然而,中微子卻根本不怎麼同物質粒子相互作用,因此,它們可以通過整整一光年厚的固體鉛塊,而卻不會受到多大的影響。
這樣,似乎顯而易見,既然中微子的靜質量等於零,它們就不是物質。從另一方面說,它們需要用能量才能產生,而且它們還帶著能量離開它們產生的地方,所以,它們是能量的一種形態。
可是,它們在通過任何已知物質時幾乎完全不起任何相互作用,所以,它們實質上完全沒有做功。這就使它們不同於任何一種別的能量形態。看來,也許我們最好是別去追究它們是物質還是能量,而幹脆就把它們叫做中微子吧!
第64節
氣泡室是探測亞原子粒子的一種裝置,它是美國物理學家格拉澤在1952年發明的,結果,格拉澤獲得了1960年的諾貝爾物理學獎。
氣泡室實質上是一個液體容器,其中液體的溫度高於這種液體的沸點。這時,液體處於高壓狀態,所以它實際上並不沸騰。但是,如果壓力降低,液體就會沸騰,並在液體中出現蒸汽的氣泡。
假定有一個像質子或介子這樣的亞原子粒子沖進這樣一個氣泡室的液體中,它就會同液體中的原子和分子發生碰撞,並把自己的一部分能量轉移給它們。因此,在這個液體中,亞原子粒子經過的路線上的原子和分子就會比其他原子和分子稍稍熱一些。這樣,如果降低液體所受到的壓力,蒸汽的氣①目前中微子有靜止質量的結論已逐步為科學界大多數所接受,質量範圍也已經可以預測,但其精確測量仍然極為困難,探索還在繼續。——ken777注
泡就會先沿著亞原子粒子途徑上留下能量的那條路線形成。
因此,就會有一條可以見到的氣泡徑跡指示出那個粒子是從哪裏經過的,這種徑跡很容易拍成照片。
這種可見的徑跡可以告訴物理學家許多情況,要是氣泡室放在強磁體的兩個磁極之間,就更是如此。那些能夠留下氣泡徑跡的粒子總是帶電的——帶正電或帶負電。如果它們帶的是正電,那麼,在磁體的影響下,它們的路徑就會朝一個方向彎曲;如果它們帶負電,它們的路徑就朝相反的方向彎曲。物理學家從它們路徑彎曲得厲害不厲害,就能確定它們的運動速率。從這一點,以及根據徑跡的粗細等等,又能確定出那個粒子的質量。
當一個粒子衰變成兩個以上的粒子時,它的徑跡就會分叉。在粒子發生碰撞的情況下,徑跡也會分叉。在一張特定的氣泡室照片中,會出現大量徑跡。有粒子相遇的,有粒子分開的,還有些是分叉的。有時在一個徑跡圖形的幾個部分之間還有些空白,這些空白就必定要用某種不帶電的粒子來解釋,因為不帶電粒子在氣泡室中運動時不會留下可見的徑跡。
各種徑跡的這種複雜的組合對於原子核物理學家來說,就像雪地上各種動物留下的足跡對於有經驗的獵人那樣富有意義。從這些徑跡的性質,物理學家就可以辨認出所碰到的是些什麼粒子,或者指出他是否發現了某種全新的粒子。
格拉澤最初的氣泡室的直徑只有幾厘米,但是,現在正在建造的氣泡室卻已成了龐然大物,直徑達到幾米,能夠容納以立方米計的液體。
氣泡室所用的液體可以是各種各樣的。有些氣泡室裏裝的是液化的惰性氣體,例如氙或氦。有些裝的則是液化的有機天然氣。
不過,對氣泡室來說,最有用的液體卻是液態氫。氫是已知的最簡單的原子。每一個氫原子含有一個原子核(它只由一個質子構成),還有一個孤零零的電子繞著原子核旋轉。因此,液態氫是只由一些孤立的質子和電子構成的。而所有其他液體的原子核,卻都是由幾個質子和幾個中子堆集成的團塊。
這樣一來,在液態氫中發生的亞原子事件就特別簡單,它們全都很容易從氣泡所組成的徑跡辨認出來。
