你知道吗--现代科学中的100个问题-第14部分

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　　　　宇宙线粒子在迅猛地撞入地球的大气中时，把它们所碰到的任何原子都击得粉碎，从而产生大量的“次级辐射”，这是由包括介子和正电子在内的各种各样粒子组成的。最后，这种辐射猛烈地撞到地球本身，其中有一部分能穿入地下好多米才被吸收掉；这样的粒子会使它们所碰到的任何原子（包括人体中的各种原子）发生变化。可以想到，这样带来的变化会引起白血球增多症这类疾病。它们还有可能诱发突变。不过，就任何一个特定的个体来说，发生这种情形的机会都是很小的，因为所有碰巧能击中某个特定的人的宇宙线粒子，几乎全都会从他身上穿过去，而不对他造成重大的损害。△米△花△书△库△ ；http：//__

　　　　宇宙线粒子的确切来源和它们获得巨大能量的办法，都是现在争论不休的问题。

　　　　中微子是在产生电子、正电子或μ子的任何一种核反应中，随着其中的一种粒子一起产生的。例如，在太阳上进行的那种核反应产生了大量的正电子，因而也产生了大量的中微子。

　　　　中微子是以光速运动的，所以它们甚至比宇宙线粒子跑得更快，不过，它们的能量却低得多，因为中微子完全没有质量和电荷。中微子不会被物质所吸收，除非它们正好击中了某个原子核，但这种情况是极其罕有的，所以，平均地说，中微子能够穿过几万亿公里的固体铅块，然后才被吸收掉。

　　　　这样，太阳在每秒内产生的无数万亿个中微子就要朝四面八方射出。那些碰巧朝地球射来的中微子将击中我们，然后就像根本不存在地球一样，若无其事地穿过它径直继续向前飞去，它们同样也穿过我们所有的人。我们在一生中，日日夜夜都不断受到中微子的轰击，但是，由于它们在穿过我们的身体时不会受到吸收，所以它们也不会对我们产生任何影响。

　　　　当然，也可能有某个特定的中微子正好在我们附近极其幸运地直接击中了某个原子核。那么，我们就可以探测到中微子。本世纪五十年代，物理学家学会了怎样利用这种非常罕见的事例。现在中微子可以为我们提供恒星内部（也就是产生中微子的地方）的情报，那是我们用任何别的方法所无法得到的。
第62节
　　　　早在1911年，奥地利物理学家赫斯就发现地球一直在受到来自外层空间的、穿透能力非常强的辐射的轰击。这种辐射在1925年被美国物理学家米利肯命名为“宇宙线”，因为它们是在宇宙中产生的。

　　　　经过这些年来，人们已经发现，宇宙线是由一些非常高速的带正电原子核组成的。其中大约有百分之九十是质子（氢的原子核），百分之九是α粒子（氦的原子核），剩下的百分之一是一些质量更大、结构更复杂的原子核，有些大的如铁的原子核，质量为质子的56倍。

　　　　这些撞击地球外层大气的高速原子核是所谓“原辐射”。

　　　　它们同空气分子相碰撞，并把分子击碎，从而产生各种各样能量同原辐射差不多一样高的粒子。空气分子爆炸而形成的这些新粒子就构成了“次级辐射”。

　　　　次级辐射有一部分能到达地面，并穿入地壳好几米深。有一小部分辐射会从人体穿过，这样的辐射会对细胞造成偶然性的损害，而这可能成为使基因产生突变的因素之一。如果这样的辐射足够多，就会使大量的细胞受到损伤以致使人死亡，但是，幸亏在我们这里，即在大气层的下部，这样的辐射并不太多。生物经过宇宙线几十亿年的轰击，终于还是幸存下来了。

　　　　宇宙线的起源是个有争论的问题，不过，它们至少有一部分是由普通的恒星产生的。1942年有人发现，当太阳表面爆发出“太阳耀斑”（这是一种巨大的爆炸）时，它也会产生一些能量不算太高的宇宙线。

