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中子的自述

103/11/05 瀏覽次數 7414
我「中子」(neutron)是組成原子的粒子之一。眾所周知,原子中含有「原子核」及「電子」,「原子核」中又含有「質子」和「中子」。我「中子」是構成化學元素不可或缺的成員之一,雖然原子的化學性質是由「原子核」內的「質子」數目決定的,但我這不帶電的「中子」可以調和「質子」間的斥力,如果沒有我「中子」的存在,帶正電荷的「質子」間就會相互排斥,而不可能構成除了「氫」之外的其他元素。氫原子裡只含1個電子和1個質子,不帶「中子」。

英國物理學家查德威克(James Chadwick, 1891-1974)1932年在用α粒子轟擊硼的實驗中,首先發現了我「中子」的存在。

我「中子」無所不在。草木、岩石、水、空氣和人體中都有我的存在。我是天地萬物的公分母,居於「原子核」內,是物質的建材之一。沒有我,就沒有「原子核」反應,沒有化學元素合成,沒有星星和星系,沒有地球,只有一個永遠不會有生命且寒冷混沌的純「氫」宇宙。

我「中子」是自然界的建築師之一,具備了非常優秀的條件。我的直徑是1.6933 × 10–13公分,體積和結構與同在「原子核」中帶正電的「質子」很相似。但我「中子」與「質子」不同,因為「質子」帶有正電荷,而我「中子」是電中性。這一點似小實大的差異,使我「中子」在轟擊「原子核」時絕對遠勝於「質子」。我「中子」是研究核反應很好的轟擊粒子,由於我不帶電,容易打進「原子核」內,因此即使我「中子」射入的能量很低,也能引起「原子核」反應。

例如:把一個「質子」當作試探物射入固體物質,這個帶正電的「質子」在原子宇宙中幾乎沒有活動的餘地。它大約進入2 × 10–9公分後,就因為和電子正負相吸而受阻,只好和其他一個或兩個游離電子結合成為生活方式較安靜的穩定原子。

但我「中子」不會遭遇這樣的命運,我絕不理會一切正、負電荷的引誘,而以每秒一萬四千五百公里的高速前進,像保齡球打倒瓶子般,把沿途所遇到的原子擊得四下飛散,造成「原子核」大亂。

有些「原子核」被擊得與其外圍電子脫離,變成兇惡的的子彈。另一些「原子核」能把我「中子」吸收,變得像一碗果凍中的葡萄乾似的,這些「增肥」了的原子就是「同位素」。這些原子能吞沒闖入的「中子」而不在行為上出現顯著的變化,有些原子卻不能適應這種增加的體重,於是放出輻射線以求減輕體重,這種「原子核減肥法」會使這些原子變成另一種元素的原子。它們就像極其微小的火山,叫做「放射性同位素」,是科學和工業上的奇妙工具。

迄今為止,經由我「中子」活動而產生的放射性「同位素」共約1千2百種,各有自己獨特的放射特性。我們有的是自然產生,有的是人工製造的,化學和放射性質種類繁多,任何用途都能找到一、兩種適用的。

我「中子」還在核裂變反應中起重要作用。電中性的「中子」不能產生直接的游離作用,無法直接探測,只能通過我與「原子核」反應的效應來探測。例如:放射性「同位素」可用來做「追蹤物」,它們會發出信號,顯示在化學、生物及機械過程中存在的位置。如果是用普通方法,就不能追蹤到想要找的物質。除此之外,我「中子」也可顯示元素如何發生化學反應、肥料如何在植物的根和莖中擴散、生物如何消化食物等。

以放射性「同位素」為直接輻射源,用途甚廣,可用來測量船殼的厚度(根據透過船殼的輻射量測定),也可以用來引起遺傳突變,造出優越的農產品。小型的放射性「同位素」熱力發電機可以利用放射性「同位素」衰退時所釋出的熱來發電,以及做為操作氣象觀測站的儀器和偏遠地區的航海浮標。美國航空暨太空總署探測木星及土星的太空船上,就裝有這種小型的熱核發電機。

放射性「同位素」的最特出功用是治療疾病,由放射源如鈷六十發出的毒「彈」能摧毀惡性組織,阻礙過分活動的身體功能。放射性「同位素」也能用來查探重要器官的疾病,像是診斷腦瘤、測量血容量等。

我「中子」本身可能不久便會壓倒放射性「同位素」,成為抗癌的主要武器。科學家用高能量的我「中子」射束轟擊以前無法治療的瘤,獲得了驚人的成果。由於某些尚未能充分了解的原因,有些種類的癌細胞在接受常規輻照後,仍然很快地再繁殖。但這些細胞卻禁不起我「中子」的「打擊」。對病人來說,使用我「中子」治療可以減少輻照,且劑量較小而效力較高。

