地球/3c. 核素图
1940年4月9日，纳粹德国入侵中立的挪威的消息通过广播传出。 莱夫·特隆斯塔德当时正在位于该国北部的挪威理工学院的特隆赫姆教授化学课，当这个消息传来时。作为一名接受过军事训练的军官，莱夫·特隆斯塔德接受过武器作战训练，听到这个消息后，他通知他的学生们，他们现在处于战争状态，并到最近的军事基地报到，拿起武器。他和家人离开了特隆赫姆，驱车六个小时南下前往奥斯陆，帮助保卫国家，但在半路上，奥斯陆已被纳粹占领的可怕消息传来了。他在朗德讷国家公园崎岖山区的多夫勒山脉避难。在这里，他训练志愿者使用步枪，以抵御入侵者的攻击。莱夫·特隆斯塔德是一位广受欢迎的化学教授，他一直在研究一种新发现的物质。这是一种会改变二战进程，并导致原子武器诞生的物质。1940年5月，莱夫·特隆斯塔德得知，为他实验室生产这种物质的工厂现在已被纳粹控制，并且他们已经命令被俘的挪威操作人员增加产量。这种物质被称为同位素，它不会出现在元素周期表上。
27年前，化学家弗雷德里克·索迪参加了在苏格兰妻子家族的一次晚宴。在晚餐期间，他与一位名叫玛格丽特·托德的客人进行了讨论，后者是一位退休的医生。谈话可能转向了索迪关于原子结构和放射性的研究。索迪最近发现，原子可以在外部相同，但在内部存在差异。这种差异不会出现在标准的元素周期表上，元素周期表是按电子和质子的数量来排列元素的，他试图找到一种不同的方法来排列这些新物质。玛格丽特·托德建议用“同位素”来表示这些物质，“Iso-”表示相同，“-tope”表示位置。索迪喜欢这个词，并在当年晚些时候发表了一篇论文，使用了新的术语“同位素”，表示原子仅在原子核中的中子数量不同，但质子数量相同。
质子和中子只存在于原子的中心，即原子核中，它们被称为核素。组织不同类型原子的另一种更好的方法是绘制原子核中质子数（Z）和中子数（N）的图表（参见https://www.nndc.bnl.gov/以获取交互式图表）。与元素周期表不同，每种类型的原子都可以绘制在这样的图表上，包括自然界中不存在或高度不稳定（放射性）的原子。这种类型的图表被称为核素图。
例如，我们可以有一个质子数为1，中子数为0的原子，它被称为氢。但是，我们也可以有一个质子数为1，中子数为1的原子，它也被称为氢。元素的名称只表示质子的数量。事实上，理论上你也可以有一个质子数为1，中子数为13的氢。但是，这种原子在地球上似乎不存在，因为在给定的地球压力和温度下，几乎不可能让13个中子和一个质子结合在一起。然而，这种原子可能存在于密度极高的恒星中。一个质子数为1，中子数为13的氢会与普通氢表现相似，但它的原子量为14（1+13），使其比原子量仅为1的普通氢重得多。原子量是原子中质子和中子的总数。
大多数核素图不包括未被观测到的原子，但已发现了一个质子数为1，中子数为1的氢，它被称为氢的同位素。同位素是质子数相同但中子数不同的原子。同位素可以是稳定的或不稳定的（放射性的）。例如，氢有两个稳定的同位素，一个质子数为1，中子数为0的原子，另一个质子数为1，中子数为1的原子，但质子数为1，中子数为2的原子是放射性的。请注意，原子量因同位素而异，因此我们可以将质子数为1，中子数为0（原子量为1）的氢同位素称为轻同位素，而将质子数为1，中子数为1（原子量为2）的氢同位素称为重同位素。科学家通常将同位素称为轻同位素或重同位素，或者用上标前缀，例如1H和2H，其中上标前缀表示原子量。
