第2章 科技大探索(2)
在回答这个问题之前,我们先介绍一下科学家用氦气做实验的时候发现了什么。
上面已经说过,卢瑟福和索迪发现放射性物质放出的。射线,原来就是无数失去了电子的氦原子。它们由放射性物质中一粒一粒地射出来,所以又叫做α粒子。α粒子射出来的速度非常大,每秒可以达到上万千米!
卢瑟福用放射性物质放出来的高速度的α粒子去轰击各种物质。他发现原于像个小太阳系一样:中心有一个带正电的核,周围有电子绕核转圈子。
卢瑟福又想试试,把α粒子打到别的原子核里面去,会发生什么结果。他选用了镭C’(镭C’是钋的放射性同位素,它是镭蜕变而C产生的)放出来的α粒子。这种α粒子速度特别大——19200千米/秒。
实验的结果是:高速的α粒子打到氮的原子核里去了,同时放出来一个新粒子——质子。质子也就是氢原子核。卢瑟福在1919年,第一回用人工实现了原子核反应,同时发现了质子。
卢瑟福接下去就用α粒子对各种元素进行轰击,看看哪些元素能起反应。在试验铝的时候发现,铝被轰击以后变成了硅,同时,放出来极大量的能,比燃烧同量的煤放出的能要大700000倍!
核反应能放出大量的能。太阳上是不是也在进行核反应呢?
太阳温度特别高,表面有6000摄氏度,核心能到2000万摄氏度,密度也特别大。在这样高的温度下,各种原子外层的电子都脱离了原子核,原子核以极大的速度碰来碰去,当然会发生核反应。
1938年,美国的贝特和德国的魏札克证明了太阳上烧的是氢。这不是氢和氧燃烧的化学反应,而是在高温和高速运动的条件下,氢原子核碰在一起的核反应——4个氢原子核生成1个氦原子核。这就是热核反应。
在热核反应中,1克氢全部变成氦,能放出多少热呢?据计算,这些热能使400吨冰完全变成水蒸气!而1克氢气在跟氧气化合的时候,放出来的热只能使47克冰变成水蒸气。这就是说,氢在热核反应中放出的核能,比在化学反应中放出的化学能,要多出8500000倍。
太阳的能源是在氢原子核聚变成氦原子核的过程中放出来的热核能。在这样的热核反应中,消耗的是氢核,产生的是氦核。太阳元素——氦,原来就是氢进行核燃烧后的“灰烬”。
据计算,太阳上氢合成氦的热核反应,已经进行了差不多50亿年了,以后还可以继续50亿年。
问题解决了,地球的年龄不比太阳大了。同时人们也弄清了太阳元素——氦的来源:在太阳上,氦是氢的热核反应生成的;在地球上,氦是放射性元素蜕变生成的。
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战场上的氦
在天空中飞翔,是人类自古以来的希望。发现了氢气以后,乘坐氢气球在天空中飞来飞去,成了时髦的事情。氢气球越做越大,后来发展成为巨大的飞艇。
第一艘飞艇是德国工程师齐柏林在1900年设计的,艇身长128米,里面装有9910立方米的氢气。人们把这种飞艇叫齐柏林飞艇。
1914年8月,在欧洲爆发了第一次世界大战。德国先后制造了123艘齐柏林飞艇用于战争。为了防御飞艇,英法联军用高射炮发射燃烧弹来对付它。因为氢气遇火就会燃烧爆炸,飞艇只要被燃烧弹击中,立刻就会在天空中炸毁。
但是,1914年秋天,在法国北部的战场上发生了奇怪的事:一艘德国飞艇被英军的炮弹打穿了;它竟然没有着火爆炸,而是掉转头飞回去了。
这真是个谜!英国军部研究了好久,也弄不清楚这艘飞艇为什么没有着火爆炸。
最后,英国军部接到了化学家特莱福的来信。他写道:“德国人发明了一种取得大量氦气的方法。这次用来充齐柏林飞艇的不是氢气,而是氦气。氦气也是很轻的气体,仅比氢气重一倍,因此充氦气的飞艇的升力跟充氢气的飞艇相差不多。但是在其他方面,氦气比氢气的优点大得多。要知道,氢气很喜欢跟氧气化合,因此它很容易燃烧。氦气不与任何东西化合,也不与氧气化合,它是惰性气体。如果德国的飞艇真是充氦气的话,那么燃烧弹没把它烧毁是不足为奇的。”
特莱福的理由很使人信服,但是从什么地方得到这样多的氦气呢?一艘飞艇需要用几千立方米的氦气;要得到这么多的氦气,就需要处理几万吨的放射性矿物,而德国是没有这些矿物的。由空气中提取吗?这就需要几百台制冷机不停地工作一整年,而在战争时期,这是不大可能办到的。
英国军部对这个问题十分感兴趣,召集了各门科学家开会,提出找寻大量氦气资源的任务。他们研究讨论了很久,终于回想起1907年美国化学家开迪和马克发兰的一篇研究报告。
开迪和马克发兰在分析天然气的时候曾经发现,在堪萨斯州一个地方的天然气中,含有1.5%的氦气。但是当时没有人想到氦的实际应用,没有重视这个发现。现在,为了制造不会着火爆炸的大飞艇,人们又开始大规模地找氦气,在天然气中找氦气。最后,人们在加拿大的石油气中找到了氦气,于是立即建立起提取氦气的工厂。等到几千立方米的氦气提取出来了,第一次世界大战已经结束了。
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飞艇的过去和未来
