簡介
 | 核輻射百科 hefushe.baike.com 主編：何賦 簡介：介紹核輻射的危害及急救措施。 |
放射性現象的發現，把人們對於原子的認識引向深入，原子核的秘密逐漸被揭開了。
1911年，盧瑟福提出了原子的行星模型。他認為原子猶如一個小小的太陽系，中間是原子核(相當於太陽)，集中了原子質量的極大部分；周圍是電子(相當於行星)，圍繞著原子核鏇轉。
1919年盧瑟福用α粒子轟擊氮，使氮轉變成了氧，人類歷史上破天荒第一次實現了原子的人工轉變。幾千年來，鍊金術士們點石成金的夢想終於變成了現實。
1932年，英國物理學家查德威克發現了一種新的基本粒子，這種粒子不帶電荷，被稱為中子。這一突破性的發現不僅導致了現代原子核理論的建立（原子核由質子和中子組成），而且為人們提供了一種轟擊原子核的強有力的新型“炮彈”。
1934年，法國科學家約里奧·居里和伊倫·居里在用α粒子轟擊鋁時，發現了人工放射性，這一發現引起了許多科學家的極大興趣。從此，開始了大量製取人工放射性同位素的工作。
不久，年輕的義大利物理學家費米也著手製取放射性同位素。他的實驗有個特點：他是用中子而不是象約里奧·居里那樣用α粒子去轟擊各種元素。費米所以用中子作為“炮彈”去轟擊原子核，道理是很簡單的：因為原子核是帶正電荷的，所以帶有兩個正電荷的α粒子會被原子核所排斥，而不帶電荷的中子必然比較容易接近並進入原子核內。
費米製取放射性同位素的方法對許多元素都是非常有成效的。在很短的時間內，他製取了約50種新的放射性同位素。其中有許多是進行β衰變的。這種衰變方式是放出一個電子，相當於原子核內一個中子變成了一個質子，也就是說，經β衰變生成的新同位素，其原子序數比原先的同位素增加了1。
92號元素鈾是當時最重的元素，那么，鈾吸收一個中子後發生β衰變的話，會出現什麼情況呢？顯然，結果將會產生93號元素，即所謂“超鈾元素”。
可以構想，這個“超鈾元素”大概是一個放射性元素。否則人們早已在穩定元素的行列中找到它了。還可以想像，這個元素衰變後，可能會形成一些原子序數更高的元素，例如94號元素。或許這將使我們有可能揭開元素數目限制的秘密，弄清鈾之所以是元素周期表中最後一個元素的原因。
正是上述想法強烈地吸引著費米，激勵著費米用中子去轟擊當時最重的元素鈾，從而導致了鈾核裂變現象的發現——這無疑是本世紀最重大的發現之一。
費米的實驗進行得很成功。鈾經中子轟擊後，產生了前所末見的新放射性，這种放射性由成分相當複雜的β射線所組成。費米對放射性強度衰減曲線進行了分析，結果表明，它包含四種半衰期：10秒、40秒、13分鐘和90分鐘。除了這四種半衰期外，他估計還至少有一種更長的半衰期。
我們知道，每种放射性同位素都放出自己特有的射線，並日具有自己特有的半衰期。因此，鈾經中子轟擊後產生的β放射性物質有五種半衰期，就表示生成了五種新的放射性同位素。
按照當時的一般看法，鈾經中子轟擊後形成的新放射性同位素，與鈾的原子序數不應相差很大。但根據已有的資料來看，從86號到92號元素，沒有一個同位素的半衰期與上述四種符合。於是費米就假定，他所發現的β放射性，是鈾俘獲一個中子後經β衰變所形成的93號元索(或原子序數更高的元素)放射出來的。也就是說，他認為自己發現了所謂“超鈾元素”。
費米的這一發現在科學界引起了廣泛的注意。有一些科學工作者對費米的結論表示懷疑，認為他的實驗結果也可作別種解釋。不久，實驗證實91號元素鏷具有與費米所發現的半衰期為13分鐘的放射性物質相似的化學性質。是否費米所發現的就是元素鏷的同位素呢？總而言之，費米關於發現“超鈾元素”的結論看來是成問題的，這就是著名的“超鈾元素之謎”。
