地球/3c. 核素圖

地球
3c. 核素圖

入侵

1940年4月9日，納粹德國入侵中立的挪威的訊息透過廣播傳出。萊夫·特隆斯塔德當時正在位於該國北部的挪威理工學院的特隆赫姆教授化學課，當這個訊息傳來時。作為一名接受過軍事訓練的軍官，萊夫·特隆斯塔德接受過武器作戰訓練，聽到這個訊息後，他通知他的學生們，他們現在處於戰爭狀態，併到最近的軍事基地報到，拿起武器。他和家人離開了特隆赫姆，驅車六個小時南下前往奧斯陸，幫助保衛國家，但在半路上，奧斯陸已被納粹佔領的可怕訊息傳來了。他在朗德訥國家公園崎嶇山區的多夫勒山脈避難。在這裡，他訓練志願者使用步槍，以抵禦入侵者的攻擊。萊夫·特隆斯塔德是一位廣受歡迎的化學教授，他一直在研究一種新發現的物質。這是一種會改變二戰程序，並導致原子武器誕生的物質。1940年5月，萊夫·特隆斯塔德得知，為他實驗室生產這種物質的工廠現在已被納粹控制，並且他們已經命令被俘的挪威操作人員增加產量。這種物質被稱為同位素，它不會出現在元素週期表上。

什麼是同位素？

27年前，化學家弗雷德里克·索迪參加了在蘇格蘭妻子家族的一次晚宴。在晚餐期間，他與一位名叫瑪格麗特·託德的客人進行了討論，後者是一位退休的醫生。談話可能轉向了索迪關於原子結構和放射性的研究。索迪最近發現，原子可以在外部相同，但在內部存在差異。這種差異不會出現在標準的元素週期表上，元素週期表是按電子和質子的數量來排列元素的，他試圖找到一種不同的方法來排列這些新物質。瑪格麗特·託德建議用“同位素”來表示這些物質，“Iso-”表示相同，“-tope”表示位置。索迪喜歡這個詞，並在當年晚些時候發表了一篇論文，使用了新的術語“同位素”，表示原子僅在原子核中的中子數量不同，但質子數量相同。

質子和中子只存在於原子的中心，即原子核中，它們被稱為核素。組織不同型別原子的另一種更好的方法是繪製原子核中質子數（Z）和中子數（N）的圖表（參見https://www.nndc.bnl.gov/以獲取互動式圖表）。與元素週期表不同，每種型別的原子都可以繪製在這樣的圖表上，包括自然界中不存在或高度不穩定（放射性）的原子。這種型別的圖表被稱為核素圖。

例如，我們可以有一個質子數為1，中子數為0的原子，它被稱為氫。但是，我們也可以有一個質子數為1，中子數為1的原子，它也被稱為氫。元素的名稱只表示質子的數量。事實上，理論上你也可以有一個質子數為1，中子數為13的氫。但是，這種原子在地球上似乎不存在，因為在給定的地球壓力和溫度下，幾乎不可能讓13箇中子和一個質子結合在一起。然而，這種原子可能存在於密度極高的恆星中。一個質子數為1，中子數為13的氫會與普通氫表現相似，但它的原子量為14（1+13），使其比原子量僅為1的普通氫重得多。原子量是原子中質子和中子的總數。

大多數核素圖不包括未被觀測到的原子，但已發現了一個質子數為1，中子數為1的氫，它被稱為氫的同位素。同位素是質子數相同但中子數不同的原子。同位素可以是穩定的或不穩定的（放射性的）。例如，氫有兩個穩定的同位素，一個質子數為1，中子數為0的原子，另一個質子數為1，中子數為1的原子，但質子數為1，中子數為2的原子是放射性的。請注意，原子量因同位素而異，因此我們可以將質子數為1，中子數為0（原子量為1）的氫同位素稱為輕同位素，而將質子數為1，中子數為1（原子量為2）的氫同位素稱為重同位素。科學家通常將同位素稱為輕同位素或重同位素，或者用上標字首，例如¹H和²H，其中上標字首表示原子量。

