第七章 现代炼金术_从一到无穷大

一、基本粒子

我们知道，各种化学元素的原子有着相当复杂的力学系统，许多电子在围绕着中心的原子核旋转，那么我们自然会追问：这些原子核是最终不可分的物质结构单元，还是可以继续分成更小、更简单的部分呢？是否有可能将这92种不同的原子减少成几种真正简单的粒子呢？

早在19世纪中叶，这种简单化的渴望就促使英国化学家普鲁特（William Prout）提出了一个假说：各种化学元素的原子都有一种共性，它们都是以不同程度“集中”起来的氢原子罢了。该假说的根据在于：用化学方法测定的不同元素的原子量与氢元素的原子量之比非常接近于整数。于是根据普鲁特的说法，既然氧原子的重量是氢原子的16倍，那它一定是由聚在一起的16个氢原子构成的，原子量为127的碘原子一定是由127个氢原子聚集而成的，等等。

然而，当时的化学发现并不利于接受这个大胆的假说。通过精确地测量原子量，事实表明，大多数元素的原子量只是与整数非常接近，有少数则根本不接近。（例如，氯的化学原子量为35.5。）这些似乎与普鲁特的假说直接相抵触的事实使它受到了怀疑，普鲁特直到去世也不知道自己实际上是多么正确。

直到1919年，他的假说才因为英国物理学家阿斯顿（Aston）的发现而重新受到注意。阿斯顿表明，普通的氯其实是两种不同氯元素的混合物，它们拥有相同的化学性质，但原子量不同，一种是35，一种是37。化学家所测定的非整数原子量35.5只是该混合物的平均值。38

对各种化学元素的进一步研究揭示了一个惊人的事实：大多数元素都是由化学性质相同而原子量不同的几种组分混和而成的。于是，它们被称为“同位素”（isotopes）39，即在元素周期表中占据同一位置的东西。事实上，不同同位素的质量总是一个氢原子质量的整倍数，这给普鲁特被遗忘的假说带来了新生。我们在上一节看到，原子的主要质量都集中于原子核，因此可以用现代语言将普鲁特的假说重新表述成：不同种类的原子核是由不同数量的基本的氢原子核构成的，氢原子核因其在物质结构中的作用而被赋予了“质子”（proton）这个专名。

不过，以上陈述</a>需要作一项重要修改。以氧原子核为例，由于氧在元素的天然排序中是 2氘核→2He3+中子；

2氘核→1H3+质子。

要想实现这种嬗变，氘必须处于几亿度的高温之下。

第一个成功实现核聚变的装置是氢弹，它用原子弹的爆炸来触发氘的反应。然而，一个更为复杂的问题是如何实现受控热核反应，以为和平目的提供大量能量。要想克服主要困难，即对极热气体进行约束，可以用强磁场把氘核约束在中心热区之内，阻止其接触容器壁（否则容器会熔化和蒸发！）。