关于元素嬗变的最新研究*

欧内斯特·卢瑟福

编者按

欧内斯特·卢瑟福在这篇文章中发表了对快速发展的核嬗变领域的简评。已经确认许多原子都可以通过增加或减少核中的任意粒子使自己从一种元素转变成另一种元素。但迄今为止人们在像铊、铅、铋和铀这样的重元素中还没有观察到这种反应。卢瑟福说：这个结论可能会有所改变，因为全世界的物理学家，尤其是美国加州大学的欧内斯特·劳伦斯，正在研制能量更高的加速器。不过所得到的能量无法和宇宙射线的能量相比，最近一些与宇宙射线相关的实验显示可能存在一种带正电的电子——后来被人们确定为正电子。ft　　英文

目前我们完全可以认为：仅仅通过增加或减少原子核的一个组成粒子如电子、质子、中子或α粒子就可以使一种原子变为另一种原子。这种嬗变是1919年用放射性物质发射的快速α粒子轰击氮元素时首次完成的。有约十万分之一的α粒子非常接近原子核以至于进入其中而被其俘获。这种强力扰动除了导致放出高速的质子，还形成了质量为17的新原子核。用类似的方法以α粒子轰击可以嬗变一些轻元素，而且在大多数情况下，会放出一个质子。ft　　英文

去年，查德威克发现了一类新奇的嬗变：当α粒子轰击金属铍时，放射出质量为1、被称为中子的不带电的粒子。中子对于物质有极强的穿透性，是产生原子嬗变非常有效的工具。费瑟指出，氮和氧都可以通过中子俘获发生嬗变，并放出一个快速α粒子。由中子引发的这类嬗变与那些由α粒子引发的嬗变有很大的差别。通常，α粒子俘获生成的新原子核比之前的质量重三个原子质量单位，而中子俘获产生的原子核要比之前轻三个原子质量单位。ft　　英文

去年，剑桥大学的考克饶夫和瓦耳顿作出了重要的发现，相对低速的质子在引发许多元素的嬗变中都是非常有效的。质子在氢原子放电的过程中大量产生，随后在加有600,000伏高电压的真空中被加速。在这样的条件下，质子获得了与从镭中放射出的α粒子相当的高速度。当这些相应于微安级电流的快速质子束流轰击元素锂时，发射出大量的α粒子，其能量与从镭中放射出的最快速的α粒子的能量相当。大约有亿分之一的质子进入质量为7的锂原子核，产生质量为8的原子核，该原子核又分裂为两个质量为4的α粒子。考克饶夫和瓦耳顿后来发现，所发射的α粒子由速度相差很大的两群组成。ft　　英文

锂的嬗变可以在特别低的电压下产生。用强的质子流，可以观测到在30,000伏时放射出α粒子；粒子数目随着电压的加大而快速增加，在从30,000伏到1.5百万伏这个非常宽的范围内，不同的观测者都检测到了这种变化。ft　　英文

质子在蜕变轻元素硼时也是非常有效的，且会再次放出α粒子。在这种情况下，质量为11的硼原子核在俘获一个质子后破裂为三个α粒子是可能的。所观测到的辐射很复杂，详细的分析还未完成。许多其他的元素也已被发现可以发生嬗变，当然，在所有的情况下都会放出α粒子。ft　　英文

在由卡文迪什实验室的奥利芬特发明的特殊形式的加速管中，细而强的质子束流可以在高至200,000伏的电压下产生。经过磁场偏转的质子流轰击面积约为1平方厘米的靶。通过特殊的装置，在检测室中可以得到的粒子数比考克饶夫和瓦耳顿在相同电压下观测到的粒子数至少大几千倍。用这种方法很容易观测到在相当低电压下从非常薄的锂和硼薄膜中放射出的粒子，还测量了粒子数随电压的变化。例如，在电压低至30,000伏时从锂中可以放出许多α粒子。在电压为60,000伏时观测到了从硼放出的α粒子，但与锂的情况相比，α粒子的数量随电压增加得更快。ft　　英文

通过这种灵敏的方法人们已经进行了特殊的实验用以检验重元素铊、铅、铋和铀对200,000伏的质子是否显示任何嬗变的迹象，但并未观测到这些元素有发射α粒子的迹象。最初，观测到了明显的效应，但最终追查到这些效应是由硼的微量污染引起的，它可能来自于放电管。这似乎有可能就是考克饶夫和瓦耳顿在最初的铀和铅的实验中观测到的效应，它们可能是由微量非常活泼的元素硼的未知污染产生的。ft　　英文

在最近几年间，全世界都在投入大量精力用以发展获得快速带电粒子流的方法，以便利用这些带电粒子来轰击物质并使其发生嬗变。已经提到剑桥大学的考克饶夫和瓦耳顿的装置可以达到800,000伏的稳定电压。麻省理工学院的范德格拉夫和阿塔设计出了一台简单的新型静电加速器，他们用此得到了1.5百万伏的稳定电压。他们还在构建更大的装置，以期获得15百万伏的电压并将之应用到大的真空钢筒内。布拉什和兰格已将瞬时高电压通过脉冲发生器加到放电管上。ft　　英文

加州大学的劳伦斯发明了一种新的直接多次加速的巧妙方法，他用小于10,000伏的电压得到的质子能量为1.5百万伏。在使用约千分之一微安的质子流时，锂在这种高能下发生的嬗变得到了检验。这类方法被寄予厚望，因为它可能获得高达10百万伏甚至更高能量的质子。ft　　英文

即使这些新方案被证明是成功的，由它们产生的粒子速度仍远小于我们在大气层中观测到的穿透力很强的辐射，大气中电子和质子的能量在200百万伏到2,000百万伏之间。帕萨迪纳的安德森及剑桥大学的布莱克特和奥基亚利尼的实验似乎表明，这些非常快的粒子在引起原子核的嬗变中是很有效的，也许是新方式的嬗变。强有力的证据表明产生了一种比质子质量小且带正电的新型粒子。它可能被证明是正电子，即为人们所熟知的轻质量带负电荷的电子的反粒子。ft　　英文

（沈乃澂　翻译；张焕乔　审稿）

* 本文取自作者于3月10日在英国皇家研究院所作的周五晚间演讲。