從一到無窮大 · 第七章　現代鍊金術

一、基本粒子 我們知道，各種化學元素的原子有著相當複雜的力學系統，許多電子在圍繞著中心的原子核旋轉，那麼我們自然會追問：這些原子核是最終不可分的物質結構單元，還是可以繼續分成更小、更簡單的部分呢？是否有可能將這92種不同的原子減少成幾種真正簡單的粒子呢？ 早在19世紀中葉，這種簡單化的渴望就促使英國化學家普魯特（William Prout）提出了一個假說：各種化學元素的原子都有一種共性，它們都是以不同程度「集中」起來的氫原子罷了。該假說的根據在於：用化學方法測定的不同元素的原子量與氫元素的原子量之比非常接近於整數。於是根據普魯特的說法，既然氧原子的重量是氫原子的16倍，那它一定是由聚在一起的16個氫原子構成的，原子量為127的碘原子一定是由127個氫原子聚集而成的，等等。 然而，當時的化學發現並不利於接受這個大膽的假說。通過精確地測量原子量，事實表明，大多數元素的原子量只是與整數非常接近，有少數則根本不接近。（例如，氯的化學原子量為35.5。）這些似乎與普魯特的假說直接相牴觸的事實使它受到了懷疑，普魯特直到去世也不知道自己實際上是多么正確。 直到1919年，他的假說才因為英國物理學家阿斯頓（Aston）的發現而重新受到注意。阿斯頓表明，普通的氯其實是兩種不同氯元素的混合物，它們擁有相同的化學性質，但原子量不同，一種是35，一種是37。化學家所測定的非整數原子量35.5隻是該混合物的平均值。38 對各種化學元素的進一步研究揭示了一個驚人的事實：大多數元素都是由化學性質相同而原子量不同的幾種組分混和而成的。於是，它們被稱為「同位素」（isotopes）39，即在元素周期表中占據同一位置的東西。事實上，不同同位素的質量總是一個氫原子質量的整倍數，這給普魯特被遺忘的假說帶來了新生。我們在上一節看到，原子的主要質量都集中於原子核，因此可以用現代語言將普魯特的假說重新表述成：不同種類的原子核是由不同數量的基本的氫原子核構成的，氫原子核因其在物質結構中的作用而被賦予了「質子」（proton）這個專名。 不過，以上陳述需要作一項重要修改。以氧原子核為例，由於氧在元素的天然排序中是第八位，所以氧原子應包含8個電子，氧原子核也應帶8個正電荷。但氧原子的重量是氫原子的16倍，所以如果假設氧原子核由8個質子所構成，那麼電荷數是對的，但質量不對（均為8）；如果假設它由16個質子所構成，那麼質量對了，電荷數又錯了（均為16）。 顯然，要想擺脫這個困難，只有假設在構成複雜原子核的質子中，有一些失去了原有的正電荷，成為電中性的。 早在1920 年，盧瑟福就曾提出存在著這種無電荷的質子或者我們現在所謂的「中子」，不過用實驗發現它還要等到12年後。需要注意的是，不要把質子和中子看成兩種完全不同的粒子，而要看成現在被稱為「核子」的同一種基本粒子的兩種不同的帶電狀態。事實上，我們已經知道，質子可以失去正電荷而變成中子，中子也可以獲得正電荷而變成質子。 將中子作為原子核的結構單元引入進來，剛才討論的困難便得到了解決。為了理解氧原子核為何有16個質量單位但只有8個電荷單位，可以認為它是由8個質子和8個中子構成的。原子量為127、原子序數為53的碘的原子核有53個質子和74個中子，而重元素鈾（原子量為238，原子序數為92）的原子核則有92個質子和146個中子。40 就這樣，在提出近一個世紀後，普魯特的大膽假說才最終得到了應有的認可。現在我們可以說，已知的無窮無盡的物質都只是源於兩種基本粒子的不同結合：（1）核子，它是物質的基本粒子，要麼可以帶一個正電荷，要麼呈電中性；（2）電子，帶負電的自由電荷（圖57）。 圖57 以下是《物質烹飪全書》（The Complete Cook Book of Matter）中的幾個菜譜。它們顯示了在宇宙廚房中，每一道菜是如何用核子和電子烹製出來的。 水　將8個中性核子和8個帶電核子結合成核，外面圍上8個電子，便成了氧原子。用這種方法製備出大量氧原子。再給單個帶電核子配上單個電子，便成了氫原子。用這種方法製備出數目為氧原子兩倍的氫原子。給每一個氧原子加上兩個氫原子，將如此得到的水分子混合在一起置於杯中，保持冷卻。 食鹽　將12個中性核子和11個帶電核子結合成核，外面圍上11個電子，便成了鈉原子。將18個或20個中性核子和17個帶電核子結合成核，外面圍上17個電子，便成了氯原子的兩種同位素。以這種方法製備出同樣數目的鈉原子和氯原子，將它們排成三維西洋棋棋盤的樣式，形成規則的食鹽晶體。 TNT　將6個中性核子和6個帶電核子結合成核，外面圍上6個電子，便成了碳原子。將7個中性核子和7個帶電核子結合成核，外面圍上7個電子，便成了氮原子。再按照水的上述配方製備出氧原子和氫原子。將6個碳原子排成一個環，環外則有第7個碳原子。將3對氧原子與環上的3個碳原子相連，並且在氧原子與碳原子之間分別放置1個氮原子。給環外的那個碳原子連上3個氫原子，給環內剩下的兩個碳原子也各連上1個氫原子。把這樣得到的分子規則地排列起來，形成許多小晶體，並把所有這些小晶體壓在一起。不過操作時要小心，因為這種結構不穩定，很容易爆炸。 我們已經看到，中子、質子和帶負電的電子是構造任何物質的必要單元，但這份基本粒子清單似乎還不太完備。事實上，如果普通的電子是帶負電的自由電荷，為什麼不能有帶正電的自由電荷即正電子呢？ 此外，如果作為物質基本單元的中子可以獲得一個正電荷而變成質子，它為何就不能帶負電而變成負質子呢？ 回答是：自然中的確存在著正電子，除了電荷符號，它與通常的負電電子完全相似。