　　　　我们的高层大气把一般宇宙线粒子的能量吸收掉一大部分，而次级辐射可以在大气中跑得远一些，才受到部分吸收。原来的辐射能只有很少一部分能够不被吸收而到达我们所居住的地面。

　　　　但是，在大气层以外的空间中，宇航员可就得面临着原辐射的十分猛烈的轰击了。这时，屏蔽也起不了太大的作用。撞击在任何屏蔽物原子上的宇宙线粒子都会产生次级辐射，它们会朝飞船内部像弹片那样向四面八方飞散。如果屏蔽用得不合适，那实际上可能造成更坏的后果。

　　　　这种危险的大小完全取决于外层空间中宇宙线的活性有多大——特别是取决于那些质量确实很大的粒子的数量，因为大多数损害都是这类粒子造成的。过去美国和苏联已把许多人造卫星发射到外层空间去检测宇宙线的数量，看来在通常的条件下，宇宙线的数量不大，足以保证合理的安全要求。

　　　　最可能出危险的机会可能是由太阳所产生的那些中等强度的宇宙线引起的。我们的大气能够把这些辐射差不多全部挡住，但在外层空间中却没有任何大气来为宇航员挡住这些辐射。这种辐射尽管能量不太高，但数量却很多，这就可能使它们变得很危险。太阳的宇宙线只有在出现太阳耀斑时才大量产生。因此，宇航员有幸运的一面：这种耀斑并不太经常出现；但也有不幸的一面：我们还无法预测要出现耀斑的精确时间。

　　　　因此，当宇航员登上月球时，我们当然一定会希望在一两个星期的时间内，不要出现那种向他们那里喷出宇宙线粒子的大耀斑。
第63节
　　　　十九世纪的科学家曾经认为，物质和能量是两种截然不同的东西。一切占据某一空间并具有质量的东西都是物质。

　　　　由于物质具有质量，它也就具有惯性，并且会对万有引力场做出反应。至于能量则既不占地方，也没有质量，但它能够做功。后来人们又进一步感觉到，物质是由粒子（原子）所组成，而能量却往往是由波组成的。

　　　　不仅如此，十九世纪的科学家还认为，物质是既不能创造，也不能消灭的，同样，能量也是既不能创造，也不能消灭的。宇宙中物质的总量是不变的，能量的总量也是这样。

　　　　因此，当时不但有一条物质守恒律，而且还有一条能量守恒律。

　　　　后来，爱因斯坦在1905年指出，物质是能量的一种非常集中的形态。质量可以转化成能量，能量也可以转化成质量。我们只需要考虑能量守恒律就够了，因为它已把物质包含在内。

　　　　事情还不止是这样。到本世纪二十年代，人们开始清楚地知道，不应该把粒子和波当作两种不同的东西而把它们相提并论。我们本来认为是粒子的东西，在某些方面表现得像波一样。而我们本来认为是波的东西，在某些方面却有粒子的行为。这样，我们可以说有“电子波”，也可以说有“光粒子”——即“光子”。

　　　　但是，这里仍然有一个差别。物质粒子相对于某个观察者可以是静止不动的。即使在静止的时候，它们也具有质量：它们具有大于零的“静质量”。

　　　　但是，像光子这样的粒子，它们的静质量却等于零。如果它们真的能相对于你静止不动，那么，你根本测量不到任何质量。不过，这纯粹是理论上的说法，因为静质量为零的粒子不管是相对于你还是相对于任何别的观察者来说，都永远不可能是静止不动的。这样的粒子在真空中必定永远以每秒约300；000公里的速度运动。它们一旦产生出来，就马上以这个速度急急忙忙地奔驰着。

