升到好几千摄氏度的高温、压力达到几千个大气压、高压放电，所有这一切对放射性元素的放射丝毫不起作用。

用放射性元素的半衰期T来表示放射性元素的衰变速度，即每个元素的所有原子放射到一半花费的时间。不言而喻，用时的多少，对各个不同的、不稳定的原子而言，即对各个不同的放射性元素而言，均不同，不过就某一种放射性元素的原子而言，当然是不变的。

处于半衰期的各个放射性元素都不大一样：用时不到一秒的是最不稳定的原子核，稍不稳定的比如铀和钍则得好几十亿年。在持续的放射过程之中，新生成的原子核同上一代的相同，也是不稳定、具有放射性的，这么持续放射下去，最后就衰变出了稳定的原子核。

目前人类掌握的放射系有三个，即三个族：首先是铀——镭系，第一个是原子量为238的同位素铀；其次是铀——锕系，先进入我们视野的是原子量为235的铀的又一种同位素；最后是钍系。三个族中的每一个族均是十代十二代的持续放射，最后生成的不变物质为铅的三种同位素，三种铅的原子量分别为206、207、208。每一族放射后的不变生成物，不算铅还有氦，α粒子在衰变后丧失了动能和电荷，转身成了氦原子。

铀、钍、镭原子持续发生着放射，在这个过程当中一直有热量产生。

要是我们算一算所有元素在放射过程中扩散掉的热量，毋庸置疑，这些热量早就在造福人类了，地球变暖，就有衰变的“功劳”。

大家都知道飞艇和气球里面充满了氦气，它是由地球内部的铀、钍、镭在原子放射时产生的。有人指出，在这个过程中产生的氦气，如果从地球出现时起算，其数量将是十分惊人的，初步预测可达几亿立方米。

在地球里面，铀、钍、镭的原子持续不断地在放射，我们很有关注的必要，不光是因为放射过程可产生热能，还可生成工业需要的化学元素，另外放射作用犹如一个钟表、一个计时器，人们可以据此获得地球之上各种岩石生成了多长时间，甚至可求得地球自从成为固态后存在了多久。

那么，究竟该如何借助铀、钍、镭原子的放射测地质年代呢？在科研上是这么测的，上面我们已经说过了，放射性元素不管发生化学作用还是发生物理作用，其原子放射的速度始终不变。另外，它们放射后出现了稳定的、不变的氦原子和铅原子，在这个过程中氦和铅的生成量也会越聚越多的。

在得知一克铀或者一克钍在一年产生的氦和铅的量以及测到某种矿物质内包含的铀和钍、氦和铅的量之后，接着参照氦和铀及钍的数量比，还有铅同铀与钍的数量比，人们就可求出该矿物自它生成算起过了几年。

其实，自矿物出现伊始，仅含有铀和钍的原子，根本就没有氦和铅原子的影子，之后矿物里的铀和钍发生了放射作用，才产生并逐渐累积起了氦和铅。

藏有铀原子与钍原子的矿物，就像一个沙漏一样，沙漏的用途大家应该清楚吧？下面我给大家介绍一下沙漏的结构。由两个容器上下连通而成；往上面的容器倒进沙子，一旦计时，首先就要固定沙漏，因重力作用，沙子逐渐从上面的漏斗落入下方的容器。平日放的沙量，想让它在一段时间后比如10分钟或15分钟，坠入下面的容器，人类平时借助沙漏度量时间间隔。实质上，可用它测量任意的时间间隔。仅需事先称出沙的重量，而后称出落下去的沙子有多重；或者是在容器之上做上体积相同的标记，最后看落下去的沙所占的比率。由于重力的影响，以相同的速度往下落，这样一来，就可求出在每分钟落到下面容器的沙子有多重或者面积有多大了，参照落下去的沙量，就可测算出从开始到现在经历了多长时间。

在那些矿物里由于包含铀原子和钍原子，也出现了相似的现象。该矿物好比上面那个装着一定数量沙的容器，各个铀原子和钍原子就相当于一粒粒的沙子。那两种原子以相同的速度衰变成了氦原子和铅原子，跟沙漏的工作模式完全相同，放射生成的递增的原子同放射性矿物自放射过程起到衰变过程结束的时间为正比关系。

多少铀还藏身在矿物之中，也能预测得出来了；参与放射过程的铀和钍原子为多少，可借助生成的氦和铅的分量测算出。获得这些数据后，就可知道铀的分量同氦与铅的分量的比值了，这下不就可求出该类矿物的放射时间为多少了吗？根据这种办法科学家测出，有些矿物在地球上已经存在了20亿年。如此一来，我们就清楚了：地球如同一位很老很老的老人，它的岁数在20亿岁之上。

我再和大家说说另一种现象，它是人们近来刚注意到的，不过它对我们的生活的影响却很大。大家还能记得吗？之前笔者介绍过，化学元素周期表中自81位重元素起，不但有稳定的同位素，还有不稳定的同位素，或者说是具有放射性的同位素。若是原子核稳定，那么质子和中子的数量就存在一定的比例关系，一旦这个比例遭到破坏，原子核就由稳定成不稳定了。倘若核内的中子数量太多的话，它就具有放射性了。

人们一发现元素的原子核的这个特性，就千方百计改变原子核中的原子和中子的比例，那样的话，人类就可将稳定的原子核改造成不稳定的原子核了，也就是将一些元素改造成放射性元素，不过这要如何实施呢？

要想人为改变原子核的稳定性，就得找一些炮弹，其大小不能超越原子核，而让它借助自己的超大能量去冲击原子核。

其实，大家可以自己动手制作原子核大小的、携带巨大能量的炮弹，这么一来，放射性原子就可衰变出α粒子。人类借助炮弹的能量先是破坏了氮原子核。卢瑟福首先做成了这个实验，1919年他借助α射线轰击氮原子核，于是质子就从氮原子核内飞出来了。