負質子也有可能存在，但還未被實驗物理學成功地探測到。 在我們這個物理世界中，正電子和負質子（如果有的話）的數量之所以沒有負電子和正質子多，是因為這兩組粒子可以說是彼此敵對的。眾所周知，一正一負兩個電荷碰到一起時會彼此抵消。既然這兩種電子不過是帶正電和帶負電的自由電荷罷了，所以不能指望它們會共存於同一個空間區域。事實上，一旦正電子與負電子相遇，它們的電荷會立即相互抵消，兩個電子將不再作為個體粒子而存在。兩個電子的這樣一個相互湮滅過程將在其相遇點產生強烈的電磁輻射（γ射線），輻射的能量就是兩個湮滅電子的初始能量。根據物理學的基本定律，能量既不能創造也不能毀滅，我們這裡看到的不過是自由電荷的靜電能變成了輻射波的電動能罷了。這種因正負電子相遇而產生的現象，玻恩（Max Born）教授稱之為兩個電子的「狂野婚姻」41，更為憂鬱的布朗（T. B. Brown）教授則稱之為「雙雙自殺」。42圖58a顯示了這種相遇狀況。 圖58 兩個電子的「湮滅」產生電磁波，以及電磁波經過原子核附近「產生」一個電子對的過程示意圖 兩個相反電荷的電子的「湮滅」過程的逆過程是「電子對的產生」，即強烈的γ射線導致似乎從虛無中產生了一個正電子和一個負電子。我們說「似乎」從虛無中產生，是因為每一個新電子對的產生都要消耗γ射線所提供的能量。事實上，形成一個電子對所消耗的輻射能量精確地等於湮滅過程中所釋放的能量。當入射輻射靠近某個原子核時，電子對的產生過程最容易發生，43圖58b是該過程的示意圖。大家知道，硬橡膠棒和毛織物彼此摩擦時會帶上相反的電荷，這便是表明兩種相反電荷可以從起初沒有電荷的地方產生的一個例子。這並不值得大驚小怪。如果有足夠多的能量，我們就能製造出任意數量的正負電子對。但要明確一個事實：相互湮滅過程很快會使它們不復存在，並把原來消耗的能量如數交回。 這種「大量生產」電子對的一個有趣例子是所謂的「宇宙射線簇射」現象，這是從星際空間射來的高能粒子流在大氣層引發的。雖然這些在宇宙的空曠空間中縱橫穿梭的粒子流究竟從何而來仍然是科學的一個未解之謎，44但我們已經非常清楚電子在以驚人的速度轟擊大氣層的上層時發生了什麼。這種高速電子在靠近大氣層原子的原子核時，原有的能量會逐漸失去，並以γ輻射的形式釋放出來（圖59）。這種輻射引發了無數電子對產生過程，新生的正、負電子沿著原有電子的路徑繼續前進。這些次級電子仍然有很高的能量，會引發更多的γ輻射，從而產生更多的新電子對。穿過大氣層時，這個陸續倍增的過程多次重複，以至於當原初的電子最終到達海平面時，有一半正、一半負的次級電子相伴隨。不用說，高速電子穿透大質量物體時也會產生這種宇宙射線簇射，不過由於物體密度較高，分支過程發生的頻率要高得多（見插圖2a）。 圖59　宇宙射線簇射的起源 現在我們轉到負質子是否可能存在的問題。可以預期，這種粒子可由中子獲得一個負電荷或者失去一個正電荷而得到。但不難理解，這種負質子和正電子一樣是無法長時間存在於任何普通物質中的。事實上，它們將立即被最近的帶正電的原子核吸引和吸收，進入原子核結構之後很可能會變成中子。因此，即使這種負質子的確能作為基本粒子的對稱粒子而實際存在於物質中，發現它們也絕非易事。別忘了，正電子是在普通負電子的概念被引入科學之後又過了近半個世紀才被發現呢。倘若負質子的確可能存在，我們就可以設想反原子和反分子的存在。它們的核由普通的中子和負質子所構成，外面圍繞著正電子。這些「反」原子將和普通原子擁有完全相同的性質，我們根本說不出「反水」、「反黃油」等等與普通的水和黃油有什麼不同，除非是把普通物質和「反」物質放到一起。但如果這樣兩種相反的物質碰到一起，帶有相反電荷的電子就會立即發生湮滅，帶有相反電荷的質子也會立即相互中和，其爆炸的劇烈程度會超出原子彈。因此，如果真的存在著由反物質構成的星系，那麼從我們這個星系拋出一塊普通的石頭到那裡，或者從那裡拋來一塊石頭，著陸時會立即變成一顆原子彈。 現在我們必須拋開這些關於反原子的奇想而去考慮另一類基本粒子。這種粒子也許同樣不同尋常，而且會實際參與各種可觀測的物理過程。它就是所謂的「中微子」，是「從後門」進入物理學的。雖然招致了各方面的反對，但它已經在基本粒子家族中占據了牢固的位置。它是如何被發現和得到認可的，這是現代科學中最令人激動的偵探故事之一。 中微子的存在是用數學家所謂的「歸謬法」發現的。這項令人激動的發現並非始於存在著某種東西，而是始於丟失了某種東西。這種丟失的東西就是能量，因為按照一條最古老也最穩固的物理學定律，能量既不能創生也不能消滅，如果發現本應存在的能量丟失了，這就表明一定有個賊或一群賊把能量拿走了。於是，一些講求秩序、喜歡給事物起名字的科學偵探就把這些尚未看到蹤影的能量大盜命名為「中微子」。 不過我們講得有點快了，現在還是回到這樁「能量盜竊案」上來。我們已經看到，每一個原子的原子核都是由核子構成的，其中約有一半核子是中性的（中子），其餘的帶正電（質子）。如果給原子核額外增加一個或多個中子和質子，從而打破質子與中子相對數目的平衡，45那麼就必定會出現電荷的調整。如果中子太多，就會有一些中子釋放出負電子而變成質子；如果質子太多，就會有一些質子釋放出正電子而變成中子。圖60描繪了這兩類過程。原子核的這種電荷調整就是通常所謂的β衰變，從原子核中釋放出來的電子被稱為β粒子。原子核的內部轉變是一個明確的過程，它必定總是與定量能量的釋放有關，這些能量被傳遞給出射電子。因此我們可以預期，給定物質釋放出來的β電子應當有相同的速度。然而，對β衰變過程的觀測證據與這種預期完全相反。