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2019-06-25 14:40

二战德国为什么没有造出原子弹?

出品公众号:“SELF格致论道讲坛”公众号(ID:SELFtalks),作者:储祥蔷,中国工程物理研究院研究生院教授。


“如果让中子慢下来,它的波长与微观世界的原子和分子的尺度相当,可以作为一把观察微观世界的尺子,对微观世界进行测量,看它到底发生了什么,以及物质是如何运动的。”


如果大家学过初中物理,就会知道中子是原子核的重要组成部分,中子就是今天演讲的主角,它跟我们的生活息息相关。


中子与核武器


大家知道二战最后是美国第一个研制出原子弹,后来投向日本的广岛,然后二战结束。其实,当时法国和德国也掌握了原子弹技术,而且德国的技术并不比美国弱,他们领导研究原子弹的科学家是大名鼎鼎的海森堡,量子力学的奠基人之一。


为什么德国掌握了技术,但是并没有像美国的曼哈顿计划那样成功研制出原子弹呢?那是因为在研制过程中,需要反应堆让中子足够慢化,才能够生产出核原料。让中子慢化的材料有两种,一种是重水,还有一种是碳。


德国选择了重水


美国选择了石墨


从理论上来说,重水的慢化效果更好。德国选择了重水,但是重水不容易获得,碳更容易获得,美国的第一个反应堆是由大科学家费米建造的,他用石墨作为慢化剂。


于是故事的结局出现了,德国的反应堆一直到二战结束都没有达到临界,也就是没有工作,但是美国的反应堆很快达到了临界,造出了原子弹。


下面的历史大家都知道了。我们应该感谢中子,让我们现在生活在和平年代。如果德国第一个研制出原子弹,这个世界真的难以想象。


原子弹



中子弹


核反应堆


战后我们九院(中国工程物理研究院)也研制出了原子弹和氢弹。


大家有没有听说过中子弹?它其实也是一种核弹,但是和原子弹、氢弹不一样的是,它能够释放出大量的中子,而不是各种放射性物质。


这样的好处是,它能够把对建筑和武器的破坏力减到非常小,但对生物的杀伤力非常强。


中子弹所到之处,方圆十里片草不留。中子弹更有利于实战,如果我们要缴获敌人的根据地和坦克,可以只把敌军杀死,但是把坦克和根据地完好保存。中国的第一颗中子弹也是我们九院研制成功的。


中子的作用难道只是制造核武器吗?二战后,大科学家费米开始考虑中子可不可以应用于科研,之后几十年,很多科学家致力于这方面的研究。



其中有两个科学家,一个叫Shull,一个叫Brockhouse,因为他们在中子散射方向做出了重大贡献,获得了1994年的诺贝尔物理学奖。


神奇的中子如何帮我们看透物质?


中子散射有很大的用处。这两张照片是分别用X射线和中子散射的方式给南北朝时期的同一个佛像拍摄的照片。


R-x radiography


Neutron radiography


可以看出,我们用中子可以看到X射线看不到的东西——中子散射可以拍到佛像中间有一根柱子,但是X射线是看不到的。


这是因为中子不带电,所以它对物质的穿透力非常强,而且它对生命体比如说木头里面含有的碳、氢、氧这些元素更敏感。利用中子的这个特性,我们可以研究南北朝时期佛像塑造的一些工艺。


还有一些其他的例子,比如我们可以利用中子的穿透性了解恐龙化石的三维结构。


X射线眼里的


中子眼里的


上面这张图片是100多年前伦琴发现X射线时为他妻子的手拍的照片,圆环是戒指。因为戒指是金属做的,所以X射线透不过。


但是中子不一样,中子可以非常轻易地穿透金属。比如含有水分的新鲜花朵,把它放在金属容器里,中子打过去,就能非常清楚地看到里面花的景象。但是用X射线就会被金属的容器挡住。


所以这是中子相对于X射线的一些优点。刚才我说中子弹能够只伤害生命体,而不损害建筑,其实也是利用了中子的这一特点。


神奇的中子如何帮我们看透物质



从科学的角度来说,X射线是跟物质里的电子发生作用,像金属元素,它周围的核外电子非常多,X射线跟它们发生反应的概率更大,所以它能够看到金属或人体的骨头。我们去医院照X光片,骨头就能够被看得很清楚。


中子不带电,可以直接和原子核相互作用,它反而可以和人体中富含的碳、氢、氧这些元素更好地发生反应。利用中子的这些特性,非常有利于我们研究生物相关的课题。

 

