敲开原子世界的大门
▲美国国家航空航天局“火星科学实验室”（MSL）是利用原子核放射性同位素热发电（RTG）驱动的火星车（rover）
小小的原子，人们从认识它到敲开它那神秘的大门，进而到利用其巨大的能量，竟用了一个多世纪，这其中还有许多感人而有趣的故事。
为原子构建“有核”模型
英国物理学家卢瑟福在科学道路上是个勇往直前、顽强进取的人。崇仰他的人在他的实验室大门的右侧雕刻着一条鳄鱼：当年曾同卢瑟福一同工作过的人，都称他为“鳄鱼”。鳄鱼是一种从不向后看的动物，它张开吞食一切的大口扑向前方。人们用“鳄鱼”象征着卢瑟福在科学事业上执著追求的刚毅性格。
19世纪末期，原子已从古代科学家认为的不可分割到知道其内有电子存在。但卢瑟福对此并不满足。他想，既然原子内有电子，那么，电子在原子内处于何等地位，而原子内部又是怎样的情况，这些科学家们都无法解答，更不能证明是否有单个原子存在。他决心刨根问底，揭开原子世界的秘密。1899年，卢瑟福发现了镭的两种辐射：一种是不能贯穿很薄铝片，但能产生显著电效应的辐射，卢瑟福将其命名为α射线；另一种能贯穿较薄铝片，并能穿过包装纸使照相机底片感光的辐射，命名为β射线。
▲卢瑟福（1971 —1931）
▲汤姆生与他的原子西瓜模型
当时，人们对原子模型曾作过各种各样的猜测。卢瑟福的老师汤姆生提出了原子的“西瓜模型”：球形的原子内部均匀地分布着阳电荷，带阴电的电子夹杂其中。由于西瓜瓤带阳电荷，而瓤子包着的瓜子带阴电荷，所以整个“西瓜”呈中性。卢瑟福和他的学生用α射线粒子轰击原子，按照原子“西瓜模型”的特点，α粒子应很容易穿过原子，而不会发生α粒子散射现象。然而，他们做了多次实验，表明汤姆生的“西瓜模型”设想不符合事实。这是因为当卢瑟福以高能量的α粒子流轰击金属箔时，发现了一种奇妙的现象：大多数α粒子穿过金属箔后依然沿直线前进，但有少数α粒子偏离了原来的运动方向，还有个别的α粒子被弹射回来，即和原来的入射方向恰好相反。这种偏离现象称为α离子的散射。形象地说，那些少数不依原来的入射方向前进的α粒子，好比一个弹球打在一块硬石上，弹球被反弹回来或被弹到别处一样。卢瑟福想：用玻璃球打玻璃球，其中之一必定会弹射到别的方向去，而用玻璃球打在小砂粒上，决不会弹射回来，因为玻璃球比砂粒大得多。同样，由于α粒子的质量要比电子大七八千倍，因而电子不可能将α粒子弹回的。这就是说，用α粒子轰击原子是不会产生散射现象的。
卢瑟福做了在各种金属薄膜下α粒子流的散射实验，计算了在不同方向上散射的粒子数。通过多次实验和反复观察、计算，一幅崭新的原子模型图出现在他的面前：原子具有很小、很重、坚硬并带正电的中心核。卢瑟福把这个核称为“原子核”。于是，卢瑟福勾绘出新型的原子模型：环绕着原子核的大量电子，是在电磁引力作用下旋转的。由于这种原子模型类似于环绕太阳运转并以万有引力维系运动的行星系，人们把卢瑟福的原子模型称为“小太阳系”。
▲卢瑟福的“小太阳系”原子模型
原子具有核结构是对原子科学具有标志意义的重大发展，卢瑟福也被人们尊称为“原子核之父”。核模型的建立对原子物理学的发展起了重大作用，也为敲开原子世界的大门做出了开创性的贡献。
发现敲开原子核的“炮弹”
在建立了“小太阳系”原子模型后，卢瑟福又在考虑以人工方法使自然界中一些元素的原子核转变为另一元素的原子核。1919年，他用α粒子轰击氮原子核，从里面打出一粒碎屑。这粒碎屑在涂着硫化锌的荧光屏上发出闪光。他研究碎屑后，知道氮原子核吞并了α粒子，变成了氢原子核（质子）和原子量为17的氧原子核（普通氧原子核的原子量为16）。卢瑟福用人工方法成功地实现了元素的转变。用α粒子轰击氮核后，使元素氮转变为氧的同位素氧-17，并放出一个质子。卢瑟福还测定了质子的射程，并发现从硼到钾的所有轻元素中除碳和氧外，都可用α粒子进行轰击，使它们产生嬗变并放出质子。1920年，卢瑟福在一次演讲中做出了极为出色的预言，认为在原子的某个地方，可能存在着一个尚未被察觉到的中性粒子，这种粒子很可能比α粒子的用途大得多，它能自由地穿过物体，但却不能把它控制在一个密封的容器中。
知识链接
放射性射线的发现
天然放射性的发现被誉为原子科学发展的第一个重大发现。铀的天然放射性是法国物理学家亨利·贝克勒耳进行X射线实验时首次发现的。