事實上，我們發現給定物質釋放出來的電子擁有從零到某一上限的不同動能。既然沒有發現其他粒子，也沒有其他輻射能夠平衡這一差異，β衰變過程中的「能量盜竊案」就變得非常嚴重了。一度有人認為，這乃是著名的能量守恆定律失效的第一項實驗證據，那對於整幢精美的物理學理論大廈而言真是一場極大的災難。但還有一種可能：也許丟失的能量是被某種新的粒子帶走了，我們目前的觀測方法尚未察覺到它。泡利（Wolfgang Pauli）曾經提出，這種偷竊核能的「巴格達竊賊」的角色可由一些被稱為中微子的假想粒子來扮演，它們不帶電，質量不大於普通電子的質量。事實上，根據高速粒子與物質相互作用的一些已知事實可以斷言，任何現有的物理儀器都察覺不到這種不帶電的輕粒子，它們在任何屏蔽材料中都可以輕而易舉地穿過極大距離。一層金屬薄膜就能把可見光完全擋住，穿透性很強的X-射線和γ射線需要穿過幾英寸厚的鉛，強度才會顯著減低，而一束中微子卻能輕而易舉地穿透幾光年厚的鉛！難怪用任何觀測手段都發現不了中微子，它們能被發現僅僅是因為其逃逸導致了能量虧空。 圖60　負β衰變和正β衰變的示意圖（為方便起見，所有核子都畫在了同一個平面上） 雖然中微子一旦離開原子核就捕捉不到了，但我們可以研究中微子離開原子核所引起的次級效應。用步槍射擊時，槍身會向後撞擊你的肩膀；大炮發射重型炮彈時，炮身會沿炮架向後坐。原子核射出高速粒子時，也應發生這種力學反衝效應。事實上，我們的確觀測到，發生β衰變的原子核總會沿著與出射電子相反的方向獲得一定的速度。但這種原子核反衝的特殊之處其實在於：無論被射出的電子是快是慢，原子核的反衝速度總是大致相同（圖61）。這就有點奇怪了，因為我們本來預期一顆快速的炮彈會在炮身中引起比慢速的炮彈更大的反衝。對這個謎的解釋是：原子核在射出電子時總會連帶地射出一個中微子，以保持能量平衡。如果電子速度快，攜帶著大部分能量，中微子的速度就會慢一些，反之亦然。因此在這兩種粒子的共同作用下，總會觀測到原子核有較大的反衝。如果這種效應尚不能證明中微子的存在性，恐怕別的東西也證明不了了。 圖61 現在，我們把前面的討論結果總結一下，列出參與構成宇宙的完整的基本粒子清單，指出它們之間的關係。 首先是核子，它們是物質的基本粒子。就目前所知，核子要麼是電中性的，要麼帶正電，但也可能存在著帶負電的核子。 然後是電子，它們是帶正電或負電的自由電荷。 還有神秘的中微子，它們不帶電，大概比電子輕得多。46 最後是電磁波，它們在空間中傳播電磁力。 物理世界的所有這些基本成分不僅相互依賴，而且能以各種方式相結合。比如中子可以通過發射一個負電子和一個中微子而變成質子（中子→質子＋負電子＋中微子），質子又可以通過發射一個正電子和一個中微子而重新變成中子（質子→中子＋正電子＋中微子）。電荷相反的兩個電子可以變成電磁輻射（正電子＋負電子→輻射），也可以反過來由輻射產生（輻射→正電子＋負電子）。最後，中微子可以與電子結合成宇宙射線中的不穩定粒子，即所謂的介子，它有時被錯誤地稱為「重電子」（中微子＋正電子→正介子；中微子＋負電子→負介子；中微子＋正電子＋負電子→中性介子）。 中微子與電子的結合載有過量內能，於是，這兩種粒子結合起來的質量要比各自的質量之和大100倍左右。 圖62是參與構成宇宙的基本粒子的示意圖。 圖62　現代物理學的基本粒子及其不同組合 「但這次到頭了嗎？」你也許會問，「我們憑什麼認為核子、電子和中微子真是基本的，而不能再分成更小的組分了呢？僅僅在半個世紀之前，人們不還以為原子是不可分的嗎？今天的原子顯示出了多麼複雜的圖像啊！」回答是，雖然我們無法預言物質科學的未來發展，但我們有可靠得多的理由相信，這些基本粒子的確是不可再分的基本單元。我們已經知道，原本認為不可分的原子顯示出了各種極為複雜的化學、光學等性質，而現代物理學的基本粒子的性質卻極為簡單，在簡單性上甚至堪比幾何點的性質。此外，不同於經典物理學的大量「不可分原子」，我們現在只剩下了三種有本質不同的東西：核子、電子和中微子。雖然我們非常渴望把萬物還原為最簡單的形式，但也不可能把某種東西歸於一無所有。看來，我們對物質基本要素的尋求已經觸到底了。 二、原子的心臟 既已了解構成物質的基本粒子的本性和性質，現在我們可以更詳細地研究每一個原子的心臟即原子核了。在某種程度上，原子的外層結構類似於一個微縮的行星系統，而原子核本身的結構卻是完全不同的圖像。首先，將原子核維持在一起的力顯然不是純粹的電力，因為核子中有一半（中子）不帶電，另一半（質子）帶正電，因此會相互排斥。如果粒子之間只存在斥力，如何可能得到一群穩定的粒子呢！ 因此，為了理解原子核的各個組分為何能保持在一起，必須假定它們之間存在著某種吸引力，既作用於帶電粒子，也作用於不帶電的粒子。這種與所涉粒子本性無關、使之保持在一起的力通常被稱為「內聚力」。例如普通液體中就存在內聚力，它阻止各個分子朝四面八方飛散。 原子核的各個核子之間也有這種內聚力，它防止原子核在質子之間電斥力的作用下分崩離析。因此，在原子核外，形成各個原子殼層的電子有足夠的空間來回運動，而原子核的圖像卻是，許多核子就像罐頭裡的沙丁魚一樣緊緊堆在一起。本書作者最先提出，可以假定原子核物質的構造方式與普通液體類似。和普通液體一樣，原子核也有表面張力現象。大家也許還記得，液體之所以有表面張力現象，是因為液體內部的粒子被相鄰粒子朝各個方向同等地拉動，而位於表面的粒子只受到向內的拉力（圖63）。 圖63　對液體表面張力的解釋 這使得任何不受外力作用的液滴都有保持球形的傾向，因為對於給定的體積而言，球體的表面積最小。