1931年，哈羅德·尤里和他的同事費迪南德·G·布里克韋德和喬治·M·墨菲在芝加哥大學分離出重氫（²H），方法是反覆蒸餾液態氫，以淨化液態氫，使其含有更多重氫。在發現重氫時，哈羅德·尤里將這種型別的原子命名為氘（有時縮寫為D）。只有氫的同位素有名稱，其他元素只用它們的原子量數來表示，例如¹⁴碳（即碳-14）。數字表示原子量，即質子數和中子數，因此¹⁴C（碳-14）有6個質子和8箇中子（6+8 = 14）。

含有1個質子的氫和含有1個質子1箇中子的氫在與其他原子的成鍵性質方面表現相似，很難區分。無論中子數多少，氫都將有1個電子與質子數相匹配。

然而，由於質量不同，它們的物理性質略有差異。例如，¹H在受到光子照射時會釋放7.2889 Δ(MeV)，而²H（氘）會釋放13.1357 Δ(MeV)，釋放的能量略高，這是因為原子的原子核含有更多的質量，並且電子的軌道殼層在氘中比典型氫更靠近原子核幾個普朗克長度。激發的電子將有更遠的距離下降，並將釋放更多的能量。這些化學性質的細微差異使同位素能夠進行分餾。分餾是透過富集或消耗物質中各種同位素來改變物質中各種同位素的丰度或比例的過程。

重水

含有氘或重氫的水的沸點比普通水的沸點高，為101.4攝氏度（在1個大氣壓下），而普通水的沸點為100攝氏度（在1個大氣壓下）。氘非常稀有，僅佔氫原子總數的0.0115%，因此要分離氘，需要反覆蒸發大量水，並將每次剩餘的最後一滴水保留下來，以增加水中氘的含量。重水的製造成本很高，因為它需要大量的普通水，並且需要反覆蒸餾。這是一個分餾過程。

1939 年，氘被發現對生產鈽-239（²³⁹Pu）至關重要，鈽-239 是一種放射性同位素，用於製造原子武器。瑪麗·居里的女兒，伊雷娜·約里奧-居里和她的丈夫弗雷德里克·約里奧-居里在 1939 年發表在同行評審期刊《自然》上的一篇文章中描述了鈽-239 的強大威力，以及如何使用氘作為慢化劑來減緩自由中子，從而從鈾中製造鈽-239。這篇文章引起了納粹德國的極大興趣，並掀起了一場生產氘的運動。與水分子中的氧結合的氘被稱為重水。1940 年，德國入侵了挪威，佔領了位於挪威特勒馬克的維莫克水電站（位於茹坎瀑布），該電站曾經為萊夫·特隆斯塔德的實驗室生產氘，但現在可以為德國人生產氘，用於生產鈽-239（²³⁹Pu）同位素。

萊夫·特隆斯塔德需要警告世界，德國很快將擁有製造鈽-239（²³⁹Pu）炸彈的能力。但挪威的戰鬥進展不順利，北部城市特隆赫姆很快投降，萊夫·特隆斯塔德現在成為被納粹德國佔領的國家的抵抗戰士。他向英國發送了一條密碼資訊，警告他們德國增加了氘的生產。但他無法確認資訊是否已收到，因此他必須逃離挪威並向世界發出警告。萊夫·特隆斯塔德從他家人的小屋出發，滑雪穿過挪威邊界進入瑞典，並找到前往英國的通道。到達英國後，他的警告引起了溫斯頓·丘吉爾的極度擔憂，他後來寫道：“重水——一個不祥的詞語，怪異的，不自然的，開始出現在我們的秘密檔案裡。如果敵人比我們先得到原子彈怎麼辦！我們不能冒著在這一可怕領域被超越的致命風險。”