1896年，贝克勒耳用一种荧光物质铀盐来试验X射线对荧光的影响。他将铀盐与用黑纸包起来的照片底片放在一起，准备放在阳光下照射。由于阳光不能穿透黑纸，因而不会使底片感光；如果由于阳光的激发而使荧光中含有X射线，这种射线就会穿透黑纸而使底片感光。可是，天公不作美，一连几天不出太阳，贝克勒耳只能把铀盐与黑纸包一同放进暗橱，无意中还将一把钥匙搁在上面。
几天之后，他取出一张底片想检查是否漏光。可是，当他冲洗底片后，却意外地发现底片强烈地感光了，在底片上出现了硫酸钾铀很黑的痕迹，还留下了钥匙的影子。
他思索，是什么东西使底片感光了呢？ 答案只能从硫酸钾铀上找。这个铀盐中含有硫原子、氧原子、钾原子和铀原子。他通过比较和分析后认为，前三种原子都是稳定的，而只有铀原子能悄悄放出一种人眼看不见的射线，使底片感光。
贝克勒耳意外地发现了铀的射线，从根本上动摇了原子不可分割的陈旧观念。后来，法国著名科学家皮埃尔·居里及其夫人玛丽·居里共同就贝克勒耳发现的放射性进行研究，于1898年先后发现了钋和镭两种放射性元素，为开创原子时代作出了巨大的贡献。
▲如今X射线已经广泛应用于各个领域，图中是来自美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台的X射线数据（蓝色）信息
卢瑟福预言的这种中性粒子，就是后来作为轰击原子核“炮弹”的中子。它是12年后英国物理学家查德威克在卡文迪什实验室里发现的。查德威克在卢瑟福的指导下，长期从事寻找中子的研究。1932年，查德威克对法国物理学家约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铍放射出的所谓“γ射线”进行了反复实验。他发现这种“γ射线”不被磁场偏折，说明它是中性的。然而这种射线的运动速度却与通常的γ射线大不相同，仅为光速的1/10，简直太慢了。于是，他进一步研究试验这种射线。当他把这种射线笔直地引向氮气时，发现射线偶尔会以极大的力量打进氮原子里。但通常的γ射线不会发生这种现象。他还发现，这种射线在不同情况下，其能量也不同。查德威克终于认定这种射线与γ射线不同，它是由粒子组成的。为了确定粒子大小，他用这种粒子轰击硼，并从新产生的原子核增加的质量来计算加到硼中去的这种粒子的质量。计算结果表明，这种粒子的质量与质子大致相等。凭着他与卢瑟福长期从事研究寻找中子的理论知识和经验，查德威克终于确定这种射线正是长期寻找的中子流。这样，他以实验证实了卢瑟福关于中子的惊人预言，也为敲开原子核大门找到了“炮弹”。
妙法敲开原子核
当科学家们发现了原子核的秘密以后，就急不可待地想把原子核打开，以便把里面的能量释放出来。然而，打开原子核并不那么容易。它不能像我们吃瓜子用牙把皮咬开，也不能像吃核桃那样，用小锤子敲开它的壳。因为原子核实在太小了，而且其中的质子和中子彼此结合得特别结实。
经过研究和试验，科学家想出了一个绝妙的方法，就是用中子作“炮弹”去轰击原子核。1939年2月，人类终于敲开了原子世界的大门，德国科学家哈恩等用中子轰击铀原子核，结果铀原子核一分为二，变成了质量差不多大小的两块“碎片”——两个新原子核，同时释放出惊人的巨大能量。
▲江苏连云港田湾核电站
延伸阅读
这个真实故事说明什么？
我国东北某省一个高中刚毕业的小青年，一次外出路上捡到个像钥匙链的小玩意儿。他觉得挺好玩的，就顺手装进裤兜里。大约过了五六个小时，他感到浑身难受，四肢疼痛无力，几乎要晕倒。家里人觉得奇怪，活蹦乱跳的小伙子怎么会得这种急病，就赶紧将他送到医院抢救。医生一看就知道是急性核辐射病，就问病人到哪儿去了。小伙子说：“哪儿都没去，就是捡了串钥匙链，还在裤兜里呢！” 医生采用防护措施将钥匙链取出，对病人和家属说：“这不是钥匙链，而是地质勘探用的核辐射源，有很强的放射性，直接放在身上会对身体造成严重损害，为了挽救病人生命，应赶快将其四肢截掉。” 就这样，小伙子变成缺少四肢的残疾人，好长时间失去活下去的信心。在亲朋好友的劝说下，他才恢复自信，并装上由电脑控制的假肢，日常生活基本能自理。后来，对他不离不弃的女友与他结婚，俩人共同创业，过上了美满生活。他的真实故事被拍成电影，并由其本人主演，受到人们的关注。
少年朋友，你从这个故事读到了什么？ 除了学习主人公对不幸的豁达乐观精神外，还应吸取什么教训？小青年已高中毕业，应该知道放射性物质的严重危害，但他不动脑筋去辨认，稀里糊涂就装进裤兜。大意和无知使他付出了惨痛的代价，我们应该引以为戒。