因此，可以把不同元素的原子核簡單地看成是由一種普遍的「核液體」所組成的不同尺寸的液滴。但不要忘了，這種核液體雖然在定性上非常類似於普通液體，但在定量上卻與之差異甚大。事實上，核液體的密度比水的密度大 240 000 000 000 000 倍，表面張力則比水大 1 000 000 000 000 000 000 倍。為了更好地理解這些巨大的數，考慮下面這個例子。圖64中有一個約2英寸見方的倒U字形線框，其上橫搭一根直絲。在由此形成的框中覆上一層肥皂膜，這層膜的表面張力將把橫絲向上拉。在橫絲下方懸掛一個小重物，可以對抗這個表面張力。如果這層膜由普通的肥皂水製成，且厚度為0.01毫米，那麼其自重將是1/4克左右，能夠承受大約3/4克的總重量。 圖64 倘若能用核液體製成一層類似的膜，那麼這層膜的總重量將是5千萬噸（約為1千艘遠洋郵輪的重量），橫絲上將能懸掛1萬億噸的東西，這大約是火星的第二顆衛星「火衛二」的重量！要用核液體吹出這樣一個肥皂泡，肺得多麼強大才行啊！ 在把原子核看成微小的核液滴時，絕不要忽視這些液滴是帶電的，因為約有一半核子是質子。原子核之所以不穩定，首要原因就在於核內存在著兩種相反的力：一種是試圖把原子核分成好幾塊的核子之間的電斥力，另一種則是把原子核維持在一起的表面張力。如果表面張力占優勢，原子核就不會自行分裂，兩個原子核在彼此接觸時會像兩個普通液滴一樣具有融合在一起（聚變）的趨勢。 反過來，如果電斥力搶了上風，原子核就會傾向於自動分裂成幾個高速飛離的碎塊。這種分裂過程通常被稱為「裂變」。 1939 年，玻爾和惠勒（John Archibald Wheeler）對不同元素原子核中表面張力與電斥力的平衡作了精確的計算，並且得出了一個極為重要的結論：元素周期表中前一半元素（大約到銀為止）的原子核是表面張力占上風，更重的原子核則是電斥力占上風。因此，所有比銀更重的元素的原子核原則上都不穩定，如果外界刺激的作用足夠強，就會碎裂成兩塊或更多塊，並且釋放出相當多的內部核能（圖65b）。反之，當總原子量不超過銀原子的兩個輕原子核相互靠近時，就可能自發產生一個聚變過程（圖65a）。 圖65 不過要記住，除非我們做了干預，否則無論是兩個輕原子核的聚變，還是一個重原子核的裂變，在通常條件下都不會發生。事實上，要使兩個輕原子核發生聚變，我們必須克服其電荷之間的斥力，使它們相互靠近；要迫使一個重原子核發生裂變，就必須猛烈地轟擊它，使它以足夠大的幅度振動。 這種必須有初始的激發才能實現某個過程的事態，在科學上被稱為亞穩態。懸崖峭壁上的岩石、口袋裡的火柴、炸彈里的TNT炸藥，都是亞穩態的例子，每一種情況下都有大量能量等待被釋放。但如果不踢岩石，岩石就不會滾下；不劃或不加熱火柴，火柴就不會點燃；不用雷管引爆，TNT就不會爆炸。在我們生活的世界上，除銀塊47以外幾乎每一個物體都是潛在的核爆炸物。但我們並沒有被炸得粉身碎骨，這是因為核反應的啟動是極其困難的，或者用更科學的語言來說，是因為核轉變需要極高的活化能。 就核能而言，我們生活（或者更確切地說，是最近生活）的世界很像一個愛斯基摩人的世界，這個愛斯基摩人居住在冰點以下的環境中，所能接觸的固體只有冰，液體只有酒精。他從未聽說過火，因為用兩塊冰彼此摩擦是生不出火的；他只會把酒精看成一種好喝的飲料，因為他無法把其溫度升到燃點。 當人類最近發現可以將原子內部蘊藏的巨大能量釋放出來時，那種巨大的惶恐和驚訝多麼像這個愛斯基摩人第一次看到酒精燈燃起時的心情啊！ 然而，一旦開啟核反應的困難得到克服，一切麻煩就得到了應有的報償。例如，取等量的氧原子和碳原子，按照方程式 O+C→CO+能量 將其化合，那麼每克混合物將會釋放920卡48的熱量。如果將這兩種原子的普通化合（分子聚合，圖66a）替換成它們原子核的聚變（圖66b）： 6C12+8O16=14Si28+能量， 那麼每克混合物將會釋放14 000 000 000卡的熱量，是前者的1500萬倍。 同樣，每克複雜的TNT分子分解成水分子、一氧化碳分子、二氧化碳分子和氮氣（分子裂變）會釋放大約1 000卡熱量，而同樣重量的物質（比如汞）在核裂變過程中會總共釋放10 000 000 000卡熱量。 但不要忘了，大多數化學反應在幾百度的溫度下就很容易發生，而即使溫度達到幾百萬度，相應的核轉變可能也沒有開始呢！啟動核反應的這種困難說明，整個宇宙尚無在一次劇烈的爆炸中變成純銀的危險，所以大家盡請放寬心。 圖66 三、轟擊原子 原子量的整數值為原子核的複雜性提供了強有力的證據，但只有通過直接的實驗證據，將原子核打碎成兩塊或更多塊，才能最終證明這種複雜性。 1896年，貝克勒耳（Becquerel）發現的放射性最早暗示的確有可能實現這種打碎過程。事實表明，鈾和釷等位於周期表末端的元素會自動發出穿透性很強的輻射（類似於普通的X-射線），原因在於這些原子在緩慢地自發衰變。通過對這一新發現的現象進行認真的實驗研究，人們很快便得出結論說，重原子核在衰變中自動分裂成兩個非常不等的部分：（1）被稱為α粒子的小塊，它是氦的原子核；（2）原有原子核的剩餘部分，它是子元素的原子核。鈾原子核碎裂時釋放出α粒子，由此產生的子元素（被稱為鈾XI）的原子核經過電荷的內部重新調整，釋放出兩個帶負電的自由電荷（普通電子），變成了比原來的鈾原子核輕四個單位的鈾同位素原子核。接著又是一系列α粒子發射和更多的電荷調整，直到最終變成穩定的鉛原子核，才不再繼續衰變。 