【專欄】原子核的發現與其成分簡史

文/王至劭（台聯政策顧問、台灣教授協會會員）

二十幾年前有次我和太太在看電視，電視在報導石油再幾十年會用完，我和太太在討論這事，父親走過來聽到，說：「煩惱這些事幹什麼？將來就會有新的東西出來呀，我小時候搬來梧棲鎮草湳里下草湳海尾地區，西邊海邊海草很多，那時候都是去割海草曬乾作爲燃料，可煮飯等等。我們家是最早到海尾地區的(1940年)，後來人越來越多，海草被割得越來越少，你阿嬤就開始抱怨將來海草割完了怎麼辦？現在還有這些問題嗎？」其實父親講的也算對了一部分。現在最主要的燃料是來自石油、汽油、天然氣等等，接近百年前也開發出核能，將來可能會有更多的能源開發出來。不過，依我之見，石油等等燃料一定要好好愛惜，能節省就節省，留一些給後代子孫，能源不可能無限開發下去。前副總統呂秀蓮提倡：「少開車、少吃肉」，我贊成。

我們現在就來談談原子核以及更小粒子的發現，這些故事無比精彩，這也導致了原子彈、核反應爐等原子核力的釋放，標示著新時代的來臨。

人類歷史上公認的第一個核子反應爐是由恩里科·費米於1942年在芝加哥大學負責設計建造的芝加哥一號堆：該核子反應爐輸出功率僅為0.5W。1954年，蘇聯建成世界上第一座純民用的奧布寧斯克原子能發電站，裝機容量為5 MW(M是百萬)。1960年美國製造八座輸出達2MW的攜帶型核子反應爐Alco PM-2A，供應該國陸軍在格陵蘭的Camp Century計畫使用。1972年，法國工人們在非洲加彭的奧克洛（Oklo）地區發現輸出達100KW(K是千)的天然核子反應爐，從大約20億年以前就開始反應。

1909年拉塞福散射實驗，證實原子絕大多數質量都集中在核心。接著1920年代，拉塞福又透過一連串的實驗發現質子，質子這個名稱是拉塞福取的，也因此知道了氫原子的原子核就是一顆質子。

而氦原子有兩顆質子、兩顆電子，然而，氦的原子核質量卻是氫的原子核質量的4倍，而不是2倍，而碳有6顆質子、6顆電子，但碳-12 的原子核質量是質子的12倍，這讓科學家意識到，原子核裡面似乎不僅有質子那麼簡單，應該還有其它東西的存在。

科學家研究同位數時，發覺同位素的化學性質完全一樣，因為化學反應只關係到核外電子，原子中性不帶電時核外電子數相同就是同位素，那麼原子核質量爲何會有不同？這就更加深了科學家的想法，原子核裡面一定還有一些東西還沒有被發現。

這個問題困擾科學家好些年，一直到1932年英國科學家查兌克發現中子，那他怎麼發現的？最早有一批德國科學家發現，如果讓釙元素釋放出高能量阿爾發粒子打在比較輕的鈹原子上，就會產生一種新的輻射（當時稱為「鈹輻射」）查兌克設計一系列的實驗，他認為這種射線絕非伽馬射線，因爲伽馬射線沒有那麼大的動量，因此之前的問題就迎刃而解了，爲什麼原子核的質量比預期的還大，因爲裡面還有中子。

中子之不易被發現是因爲它不帶電，不像電子會在電磁場中產生偏轉，打擊在螢光幕上會產生亮點。1931年居禮夫人把這種鈹射線打擊在石蠟上，產生出很多質子，但居禮夫人只是把鈹射線視爲一種高能量的伽馬射線，沒有進一步探索，居禮夫人因而和這次的諾貝爾獎失之交臂，令人婉惜（假設這次獲獎，她會三度獲得諾貝爾獎，史無前例。）

居禮夫人做實驗一個月之後，查兌克很快重復她們的實驗，他發掘這種射線的速度只有光速的1/10，而伽馬射線是一種光，其速度是光速。這種射線的速度雖然只有光速的1/10，能量卻十分強大，查兌克通過雲霧室觀察到了它。1932年他發表「疑似發現中子」以及「發現中子」的論文，證實12年前他的老師拉塞福對於中子存在的推測。

拉塞福原本認爲中子應該就是質子加電子的結合體，但事實上並非如此，他的學生查兌克推翻老師原本的猜測，證實這是一種嶄新的粒子; 就猶如拉塞福推翻他的老師湯姆生於1904年提出來的原子模型理論（湯姆生於1897年發現電子，並因此獲得1906年諾貝爾物理學獎。）我阿嬤以前常說：「有狀元學生，沒有狀元老師。」果如此。

直至1964年，科學家又提出夸克理論，說明質子和中子並非基本粒子，而是由夸克所組成，至此原子核理論大致底定。電子的發現、原子核、質子、中子的發現，以及夸克理論的提出都是劃時代的貢獻，人類文明的標記。

希望有更多優秀的台灣子弟能進入基礎科研領域，以及精準飛彈、核潛艇、高級飛機、無人機艇等軍事工業領域，有效壯大台灣。而不只是拼了命的搞選舉，選上之後，只是研究清那一條水溝、修那一條馬路、蓋那個大樓…我們需要個人生命與國家實力的真正提升。

上一代如果有給我們一些基礎，要好好珍惜，如果沒有，更要加倍努力，「為生命開礦，讓智慧發光。」大家一起努力吧。