這時，“超鈾元素”的研究工作已在德國的一個實驗室中大力展開。德國科學家哈恩和梅特納對“超鈾元素”加以詳細研究之後，很快地看到，事情要比費米最初所構想的複雜得多。射線強度的衰減曲線表明，某些放射性物質可能並不是在中子轟擊時產生的，而是經過一段時間後才產生出來的。這就是說，這些放射性物質並不一定是鈾被中子轟擊時立刻產生的，而可能是經過幾次放射性衰變之後才形成的。
哈恩和梅特納對射線強度的衰減曲線進行了仔細的分析，肯定了上述假說的正確性。經過長時間的精心研究，到1937年，他們編制出了鈾經中子轟擊的三種核轉變方案。從這些核轉變方案中可以看到，被中子轟擊過的鈾經歷了一連串的放射性衰變。第一和第二個放射性衰變鏈的頭一個成員，其半衰期分別為10秒和40秒，這是哈恩和梅特納經過長期細緻的工作，直接由化學方法可靠地確定的。半衰期為2.2分鐘的放射性物質，是半衰期為10秒鐘的放射性物質的子體。這種關係，可以通過改變中子轟擊的時間予以確定。對於放射性衰變鏈的其它各環節，也確定出了類似的聯繫。
以上我們看到，哈恩和梅特納獲得了費米所未曾發現的一些半衰期，特別是一些較長的半衰期。半衰期的總數已達九種之多，而所推測的“超鈾元素”的最高原子序數已增高到97。這裡，哈恩等已將費米的13分鐘和90分鐘兩個半衰期分別改變為16分鐘和59分鐘。
在哈恩和梅特納所假定的“超鈾元素”的衰變方案中，有三個平行的放射性衰變系列。為什麼不多不少是三個系列呢？是因為鈾有三個同位素的緣故嗎？這或許是可能的，即鈾238、鈾235和鈾234俘獲中子後各自形成了一個放射性系列。但是射線強度的測量結果表明，把所觀察到的半衰期歸結為屬於含量極小的同位素鈾235(占0.72％)，特別是鈾234(占0.0055％)，是很不合理的。
1936年，有人用中子轟擊溴時，發現生成的溴80具有18分鐘和4.4小時兩個半衰期，這就是所謂同核異能現象。這一發現給哈恩等“幫了大忙”，似乎他們可以擺脫困境了。
於是他們假定，上述三個系列是由鈾的一個主要同位素鈾238產生出來的。也就是說，鈾238經中子轟擊，生成鈾239，鈾239有三種同核異能態，這三種同核異能態形成了各自的衰變系列。
雖然鈾經中子轟擊後產生的以及衰變產生的各种放射性物質之間的關係，已經可靠地確定下來，雖然哈恩和梅特納所提出的解釋似乎是當時唯一可能的解釋，但是這種說法還是不能不引起人們的懷疑。
為什麼鈾一下子產生了三個同核異能態呢？為什麼“超鈾元素”也竟有三個同核異能態呢？為什麼俘獲一個中子的鈾要經過五次β衰變才能到達穩定的產物呢？為什麼原子序數為95或97的元素竟會是一種穩定元素呢？
問題的存在並不一定是壞事。問題是烏雲，它預示著暴風雨的即將來臨；而雨過天晴，迎來的必將是更加明媚的陽光。為了揭開“超鈾元素之謎”，科學家們在緊張地、孜孜不倦地工作著。
在法國，伊倫·居里和沙維奇也在進行中子轟擊鈾的實驗。1938年，他們發現鈾經中子轟擊後，除了出現哈恩等所指出的那些半衰期外，還存在一種3.5小時的半衰期。他們對這种放射性物質的化學性質進行了研究，發現它與稀土元素鑭的化學性質相似。所以他們假定，這种放射性物質是與鑭的化學性質相似的錒的一個同位素。
但不久，他們又發現了一個奇怪的事實，即半衰期為3.5小時的放射性物質，可用化學的方法與錒分離，但不能與鑭分離。這种放射性物質與其說是錒的同位素，倒不如說是鑭的同位素。
伊倫·居里和沙維奇實際上已經到達了解決問題的邊緣，因為半衰期為3.5小時的放射性物質確確實實是鑭的一個同位素。遺憾的是，傳統的觀念束縛了他們，以至他們始終認為：中子轟擊鈾的產物必定是周期表中靠近鈾的那些元素，而決不可能是周期表中部的元素。另外，他們對樣品進一步進行分級結晶，結果表明：半衰期為3.5小時的放射性物質終究是能與鑭稍稍分離的。