另外兩個放射系也有交替發射α粒子和電子的類似的放射性嬗變，那就是以重元素釷開始的釷系和以錒開始的錒系。這三個系的元素都會持續地自發衰變，直到最終剩下三種不同的鉛同位素。 我們在上一節談到，元素周期表中後一半元素的原子核是不穩定的，因為破壞性的電力超過了傾向於把原子核維持在一起的表面張力。好奇的讀者若是將它與上述自發放射性衰變對比一下，可能會感到詫異：既然所有比銀重的原子核都是不穩定的，為什麼只有鈾、鐳、釷等少數幾種最重的元素才能觀測到自發衰變呢？答案在於，雖然從理論上講，所有比銀重的元素都應被視為放射性元素，而且它們也的確在慢慢衰變成較輕的元素，但在大多數情況下，自發衰變發生得非常緩慢，以致無法注意到。碘、金、汞、鉛等大家所熟知的元素的原子經過數百年也只能分裂一兩個，這實在太慢了，即使最靈敏的物理儀器也無法將它記錄下來。只有那些最重的元素，其自發分裂的傾向才能強到產生明顯的放射性。49這種相對的嬗變率還決定了不穩定原子核的分裂方式。例如，鈾原子核就能以許多不同的方式裂開：它可以自動分裂成兩個相等的部分，三個相等的部分，或者若干個大小不等的部分。不過，正如通常發生的那樣，最容易的方式是分裂成一個α粒子和剩餘的子核。人們觀測到，鈾原子核自發分成兩半的機率要比放射出一個α粒子的機率低約一百萬倍。所以在1克鈾中，每秒鐘都有上萬個原子核在發射α粒子而發生分裂，而要看到一次鈾原子核分成相等兩半的自發裂變過程，我們卻要等上幾分鐘！ 放射性現象的發現無可置疑地證明了原子核結構的複雜性，並為人工產生（或誘發）核嬗變的實驗鋪平了道路。這樣便產生了一個問題：如果特別不穩定的重元素會自行發生衰變，那麼用某種高速運動的粒子強力轟擊其他穩定的原子核，能否將它們打碎呢？ 帶著這樣的想法，盧瑟福決定用不穩定的放射性原子核自動分裂所產生的核碎塊（α粒子）來轟擊各種穩定元素的原子。與今天幾個物理實驗室使用的巨型原子擊碎器相比，1919年他最早做核嬗變實驗時使用的儀器（圖67）真是簡單到了極點。它包括一個圓筒形的真空容器，上面有一扇由熒光材料製成的薄窗作為螢幕（c）。起轟擊作用的α粒子來源於沉積在金屬片上的一個放射性物質薄層（a），被轟擊的靶（這裡是鋁）呈箔狀（b），與轟擊源相隔一段距離。認真調整裝置，使得所有入射的α粒子都會嵌在箔靶上。因此，如果沒有受到從被轟擊的靶材料射出的次級核碎塊的影響，熒光屏將始終漆黑一片。 圖67　最初是如何使原子裂開的 一切就位之後，盧瑟福透過顯微鏡觀察螢幕，他所看到的景象幾乎不可能被誤認為漆黑一片。整個螢幕上閃爍著成千上萬個小亮點！每一個亮點都是由質子撞擊熒光屏產生的，而每一個質子則是入射的α粒子從靶上的鋁原子中撞出的一個「碎塊」。就這樣，元素的人工嬗變就從理論上的可能性變成了科學上的既定事實。50 盧瑟福做了這個經典實驗的幾十年之後，元素的人工嬗變已經成為最大和最重要的物理學分支之一。無論是轟擊核的高速粒子的生產方法，還是對結果的觀測，都取得了巨大進展。 有一種被稱為雲室（或者根據其發明者的名字被稱為威爾遜雲室）的儀器能使我們最清楚地親眼看到粒子撞擊原子核時發生了什麼。圖68是雲室的示意圖，其工作原理基於這樣一個事實：像α粒子這樣的高速運動的帶電粒子在穿過空氣或任何其他氣體時，會使沿途的原子發生某種變形。這些粒子的強電場會使碰巧擋住它們去路的氣體原子失去一個或多個電子，從而留下大量離子化的原子。這種事態的持續時間並不長，因為粒子一過，離子化的原子很快就會重新俘獲電子，恢復正常狀態。不過，如果這種發生電離的氣體中充滿了水蒸氣，那麼每一個離子都會形成微小的水滴——水蒸氣的一個性質是，它往往會積聚在離子、灰塵等東西上——從而沿著粒子軌跡產生一條細細的霧帶。換句話說，帶電粒子在氣體中的運動軌跡就像拖著尾煙的飛機一樣變得可見。 圖68　威耳遜雲室的示意圖 從技術角度來看，雲室是非常簡單的儀器，主要包括一個金屬圓筒（A），一個玻璃蓋（B），內有一個可上下移動的活塞（C）（移動裝置未在圖中畫出）。玻璃蓋與活塞表面之間充有空氣（或按需要充有其他氣體）和一定量的水蒸氣。一些粒子從窗戶（E）進入雲室之後，如果活塞驟然下降，則活塞上部的氣體將會冷卻，水蒸氣將開始沿著粒子的軌跡凝結成薄薄的霧帶。受到從邊窗（D）射入的強光照射，這些霧帶將在活塞蒙色表面的映襯下清晰可見，並且可以用與活塞連動的照相機（F）拍攝下來。這個簡單的裝置是現代物理學中最有用的儀器之一，我們由此得以拍下關於核轟擊結果的美妙照片。 圖69　靜電發生器的原理 基礎物理學告訴我們，傳遞給一個球形金屬導體的電荷會分布於它的外表面。於是，經由球上開的一個小洞，將一個小的帶電導體一次次地伸進球內與球的內表面接觸，將小電荷陸續引入其內部，可以使這樣一個導體的電勢升到任意高。在實際操作中，我們使用的是一條經由小洞進入球形導體的傳動皮帶，由它攜帶著一個小起電器所產生的電荷。 我們當然也希望設計出一些方法，能在強電場中加速各種帶電粒子（離子），以產生強大的粒子束。這樣不但能省去稀罕昂貴的放射性物質，還能使用其他類型的粒子（比如質子），所獲得的動能也比普通放射性衰變所提供的能量高。在產生密集高速粒子束的各種儀器當中，最重要的有靜電發生器、回旋加速器和直線加速器。圖69、圖70和圖71分別簡述了它們的工作原理。 圖70　回旋加速器的原理 回旋加速器主要包括兩個置於強磁場（方向與紙面垂直）中的半圓形金屬盒。兩個盒子與一個變壓器相連，因此交替帶正電和負電。從中心的離子源射出的離子在磁場中沿著圓形軌道運動，每當從一個盒子進入另一個盒子時就會被加速。離子運動得越來越快，描繪出一條展開的螺線，最後以極高的速度衝出。 