打开原子的大门-第13章
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其中最有趣的是发现了反粒子，例如正电子就是电子的反粒子。后来又发现了反质子，它与质子的质量一样，但带的电荷正好相反——带阴电荷。可以想象，一个反质子和一个正电子也可以构成一种氢原子——反氢原子。反质子和中子还可以构成各种各样的反元素的核，形成各种各样的反物质。当然，在我们现在生活的世界——正物质世界中，反物质是难以存在的，因为实验证明，反物质与正物质相遇就会爆炸而转化成巨大的能量。但是谁能断定，在无穷的宇宙中不会有反物质的世界存在呢？
现在谁也不敢说，这些“基本粒子”我们都认识清楚了；谁也不敢说，这些“基本粒子”是不可再分割的了。世界各国的科学家建造了各种复杂的仪器去寻找新的粒子，他们使这些“基本粒子”以极高的速度相互碰撞，企图打开“基本粒子”的大门。这是一场新的科学会战。
物质世界是无穷的，人类的认识是无穷的，科学的发展也是无穷的。
附 核子台球戏
为了说明原子核反应，让我们来看几场核子台球戏。在这种台球游戏中，台球桌面不是平坦的，上面有一座一座的小火山，火山顶上的火山口就是我们要把台球打进去的地方。火山口里面就是原子核。台球有三种，一种是红的——质子，一种是白的——中子，还有一种大球，是由2个红球和2个白球组成的，这是α粒子。
这个台球桌上的小火山的高度随元素的不同而不同：原子序数越大，火山就越高；火山的高度和原子核的电荷的斥力成正比。
第一个玩这游戏的是卢瑟福，他打的是大台球，他选的目标是一个比较高的火山口——金的原子核。
卢瑟福和他的学生盖革轮流打台球。大多数的球都从火山的旁边笔直地滚过去了，有少数台球爬上山坡的一侧，转一个方向又溜下去了。只有极少数正对着火山口滚去，可惜球的速度不够快，火山又比较高，所以爬到半山腰就倒退了回来。
他们一个球也没有打到火山口里去。但正是他们首先发现火山口的存在，并且探知，要把台球打进火山口是很不容易的：不仅要对准，而且要使足了劲打，不然的话，台球滚不上去。
这是第一次游戏。你们当然知道，这就是卢瑟福的α粒子散射实验。他发现了原子有一个带阳电荷的很小的核。
后来，卢瑟福又带他的学生马斯登和查德威克来玩台球或。他们打的还是大球，但比上一次用劲了；选择的目标是那些最低的火山口。这一次他们成功了。
马斯登第一个把大球打到氮的火山口里去了。大球笔直地冲上山坡，越爬越高，最后爬上山顶，掉进火山口里。这时候，奇怪的事发生了：从火山口里跳出来一个红球，沿着山坡滚下去了。
卢瑟福对这次成功极感兴趣，他和查德威克也把大球打向选定的目标。他们往氖、镁、硅、硫、氯、氩、钾的火山口里都打进去了球，接着火山口里也都跳出来一个红球。他们还想往更高的火山口里打球，但是力气不足，球始终没有爬上山去。
这次游戏结束了，他们相信在火山口里一定有红球——原子核中有质子。
大家都知道，这次游戏就是卢瑟福等人发现人工核反应的实验。
后来，这种游戏越来越普遍了。许多科学家都在玩这种台球戏。30年代初，在这种游戏中出现了德、英、法三国对抗的局面。
德国贝特在这种游戏中把大球打到锂、铍和硼的火山口里去，他看到似乎有什么东西由火山口里跳出来，滚走了。法国的小居里夫妇来玩台球，结果也一样，但是他们也没看清楚跳出来的是什么东西。最后，打台球的老手英国查德威克来了，他一下子就把大球打到铍的火山口里，接着他就抓住了由火山口中跳出来的球。原来是个白球，大小和红球几乎一样。这可是新发现，在火山口中除了红球以外还有白球——中子。
这次比赛，英国的查德威克胜利了。他抓住了白球——发现了中子。
小居里夫妇对这种游戏着了迷，他们不断地向铝的火山口里打进去大球。结果发现，大球落进了火山口，立即跳出来的可能是红球，也可能是白球。
休息的时候，他们还在看着这些火山口。突然，在跳出过白球的火山口里又跳出来一个小红球，飞快地滚走了。快捉住它！他们捉住小红球仔细一看，原来是正电子。
大家都清楚，这次游戏就是小居里夫妇发现人工放射性的实验。
接着，费米来玩台球戏了。他打的台球是白球——中子。台球桌也不一样了，火山不见了，进球口就在台面上。这样的台球桌适用于白球——中子，因为中子不带电，不需要克服原子核的电荷对它的斥力，不需要爬坡。
费米的游戏比过去的玩法简单得多了，只要对准台面上的进球洞口，把白球打过去就行了，球的速度快慢没有关系。费米向各个洞里都打了白球。