第65節
鈾235是實用的核燃料。這就是說,慢中子會使鈾235原子發生裂變(一分為二),並且產生更多的慢中子,而這些慢中子又會進一步引起其他鈾原子裂變,使裂變過程持續下去。
由於同樣的原因,鈾233和鈈239也是實用的核燃料。
遺憾的是,天然存在的鈾233和鈈239的數量真是微乎其微,而鈾235的數量雖然比較可觀,但也相當稀少。在任何一塊天然鈾的標本中,每一千個鈾原子當中只有七個是鈾235,其餘的都是鈾238。
鈾238是最常見的一種鈾,但它卻不是實用的核燃料。鈾238也能在中子作用下發生裂變,但只有快中子才能做到這一點。那些分裂成兩半的鈾238會產生一些慢中子,而慢中子不足以引起進一步的裂變。鈾238可以比作潮濕的木頭:你可以把它燒著,但它最後還是要熄滅的。
但是,假定把鈾235同鈾238分離開來(這是一個相當艱巨的任務),並且用鈾235來建造一個原子核反應堆,這時,構成反應堆燃料的那些鈾235原子就會發生裂變,並向四面八方發射出無數慢中子。如果這個反應堆包著一個用普通鈾(其中絕大部分是鈾238)制成的外殼,那麼,射入這個外殼的中子就會被鈾238所吸收。這些中子不可能迫使鈾238發生裂變,但卻會使鈾238發生另外的變化,最後就會產生鈈239。如果把這些鈈239從鈾裏面分離出來(這是個相當容易完成的任務),它們就可以用作實用的核燃料了。
能夠用這種方式產生新燃料去代替用掉的燃料的反應堆就是增殖反應堆。一座設計得當的增殖反應堆所生產的鈈239,在數量上要多於消耗掉的鈾235。利用這種辦法,就可以使地球上的全部鈾——而不僅僅是稀有的鈾235——都變成潛在的燃料來源。
天然存在的釷完全是由釷232組成的。釷232就像鈾238一樣,也不是實用的核燃料,因為要有快中子才能使它發生裂變。
不過,如果把釷232放進包著核反應堆的外殼裏,釷232原子就會吸收慢中子,並且盡管它不發生裂變,最後卻會變成鈾233原子。由於鈾233是一種很容易同釷分離開來的實用燃料,這樣做的結果便又實現了另一種增殖反應堆,它會把地球上現有的釷資源變成潛在的核燃料。
地球上的鈾和釷的總量大約比鈾235一項的蘊藏量多800倍。這就是說,如果適當地利用增殖反應堆,就可以通過原子核裂變發電廠把地球上的潛在能源增加800倍。
第66節
當氫被加熱到越來越高的溫度時,它就會以越來越快的速率通過輻射喪失它的能量。另一方面,隨著溫度的繼續上升,氫原子會失去它們的電子,只剩下裸露的原子核撞擊在一起並發生聚變。當發生這樣的聚變時,就會產生能量。這時,由於溫度繼續升高,便會通過聚變產生越來越多的能量。
隨著溫度的上升,聚變所產生的能量的數量增加的速率,將大於通過輻射損失能量的速率。在某一個臨界溫度下,聚變所產生的能量正好同通過輻射損失掉的能量一樣多。在這種條件下,溫度將保持不變,因而聚變反應就會變成自持的。
只要有更多的氫不斷供給這樣一個系統,能量就會源源不絕地產生出來。
發生聚變所要求的溫度隨著氫的「品種」的不同而改變。
最常見的是氫(H),它的原子核是由一個質子構成的。然而還有重氫,即氘(D),它的原子核由一個質子和一個中子構成;還有一種放射性氫,氚(T),它的原子核由一個質子和兩個中子構成。
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