圖71　直線加速器原理 這套裝置包括幾個長度逐漸增大的圓筒，由變壓器交替充以正電和負電。從一個圓筒進入另一個圓筒的過程中，離子被現有的電勢差逐漸加速，因此能量每次都會有所增加。由於速度與能量的平方根成正比，所以如果圓筒的長度正比於整數的平方根，就能保持離子與交變電場同相位。把這套裝置建造得足夠長，就能把離子加速到任何想要的速度。 用上述類型的電加速器來產生各種強大的粒子束，用它們轟擊由不同材料製成的靶子，便可實現一系列核嬗變，通過雲室照片可以方便地對其進行研究。插圖3和插圖4是其中幾張照片，顯示了核嬗變的過程。 這種類型的第一張照片是劍橋大學的布萊克特（P. M. S. Blackett）拍攝的，它所呈現的是一束天然的α粒子穿過一個充有氮氣的雲室。51首先可以看出，軌跡有明確的長度，這是因為粒子在穿過氣體時會逐漸失去動能，最後停止下來。軌跡長度明顯有兩種類型，對應於具有不同能量的兩組α粒子（粒子源是釷的兩種同位素ThC和ThC′的混合物）。我們還注意到，α粒子的軌跡一般來說是筆直的，只是臨近最後，粒子已經失去大部分初始能量時，才容易由途中氮原子核的非正面碰撞而顯示出明顯偏折。但這張照片最明顯的特徵是一條特殊的α粒子軌跡，它顯示出一種典型的分叉，一支細長，另一支粗短。這是入射的α粒子與雲室中的氮原子核面對面碰撞的結果。細長的軌跡對應著被撞出氮原子核的質子，粗短的軌跡則對應著被撞到一旁的氮原子核本身。由於沒有第三條軌跡可以對應於彈回的α粒子，這表明入射的α粒子已經附著在氮原子核上一起運動了。 由插圖3b我們可以看到人工加速的質子與硼核碰撞的結果。從加速器管口（照片中心的黑影）發出的高速質子束射到硼片上，使原子核的碎塊朝四面八方飛過周圍的空氣。照片上的一個有趣之處是，碎塊的軌跡似乎總是以三個為一組（照片上可以看到兩組，其中一組以箭頭標出），這是因為被質子擊中的硼原子核會分裂成三個相等的部分。52 插圖3a是另一張照片，顯示的是高速運動的氘核（由一個質子和一個中子形成的重氫原子核）與靶材料中另一個氘核的碰撞。53 照片中較長的軌跡對應於質子（1H1核），較短的軌跡則對應於三倍重的氫核，即所謂的氚核。 中子和質子都是構成每一個原子核的主要成分。如果沒有涉及中子的核反應，雲室照片是不完備的。 然而，在雲室圖片中尋找中子的軌跡是徒勞的，因為中子不帶電，這匹「核物理學的黑馬」在穿過物質時不會造成任何電離。不過，你若看到獵人槍口在冒煙，又看到天上栽下一隻鴨子，那麼即使沒有看見，你也知道有子彈發射過。同樣，看著插圖3c這張顯示了一個氮原子核分裂成氦核（向下的軌跡）和硼核（向上的軌跡）的雲室照片，你想必會意識到，這個氮核是被從左邊過來的某個看不見的粒子狠狠撞了一下。事實的確如此，為了拍攝這張照片，我們在雲室左壁放置了鐳和鈹的混合物作為快中子源。54 把中子源的位置和氮原子分裂的地點連接起來，我們就能看到中子穿過雲室所沿的直線了。 插圖4顯示了鈾核的裂變過程，它是包基爾德（Boggild）、布勞斯特勞姆（Brostrom）和勞瑞岑（Lauritsen）拍攝的。照片顯示，從塗有被轟擊鈾層的一片鋁箔，沿相反方向飛出兩個裂變碎塊。當然，無論是引發裂變的中子，還是裂變所產生的中子，都不會在照片上顯示。 用加速粒子轟擊原子核的方法而實現的各種核嬗變，我們可以一直描述下去，不過現在我們要轉到轟擊的效率這樣一個更重要的問題。要知道，插圖3和插圖4隻顯示了單個原子解體的情況。比如為了把1克硼完全轉化為氦，需要把其中包含的所有55 000 000 000 000 000 000 000個硼原子都擊碎。目前最強大的加速器每秒鐘能夠產生大約1 000 000 000 000 000個粒子。即使每一個粒子都能擊碎一個硼核，我們也得讓這台機器運行5500萬秒，即大約兩年才能完成這項工作。 然而，各種加速器所產生的帶電核粒子的實際效力要比這低得多。在數千個粒子當中，通常只能指望有一個粒子能夠擊碎靶材料中的原子核。這種原子轟擊的效率之所以極低，是因為原子核周圍的電子能夠減慢在其中穿過的帶電粒子的速度。由於電子殼層的靶面積遠大於原子核的靶面積，我們又顯然不能讓粒子都直接瞄準原子核，因此每一個粒子必須穿過原子的許多電子殼層，才有機會直接命中某個原子核。圖72對這種情況作了圖解。圖中的黑色圓點表示原子核，輕影線表示電子殼層。原子的直徑約為原子核直徑的10 000倍，因此其靶面積之比為100 000 000:1。我們還知道，穿過一個原子的電子殼層之後，帶電粒子會失去大約萬分之一的能量，於是它穿過大約1萬個原子後會完全停下來。從上述數據不難看出，在1萬個粒子當中，大約只有1個粒子有機會在初始能量被原子的電子殼層耗盡之前撞到原子核上。考慮到帶電粒子對靶材料的原子核施以毀滅性打擊的效率是如此之低，要把1克硼完全嬗變，必須讓一台現代加速器持續運行至少兩萬年！ 圖72 四、核子學 「核子學」是一個很不恰當的詞，但和許多這樣的詞一樣，它似乎仍在實際使用。正如「電子學」這個詞被用來描述自由電子束的廣泛實際應用一樣，也應把「核子學」理解成對大規模釋放的核能加以實際利用的科學。從前面諸節我們已經知道，（除銀以外）各種化學元素的原子核都蘊藏著巨大的內能：輕元素的內能可以通過核聚變過程釋放出來，重元素的內能則可以通過核裂變過程釋放出來。我們還知道，用人工加速的帶電粒子轟擊原子核的方法雖然對於各種核嬗變的理論研究非常重要，但因效率極低而不能指望有什麼實際用處。 