1931年，哈罗德·尤里和他的同事费迪南德·G·布里克韦德和乔治·M·墨菲在芝加哥大学分离出重氢（2H），方法是反复蒸馏液态氢，以净化液态氢，使其含有更多重氢。在发现重氢时，哈罗德·尤里将这种类型的原子命名为氘（有时缩写为D）。只有氢的同位素有名称，其他元素只用它们的原子量数来表示，例如14碳（即碳-14）。数字表示原子量，即质子数和中子数，因此14C（碳-14）有6个质子和8个中子（6+8 = 14）。
含有1个质子的氢和含有1个质子1个中子的氢在与其他原子的成键性质方面表现相似，很难区分。无论中子数多少，氢都将有1个电子与质子数相匹配。
然而，由于质量不同，它们的物理性质略有差异。例如，1H在受到光子照射时会释放7.2889 Δ(MeV)，而2H（氘）会释放13.1357 Δ(MeV)，释放的能量略高，这是因为原子的原子核含有更多的质量，并且电子的轨道壳层在氘中比典型氢更靠近原子核几个普朗克长度。激发的电子将有更远的距离下降，并将释放更多的能量。这些化学性质的细微差异使同位素能够进行分馏。分馏是通过富集或消耗物质中各种同位素来改变物质中各种同位素的丰度或比例的过程。
含有氘或重氢的水的沸点比普通水的沸点高，为101.4摄氏度（在1个大气压下），而普通水的沸点为100摄氏度（在1个大气压下）。氘非常稀有，仅占氢原子总数的0.0115%，因此要分离氘，需要反复蒸发大量水，并将每次剩余的最后一滴水保留下来，以增加水中氘的含量。重水的制造成本很高，因为它需要大量的普通水，并且需要反复蒸馏。这是一个分馏过程。
1939 年，氘被发现对生产钚-239（239Pu）至关重要，钚-239 是一种放射性同位素，用于制造原子武器。玛丽·居里的女儿，伊雷娜·约里奥-居里 和她的丈夫弗雷德里克·约里奥-居里在 1939 年发表在同行评审期刊《自然》上的一篇文章中描述了钚-239 的强大威力，以及如何使用氘作为慢化剂来减缓自由中子，从而从铀中制造钚-239。这篇文章引起了纳粹德国 的极大兴趣，并掀起了一场生产氘的运动。与水分子中的氧结合的氘被称为重水。1940 年，德国入侵了挪威，占领了位于挪威特勒马克 的维莫克水电站（位于茹坎瀑布），该电站曾经为莱夫·特隆斯塔德的实验室生产氘，但现在可以为德国人生产氘，用于生产钚-239（239Pu）同位素。
莱夫·特隆斯塔德需要警告世界，德国很快将拥有制造钚-239（239Pu）炸弹的能力。但挪威的战斗进展不顺利，北部城市特隆赫姆很快投降，莱夫·特隆斯塔德现在成为被纳粹德国占领的国家的抵抗战士。他向英国发送了一条密码信息，警告他们德国增加了氘的生产。但他无法确认信息是否已收到，因此他必须逃离挪威并向世界发出警告。莱夫·特隆斯塔德从他家人的小屋出发，滑雪穿过挪威边界进入瑞典，并找到前往英国的通道。到达英国后，他的警告引起了温斯顿·丘吉尔 的极度担忧，他后来写道：“重水——一个不祥的词语，怪异的，不自然的，开始出现在我们的秘密文件里。如果敌人比我们先得到原子弹怎么办！我们不能冒着在这一可怕领域被超越的致命风险。”
争夺原子弹
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莱夫·特隆斯塔德想领导任务返回挪威，但英国命令他训练挪威难民，而不是自己返回执行不可能的任务。1941 年，哈罗德·尤里 访问了英国，莱夫·特隆斯塔德敦促尤里说服富兰克林·D·罗斯福总统，盟军需要在德国之前研制出原子武器。被占领的挪威 Norsk Hydro 重水生产厂维莫克，给了纳粹德国一个先机。美国军方想从空中轰炸这座工厂，该工厂在七层混凝土墙的保护下，十分坚固。莱夫·特隆斯塔德恳求不要轰炸工厂，以防造成平民伤亡，因为该工厂还生产无水氨，这是一种极易爆炸的物质。1942 年 11 月，第一支特遣队被派往挪威，由两支突击队领导。