　　　　正是因为光子（在真空中）永远以每秒约300；000公里的速度运动，而光又是由光子构成的，所以我们就把这个速度叫做“光速”。

　　　　得了，那又关中微子什么事呢？

　　　　中微子是在某些原子核反应中产生的，到目前为止，还没有一个原子物理学家能够测出它的质量。看来非常可能，中微子就像光子一样，静质量也等于零。

　　　　如果事情真的是这样，中微子在真空中就永远以每秒约300；000公里的速度运动，并且在它们刚刚产生时就具有这个速度。

　　　　但是，中微子并不是光子，因为这两者具有截然不同的性质。光子非常容易同物质粒子相互作用，因此，当它们通过物质时，速度就会减慢并被吸收掉（有时这发生得很快）。

　　　　然而，中微子却根本不怎么同物质粒子相互作用，因此，它们可以通过整整一光年厚的固体铅块，而却不会受到多大的影响。

　　　　这样，似乎显而易见，既然中微子的静质量等于零，它们就不是物质。从另一方面说，它们需要用能量才能产生，而且它们还带着能量离开它们产生的地方，所以，它们是能量的一种形态。

　　　　可是，它们在通过任何已知物质时几乎完全不起任何相互作用，所以，它们实质上完全没有做功。这就使它们不同于任何一种别的能量形态。看来，也许我们最好是别去追究它们是物质还是能量，而干脆就把它们叫做中微子吧！
第64节
　　　　气泡室是探测亚原子粒子的一种装置，它是美国物理学家格拉泽在1952年发明的，结果，格拉泽获得了1960年的诺贝尔物理学奖。

　　　　气泡室实质上是一个液体容器，其中液体的温度高于这种液体的沸点。这时，液体处于高压状态，所以它实际上并不沸腾。但是，如果压力降低，液体就会沸腾，并在液体中出现蒸汽的气泡。

　　　　假定有一个像质子或介子这样的亚原子粒子冲进这样一个气泡室的液体中，它就会同液体中的原子和分子发生碰撞，并把自己的一部分能量转移给它们。因此，在这个液体中，亚原子粒子经过的路线上的原子和分子就会比其他原子和分子稍稍热一些。这样，如果降低液体所受到的压力，蒸汽的气①目前中微子有静止质量的结论已逐步为科学界大多数所接受，质量范围也已经可以预测，但其精确测量仍然极为困难，探索还在继续。——ken777注i米i花i书i库i ；http：//www。7mihua。com

　　　　泡就会先沿着亚原子粒子途径上留下能量的那条路线形成。

　　　　因此，就会有一条可以见到的气泡径迹指示出那个粒子是从哪里经过的，这种径迹很容易拍成照片。

　　　　这种可见的径迹可以告诉物理学家许多情况，要是气泡室放在强磁体的两个磁极之间，就更是如此。那些能够留下气泡径迹的粒子总是带电的——带正电或带负电。如果它们带的是正电，那么，在磁体的影响下，它们的路径就会朝一个方向弯曲；如果它们带负电，它们的路径就朝相反的方向弯曲。物理学家从它们路径弯曲得厉害不厉害，就能确定它们的运动速率。从这一点，以及根据径迹的粗细等等，又能确定出那个粒子的质量。

　　　　当一个粒子衰变成两个以上的粒子时，它的径迹就会分叉。在粒子发生碰撞的情况下，径迹也会分叉。在一张特定的气泡室照片中，会出现大量径迹。有粒子相遇的，有粒子分开的，还有些是分叉的。有时在一个径迹图形的几个部分之间还有些空白，这些空白就必定要用某种不带电的粒子来解释，因为不带电粒子在气泡室中运动时不会留下可见的径迹。

　　　　各种径迹的这种复杂的组合对于原子核物理学家来说，就像雪地上各种动物留下的足迹对于有经验的猎人那样富有意义。从这些径迹的性质，物理学家就可以辨认出所碰到的是些什么粒子，或者指出他是否发现了某种全新的粒子。