α粒子和質子等普通帶電粒子之所以效率低下，本質上是因為它們的電荷使其在穿過原子時會失去能量，而且又難以足夠靠近被轟擊材料的帶電原子核。既然如此，我們必定會想到，如果用不帶電的中子來轟擊各種原子核，也許能得到更好的結果。但這裡有一個潛在的困難。由於中子可以不費吹灰之力地穿透原子核，所以它們在自然中並不以自由形式存在。即使用入射粒子將一個自由中子從某個原子核里人為地踢出來（例如用α粒子轟擊鈹核產生中子），它很快也會被其他原子核重新俘獲。 於是，要想產生強大的中子束以轟擊原子核，必須把中子從某種元素的原子核里一個個踢出來。這使我們又回到了帶電粒子的低效。 不過，有一種辦法能夠擺脫這種惡性循環。如果能用中子踢出中子，而且每一個中子都能產生不止一個後代，那麼這些中子就會像兔子或感染組織中的細菌一樣繁殖得越來越多（參見圖97）。不用多久，由一個中子產生的後代就會多到足以轟擊一大塊材料中的每一個原子核。 自從發現一種特殊的核反應能夠實現這種中子增殖過程，核物理學便突然繁榮起來，使它離開了關注物質最隱秘性質的純科學這座靜謐的象牙塔，陷入了新聞大字標題、激烈的政治討論和軍事工業發展的旋渦。看報紙的人都知道，核能或通常所謂的原子能可以通過哈恩（Otto Hahn）和施特拉斯曼（Fritz Strassman）1938 年發現的鈾核裂變過程釋放出來。但不要以為裂變本身（也就是將重核分成兩個近乎相等的部分）能使核反應繼續下去。事實上，裂變產生的這兩個核碎塊都攜帶著許多電荷（分別攜帶著鈾核的一半電荷左右），這使它們難以太過接近其他原子核。因此，在鄰近原子電子殼層的作用下，它們將迅速失去自己的初始能量而趨於靜止，不會引起進一步的裂變。 要想發展出一種自我維持的核反應，裂變過程之所以至關重要，是因為人們發現每一個裂變碎塊在速度減慢之前會釋放出中子（圖73）。 圖73　裂變過程的各個階段 裂變之所以有這種特殊的後效，是因為重原子核的兩半碎塊起初就像兩節斷裂的彈簧一樣處於劇烈的振動狀態。這種振動雖然不會造成第二次裂變（即每一個碎塊再分成兩塊），但很可能會拋射出幾個核結構單元。當我們說每個碎塊射出一個中子時，我們僅僅是在統計意義上說的；在某些情況下，一個碎塊可能拋射出兩三個中子，而在另一些情況下則可能一個也沒有。當然，從一個裂變碎塊中射出的中子的平均數依賴於它的振動強度，而這個強度又依賴於最初的裂變過程所釋放的總能量。正如我們所知，聚變中釋放的能量隨著原子核的重量而增加，因此可以預計，每一個裂變碎塊所產生的平均中子數也隨著元素周期表而增加。例如，金核的裂變（尚未用實驗方法實現，因為所需的起始能量太高）所產生的中子數可能遠少於每個碎塊一個，鈾核的裂變為平均每塊一個（每次裂變產生兩個左右的中子），更重元素（如鈈）的裂變所產生的中子數則應多於每塊一個。 假定有100個中子進入了某種物質，為了滿足中子的連續增殖條件，下一代中子顯然應當多於100個。能否滿足這種條件，取決於中子使這種原子核發生裂變的效率有多大，以及在一次裂變中產生的新中子平均有多少。要知道，雖然在產生裂變方面中子比帶電粒子效率高得多，但也並非百分之百。事實上，進入原子核的高速中子總有可能只把一部分動能傳給原子核，自己帶走其餘的動能。在這種情況下，動能將會消散在幾個原子核上，沒有一個得到足夠的能量發生裂變。 根據原子核結構的一般理論可以斷言，中子產生裂變的效率隨著裂變元素原子量的增加而增加，對於周期表末尾的那些元素來說則接近百分之百。 現在我們給出兩個有具體數值的例子，一個有利於中子增殖，一個不利於中子增殖：（1）假定快中子引起某元素裂變的效率為35%，每次裂變平均產生中子1.6個。55在這種情況下，100個中子會引起35次裂變，產生35×1.6＝56個下一代中子。顯然，中子數每次都會迅速減少，每一代的數目都只是之前的一半左右。（2）假定有一種更重的元素，中子引起它裂變的效率升至65%，每次裂變產生的平均中子數為2.2。在這種情況下，100個中子會引起65次裂變，產生65×2.2＝143個下一代中子。每產生新的一代，中子數就會增加50%左右，這樣很快就會有足夠多的中子來轟擊和打碎樣品中每一個原子核。我們這裡討論的是漸進性分支鏈式反應，能發生這種反應的物質被稱為裂變物質。 通過對發生漸進性分支鏈式反應的必要條件做出認真的實驗和理論研究，我們可以得出結論：在各種各樣的天然原子核當中，只有一種原子核有可能發生這種反應。這就是鈾的著名輕同位素鈾235，唯一的天然裂變物質。 然而，鈾235在自然之中並非以純淨的形式存在，而總是與較重的非裂變同位素鈾238混雜在一起（鈾235占0.7%，鈾238占99.3%），這有礙於引發天然鈾的漸進式分支鏈式反應，就像水分有礙於濕木柴的燃燒一樣。不過，正因為有這種不活潑的同位素的混雜，才使得很容易裂變的鈾235仍然存在於自然界中，否則它們早就被某一次鏈式反應徹底摧毀了。於是，要想使用鈾235的能量，需要把鈾235的原子核與更重的鈾238原子核分開，或者設法不讓更重的鈾238的干擾作用奏效。對釋放原子能的研究其實都在遵循這兩種方法，而且都取得了成功。由於本書不打算涉及太多這種技術性問題，所以這裡只是簡要討論一下。56 圖74　一個離群的中子在一塊球形裂變物質中引起的鏈式反應。雖然有許多中子從表面跑掉了，但每一代中子的數目仍在增加，並最終引起爆炸 直接將鈾的兩種同位素分開是一個非常困難的技術問題，因為它們化學性質相同，通常的化工方法是做不到的。這兩種原子只在質量上相差1.3%，這便啟發我們用原子質量起主導作用的過程來實現分離，比如擴散、離心、離子束在電磁場中的偏轉等。