高中物理/核與輻射/原子核

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我们知道,原子最核心的部分就是原子核。原子几乎全部质量都集中在原子核上,原子内所有的正电荷都由原子核携带,而且原子核体积却只有原子体积的极小一部分。既然原子核在原子组成中扮演如此重要的角色,那么原子核到底是什么呢?它是基本粒子吗?如果不是,那它又是由什么组成?

其实,原子核是由核子组成的。核子包括质子中子两种。除了普通氢原子核只包含一个质子外,所有的原子核都同时包含有质子和中子。

质子[编辑]

质子实际上就是氢原子核,或者说氢原子核就是由一个质子组成的。上世纪20年代,科学家们利用氦原子核(即阿尔法粒子)轰击各种原子核。他们发现几乎每次撞击都会有氢原子核发射出来。这使得科学家们意识到氢原子核是原子核的组成部分,随后氢原子核被命名为质子,以表示其为原子核的组成粒子。

质子带有一个单位的正电荷,即1.6 × 10−19 C,质量为1.6726231 × 10−27 kg,远大于电子质量。

质子对原子核来说,重要性显而易见。质子是原子核内正电荷的来源。正是由于质子的存在,才约束了核外电子不会脱离原子核。

质子的另一个重要作用就是标示了该原子所属的元素。在元素周期表中,我们以质子数(或者说原子核电荷数)作为依据划分各个元素。一旦质子数确定了,元素也就确定了。比如当一个原子内只有一个质子时,那么它就是氢(H)元素,两个则是氦(He)元素。

中子[编辑]

既然原子核的电荷完全由质子提供,那么为什么原子核仍然需要中子呢?

要回答这个问题,我们可以假设原子核完全由质子组成。由于每个质子都带有一个单位正电荷,根据相同电荷互相排斥的原理,构成原子核的质子都受到临近的其他质子的排斥力。那么原子核内的质子就会四散飞出,而不会形成一个紧密结合的稳定原子核。而中子虽然不带电荷,但是中子却充当着“粘合剂”的作用。正是因为有了中子,原子核内的质子才能紧密结合起来。这种“粘合剂”作用力就是存在于核子间的核力。请注意,核力是存在于核子之间的,质子之间也有核力。但是当原子核太大时,仅凭借质子之间的核力无法克服库仑力将原子核内的核子束缚在一起。更多关于核力讨论,我们将在以后的章节进行。

中子不带电荷,呈电中性。因此不受库仑力的影响。只有当中子碰撞到原子核时才会受到核力的影响。然而原子核太小,使得碰撞的几率很低,因此中子可以运动很长一段距离而不与其他粒子发生作用。这增大了发现中子的难度。事实也确实如此,在1930年,科学家们发现了一种穿透力异常高的辐射产生。起初他们认为这是伽马射线。但后来的定量分析发现这种射线在性质上与伽马射线迥异。1932年,物理学家詹姆斯·查德威克在认为这种新辐射是一种近似氢核的大量电中性粒子。后来这个假说被实验证明了,这种中性粒子则被命名为中子。

质子可以单独以氢核的形式存在,但是中子却不能长时间单独存在。即在长时间内不存在自由中子。原子核外的自由中子会发生自发的衰变,其半衰期是15分钟。