事情过去了15年，约里奥——居里夫妇于1934年借助钋衰变的α粒子影响了铝，人们观察到铝在α射线作用下，不仅放射含中子的射线，而且在α射线的作用终止后，短时间内还发挥着放射性作用——生成β射线。

年轻的科学家夫妇对这一现象利用化学方法进行了研究，认定此时人为放射的是磷原子而非铝原子，而且磷原子是铝原子在α粒子作用才下出现的。

首批人造原子就是这么来的，自此开创了人为放射的先河。没过多久，人们又想出了其他的制取人造放射元素的方法，他们借助中子轰击元素的原子核，而不再只依靠α粒子，中子进入原子核较之α粒子要容易得多，因为α粒子携带的是正电，因此它一靠近原子核，立马就受到核的排斥。

重元素原子核的排斥力异常强大，不过α粒子的能量无以与其对抗，因此它就无法接近原子核。然而中子由于不带电，核不排斥它，由此它就能轻易进到核里面了。其实，借助中子冲击的办法，人类业已制取了所有元素的不稳定的人造放射同位素。

1939年的时候人们又注意到，在中子携带很少的能冲击最重的元素铀之时，铀原子核出现了其他的放射过程，而且是人类截至目前还没有掌握的，此时铀原子核变成了大小相同的两部分。

大小相同的两部分对应的就是化学元素周期表中，人们已经认识的元素的原子核，为其不稳定的同位素。

过了一年，也就是1940年，彼得尔扎克与弗廖罗夫发现，大自然中的铀又发生了新型的衰变或者说新型的放射，不过该新型的放射或者衰变较之普通的鲜有而已。

如果铀依然照着普通的方法衰变或者放射，起码得45×108年放射出的才仅是所有原子的一半，然而靠对半分裂，半衰期就为44×1015年；这说明后面这种放射概率仅为普通方式的一千万分之一，不过较之普通放射这种放射产生的能量要多出不少。

科学家在1946年发现，铀在采用新方式衰变时（下图），不但能生成不稳定且接连放射的原子核，还能生成一些稳定的原子核，它们都累积于大自然中。

譬如，倘若铀在平时放射或者衰变的过程中发生变化，那么衰变得到并积累的肯定就是氦原子，要是借助新的方式衰变，衰变得到的并累积的就将是氙原子或氪原子。它们若冲击铀的同位素，就会衰变出一些新的元素，即超铀元素——93号镎（Np）、94号钚（Pu）、95号镅（Am）、96号锔（Cm）、97号锫（Bk）、98号锎（Cf）、99号䥺（An）、100号钲（Cn），化学元素周期表中都给它们预留了方格。

更为奇妙的是，原子在这种新型的放射过程中速度却是可调节的，人们既能让它加快或者减慢。如果提高这种放射的速度，让一千克金属铀瞬间放射完，于是它产生的能量，就等同于燃烧2000吨煤，这意味着大爆炸将会随时出现。

爆炸后的裂块继续寻求新的平衡方式，一直持续至放射完剩余的能量，自己生成较为稳定的和减速放射的各类金属原子方会结束。

关于这个新现象我要提醒大家的是，科技不仅会人为造将如此激烈的衰变，并释放出巨大的能量，还能掌控这种反应，让其减弱或者加剧，更可以加以调控而不让爆炸发生且使能量在几千年之中慢慢释放。原子内部能的概念，是在19世纪居里夫妇提取到镭以后出现的，进入20世纪仅有为数不多的科学家敢于发表这个观点，现在不是都成为现实了吗？

在1903年科学家憧憬着人类美好的未来，觉得人们需要的能量会无穷无尽，当时的这个想法还仅是猜想，既无法用大自然中的事实来印证，也不能借助人类现有的知识进行阐述。如今预言也已实现了。

近来，各国都在关注铀，这件事本身并没有可值得大惊小怪的。在此之前，也就是在提取镭之后都认为铀没有价值了。当时比利时、加拿大、美国和别的国家的一些大型炼镭厂在分离完铀和镭后，就千方百计在为铀找去处。当时人们还没有发现铀的价值，铀的售价就无法提高，厂家就压价出售于是它们就成了瓷器和琉璃砖的颜料，另外也用它制作低廉的绿色玻璃。

现在的情况大不如从前了：全世界都对铀刮目相看了，可以说是高度关注，人们勘探铀矿的最终目的已不再是制取镭了，而是为了开采到铀。

就算想彻底解决原子能利用的问题，也是要下苦功的，纵然开始用原子能时较之蒸汽锅的能量贵，大家也得搞明白，原子能可是能连续不断产出能量的，充分利用原子能的前景很广阔。

现在新型能源已在人们的掌控之中了，而且较之人类以前任何时期的能量都要大。

全人类的科学家都在夜以继日的奋斗着，目的是早日熟练掌握新出现的技术。

在原子能普遍被用于民用事业的时代到来后，就会出现装在手提箱里的发电站，怀表般大小的仅几马力的发动机，存储的能量够使几年的喷气发动机，能连续飞几个月的飞机。

如果到了原子能时代，也就是人类威力空前强大的时代。

不过站在原子能这一新的思想高度，来看待化学元素周期表，它已然有其存在的价值。

况且化学元素周期表在认识原子内部的现象时与认识原子间的化学关系方面的发挥的作用都是一样的，均起着指南针的作用。在了解了原子能的构造后，人类意识到化学元素周期表不光是化学定律，同时也是大自然的重要定律之一。