曾有物理實驗所的「中子治療研究部」主任醫生提到:利用「中子」療法的長期效果如何,現在還不知道,我們仍在對許多種癌症從事實驗,但是我們對已經獲得的成果感到興奮鼓舞。

我「中子」的另一個重要新用途是用來探勘化石燃料,利用我「中子」探測地下岩層是否可能藏有石油及天然氣,減少了很多猜測與鑽井費用。一位地質學家說:「我『中子』已成為探測能源的魔杖。」

假若我「中子」碰上的不是穩定的原子,而是超重、不穩定的「同位素」(例如鈾235或鈽239),結果會很劇烈。這些「原子核」本已飽餐所捕獲的「中子」,這時會破裂解體(又稱「裂變」)放出強大能量,並逐出一些「中子」。如果有足夠的「原子核」─達到適度質量,所放出的「中子」可以支持「裂變」過程,造成迅速倍增的鏈式反應。通過這種過程,我「中子」打開了核能的驚人蘊藏及其一切可喜而又可怕的可能作用。

核能最輝煌的用途是發電,但因經濟前途始終不能確知,再加上環境保護的要求,以及群眾懷有恐懼等原因而遭受了頓挫。前面提到過,我「中子」不帶電,從「原子核」分裂出來的「中子」很容易進入其他「原子核」,人們就利用我「中子」的這個特性,用我轟擊「原子核」來引出核反應。這就是「中子彈」。「中子彈」在爆炸後釋放大量的高能「中子」,是以高能「中子」輻射為主要殺傷的小型「氫彈」。

不幸的是在毀滅性武器方面,核能確實有害。從「核裂變」與「聚變」(把原子融合在一起)已經產生了現代的大禍害 –「原子彈」、「氫彈」和「中子彈」。

上述的3種武器都具有輻射、衝擊波、光輻射等殺傷力,但是「中子彈」的殺傷特性主要不是在這些方面,「中子彈」主要是靠「中子」的輻射引起殺傷作用,它可以在有效的範圍內殺傷裝甲車內或建築內的人員。如果有一個100公噸TNT(即黃色炸藥)當量的「中子彈」,在距離爆炸中心800公尺的核輻射劑量,是同等當量的「裂變」核武器的幾十倍,但是它爆炸時產生的衝擊波對建築物的破壞半徑只有300~400公尺。

也就是說,如果有一枚千公噸級當量的「中子彈」在戰場上爆炸,800公尺範圍內的人員會被殺傷,被殺傷的人員並不是馬上死去,而是慢慢地非常痛苦地死去,受傷者最長可以拖過7天的時間。在「中子彈」爆炸的300公尺範圍之外的建築和設施,可以毫髮不損,可是建築物中的人員卻不能倖免於難。「中子彈」的這種特性,很適合在戰場上做為戰術核武器使用。

我「中子」的貫穿作用很強,可以穿透坦克、掩體和磚牆去殺傷人員,而武器和建設物卻能完好地保存下來。由於「中子彈」的放射性汙染比較低,因而被稱為「清潔」核彈。此外,「中子流」作用的時間很短,在「中子彈」襲擊之後,軍隊能很快進入目標區作戰。這些特點決定了「中子彈」可做為戰術核武器使用。

我「中子」的奇妙力量超越了物理學和宇宙學的範圍,把人的思維推到了無窮的邊緣。要解這個謎必須先解答一些問題,例如:我「中子」是什麼?為什麼在物質的基本粒子中,我「中子」具有這種奇特的性質?

這些問題縱使有答案,也因我「中子」本身的變幻多端而難以捉摸。我「中子」是屬於電中性,但我運動的方向卻受磁場左右。在「原子核」內,我「中子」差不多是永存不滅的。但到了「原子核」外,單獨存在的我「中子」是不穩定的,我會在大約10分鐘內解體,因此無法長期單獨儲存,會自動衰變而留下一個「電子」、一個「質子」和一個「中微子」。「中微子」和我「中子」很相似,但小得幾近於無。把一個我「中子」打開,裡面有許多種類不同的亞亞原子顆粒,叫做「介子」。

也許我「中子」恰如一些物理學家所推論的,只是許多粒子的總和。這些粒子每顆自行無限分裂,從空無一物、只有空間與時間的數學關係存在的內部滲出,我「中子」的最內部裡面有些什麼,老實說,人們現在還不能了解。

目前人類可以明智地利用我「中子」這奇妙的珍品,也可能因我「中子」而滅亡。
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