战争停止了,不用担心飞艇在天空中飞行的时候会被燃烧弹打中了。这时候虽然发现了氦气资源,但是氦气终究不如氢气便宜。人们继续制造充氢气的大飞艇。1928年,工程师埃克纳制造了240米长的大飞艇“齐柏林号”,飞艇上有卧室、餐厅,可以乘坐几十名旅客,每小时能飞行100多千米。这艘飞艇横跨大西洋往来飞行,没有发生事故。
但是,埃克纳的另一艘大飞艇“兴登堡号”的命运就十分糟了。1937年5月6日,这艘飞艇飞过美国纽约城上空,居民们纷纷挥手向它致意。但是快要飞到目的地的时候,它突然着火爆炸了,飞艇上乘客的遭遇也就可想而知了。
此后,谁也不肯冒着生命危险去乘坐氢气飞艇了,还是氦气飞艇安全。
人们在制造氢气飞艇的同时,也在制造氦气飞艇。当然,它们是不会着火爆炸的。但是,不幸的是,世界上最大的氦气飞艇却先后遇到风暴而失事了。而由于飞机制造业的发展,飞艇渐渐地在天空中绝迹了。
在今天,天空中要是突然飞来一艘大飞艇,一定会引起大家的惊奇。但是不要以为飞艇已经完全退出了历史舞台。
现在已经是超音速飞行的时代,谁还要用那又大又笨又慢的飞艇?可是不能只看速度快慢这一个方面。飞机虽快,但运载量小,耗费燃料多;飞艇虽慢,但运载量大,耗费燃料少。有人计算过,用飞艇运输货物要比飞机便宜六七成。
飞机要在飞机场上起飞降落。飞艇就不需要长长的跑道,它能够垂直起飞,垂直降落,必要的时候还可以长时间停在半空中不动。给地质勘探队、登山队运送勘探设备、科学仪器和生活资料,飞艇是非常理想的运输工具。在去南北极探险的时候,一个专门设计的大飞艇降落在冰面上,就可以成为探险队的理想的大本营。
一个大飞艇可以吊运几十吨以至几百吨的东西,这在工业建设上也可以起到特殊的作用。石油钻井的塔架,飞艇可以平稳地提起来,运到新的钻井地点。要穿过高山峡谷架设高压输电线,飞艇既可以在山头上吊装架线的铁塔,又可以飞越峡谷铺设高压电线,飞艇是空中的起重工。
正是由于有这许多优越的性能,许多国家都在设计充氦气的新型飞艇。法国设计的“大力神号”飞艇,直径有235米,体积有150万立方米,能装载900吨货物。预料在不久的将来,飞艇又将重返天空。
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液态氦
在20世纪初的几十年里,世界各国都在寻找氦气资源,在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天,氦不仅用在飞行上,尖端科学研究,现代化工业技术,都离不开氦,而且用的常常是液态的氦,而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。
前面已经讲过拉姆赛在空气中找氦气的故事。在液态空气的温度下,氦和氖仍然是气体;在液态氢的温度下,氖变成了固体,可是氦仍然是气体。
要冷到什么程度,氦才会变成液体呢?
前面已说过,英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢,就在同一年,荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253摄氏度,在这样低的温度下,其他各种气体不仅变成液体,而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。
1908年7月,卡美林·奥涅斯成功了,氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。
要得到液态氢,必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度,然后让它膨胀,使温度进一步下降,氢气就变成了液体。
液态氮是透明的容易流动的液体,就像打开了瓶塞的汽水一样,不断飞溅着小气泡。
液态氦是一种与众不同的液体,它在零下269摄氏度就沸腾了。在这样低的温度下,氢也变成了固体,千万不要使液态氦和空气接触,因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。
多少年来,全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年,在英国卢瑟福那里学习的苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机,每小时可以制造4升液态氦。以后,液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。
在今天,液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号,就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下,否则就不能收到图像。
钟表的自述
叶永烈
今天,小燕格外高兴。这不光因为今天是她生日,最使她高兴的,是她的爸爸送给她一件珍贵的生日礼物——一支特别的圆珠笔。
当小虎的脚刚跨进小燕家,小燕就举起手中银亮的圆珠笔:“小虎,你快来看!”
