揭开原子核内部的奥秘

第一节　揭开原子核内部的奥秘

核物理的发展

由于原子核是原子的核心，它的性质决定着电子的结构和行为，所以研究核物理对进一步认识原子至关重要，而且核物理的深入研究直接导致核能开发和基本粒子研究，因而在20世纪科学革命中占有重要地位。在这一过程中，在科学家们的努力探索下，随着质子、中子被捕捉的精彩一刻的产生，原子核的内部奥秘终于被揭开。

1.原子核的发现

卢瑟福模型提出后，科学家们通过对放射性的研究终于打开了原子核的大门。1919年，卢瑟福用α粒子作“炮弹”去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电量是＋1e，质量是1amu（原子质量单位），从而发现了他自己所假设的质子。1920年，卢瑟福又极富远见地提出了中子的假说，为日后中子的发现奠定了基础。

2.中子的发现

1930年，德国科学家玻特和其学生贝克用镭的a射线轰击铍原子核产生出一种神秘的穿透力很强的射线。1931年，约里奥·居里夫妇用钋的α射线研究了这种射线，测出其能量巨大而且是一种不带电的粒子，于是约里奥·居里错误地判断它是中性γ射线。后来，查德威克从老师卢瑟福那里接受了存在中性粒子的想法，认为这种中性粒子为中子。他用威尔逊云室进一步观察研究，查明这种具有强穿透力、不会被磁场偏折的新射线并非γ射线，其质量为1amu，电量为0，从而于1932年2月宣告了中子的发现。

中子的发现，给人们探索原子世界创造了更好的条件。查德威克因这个重大发现，于1935年获得了诺贝尔物理奖。当他获得诺贝尔奖时，约里奥·居里为错过良机而抱憾终生。中子的发现不仅使人们对原子内部结构的认识又深化了一大步，而且为人类实现核衰变，利用原子能提供了可能，被誉为原子科学中继放射性之后的第二个重大发现。它标志着原子核的研究开始进入了一个新的时代。

3.原子核的组成

随着质子、中子的相继发现，对原子核结构的认识已是水到渠成。1932年，科学家总结了前人的研究工作，提出了原子核结构的理论：原子核是由质子和中子组成的。

元素原子核里质子的数目等于核所带的正电荷数，也等于元素在门捷列夫周期表里的原子序数，又等于核外电子数，中子数目等于原子质量数与原子序数之差。从此，一门研究原子核结构及其运动的原子核物理学诞生了。之后，人们进一步了解到基本粒子的结构，从而又诞生了一门基本粒子物理学。

二、原子核的基本性质

1.原子核的电荷

电荷是原子核的重要特征之一。1910年密立根用油滴平衡法实验测出了电子电量，认为自然界不存在比电子更小的电荷，只能是电子电量的整数倍，电荷是量子化的。原子核带的正电荷量恰为e的整数倍，习惯上用符号Ze表示，e代表基本电荷（e＝1.602×10^－19C），Z称为核电荷数，即原子核含有的质子数。

因为整个原子是中性的，所以z亦为核外电子数目，也就是该原子的原子序数。

核电荷数相同的原子具有相同的化学性质，通常就把核电荷数相同的一类原子称为一种元素。

2.原子核的质量

质量是原子核的另一重要特性。原子核的稳定性以及核转变时能释放出多少能量都与原子核的质量和它的变化有密切的关系。

原子或原子核的质量是非常小的，为方便起见，规定以一个碳－12原子质量的1/12作为原子质量单位（碳单位），记为u（u是unit的缩写）。

1u＝

　　＝1.660566×10^－27（kg）

如果忽略原子中电子的束缚能，原子核的质量就等于原子质量减去核外电子的质量。电子的质量很小，为5.4858×10^－4u。所以在进行与原子核质量有关的计算时，通常应用的都是中性原子的质量而不是核的质量。另外，用u作单位表示的原子质量都接近于一个整数，我们把这些整数称为原子核的质量数，并用字母A表示。由于质子和中子的质量都非常接近于1u，因此质量数也就等于核中质子和中子的总数。

具有确定的Z和A的一种原子核常称为一种“核素”；Z相同A不同的核素称为同位素，它们属于同一种元素，在周期表中的位置相同，例如氢有三种同位素；A相同Z不同的核素则称为同量异位素，如和。

3.原子核的半径

原子核很小，目前还无法直接观察。目前所有表示原子核大小的数据都是通过实验间接测得的。原子核大小可用多种方法来测定，如α粒子的核散射、电子的核散射等。各种实验结果表明，原子核在一般情况下是接近球形的，故通常用核半径来描述原子核的大小。各种实验结果表明，原子核的半径只约为10^－15～10^－14m，并与质量数A有以下近似关系。

R≈r₀A^1/3

式中，r₀为常数，用不同的方法测出的数值略有差别，一般是在（1.1～1.5）×10^－15m之间，通常采用r₀＝1.2×10^－15m，由此可以计算出原子核的密度约为10¹⁴g/cm³，远大于自然界物质的密度（约1g/cm³）。

4，原子核的结合能

根据相对论的质能关系式E＝mc²可知，当质子和中子结合成为原子核时，有质量亏损，必然放出相应的能量△E＝△mc²，这个能量叫做原子核的结合能。显然，如果要把原子核分裂成核子，必须给以同样的能量。

核子组成不同的原子核时，放出的结合能的大小是不同的。原子核的总结合能除以核子数就得到核子的平均结合能，即比结合能，其意义是：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能。平均结合能的大小表征着原子核稳定的程度。显然，比结合能大的原子结合得紧，比较稳定，反之则结合得松，不很稳定。对于轻核，如、、等核的比结合能为极大等核的比结合能为极小；对中等质量的原子核（A＝40～120）比结合能近似等于常数，约为8.5MeV；对于重核，如铀－238的比结合能约为7.5MeV，比中量核的略低。因为除少数轻核外，所有的原子核的比结合能都近似等于常数，所以结合能可粗略地认为和核的质量数A成正比。

由于中等质量的原子核的核子平均结合能比重核的大，这说明核子结合为重核和很轻的核时放出能量较少，结合成中量核时放出能量较多。从能量的角度来看，这些核子结合成两个中等质量的原子核时放出的能量要大于这些核子结合成重核时放出的能量，显然，这个能量差就是重核分裂成两个中等原子核时要释放出来的能量。对于聚变成为稍重核的聚变来说，由于聚合过程中的质量亏损，也能放出大量的原子核能。