他发现，头几个洞中打进去白球就像石沉大海，没有什么东西跳出来。以后的洞情况就不同了。有时候，白球进去红球出来。有时候，白球进去大球出来。而大多数情况下是白球进去以后，过一段时间跳出来一个小蓝球。这小蓝球不是别的，原来就是电子。
人们不禁要去张望一下火山口里的情况了。原来，火山口里像一只光滑的杯子，里面有若干个红球和白球。这些球在杯子里面悠哉游哉地荡来荡去，你碰我一下，我撞他一下，但是速度都不大，哪个球也爬不出火山口。
忽然，从火山口上掉下来一个大球，这大球掉进火山口就散开成两个白球和两个红球。这不速之客的到来，打乱了火山口里的正常秩序。各个球纷乱起来，乱跑乱撞，最后有一个红球或白球被几个球同时一撞，就爬上了火山口的边缘滚了出来。在这以后，剩下的球又平静下来。
人们原来以为火山口内一定会有小红球和小蓝球（正电子和电子）。看了以后才发现，火山口内只有红球和白球而没有什么小球。
人们发现，在周期表前面几个元素的火山口里，红球和白球的数目差不多一样多，白球也可以略多一点。譬如氧的火山口里就有8个红球和8个白球，这时候火山口里显得很稳定。如果再增加一个或两个白球，火山口里还是比较平静，不会发生问题。如果白球再增加一个，火山口里达到8个红球和11个白球。这时候，火山口里就动乱起来，突然，一个白球变成了红球，同时产生一个小蓝球；小蓝球的速度非常大，立刻爬上火山口滚了出去。以后，火山口里又平静下去，不过这时的火山口已经变成了氟的火山口。
如果火山口里红球多了怎么样？这时也会发生动乱，动乱的结果不是把多余的红球赶出火山口，就是这红球突然一下子变成了白球，同时产生一个小红球，飞快地滚出火山口。
在后面的火山口里，球的数目越来越多。白球的数目大约要比红球数目大半倍才能稳定下来。例如汞的火山口里就需要有80个红球和120个左右的白球。
在最后的几个大火山口里有200多个球碰来碰去，即使外边没有球打进来，由于内部的相互碰撞，也可能忽然把两个红球和两个白球一起挤出火山口，形成一个大球滚了出去。这就是天然放射的α粒子。
在挤出去两个红球和两个白球以后，火山口里的红球和白球比例又不太合适了，白球似乎稍微嫌多了一点。这时候，过多的白球就会突然变成红球，同时，放出去一个小蓝球。这就是天然放射的β射线。
好了，对核子台球戏我们暂时就介绍到这里为止。
当然，这只是一种极为简单的模型。大家不要认为原子核构造和原子核反应真像这个游戏中介绍的那样简单。例如，火山的半山腰就会有条隧道直通火山口里，有时候，外面的球不需要爬上火山口，在半山腰钻过隧道就可以进去。同样，火山口里的球也可以穿过隧道跑出来。当然出现这种情况的机会是很少的。
原子核物理学家们曾经提出来过各种各样的原子核构造模型。有的认为在原子核内，质子和中子是一层一层的，并且绕着共同的重心旋转；也有的认为原子核像一个液体油滴，等等。到底什么样的模型更符合实际，现在还在研究，还没有最后解决。
下编 元素的诞生
（一）
开头的话
在上编《太阳元素的发现》中我们讲了科学家们是如何发明了光谱分析方法，可以不离开地球就能够研究太阳的化学组成，并且先在太阳上发现了元素氦，后来又在地球上也找到了氦。在中编《打开原子的大门》中是从19世纪末的科学三大发现——X射线、电子和放射性的发现说起，讲到了20世纪科学家们是如何打开了原子的大门，并从中解放出巨大的能量——原子能。在本篇中我们将要沿着科学家走过的足迹，看看他们还研究了什么，发现了什么？而这次将把我们的眼光从地球、太阳、恒星一直延伸到宇宙的深处，也就是说要研究大宇宙的奥秘，然后再转回到小宇宙，进一步探究生命的奥秘。
最古老的科学
如果说，比原子、分子更小的微观世界的大门是从上一世纪末开始到本世纪中期才打开的。那对于地球和地球以外的日、月、星辰的研究和探索，则是与人类文明的发展同时起步的。所以，天文学是一门最古老的科学。
在远古，人类为了生活和生产的需要就要观察天象。从日月星辰运行的规律，辨认方位，确定历法，了解季节变化……一些古代神话也大都和天文有关，例如中国就有，盘古氏开天辟地，女娲氏炼石补天，夸父追日，后羿射日，嫦娥奔月……世界各民族也都有不同的创世纪的幻丽神话。
关于宇宙的构造，在中国古代就有浑天、盖天和宣夜三种学说，这都是根据当时积累的各种天文现象观测后提出的假说。其中浑天学说与欧洲古代的宇宙观类似。大意是“天如鸡子，地如卵中黄。孤居于天内。天大而地小，半覆地上，半绕地下，故二十八宿半见半隐”。后汉时期张衡根据浑天说制作了一个浑天仪，是在一个大球内刻画着日月星辰，用水轮机转动，人可以钻到里面去看，与实际的天象相合。当时的大学者蔡邕就说过他愿意终生躺在浑天仪内，由此可见这仪器之精巧，这可以说是世界上最早的天象馆。