当第二支突击队的飞机在恶劣天气中偏离航线并坠毁时，大多数突击队员在坠机中丧生，幸存者被德国士兵处决。第一支已经跳伞到冰冻地形上的突击队现在被孤立了，他们必须独自面对严酷的冬天，躲避德国部队在邻近山区的巡逻和饥饿。德国人现在也感到警觉，意识到袭击即将发生。1943 年 2 月，一支挪威特种部队在敌后空降，将被困在山区中的突击队转移到安全地带。在夜色的掩护下，突击队攀登了山谷中岩石峭壁，冲进工厂的生产车间。他们用塑胶炸药炸毁了车间，然后逃离了冰冻的山区。任务取得成功，但 1943 年夏季，工厂修复了。美国空军对这座城市进行了轰炸，摧毁了剩余的生产设施。剩余的重水将被运回德国，但装载重水的船只在 1944 年 2 月的一次破坏行动中被炸毁。到 1944 年 10 月，莱夫·特隆斯塔德返回挪威，作为抵抗战士参加战斗。悲痛的是，他在 1945 年 3 月的战斗中牺牲，距离盟军在 1945 年 8 月将第一批原子弹投放到日本广岛和长崎仅几个月时间。原子弹造成大约 200,000 人死亡，战争由此戏剧性地结束。
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广岛上空的原子弹爆炸，造成 66,000 多人死亡 -
长崎上空的原子弹爆炸，造成 80,000 多人死亡。
氢弹
[edit | edit source]了解同位素以及如何阅读核素图，您可以理解原子能的可怕本质。例如，氢还有另一种同位素，包含 1 个质子和 2 个中子，称为氚 (3H)，原子质量为 3。与稳定的氘不同，氚具有很强的放射性，将在几年内衰变，半衰期为 12.32 年。半衰期是指一半原子衰变所需的时间，因此 12.32 年后，将剩下 50% 的原子，24.64 年后，将剩下 25% 的原子，并且未来每 12.32 年，剩余氚的百分比将减少一半。作为一种强放射性同位素，氚是在氢原子弹（氢弹）中通过稳定的同位素 6-锂 (6Li) 与自由中子发生裂变的过程产生的，自由中子就像催化剂一样，在衰变过程中释放更多的能量。在自然界中，氚不存在，因为它衰变速度很快，但它是核武器爆炸产生的核尘埃中的一种放射性成分，这种更强大的氢弹或氢弹在战后 1952 年首次进行试验。
存在包含 1 个质子和 3 个中子的氢原子吗？答案是否定的，因为这种构型的原子似乎无法存在，包含 3、4、5 和 6 个中子的氢原子衰变速度非常快，几乎无法检测到它们。当氢原子被中子轰击时，释放的能量可以测量，但这些原子非常不稳定，无法存在任何时间。事实上，对于大多数质子和中子的组合，在自然界中不存在原子。质子和中子的数量似乎大致相等，尽管原子越大，中子的数量就越多。例如，钚包含 94 个质子，这是自然界中元素中质子数量最多的，但包含 145 到 150 个中子，以将这 94 个质子结合在一起，即使有这些中子，钚的所有同位素都是放射性的，放射性同位素 244Pu 的半衰期最长，为 8000 万年。鿫 (294Og) 是迄今为止合成的最大的同位素，包含 118 个质子和 176 个中子 (118+176 = 294)，但半衰期只有 0.69 微秒！
有 252 种元素的同位素不衰变，是稳定的同位素。曾经认为最大的稳定同位素是 209Bi，但最近发现它衰变非常非常缓慢，半衰期是宇宙年龄的一百万倍以上。已知最大的稳定同位素是 208Pb（铅），包含 82 个质子和 126 个中子。实际上，铅有三种稳定的同位素，206Pb、207Pb 和 208Pb，它们似乎都不会随着时间的推移而衰变。
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