现在中子散射在各门学科都有应用,比如物理、化学、生物、材料方面。我今天讲的给蛋白质拍电影就是在生物方面的应用,中子对碳、氢、氧看得更清楚。


我们都知道生命体是由很多蛋白质组成的,很多生物学家认为这些蛋白质的结构和功能是相关的,所以生物学家需要给蛋白质拍照片。


但是因为蛋白质在不停地运动,而且运动的整个过程更能体现它的功能,所以给蛋白质拍电影是更重要的一个研究方向。



给蛋白质拍电影并没有那么容易。蛋白质真实运动的时间尺度其实是非常快的,大概是10-12~10-9秒这样的量级,一般的摄像机或显微镜是拍不到的。但是,我们利用中子散射可以看到蛋白质是怎样运动的。


微观世界的精密“尺子” 


用中子散射怎么看蛋白质的运动呢?如果让中子慢下来,它的波长与微观世界的原子和分子的尺度相当,可以作为一把观察微观世界的尺子对微观世界进行测量,看它到底发生了什么,以及物质是如何运动的。





这张图是我给学生讲中子散射时常用的。假如把中子看成老鼠,入射的中子打到奶酪——我们把它叫做样品,蛋白质等都可以作为样品,中子经过样品以后发生散射,散射之后还是中子,它的能量和动量可能发生了变化,携带了样品的一些微结构信息,然后就被狗探测器探测到。



上面这个动画是大概的原理。中子打在样品上面,经过样品里面的原子和分子的散射之后被探测器探测到。基本原理非常简单,但是利用这个原理我们可以做很多有趣的实验。


如何获得中子


获得中子并不是一件简单的事。因为中子在原子核里,要从原子核里面把它打出来并不是件容易的事,这就是为什么并不是每一个学校都配备有中子源的原因,实际上全世界的中子源都不多。


世界上主要的开放中子源


从这张图中,我们看到全世界中子源的主要分布在发达国家,因为它的造价非常高。我们看到中子源主要分布在美国,欧洲、日本、中国,澳大利亚也都有分布。中国一共有三台中子源。


中子源一共有两种,其中最重要的、用得最多的就是反应堆中子源。


反应堆中子源



中国的三台中子源里面有两台是反应堆中子源,世界上大部分的中子源也都是反应堆中子源。上图是反应堆中子源的照片,因为水是一种很好的中子吸收剂,所以一般的反应堆中子源都是放在类似游泳池的地方,北京就有一个反应堆中子源。


中国绵阳研究堆(CMRR)



另一个反应堆中子源在绵阳,叫中国绵阳研究堆。离我们最近的一个中子源就在北京,在房山的原子能院。所以,其实我们离反应堆很近,但是大家不要怕,因为反应堆是非常安全的。


美国散裂中子源SNS



另外一种中子源叫散裂中子源。因为中子不带电,所以我们把质子加速到非常高的能量,用它轰击靶核,瞬间产生大量的中子。



日本散裂中子源 J-PARC


英国散裂中子源 ISIS



散裂中子源的造价比较高,全世界正在运行的只有4台,美国散裂中子源是第一台。上图是日本的散裂中子源和英国的散裂中子源。


中国散裂中子源 CSNS



第四台是中国的散裂中子源,在广东东莞,2018年刚刚建成开始运行,现在已经开始接收用户。



散裂中子源是大国重器,占地很大,它的内部是这样的。下面的两张照片是加速器,还有一个重要的装置叫做谱仪(见上图)



上图中,头两张照片是我在美国工作时的照片,左上角是从反应堆引出来的中子束线,右边是谱仪。


左下角是在中国绵阳,我们九院自己的反应堆那边的一个小角散射谱仪。右下角是我在东莞的一个小角散射谱仪探测器前面拍的照片。


我们用这么大的仪器,观测的却是非常小的原子、分子尺度的物质,可以说是用大仪器看小科学。


用中子散射给蛋白质拍电影



我的主要工作是用中子散射给蛋白质拍电影。(上面)这些照片都是我带学生在国内和国外去各个中子源做实验时拍摄的。





怎样给蛋白质拍照片?给大家举几个例子,第一个例子跟生命起源有关。这艘船曾经在电影《泰坦尼克号》中出镜,就是电影中打捞海洋之星的那艘船。我的合作伙伴用它来打捞海底的一些古菌。




我们知道海底的条件非常严苛,比如有某种热泉,它周围的温度非常高,可以达到100℃以上,压强也比较大。但是在这样严酷的条件下,仍然有生命体存在,比如鱼、虾、螃蟹。


我们发现这种条件跟生命起源的严苛条件非常接近,如果研究这种生物是如何生存的,就有利于我们研究生命起源的条件是怎样的。



古菌vs鸡蛋



我的生物学家合作者从这种古菌里面提取出来一种蛋白质,发现这个蛋白质的确能够在高温和高压下存活。我们把它跟普通的鸡蛋白做了对比,鸡蛋在高温下会被煮熟,这根蓝色的线代表鸡蛋白的活性,过了50℃活性就会下降。


另外一根线代表古菌里面的蛋白质,一直到八九十摄氏度还保持非常高的活性。生物学家虽然发现了这个现象,但是要拿过来让物理学家从蛋白质动力学的角度来解释为什么会发生这样的现象。


中子背散射谱仪& 中子飞行时间谱仪



我们做了一系列的中子散射实验,如图所示,这是我当时在美国做实验用的两种不同的谱仪,非常庞大。


U.Shrestha, D. Bhowmik, J. R.D. Copley, M. Tyagi, J.B. Leao, and X.-Q. Chu, PNAS, 2015.