圖75a和75b給出了兩種主要分離方法的示意圖，並附有簡要說明。 圖75 a. 用擴散法來分離同位素。包含兩種同位素的氣體被泵入左室，並透過中央隔板擴散到右室。由於輕分子擴散得更快，所以右室的氣體會富含鈾235。 b. 用磁場法來分離同位素。原子束在強磁場中穿過，包含較輕的鈾同位素的分子偏轉得多一些。由於用寬縫才能有較高的強度，所以鈾235和鈾238兩束粒子會有部分重疊，我們同樣只得到部分分離。 所有這些方法都有一個缺點：由於這兩種鈾同位素的質量差異不大，所以分離過程不可能一步完成，而是需要重複多次，才能得到富含輕同位素的產物。如果重複次數足夠多，便可得到較純的鈾235樣品。 更巧妙的方法是用所謂的減速劑人為地減少天然鈾中重同位素的干擾作用，從而實現天然鈾的鏈式反應。要想理解這種方法，我們應當記得鈾的重同位素的副作用本質上在於吸收了鈾235裂變過程中產生的大部分中子，從而使漸進性鏈式反應無法進行。因此，如果能使中子在遇到鈾235的原子核引起裂變之前不致被鈾238的原子核俘獲，問題便得到了解決。不過，鈾238核大約是鈾235核的140倍，不讓鈾238得到大部分中子，初看起來似乎是不可能的。但在這個問題上，一個事實幫了我們的忙：鈾的兩種同位素「俘獲中子的能力」依中子運動速度的不同而不同。對於裂變的原子核產生的快中子來說，兩種同位素的俘獲能力是相同的，因此每有1個中子被鈾235俘獲，就有140個中子被鈾238俘獲。對於中等速度的中子來說，鈾238的俘獲能力強於鈾235。但要點是，對於運動很慢的中子來說，鈾235比鈾238的俘獲能力強得多。因此，如果能使裂變產生的中子速度慢下來，使之在遇到下一個鈾原子核（鈾238或鈾235）之前大大減速，那麼鈾235核雖然數量較少，卻比鈾238核更有機會俘獲中子。 將大量天然鈾的小顆粒散布於某種能使中子減速、本身又不會俘獲大量中子的材料（減速劑）中，便可得到減速裝置。最好的減速劑材料是重水、碳和鈹鹽。圖76顯示了這樣一個散布在減速劑各處的鈾顆粒「堆」是如何實際工作的。57 圖76　這張圖看似生物細胞圖，其實顯示的是嵌在減速劑（小原子）當中的一團團鈾原子（大原子）。左面的一團鈾原子中有一個發生了裂變，產生的兩個中子進入了減速劑，因與原子核發生一系列碰撞而逐漸變慢。到達另一團鈾原子時，這些中子的速度已經大大降低，從而被鈾235的原子核所俘獲，因為鈾235俘獲慢中子的效率遠遠高於鈾238。 如上所述，只有輕同位素鈾235（只占天然鈾的0.7%）這種裂變元素才能維持漸進性鏈式反應，從而釋放出大量核能。但這並不意味著我們不能用人工方法製造出與鈾235性質相同而通常並不存在於自然界的其他元素來。事實上，利用某種裂變元素的漸進性鏈式反應中大量產生的中子，可以把通常不可裂變的原子核變成可裂變的原子核。 這種類型的第一個例子便是上述由天然鈾和減速劑混合而成的「鈾堆」。我們已經看到，使用減速劑可以使鈾238俘獲中子的能力減小到讓鈾235核之間發生鏈式反應。不過，仍然有一些中子會被鈾238俘獲。那麼這時會發生什麼情況呢？ 當然，鈾238俘獲中子之後立刻會變成更重的同位素鈾239。但這個新核的壽命不長，它會陸續射出兩個電子，變成原子序數為94的一種新化學元素的原子核。這種新的人造素被稱為鈈（Pu-239），它比鈾235更容易裂變。如果把鈾238替換成另一種天然放射性元素釷（Th-232），那麼它在俘獲中子並隨後射出兩個電子之後會變成另一種人造裂變元素鈾233。 於是，從天然裂變元素鈾235開始循環進行鏈式反應，原則上可將所有天然鈾和釷變成裂變物質，成為濃縮的核能來源。 最後，讓我們粗略估算一下人類總共有多少能量可以用於未來的和平發展或自我毀滅的軍事戰爭。根據計算，已知鈾礦中的鈾235總量如果完全轉化為核能，足以讓全世界的工業使用數年；但如果考慮到鈾238可以轉變成鈈，所估時間會延長到幾個世紀。再考慮到儲量是鈾四倍的釷（轉變成鈾233），則至少可以用一兩千年，這足以打消關於「原子能未來短缺」的任何憂慮了。 即使用盡了所有這些核能資源，而且發現不了新的鈾礦和釷礦，將來的人也能從普通岩石中獲得核能。事實上，和所有其他化學元素一樣，幾乎任何普通物質都含有少量的鈾和釷。例如，每噸花崗岩含4克鈾、12克釷。乍看起來，這似乎很少，但我們再往下算一算。我們知道，1公斤裂變物質所蘊藏的核能相當於2萬噸TNT炸藥爆炸時或2萬噸汽油燃燒時所釋放的能量。因此，1噸花崗岩包含的這16克鈾和釷如果變成裂變物質，會相當於320噸的普通燃料。這足以補償複雜的分離過程所帶來的各種麻煩了，特別是當儲量豐富的礦藏面臨枯竭的時候。 既已攻克鈾等重元素在核裂變過程中的能量釋放問題，物理學家們又處理了被稱為核聚變的相反過程，即兩個輕元素的原子核聚合成一個重原子核，同時釋放出巨大的能量。在第十一章我們會看到，太陽的能量便來自這樣一個聚變過程，普通的氫核因內部劇烈的熱碰撞而結合成較重的氦核。為了複製這種所謂的熱核反應以供人類使用，引發聚變的最佳材料是重氫或氘。普通的水中有少量的氘。氘核包含一個質子和一個中子。兩個氘核相撞時會發生以下兩種反應中的一個： 2氘核→2He3+中子； 2氘核→1H3+質子。 要想實現這種嬗變，氘必須處於幾億度的高溫之下。 第一個成功實現核聚變的裝置是氫彈，它用原子彈的爆炸來觸發氘的反應。然而，一個更為複雜的問題是如何實現受控熱核反應，以為和平目的提供大量能量。要想克服主要困難，即對極熱氣體進行約束，可以用強磁場把氘核約束在中心熱區之內，阻止其接觸容器壁（否則容器會熔化和蒸發！）。