高中物理/核與輻射/原子核

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我們知道,原子最核心的部分就是原子核。原子幾乎全部質量都集中在原子核上,原子內所有的正電荷都由原子核攜帶,而且原子核體積卻只有原子體積的極小一部分。既然原子核在原子組成中扮演如此重要的角色,那麼原子核到底是什麼呢?它是基本粒子嗎?如果不是,那它又是由什麼組成?

其實,原子核是由核子組成的。核子包括質子中子兩種。除了普通氫原子核只包含一個質子外,所有的原子核都同時包含有質子和中子。

質子[編輯]

質子實際上就是氫原子核,或者說氫原子核就是由一個質子組成的。上世紀20年代,科學家們利用氦原子核(即阿爾法粒子)轟擊各種原子核。他們發現幾乎每次撞擊都會有氫原子核發射出來。這使得科學家們意識到氫原子核是原子核的組成部分,隨後氫原子核被命名為質子,以表示其為原子核的組成粒子。

質子帶有一個單位的正電荷,即1.6 × 10−19 C,質量為1.6726231 × 10−27 kg,遠大於電子質量。

質子對原子核來說,重要性顯而易見。質子是原子核內正電荷的來源。正是由於質子的存在,才約束了核外電子不會脫離原子核。

質子的另一個重要作用就是標示了該原子所屬的元素。在元素周期表中,我們以質子數(或者說原子核電荷數)作為依據劃分各個元素。一旦質子數確定了,元素也就確定了。比如當一個原子內只有一個質子時,那麼它就是氫(H)元素,兩個則是氦(He)元素。

中子[編輯]

既然原子核的電荷完全由質子提供,那麼為什麼原子核仍然需要中子呢?

要回答這個問題,我們可以假設原子核完全由質子組成。由於每個質子都帶有一個單位正電荷,根據相同電荷互相排斥的原理,構成原子核的質子都受到臨近的其他質子的排斥力。那麼原子核內的質子就會四散飛出,而不會形成一個緊密結合的穩定原子核。而中子雖然不帶電荷,但是中子卻充當著「粘合劑」的作用。正是因為有了中子,原子核內的質子才能緊密結合起來。這種「粘合劑」作用力就是存在於核子間的核力。請注意,核力是存在於核子之間的,質子之間也有核力。但是當原子核太大時,僅憑藉質子之間的核力無法克服庫侖力將原子核內的核子束縛在一起。更多關於核力討論,我們將在以後的章節進行。

中子不帶電荷,呈電中性。因此不受庫侖力的影響。只有當中子碰撞到原子核時才會受到核力的影響。然而原子核太小,使得碰撞的機率很低,因此中子可以運動很長一段距離而不與其他粒子發生作用。這增大了發現中子的難度。事實也確實如此,在1930年,科學家們發現了一種穿透力異常高的輻射產生。起初他們認為這是伽馬射線。但後來的定量分析發現這種射線在性質上與伽馬射線迥異。1932年,物理學家詹姆斯·查德威克在認為這種新輻射是一種近似氫核的大量電中性粒子。後來這個假說被實驗證明了,這種中性粒子則被命名為中子。

質子可以單獨以氫核的形式存在,但是中子卻不能長時間單獨存在。即在長時間內不存在自由中子。原子核外的自由中子會發生自發的衰變,其半衰期是15分鐘。