原子核的人工转变

原子核的人工转变

一、原子核的人工转变

天然放射性元素的衰变事实告诉我们，原子核的结构是复杂的，而且内部结构可以变化。为了进一步研究原子核的结构及其变化规律，单靠天然放射性元素的衰变是不够的，因为天然存在的放射性元素的数量有限，所以有必要用人工的方法使原子核发生转变。为此，物理学家们利用天然放射性元素所放出的高速粒子去轰击其他元素的原子核，使它们发生剧烈的相互作用，从而去探索原子核的结构。

二、质子的发现

1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核的实验，是第一次实现原子核的人工转变，并发现了质子。他所用的实验装置，A是放射性物质，F是银箔，选择银箔的厚度使从A射出的α粒子恰好能被完全吸收，而不能穿过。S是荧光屏，M为显微镜，可以观察荧光屏上是否出现闪光。当容器通过阀门T通入纯净的氧气或二氧化碳时，荧光屏S上没有闪光，说明这时α粒子已全部被银箔F吸收。当容器内通入纯净的氮气时，荧光屏S上出现闪光。卢瑟福认为，这闪光一定是α粒子击中氮核后，产生的能量较大的新粒子透过银箔引起的。

后来，测出这种粒子的质量和电量，才知道它就是氢原子核，又叫做质子，符号为。

这种用人工的方法使原子核发生转变的过程叫做原子核的人工转变。以上实验中的人工转变，可用下面核反应方程表示：

从上面核反应方程可以看出，原子核的人工转变过程中的电荷数和质量数也是守恒的。

在许多α粒子的径迹中有一条径迹发生了分叉，分叉后细而长的是质子的径迹，粗而短的是一新生的氧核的径迹，分叉处就是氮核俘获α粒子发生人工转变的地方。α粒子轰击氮核的命中率极小，因此要拍摄成千上万张照片才能得到一张可靠的照片。英国物理学家希拉凯特拍摄了2万多张照片，在40多万条α粒子径迹中，才发现有8条产生分叉。

后来科学家们发现，除了氧和碳以外，原子序数在21以下的较轻元素的原子核，在α粒子轰击下都能发生类似的转变，都放出质子。由于多种原子核里都能打出质子来，这就表明质子是原子核的组成部分。

三、中子的发现

在原子核中，除了质子以外，还有什么呢？卢瑟福曾预想到原子核内可能还存在着质量跟质子相等的不带电的中性粒子，他把这种粒子叫做中子（neutron）。

1930年，科学家们发现放射性元素钋（Po）发出的α粒子轰击铍（Be）时，会产生一种看不见的射线，这种射线的贯穿本领极大，在电场和磁场中都不会偏转，当时认为这种不带电粒子可能是能量很高的γ射线。

1932年，约里奥·居里夫妇发现用这种射线轰击石蜡时，会从石蜡中打出高速的质子。经过测量和计算，发现石蜡放出的质子的能量是巨大的，能使质子获得这样巨大能量的γ光子，本身必须具有55兆电子伏（MeV）的能量，而实际测定α粒子打击铍后产生的粒子的能量仅为7兆电子伏（MeV）。由此可见，这种不带电的粒子不可能是γ光子。卢瑟福的学生查得威克（1891－1974年）经过实验和研究，证实了这种不带电的粒子，质量差不多与质子相等。卢瑟福预想的中子终于被证实了。

中子的质量数是1，电荷数是零，用符号表示。α粒子轰击铍产生中子的核反应方程是：

后来的研究证明，很多种原子核在高速粒子轰击下都能放出中子来，可见中子也是原子核的组成部分。