小虎细细地看着,发现了这支圆珠笔的特别之处,说道:“唷,这支圆珠笔上还带电子表呢!”
小燕拿过圆珠笔,告诉小虎:“现在是表示几点几分几秒。你看,我一揿电钮,表上显示的是几年几月几日了。这圆珠笔多棒!”
小虎把电子表放到耳边听了听,说:“真奇怪,电子表怎么没有嘀嗒嘀嗒的响声?”
小燕为难了,说:“这个问题,我也不知道。”
小虎说:“找小灵通吧!”
说来就来,要到就到。小灵通来了。没等小燕、小虎开口,小灵通就说:“这事儿好办,我朝电子表吹口气儿,让电子表自个儿说给你们听,好不好?”
“好,好!”这还用说吗?
小灵通拿过圆珠笔,朝电子表吹了一口气。
忽然,电子表细声细语开了腔:“小朋友,你们找我有什么事儿?”
小虎马上说道:“我家的钟、我家的表,走起来都嘀嗒嘀嗒响,你怎么走起来没声音?”
电子表听了,不以为然地说:“这也算是一个问题?”
唷,别看它细声细语的,说起话来倒挺傲的。
“这怎么不是一个问题呢?”小虎说道。
“其实,最早的钟表是没有嘀嗒嘀嗒声的。”电子表说道,“所以,我走起来没有声音,本来一点也不足为怪。既然你们认为这是一个问题,好吧,我就给你们说一说我的身世……”
小灵通赶紧打开了录音机,把电子表的话录了下来。下面是小灵通根据录音整理出来的电子表自述:
这事儿说来话长。
在很早很早以前,我爷爷的爷爷是没有嘀嗒嘀嗒声的。
那时候,人们发现,树的影子在早上挺长挺长,到了中午就短了,到了傍晚又伸长了。
他们发明了“日晷”——在一块圆形的石头中央,插一根很细的铁棒。在石头上刻上刻度,利用铁棒影子的移动测量时间。日晷跟我一样。是没有声音的。
日晷就是我爷爷的爷爷。
不过,遇上阴天、下雨,铁棒没有影子,那就闹不清几点钟了;到了夜里,也不知道时辰。
现在,北京故宫太和殿前还有几个日晷。你们可以去拜访拜访我爷爷的爷爷。
后来,人们发现,下雨天,屋檐水吧嗒吧嗒地滴下,那滴水声是很均匀的。
于是,我爷爷的爸爸——“铜壶滴漏”出世了:铜壶里的水吧嗒吧嗒滴到盛水的圆筒里。筒里有一只小船,船上站着个铜人,铜人手捧“漏箭”。这“漏箭”相当于指针。水不断滴进圆筒,水面上升,船向上浮,铜人手中的“漏箭”也向上移。圆筒上刻着时辰刻度。从“漏箭”所指的刻度,可以知道是什么时辰了。
虽说铜壶滴漏是有声音的,不过,它发出的吧嗒吧嗒声,跟嘀嗒嘀嗒声不一样。
铜壶滴漏个儿挺大。你们到故宫交泰殿去看看,它差不多要占掉半间屋子。再说,要专门派人侍候它,给它挑水。当圆筒里的水满了以后,要把水倒掉……
多年前,意大利物理学家伽利略在教堂做礼拜的时候,风吹300着教堂里的吊灯,他发觉吊灯摆动一次的时间是相同的。
这样,我的爷爷——摆钟出世了。
我的爷爷用钟摆计时。钟摆来来回回,发出嘀嗒嘀嗒的声音。你们到故宫钟表陈列馆去看看,那里有各式各样的摆钟。
带摆的钟必须笔直站着,才能嘀嗒嘀嗒地走。这样的钟,没办法随身携带。
后来,我的爸爸——机械表诞生了。
在机械表里,摆变成一个圆盘。它来回转动,不论站着、躺着,都能嘀嗒地走动。
这样,人们制成了各式各样的手表,上紧发条以后,就能不停地发出嘀嗒声。
我是钟表家族中的“小字辈”,年岁最小,在我的肚子里,没有摆,没有发条,没有齿轮,所以不会发出嘀嗒声。
我用电池代替发条,用石英晶体代替摆,用电子线路代替各种各样的齿轮,用数字代替时针、分针、秒针。
我走时精确,使用方便。装上一块新电池以后,可以走一两年。我的话,一句也不假。不信,你用上一两年试试看……
细声细语听不见了,电子表不再说话了。
这时,小燕说:“我喜欢电子表。电子表比它的爷爷的爷爷、爷爷的爸爸,比它的爷爷,比它的爸爸,都强!”
小灵通:“这叫‘一代胜过一代’。”
小虎说:“过几天,我的生日到了,我也叫爸爸给我买一支带电子表的圆珠笔做生日礼物!”