第十二章C 原子核的组成

天然放射性现象的发现，使人们认识到原子核内部有复杂的结构，而且原子核可以发生变化。原子核自发射出某种粒子而变为另一种原子核的过程，叫做原子核的衰变。科学家们可以从原子核的转变过程中来探究原子核的性质、原子核内的微观结构和微观相互作用。同时，他们认为，单靠观察天然放射性元素的衰变是不够的，有必要用人工的方法把原子核“轰开”，从而更有效地探索原子核的特性及其内部结构。图12-22中的回旋加速器就是一种将带电粒子加速的装置，加速后的带电粒子可以作为“炮弹”来“轰开”其他原子核。

那么，科学家把原子核“轰开”后看到了什么呢？原子核究竟是由什么组成的呢？

打开原子核的“大门”看到了什么？

1919年，卢瑟福在用α粒子轰击氮核的实验中发现了带正电荷的新粒子。后来，用同样的方法使氟、钠、铝等原子核发生了类似的转变，并且都产生了这种粒子。既然从许多种元素的原子核里都能“轰”出这种粒子来，可见，它就是原子核的组成部分了。经过测定，这种带正电粒子的电荷量大小与电子的相等，质量是1个原子质量单位（1个原子质量单位等于1个中性碳12原子质量的\(\frac{1}{12}\)，即1.67×10^-27kg）。人扪把它叫做质子。

卢瑟福首先实现了用人工方法把原子核“轰开”，并使原子核发生转变，这个过程叫做原子核的人工转变。

1．质子（proton）的发现

卢瑟福用α粒子轰击氮核，第一次通过人工转变证实了原子核中有质子。

20世纪20年代，大多数人公认质子是原子核的组成部分。但不久就有人提出了疑问：如果原子核只由质子组成，那么，它的电荷数（以元电荷为单位）应当与质量数（以原子质量单位为单位）在数值上相等，而实际上原子核的电荷数在数值上往往只有质量数的一半或还少一些。1920年，卢瑟福在英国皇家学会的一次演讲中预言：原子内核可能还存在质量与质子相等、不带电的中性粒子，他把它称为中子。

原子核里确实有中子吗？

1930年，有几位物理学家发现，用α粒子轰击铍（Be）时会产生一种贯穿能力极强的射线，它能穿透几厘米厚的铅。当时，人们所知道的能穿透铅层的只有γ射线，所以，他们误认为这种射线就是γ射线。

后来，英国物理学家查德威克（J．Chadwick，1891-1974，卢瑟福的学生）仔细地研究了这种射线，发现这种射线是由不带电的中性粒子组成的高速粒子流。查德威克还进一步推算出这种射线粒子的质量与质子质量差不多，查德威克证实了他老师的预言，宣布发现了一种新粒子——中子。

后来，经大量实验证明，许多原子核在高速粒子“轰击”下都能放出中子，可见中子也是原子核的组成部分。

中子的发现是物理学史上的一件大事，科学家们用中子作为“炮弹”轰击原子核，更有利于揭示物质的微观结构。中子的发现对近代物理的发展起了很大的推进作用。

查德威克发现了中子并因此荣获了1935年度诺贝尔物理学奖。

2．中子（neutron）的发现

查德威克通过实验和分析，发现了不带电的中子。

大家谈

实验表明，α粒子只能轰裂某些元素的原子核，而中子几乎能使一切元素的原子核发生分裂，这是为什么？

原子核是由什么构成的？

天然放射性现象的发现，揭示了原子核是可变的，而且是可分的，这促使人们进—步去探索原子核的组成。

质子和中子发现以后，德国物理学家海森伯和前苏联物理学家伊万年科提出了原子核组成的假说：原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。原子核中质子的数目（用Z表示）与中子的数目（用N表示）之和，等于它的核子的数目（用A表示）。这个假说与大量的实验事实相符合，因而得到了普遍的承认。

由于质子带一个单位正电荷，中子不带电，所以原子核的质子数就是核的电荷数，在数值上等于这种元素的原子序数。质子和中子的质量几乎相等，因而原子核的质量数可看作是它的核子数。例如，如图12-23所示，一个钠原子核的质量数等于原子核的核子数23，钠原子的原子序数为11，表示它有11个质子，那么它的中子数就是核子数减质子数，即

N＝A－Z＝12。

原子核常用符号^A_ZX来表示，X表示元素符号，Z是质子数，A是质量数。如¹²₆C表示质子数为6、质量数为12的碳核，有时也可用¹²C来表示，或写成碳12。图12-24所示为碳12原子核的构成。

3．原子核（nucleus）的组成

（1）原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。

（2）核子数A等于质子数Z与中子数N之和，即

A＝Z＋N

（3）原子核常用符号^A_ZX表示，X是元素符号，Z为原子核的质子数，A为原子核的质量数。

同位素的原子质子数相同，它们的核外电子数也相同，因而有相同的化学性质，在周期表中占有同一位置，但它们核内的中子数可以不同。例如，如图12-25所示，碳12与碳14互为同位素，其中碳14为放射性同位素。

现在，除了天然的放射性同位素，人们已经能用人工方法制造几千种放射性同位素，这些同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究等许多方面已得到了广泛的应用。

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天然放射性元素的放射线的由来

具有天然放射性的钋（Po）核在进行α衰变时，放射出的α射线就是由2个质子和2个中子组成的氦原子核。那么β衰变又是怎么回事呢？原子核里是没有电子的，但当核内的一个中子转化成质子和电子时，电子就从核里放射出来，形成β射线。至于γ辐射则是因为原子核放射出α粒子或β粒子时、处在一种“激发状态”，因而释放出频率很高的电磁波，称为γ射线。

拓展联想

核力

核内带正电荷的质子之间具有静电斥力，但原子核是一个稳定的系统，这表明核子间一定存在其他作用力，才能克服质子间的静电斥力。这种能克服质子间的静电斥力而使原子核结合得异常紧密的作用力就叫做核力。

核力的作用范围极小，当核子间距离在0.8×10^-15～2.0×10^-15m时，核力作用强度约为电磁相互作用的100倍；在更短的距离内表观为强排斥力，它阻止核子进一步接近，从而使核有一定体积而不致于坍缩。超过4×10^-15～5×10^-15m时，核力作用就会迅速减小，以至远小于电磁相互作用，常常可以忽略。因此在原子核里，一个核子往往只与它周围的几个核子发生明显的核力相互作用。

历史回眸

卢瑟福——核物理学创始人

英国物理学家卢瑟福生于新西兰南岛纳尔逊南郊，18岁获新西兰大学坎特伯雷学院奖学金，在该校获学士、硕士学位。1895年，他获得剑桥大学第一批研究生奖学金，同年入卡文迪什实验室，成为汤姆孙的研究生。1919年应邀接替退休的导师，担任卡文迪什实验室的主任。勤奋、勇于探索使他成为伟大的物理学家、核物理学的创始人。

1896年，贝可勒尔发现了铀会发射一种穿透力很强、能使空气电离的辐射，这引起了卢瑟福的注意。经过一系列实验，他发现铀放射性辐射有两种：α射线和β射线。另外，卢瑟福在对天然放射性现象的研究中，提出了原子自然衰变的理论，突破了从道尔顿时代以来所牢固建立的原子不变的概念，深化了人们对物质世界的认识。他因研究放射性所取得的成果，荣获了1908年诺贝尔化学奖。

1909～1911年，他和他的合作者们做了用α粒子轰击金箔的实验，发现了原子的核式结构，提出了原子的核式结构模型，一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，他也因此被誉为“原子物理学之父”。

1919年卢瑟福用α粒子轰击氮核，这是世界上第一次用人工方法使原子核发生转变。1920年又预言了中子和氘核的存在。

在第二次世界大战期间，他担任学术资助委员会主席，帮助过上千名逃离德国的避难者。他热心培养青年，经他指导的学生有许多人成为杰出的物理学家，有一些人还获得诺贝尔奖。

拓展联想

基本粒子和夸克

电子、质子和中子相继被发现以后，有许多人认为它们就是组成物质的最小单元，因而曾把它们叫做基本粒子。

随着科学的发展，从20世纪30年代开始，人们发现了很多新的粒子，包括正电子、μ子，K介子，π介子等。后来又发现了比质子质量大的超子。现在已经发现的基本粒子超过了400种。

按照粒子理论，可以把粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子。实验表明，强子是有内部结构的。根据夸克模型，强子是由更基本的粒子——夸克组成的。自然界中有6种夸克：上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t）。

目前认为，夸克、媒介子和轻子这三类粒子是尚未发现具有内部结构的粒子，可以认为是今日的“基本粒子”。但是，随着人类对微观世界研究的不断深入，终将会有新的突破：“基本粒子”不基本！

发布时间：2016/9/9 上午7:17:47  阅读次数：2498