下面给大家看一下,我们拍的“电影”是这个样子的(如上图)。大家是不是很失望?其实,刚才给大家看的热闹的动画片都是科学家做出来逗你们开心的,真正的科学家做科研看到的是这样的谱线。


这些谱线为我们提供了很多有用的信息,能够帮助我们知道蛋白质在那样短的时间尺度里到底是怎样运动的。我们必须分析这样复杂的谱线,才会得到一些有用的信息。


鸡蛋Vs.古菌发现特殊的蛋白质动力学特性



比如,我们可以利用这些信息设计一些蛋白质,能够在极端的条件下存活,将来有利于探索生命在地球以外的极端的条件下是否能够存活。


抗冻蛋白 · 南极鱼的秘密



物理学家都喜欢探索极端条件,刚才看到的是极高温和高压的情况,那么低温的生命是怎样的情况呢?


南极有一种鱼可以在低于0℃的条件下存活,上图中,左边的老爷爷是我的一个合作者,他在60年代第一次发现这种鱼存在抗冻蛋白,可以防止鱼的血液结冰,这个鱼有100多斤,它的蛋白质大概长这个样子。


我对这种蛋白质非常感兴趣,就给他写信说能不能给我提供一些蛋白质,用于中子散射实验。他给我寄了好几克蛋白质过来。


做生物的人都知道,蛋白质其实是非常贵的,都是按毫克计的,他直接给我寄了那么多蛋白质,我非常感谢他。然后我就做了一系列中子散射实验,得到了一些有趣的结论。




大家应该都看过小说《三体》,里面有冬眠的情节,其实很多电影里面也有这样的场景。现在也有很多尝试冷冻人体,但是效果都不是特别好,其中最大的一个技术难点就是结冰,在冷冻和解冻的过程中,如果结冰了,整个人体就不会复苏。


所以想绕过结冰这个问题是非常难的,如果我们能够解决这个问题,利用抗冻蛋白还是非常令人兴奋的计划。


纳米尺度的金刚石


药物靶向投递治疗癌症


这是一种纳米材料,我们叫它纳米金刚石。纳米金刚石是直径大概5纳米的球。在现实中,它看起来就像尘土一样,但是它有一个特性,在医学上面可以用来对药物进行癌症的靶向治疗。


科学家们做靶向治疗肿瘤的小鼠实验,发现没有吃药的和吃了药的小鼠治疗效果都不好,吃了药的效果甚至更差。这可能是因为,药物不能达到肿瘤的位置,甚至不能进入它的细胞。


但是纳米金刚石有一个特征,它能够把药物吸附在它的表面,帮助药物穿过细胞膜,进入癌症细胞的内部,然后进行靶向治疗。实验结果显示,临床上看到肿瘤的确小了很多。


物理学家不做医学,我们关注的是:药物被纳米金刚石吸附在表面之后,药性会不会发生变化?我们用中子散射结合计算机模拟的方法,看这个药物在纳米金刚石表面会发生什么变化。


实验和计算机模拟的相辅相成



我们知道,如果仅仅是模拟,很多结果大家都不信的,因为计算机怎样都可以算出来,但是如果有实验来验证的话,我们就会觉得这个还是有可信度的。而且,用计算机模拟可以从微观角度来解释实验的结果,所以计算机和实验处于相辅相成的状态。


大家有没有听说过量子生物学?目前与量子相关的大部分都是伪课题。但是量子生物学这个学科真的存在。科学家们其实早就想利用量子物理的原理来研究生物学里面发生的一些现象,但是还处于萌芽阶段。




我们发现用中子研究量子生物学有非常大的优势,因为中子本身就是量子,而且中子可以研究物质的磁的性质。


生物学家发现,有些鸟具有磁导航能力,比如信鸽能够根据地磁寻找到方向。所以蛋白质对于磁场的感应,也许就是量子的一个效应。所以,希望我们未来可以用中子散射推进量子生物学的发展。


中子散射这个领域在国内刚刚发展起来,知道的人并不多,特别是用中子散射来研究生物,在国际上都是新兴的领域。希望大家知道我们,关注我们。


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载

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