在欧洲，一直流行着多重天的地心学说，地球在中心，外面有一层层的天球套起来，月亮、太阳和各个行星的天球，最外层是恒星的天幕，而天幕外面则是神居住的地方。张衡的浑天仪是用水轮机运转的，欧洲则设想天球外面有神的机械在运转各重天。这就是托勒玫的地心体系，为神保留了至高无上的地位。在欧洲中世纪传下来一幅画，画的是一个僧侣长途跋涉到了天边，钻出恒星天幕去窥探，看到了神的机械。
到了中世纪末，欧洲文艺复兴的浪潮冲击着各种旧思想、旧观念。哥白尼于1541年发表了“天体运行论”，提出了太阳中心说，从而把神在宇宙中的位置用科学推出去，让他们无容身之地。此后，天文家们观测行星的运动有了正确的坐标（地球和行星绕着太阳转），而后德国的刻布勒根据长期精密的观测确立了行星运动的三大定律，而牛顿正是在这基础上创立了他的万有引力定律（有不少人说牛顿是看到苹果落地从而发现了万有引力，这故事是骗小孩子的胡说）。所以牛顿说“我是站在巨人的肩上，才能比他们看得远些”。
天文学的进一步发展是由于望远镜的发现，这使人们的视野拓宽和延伸了。意大利的伽利略听说荷兰眼镜制造师发明了望远镜，于是在1609年（扫校者注：原书为1809年，有误）自己设计制作了望远镜。他第一次观测就发现了月球上面的环形山，木星有4个月亮（卫星），土星似乎是3块（后来发现这是光环），金星有盈亏变化，银河是由无数密密麻麻的恒星组成的。
望远镜的发现使天文学发展到一个新时代。当时，各国的天文学家都在制作天文望远镜。天文望远镜越大，看到的恒星数目就越多，而当时人们再也不认为恒星仅仅是一块天幕了。宇宙是有限的还是无限的问题就摆在人们的面前。
《列子》中的对话
什么是宇宙？我国汉代高诱注释《淮南子》一书时说：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”换句话说，宇宙就是空间和时间的连续体。至于宇宙有多大，汉代天文学家张衡说得好：“宇之表无极，富之端无穷。”也就是说时间和空间是无限的。
关于宇宙有没有尽头的问题，我们不禁想起我国古代《列子》一书中记录的一段对话。殷汤（王）问于夏革（大夫）：古初有物吗？夏革说：古初没有物的话，今天哪能有物。殷汤问：然而上下四方有极尽吗？夏革说：在无极之外复无无极，无尽之中复无无尽。无极复无无极，无尽复无无尽。所以我只知道是无极无尽，而不知道是有极有尽。所以天地大小相含，无穷无尽。你怎么能知道在天地之外不会有更大的天地呢？
在《列子》中讲的是一段哲学推理，但清楚地说明了宇宙的无穷尽原理。这个思想远远地超过欧洲中世纪的宇宙模型。
望远镜的发明，成为天文学家的有力工具，望远镜的口径越大，观测到空间深处的天体越多，宇宙真是无边无际的。
夜间的天空为什么是黑的？
在研究宇宙是否有穷尽的时候，有一位德国医生、业余天文爱好者奥伯斯（1758…1840，以发现小行星和彗星而出名），他在1826年提出一个十分有趣的问题：“夜间天空为什么是黑的？”
夜空是黑的，这当然是谁都看到的，但奥伯斯问：如果宇宙是无限的，那么天空将均匀地布满恒星，无论从哪个方向看天空都会看到星星，所以整个天空将显得很明亮，亮得像太阳一样。而实际不是这样，所以宇宙空间可能是不透明的，遥远空间的星光被不透明的星际物质吸收了。
奥伯斯的解释并不正确，被称之为“奥伯斯佯谬”。但他提出的问题标志着科学宇宙学的萌芽，围绕着这个问题的解决，使人们进一步加深了对宇宙的认识。
人们有了望远镜，就看到了宇宙深处，不仅看到越来越多的恒星，还看到了在宇宙间有众星簇成的星团，有弥漫的星云，有成为旋涡状的星云。这时就产生了一种想法，恒星难道是同时产生的吗？就像我们走到森林中去，看到的树木有的年老，有的年轻，星星是不是也有生老病死呢？我们看到的星星肯定有不同的年龄。在这时有人假设，观测到的星云应该是刚刚形成的恒星。然而，那时的人们错了，错在当时还没有弄清楚各个天体离我们有多远，当然也不可能知道这些天体有多大了。
当时，我们能够研究的天体就是我们的地球，还有一些从天外飞来的不速之客——陨石。在分析它们的化学组成后，就发现天外来客与地球本身相比，并没有什么特殊之处。显然地球外面的天体的物质组成应该是与地球没有太大区别的。但是飞到地球之外去研究别的天体，在上一世纪只能是幻想。
光谱透露了星光的秘密
对于地球我们可以研究它的成分，但是对于地球以外的天体呢？我们离不开地球，所以也就无从去研究它们的化学组�
