第十五章 第二节 原子核的组成

 

 

 

天然放射现象表明原子核有内部结构，原子核的结构也可以发生变化。20 世纪上半叶，物理学家开始通过人工方法使原子核的结构发生变化，并借助这种方法探明了原子核的组成。我们知道原子核由质子和中子组成，它们是如何被发现的呢？

1914 年，卢瑟福的学生在实验中发现，有些 α 粒子穿越空气时的距离竟然长达 40 cm，远超过 α 粒子在空气中一般的穿越距离。这是什么原因呢？

卢瑟福对此进行了深入而细致的研究。1917 年至 1919 年间，卢瑟福再度利用 α 射线作为“探针”成功地“击破”了原子核，解决了这一问题。

图 15–7 为卢瑟福的实验装置示意图。容器 C 中放置着放射性物质 A，A 可以在底座支架上左右移动，并可以由底座上的标尺测出 A 离开银箔 F 的距离。从 A 中射出的 α 粒子可以射到 F 上。当 F 厚度适当时，α 粒子恰好可以被 F 完全吸收而不能透过 F。F 后放置一荧光屏 S，通过 S 后的显微镜 M 可以观察 S 上是否发生由粒子入射引起的闪光。C 上的两个阀门 T 可以分别向 C 内充入或抽出氮气。

卢瑟福经过研究发现，荧光屏 S 上的闪光是 α 粒子击中氮原子核后产生的新粒子透过银箔所致。将这种新粒子引进磁场和电场，可以确认是氢原子核，也就是质子，用符号 ¹₁H 或 p 表示。这是历史上第一次利用一定能量的粒子轰击原子核，实现原子核结构转变的过程。我们将这样的过程称为核反应（nuclear reaction）。核反应的过程也遵循质量数和电荷数守恒的规律。

对上述质子产生的机制曾有两种不同的猜测：一种是 α 粒子直接从氮原子核中打出了

 

质子，同时 α 粒子被氮原子核散射；另一种是 α 粒子打进氮原子核后形成的复合核衰变放出了质子。1925 年，英国物理学家布拉凯特（P. Blackett，1897—1974）又在充有氮气的云室中重做了这个实验。布拉凯特拍摄了 2 万多张云室照片，从 40 多万条 α 粒子的径迹中，发现有 8 条产生了两分叉的情况。如图 15–8 所示，分叉后细而长的是 ¹₁H 的径迹，短而粗的是 ¹⁷₈O 的径迹，由此证明后一种猜测是正确的。卢瑟福发现质子的核反应可以写成

\[{}_7^{14}{\rm{N}} + {}_2^4{\rm{He}} \to {}_8^{17}{\rm{O}} + {}_1^1{\rm{H}}\]

 

卢瑟福和他的助手又用类似的方法实现了硼、氟、钠、铝、磷等原子核的人工转变，并且都产生了质子，由此可以判定质子是原子核的组成部分。

 

人们用质谱仪测量发现，原子核的质量都是质子数的整数倍。结合质子的发现，有人认为原子核全是由质子组成的。但大量事实表明，多数原子核的电荷数都小于质量数。例如，氦原子核的质量数是 4，电荷数是 2。

卢瑟福猜想原子核内可能存在由一个电子和一个质子紧密结合的中性双子，这种中性

 

双子的质量近似等于一个质子的质量。卢瑟福认为，要解释原子核的组成，这种中性双子的存在几乎是必需的。他将这种还未被实验发现的粒子称为中子。

1930 年，德国物理学家用 α 粒子轰击铍原子核，获得一种穿透性极强的、不带电的射线，他们认为这是一种 γ 射线。不久，法国居里实验室的约里奥 - 居里夫妇（F. Juliot-Curie，1897—1956 和 I. Juliot-Curie，1900—1958）发现，如果用来自铍的这种射线轰击含氢的石蜡，竟然能将质子从石蜡中打出来。他们依然认为这种穿透性极强的射线是 γ 射线。

卢瑟福的学生查德威克（图 15–10）自 1921 年起就致力于寻找中子的研究工作。查德威克采用新的探测仪器再度做了上述实验，并仔细地复核实验的有关数据。他确信，如果实验中放出的是 γ 射线，则实验数据不符合动量守恒和能量守恒，除非假定这种射线是一种质量接近质子的中性粒子流。他进一步用云室和质谱仪进行研究，发现射线中粒子的质量为 1.674 920×10⁻²⁷ kg（质子的质量为 1.672 614×10⁻²⁷ kg），确实与质子的质量十分接近，中子终于“现形”了。然而中子并不是卢瑟福所想象的中性双子，我们用 n 表示中子。

发现中子的核反应方程是

\[{}_4^9{\rm{Be}} + {}_2^4{\rm{He}} \to {}_6^{12}{\rm{C}} + {}_0^1{\rm{n}}\]

实验证实，从许多原子核中都能打出中子，可见中子也是原子核的组成部分。

中子的发现为原子核模型理论提供重要的证据，引发了人工放射性、慢中子和核裂变的研究，为人类打开了利用核能的大门。

中子被发现后，原子核由质子和中子组成（图 15–11）的观点得到了公认。我们将质子和中子统称为核子（nucleon）。由于中子不带电，质子和中子的质量几乎相等，都等于一个原子质量单位，所以原子核的电荷数就等于它的质子数，原子核的质量数就等于它的核子数。

 

具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素（isotope）。例如，¹¹₆C、¹²₆C、¹³₆C、¹⁴₆C、¹⁵₆C 都是碳的同位素，但碳的各种同位素在自然界中的含量不同。譬如自然界中碳 12 是含量最多的碳同位素，占碳元素总量的 98.9%。同位素的化学性质相同。有些同位素具有放射性，称为放射性同位素。

1932 年，美国物理学家安德森（C. D. Anderson，1905—1991）发现正电子。正电子的质量和电荷量大小与电子相同，但电性与电子相反，正电子的符号是 ⁰₁e，它是人类发现的首个反物质基本粒子。

1934 年，约里奥 - 居里夫妇用 α 粒子轰击铝箔后，除了探测到正常的中子以外，还意外地探测到正电子。更令他们感到吃惊的是，移走 α 放射源后，铝箔不再放出中子，但继续放出正电子。而且这种放射性随时间衰减的规律与放射性衰变一样，也有确定的半衰期。铝原子核被 α 粒子轰击后发生的核反应是

\[{}_{13}^{27}{\rm{Al}} + {}_2^4{\rm{He}} \to {}_{15}^{30}{\rm{P}} + {}_0^1{\rm{n}}\]

这一核反应的生成物磷 30 具有放射性，发生正电子衰变，衰变方程是

\[{}_{15}^{30}{\rm{P}} \to {}_{14}^{30}{\rm{Si}} + {}_1^0{\rm{e}}\]

磷 30 是首个通过人工方法获得的放射性同位素，这是一个重要发现。此后，科学家用质子、氘核、中子和 γ 粒子轰击原子核，也都得到了放射性同位素。此前，我们已经知道原子序数大于 83 的天然存在的元素都具有放射性。事实上，天然放射性元素只有 40 多种，原子序数超过 92 的放射性同位素都是通过人工方法获得的。现在，利用原子能反应堆和粒子加速器生成的同位素已经超过 2 000 种，每种元素都有放射性同位素。

放射性同位素在科学研究和人们的日常生活中得到了广泛的应用。利用射线的穿透能力与物质密度、厚度的关系可以检查各种产品厚度、密封在容器中的液面高度等。

放射性同位素放出的射线会致癌，但我们也用射线对某些癌症患者进行放射性治疗

（放疗）。射线对迅速生长的癌细胞有破坏作用，但同时也会破坏周边的正常细胞。因此，放射性治疗会对患者产生副作用。为了减少副作用，临床上需要先对肿瘤定位，然后用很细的 γ 射线或 X 射线来照射肿瘤。如图 15–12 所示，当射线对准肿瘤所在部位后，往往采用使放射源或患者身体旋转的方式使射线充分照射肿瘤的各个部分，同时又使射线的剂量尽可能降低。临床上一般用钴 60 或 X 射线机所产生的 0.2 ~ 5 MeV 能量的光子束进行放疗。

在某种元素中掺进适量的放射性同位素，放射性同位素会跟随这种元素一起运动。通过探测放射性同位素放出的射线，就可以知道这种元素的踪迹。我们将作这种用途的放射性同位素称为示踪原子。

1965 年 9 月，我国科学家完成了结晶牛胰岛素的人工全合成，这是世界上第一个人工合成的蛋白质，为人类认识生命、揭开生命奥秘迈出了可喜的一大步（图 15–13）。在合成的过程中，科学家将碳 14 作为示踪原子掺入人工合成的牛胰岛素并与天然牛胰岛素混合，经过多次结晶，得到了碳 14 均匀分布的牛胰岛素结晶，证明人工牛胰岛素与天然牛胰岛素是同一种物质。

本节编写思路

本节主要讨论原子核的结构，介绍质子和中子的发现，引入同位素的概念，对同位素的应用作简单介绍。

正文解读

卢瑟福根据金箔的 α 粒子散射实验，提出原子由原子核及核外电子组成。进一步的实验发现，原子核虽然尺度很小（只有 10⁻¹⁵ m），但仍具有结构。利用较高能量的 α 粒子等粒子轰击原子，可以使原子电离，进而确定原子是由原子核及核外电子构成的。而要探究原子核的结构，则需要用更高能量的粒子来轰击原子核，才有可能打开原子核的神秘之门。

 

从 20 世纪初开始，卢瑟福和他的学生做了大量的 α 粒子散射实验，以探究原子及原子核的结构。马斯登在 1914 年发现，实验中出现了穿透能力比 α 粒子强得多的新粒子，卢瑟福精心设计实验并经过几年的实验探索，确认这个新粒子就是氢核，并将其命名为质子。实验诳明，用 α 粒子轰击各种不同的原子核均能产生质子，因此可以确定质子是原子核的组成部分。卢瑟福通过用 α 粒子轰击原子核后导致原子核的衰变，第一次通过人工方法实现了核反应，这一方法很快成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。应当注意，核反应过程中不仅质量数和电荷是守恒的，能量和动量也是守恒的。

 

根据实验，如果 α 粒子从氮原子核直接打出质子并被散射，那么在撞击点 α 粒子的径迹就会出现三分叉现象。如果 α 粒子是与氮原子核撞击后形成新的原子核同时放出质子，在撞击点 α 粒子的径迹则会出现两分叉现象。布拉凯特利用云室证明第二种猜测是正确的。

 

此处设置“大家谈”的目的是帮助学生理解 α 粒子击中氮原子核的概率。

参考答案：因为氮气的密度很低，原子核又很小，所以 α 粒子撞到氮原子核的概率很小。按第一种猜测，应该出现三分叉现象。

 

此处设置“拓展视野”的目的是简要介绍云室的结构和工作原理。云室又称威尔逊云室，是由英国物理学家威尔逊发明的用来显示带电粒子径迹的仪器，在核物理及粒子物理发展历史上曾起过重大作用。物理学家用云室先后发现了正电子、μ 介子等粒子，我国物理学家王淦昌领导的实验组利用云室发现了反 ∑⁻ 超子。

 

中子的发现是核物理发展的一个里程碑，不仅圆满解决了原子核结构的问题，对中子的进一步研究也推动了核物理的飞速发展以及核能的开发利用。利用中子来撞击原子核，比用 α 粒子撞击产生的效果更好。费米利用中子轰击铀产生链式反应，使核能的利用成为可能。

 

此处设置“自主活动”的目的是帮助学生进一步理解中子的性质。

参考答案：中子不带电．与组成原子核的质子不会发生库仑力作用，所以更容易打进原子核。

 

此处设置“自主活动”的目的是帮助学生理解 β 衰变的机理。

参考答案：β 衰变过程中，原子核中的一个中子发生衰变，放出电子，而衰变产生的质子留在原子核中。核反应方程如下：

^a_bX → ^a_{b + 1}Y + ⁰₋₁e

 

元素的化学性质是由外层电子决定的，而原子的核外电子数与质子数相同。同一种元素的不同同位素之间的差别只是原子核包含的中子数不同，因此具有相同的化学性质。

 

此处设置“STSE”的目的是简要介绍同位素在医学检测中的实际应用。将稳定的化学元素与其少量具有放射性的同位素混合在一起，就可以利用放射性来确定这种元素的运动情况及与其他物质的作用。这称为示踪原子法，在生物、化学、医学及工业上都有广泛的应用。

 

所谓人工放射性是指不是天然存在，而是通过人工方式得到的某种同位素的放射性现象。约里奥—居里夫妇首先用 α 粒子轰击铝得到了第一种人工放射性同位素磷 30，这是核物理发展的一个重要标志，从此可以通过人工方式获得地球上不存在的原子核，使得核物理、核技术进入了飞速发展的阶段。

 

放射性同位素目前广泛应用于工业、农业、医学及科学研究。科学家利用碳 14 的放射性来测定古生物的年代；工业上利用放射性进行无损检测；农业上用射线照射种子培育新品种，杀灭害虫。

问题与思考解读

1．参考解答：不能。原子序数等于原子核中的质子数，质量数等于原子核的核子数，即质子数加中子数。原子核 A 的质量大，说明其质量数更大，也就是核子数更多，但无法确定其质子数一定更多。而原子序数等于原子核的质子数，因此不能确定 A 一定具有更大的原子序数。

命题意图：知道原子序数与原子核质量的关系。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

2．参考解答：锶核有 57 个中子、38 个质子。

命题意图：知道原子序数、质量数与原子核内质子数、中子数的关系。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

3．参考解答：根据质量数和电荷数守恒可得 ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹₀n + ¹⁷₉F

命题意图：知道原子核反应的基本规律。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

4．参考解答：氢原子核只含有一个质子，质子的质量 m = 1.67×10⁻²⁷ kg，原子核的半径 r = 10⁻¹⁵ m，可得氢原子核密度 ρ = \(\frac{m}{V}\) = \(\frac{m}{{\frac{4}{3}\pi {r^3}}}\) ≈ 10¹⁷ kg/m³

命题意图：原子核的尺度及密度量级的基本认识。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。