於是，他們就千方百計將自己發現的放射性物質安置到已經十分“擁擠”的所謂“超鈾元素”的行列中去。就這樣，傳統的觀念和“不幸”的實驗數據，把他們從新發現的邊緣引向了歧途。現在知道，鈾裂變產物中也有半衰期約為3.5小時的釔同位素存在，因此，這個結果很可能是由於釔同位素的少量沾污造成的。
科學是沿著曲折的道路前進的。科學研究的課題也象生活的其它方面一樣，當你知道了它的答案以後，你覺得它是那樣的簡單明了。但在此之前，卻是高深莫測、疑團紛紛。
哈恩和史特拉斯曼立刻在自己的實驗室里重複了伊倫·居里和沙維奇的工作，但是他們把研究計畫稍稍擴大了一些。他們在經中子轟擊過的鈾中不僅找到了鑭的類似物，同時也找到了鋇的類似物。
開始，他們也和伊倫·居里等一樣，受到傳統思想的牢固束縛，因而把鋇的類似物當成是鐳的同位素。從92號元素跳到88號元素，他們假定了一個所謂“雙重α衰變”，並且把這稱作是一個驚人的“成果”。
此時，在經中子轟擊過的鈾中，發現的放射性物質的總數已達到十六種之多；“超鈾元素之謎”的混亂程度也達到了它的頂峰。
但是不久(1938年底)，哈恩和史特拉斯曼用嚴格的化學方法證明，所謂的鐳同位素實際上是鋇同位素，而所謂的錒同位素實際上是鑭同位素。哈恩和史特拉斯曼在自己的文章中寫道：“作為化學家的我們，不得不肯定地聲明，鈾俘獲中子後所產生的新物質的性質並不與鐳相同，而與鋇相同”。這就是想“獵取”“超鈉元素”而獲得的意外結果。
為什麼鈾經中子轟擊後竟會產生周期表中部的元素鋇和鑭的放射性同位素呢？
哈恩寫信給當時在瑞典的梅特納，把自己的新發現告訴了她。梅特納曾與哈恩共事長達三十年之久，她深信哈恩的結果是正確無誤的。這一信念使她拋棄了傳統觀念，而從事實出發，同她的侄兒弗里希一起，首先對哈恩和史特拉斯曼所得到的意外結果作出了正確的解釋。
根據原子核的液滴模型，原子核內的核子(質子和中子的統稱)，起著和液滴內的分子相類似的作用。由核子間的強烈吸引力而產生的表面張力，使原子核成為球形。若給原子核以一定的能量，原子核“液滴”就會發生振盪，變成橢球形，然後又回到球形，再變成橢球形，周而復始。在這過程中一般通過γ射線的發射，或α粒子或β粒子的發射，將多餘的能量釋放出去，而使原子核最後穩定在球形狀態。
梅特納和弗里希認為，鈾核俘獲一個中子時，情況卻有些不同，鈾核既不發射γ射線，也不發射α粒子或β粒子，而是繼續振盪下去，逐漸變成啞鈴狀，由於正電荷的強烈排斥作用，最後使鈾核分裂成兩半。兩個碎片帶著巨大的能量飛離出去，鈾核的電荷和質量大致相等地分配給這兩個碎片。梅特納和弗里希認為，哈恩和史特拉斯曼所觀測到的鋇和錒，就是這樣的鈾碎片。
關於鈾核裂變成兩個碎片的假設，及時而正確地解決了“超鈾元素”問題。現在，雨過天晴，一切疑團都煙消雲散了。所謂的類錸、類鋨、類銥等等，決不是比鈾還重的“超鈾元素”，更不是什麼“超鈾元素”的同核異能態，它們實際上是錸、鋨、銥等周期表中部元素的同位素，它們的質量約等於鈾的一半。這些就是鈾核裂變的碎片。
科學史上往往出現這樣的情況，人們追求的是一件引人入勝的東西，而得到的卻是一件更有價值的寶貝，鈾核裂變現象的發現就是一個典型的例子。
裂變現象的發現史是一部曲折的歷史，前後經歷了五年的時間。費米實際上是第一個實現鈾核裂變的人，但是他沒有能了解它的本質。伊倫·居里和沙維奇已經接近了解決問題的邊緣，但他們在大門口猶豫徘徊。直到1938年底，哈恩和史特拉斯曼才給出了鈾核裂變的確鑿無疑的證據。而梅特納和弗里希“心有靈犀一點通”，對此作出了正確的解釋。
發現
從這裡我們可以清楚地看到，在科學研究的道路上要取得重大成就，不但一定要堅持實踐第一，絕對尊重事實，而且一定要敢於拋棄傳統的觀念，因為科學上的任何重大突破都必然是對傳統觀念的否定。
核裂變現象的發現，打開了大規模利用原子能的大門，原子能世紀真正到來啦。