　　　　格拉泽最初的气泡室的直径只有几厘米，但是，现在正在建造的气泡室却已成了庞然大物，直径达到几米，能够容纳以立方米计的液体。

　　　　气泡室所用的液体可以是各种各样的。有些气泡室里装的是液化的惰性气体，例如氙或氦。有些装的则是液化的有机天然气。

　　　　不过，对气泡室来说，最有用的液体却是液态氢。氢是已知的最简单的原子。每一个氢原子含有一个原子核（它只由一个质子构成），还有一个孤零零的电子绕着原子核旋转。因此，液态氢是只由一些孤立的质子和电子构成的。而所有其他液体的原子核，却都是由几个质子和几个中子堆集成的团块。

　　　　这样一来，在液态氢中发生的亚原子事件就特别简单，它们全都很容易从气泡所组成的径迹辨认出来。
第65节
　　　　铀235是实用的核燃料。这就是说，慢中子会使铀235原子发生裂变（一分为二），并且产生更多的慢中子，而这些慢中子又会进一步引起其他铀原子裂变，使裂变过程持续下去。

　　　　由于同样的原因，铀233和钚239也是实用的核燃料。

　　　　遗憾的是，天然存在的铀233和钚239的数量真是微乎其微，而铀235的数量虽然比较可观，但也相当稀少。在任何一块天然铀的标本中，每一千个铀原子当中只有七个是铀235，其余的都是铀238。

　　　　铀238是最常见的一种铀，但它却不是实用的核燃料。铀238也能在中子作用下发生裂变，但只有快中子才能做到这一点。那些分裂成两半的铀238会产生一些慢中子，而慢中子不足以引起进一步的裂变。铀238可以比作潮湿的木头：你可以把它烧着，但它最后还是要熄灭的。

　　　　但是，假定把铀235同铀238分离开来（这是一个相当艰巨的任务），并且用铀235来建造一个原子核反应堆，这时，构成反应堆燃料的那些铀235原子就会发生裂变，并向四面八方发射出无数慢中子。如果这个反应堆包着一个用普通铀（其中绝大部分是铀238）制成的外壳，那么，射入这个外壳的中子就会被铀238所吸收。这些中子不可能迫使铀238发生裂变，但却会使铀238发生另外的变化，最后就会产生钚239。如果把这些钚239从铀里面分离出来（这是个相当容易完成的任务），它们就可以用作实用的核燃料了。

　　　　能够用这种方式产生新燃料去代替用掉的燃料的反应堆就是增殖反应堆。一座设计得当的增殖反应堆所生产的钚239，在数量上要多于消耗掉的铀235。利用这种办法，就可以使地球上的全部铀——而不仅仅是稀有的铀235——都变成潜在的燃料来源。

　　　　天然存在的钍完全是由钍232组成的。钍232就像铀238一样，也不是实用的核燃料，因为要有快中子才能使它发生裂变。

　　　　不过，如果把钍232放进包着核反应堆的外壳里，钍232原子就会吸收慢中子，并且尽管它不发生裂变，最后却会变成铀233原子。由于铀233是一种很容易同钍分离开来的实用燃料，这样做的结果便又实现了另一种增殖反应堆，它会把地球上现有的钍资源变成潜在的核燃料。

　　　　地球上的铀和钍的总量大约比铀235一项的蕴藏量多800倍。这就是说，如果适当地利用增殖反应堆，就可以通过原子核裂变发电厂把地球上的潜在能源增加800倍。
第66节
　　　　当氢被加热到越来越高的温度时，它就会以越来越快的速率通过辐射丧失它的能量。另一方面，随着温度的继续上升，氢原子会失去它们的电子，只剩下裸露的原子核撞击在一起并发生聚变。当发生这样的聚变时，就会产生能量。这时，由于温度继续升高，便会通过聚变产生越来越多的能量。

　　　　随着温度的上升，聚变所产生的能量的数量增加的速