爭奪原子彈

萊夫·特隆斯塔德想領導任務返回挪威，但英國命令他訓練挪威難民，而不是自己返回執行不可能的任務。1941 年，哈羅德·尤里訪問了英國，萊夫·特隆斯塔德敦促尤里說服富蘭克林·D·羅斯福總統，盟軍需要在德國之前研製出原子武器。被佔領的挪威 Norsk Hydro 重水生產廠維莫克，給了納粹德國一個先機。美國軍方想從空中轟炸這座工廠，該工廠在七層混凝土牆的保護下，十分堅固。萊夫·特隆斯塔德懇求不要轟炸工廠，以防造成平民傷亡，因為該工廠還生產無水氨，這是一種極易爆炸的物質。1942 年 11 月，第一支特遣隊被派往挪威，由兩支突擊隊領導。當第二支突擊隊的飛機在惡劣天氣中偏離航線並墜毀時，大多數突擊隊員在墜機中喪生，倖存者被德國士兵處決。第一支已經跳傘到冰凍地形上的突擊隊現在被孤立了，他們必須獨自面對嚴酷的冬天，躲避德國部隊在鄰近山區的巡邏和飢餓。德國人現在也感到警覺，意識到襲擊即將發生。1943 年 2 月，一支挪威特種部隊在敵後空降，將被困在山區中的突擊隊轉移到安全地帶。在夜色的掩護下，突擊隊攀登了山谷中岩石峭壁，衝進工廠的生產車間。他們用塑膠炸藥炸燬了車間，然後逃離了冰凍的山區。任務取得成功，但 1943 年夏季，工廠修復了。美國空軍對這座城市進行了轟炸，摧毀了剩餘的生產設施。剩餘的重水將被運回德國，但裝載重水的船隻在 1944 年 2 月的一次破壞行動中被炸燬。到 1944 年 10 月，萊夫·特隆斯塔德返回挪威，作為抵抗戰士參加戰鬥。悲痛的是，他在 1945 年 3 月的戰鬥中犧牲，距離盟軍在 1945 年 8 月將第一批原子彈投放到日本廣島和長崎僅幾個月時間。原子彈造成大約 200,000 人死亡，戰爭由此戲劇性地結束。

廣島上空的原子彈爆炸，造成 66,000 多人死亡
長崎上空的原子彈爆炸，造成 80,000 多人死亡。

氫彈

瞭解同位素以及如何閱讀核素圖，您可以理解原子能的可怕本質。例如，氫還有另一種同位素，包含 1 個質子和 2 箇中子，稱為氚 (³H)，原子質量為 3。與穩定的氘不同，氚具有很強的放射性，將在幾年內衰變，半衰期為 12.32 年。半衰期是指一半原子衰變所需的時間，因此 12.32 年後，將剩下 50% 的原子，24.64 年後，將剩下 25% 的原子，並且未來每 12.32 年，剩餘氚的百分比將減少一半。作為一種強放射性同位素，氚是在氫原子彈（氫彈）中透過穩定的同位素 6-鋰 (⁶Li) 與自由中子發生裂變的過程產生的，自由中子就像催化劑一樣，在衰變過程中釋放更多的能量。在自然界中，氚不存在，因為它衰變速度很快，但它是核武器爆炸產生的核塵埃中的一種放射性成分，這種更強大的氫彈或氫彈在戰後 1952 年首次進行試驗。

存在包含 1 個質子和 3 箇中子的氫原子嗎？答案是否定的，因為這種構型的原子似乎無法存在，包含 3、4、5 和 6 箇中子的氫原子衰變速度非常快，幾乎無法檢測到它們。當氫原子被中子轟擊時，釋放的能量可以測量，但這些原子非常不穩定，無法存在任何時間。事實上，對於大多數質子和中子的組合，在自然界中不存在原子。質子和中子的數量似乎大致相等，儘管原子越大，中子的數量就越多。例如，鈽包含 94 個質子，這是自然界中元素中質子數量最多的，但包含 145 到 150 箇中子，以將這 94 個質子結合在一起，即使有這些中子，鈽的所有同位素都是放射性的，放射性同位素 ²⁴⁴Pu 的半衰期最長，為 8000 萬年。鿫 (²⁹⁴Og) 是迄今為止合成的最大的同位素，包含 118 個質子和 176 箇中子 (118+176 = 294)，但半衰期只有 0.69 微秒！

有 252 種元素的同位素不衰變，是穩定的同位素。曾經認為最大的穩定同位素是 ²⁰⁹Bi，但最近發現它衰變非常非常緩慢，半衰期是宇宙年齡的一百萬倍以上。已知最大的穩定同位素是 ²⁰⁸Pb（鉛），包含 82 個質子和 126 箇中子。實際上，鉛有三種穩定的同位素，²⁰⁶Pb、²⁰⁷Pb 和 ²⁰⁸Pb，它們似乎都不會隨著時間的推移而衰變。

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