原子核总述

第一节原子核的组成

1、天然放射现象

从电子的发现，人们认识到原子可以再分，那就是分成原子核与核外电子。人们通过天然放射性认识到原子核可以再分。

19世纪末，科学家发现铀元素具有放射性，居里夫人与丈夫在实验中又发现了另两种放射性元素，一种是钋、一种是镭。科学家还发现原子序数大于83的都有放射性，能自发地发出射线的现象叫做天然放射现象。

人们通过实验证明这三种射线的特征，一种是带正电的 $\alpha$ 粒子，一种是带负电的 $\beta$ 粒子，另一种是不带电的高频电磁波 $\gamma$ 射线。这三种射线穿透能力是不同的， $\alpha$ 射线最弱，而 $\gamma$ 射线最强，所以医院用它来穿透皮肤进行放射性治疗，也要用很厚的铅板进行隔离保护健康的人体。在二次世界大战中，美国在日本广岛投放原子弹，其巨大的放射性使得很多居民患病死去，这就是说的原子病。

凡是穿透能力弱的就意味着电离能力强，如 $\alpha$ 粒子带电，且质量大，在与空气分子碰撞时，空气分子被电离，而自身能量就会减少，使得其穿透能力弱；相反， $\gamma$ 射线质量小，电离能力弱，能量几乎不损失，所以的穿透能力最强。 $\beta$ 粒子的穿透能力与电离能力介于前两者之间。

2、原子核的组成

卢瑟福等科学家用 $\alpha$ 粒子轰击氮等原子核，发现都能打出一种新粒子，这种粒子会在电场或磁场中偏转、带正电、且电量与电子电量相等，这种粒子就是质子。质子的发现使科学家认识到原子核还可以有更小的结构。卢瑟福根据实验猜测一定有一种不带电的中子，可见发现常常是源于猜想的，后来他的学生查德威克用实验证明了这个猜想。

至此，原子核的结构就算清楚了，原子核由带正电的质子与不带电的中子组成，由于它们的质量几乎相等，把它们统称为核子，并用质量数也就是原子核质量相对核子的倍数来形容原子核的质量，用原子核总电量相对于质子电量的倍数来表示电荷数，也就是原子核内的质子数或者电荷数叫做这种元素的原子序数。

第二节放射性元素的衰变

1、原子核的衰变

化学反应不改变元素，只是元素之间的重新组合，形成新的物质，物质的最小单位是分子。而这里涉及到的是原子核反应，产生新的元素。原子核放出 $\alpha$ 或 $\beta$ 粒子产生新核的过程叫做原子核的衰变，如放出 $\alpha$ 粒子时，新核的质量数减少4，电荷数减少2，放出 $\beta$ 粒子时，电子质量可以忽略不计，所以新核的质量不变，电荷数增加1，也就是说核反应遵循质量数守恒与电荷数守恒（双守恒），它是质量守恒与电荷守恒的具体表现。

$\alpha$ 衰变的本质是氦核结合紧密，常常是以整体从原子核中被抛出，所以就有了 $\alpha$ 衰变；而 $\beta$ 衰变是因为原子核内的一个中子变成一个质子与电子，原来原子核的质量数不变，而电荷数增加1。

跟原子能量的分立一样，原子核的能量也是分立的，不是连续的。当原子核发生衰变时，产生的新核处于高能级，也会向低能级跃迁而辐射 $\gamma$ 电磁波，所以这个射线总是伴随衰变产生。

2、半衰期

放射性同位素的衰变有一定的规律，用半衰期表示衰变的快慢，所谓半衰期，就是有一半的原子核发生衰变所用的时间。需要注意的是，某种元素的半衰期是大量原子核统计的结果，它是统计学的规律，对于单个或少数粒子不适用，如一个原子核什么时候衰变是不确定的，这正如抛银币的道理一样。

元素的半衰期是由原子本身的结构决定的，与元素处于的化学或物理环境没有关系，也就是说，原子确定了，其半衰期就确定了。

利用放射性元素的半衰期与存留原子核的数量可以推断物质所处的年代，这在考古学中发挥重大的作用。

第三节探测射线的方法

射线看不见，如何检验它的存在呢？我们可以通过间接的方法得到它们的轨迹，如：1、粒子使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和的蒸气会产生雾滴，过热液体会产生气泡。如威尔逊云室，在云室中充满过饱和的酒精蒸气，什么是过饱和状态呢？暂且不表。当带电粒子飞过云室时，会使空气分子电离，酒精蒸气就以这些离子为核心，在经过的沿途凝结成雾滴，显现出粒子运动的轨迹。 $\alpha$ 粒子由于质量大，运动方向不容易改变，轨迹为直线，且由于电离作用强，产生更多的离子，蒸气多，所以轨迹清晰。而 $\beta$ 粒子质量小，且电离作用弱，所以轨迹弯曲且不清晰。当然 $\gamma$ 粒子没有电离作用，根本看不到它的轨迹。

又如气泡室是粒子通过过热液体产生气泡而显现运动轨迹的。什么是过热液体，也暂且不表。

2、使照相底片感光，如居里夫人关于钋、镭的发现就是利用照相底片感光得到的。

3、使荧光物质产生荧光，这在科学探究中也常常应用到。

盖革—米勒计数器的基本原理：一个玻璃管中的两极加一个电压，当射线进入管内，使里面惰性气体电离，产生电子，该电子在电场中加速，又电离气体分子，产生新的电子，也就是说，一个粒子进来，会连续不断产生新的电子，这些电子会往两极运动，形成一个脉冲，从而计算粒子进入管内的次数。什么是脉冲，也暂且不表。

第四节放射性的应用与防护

天然放射性同位素40多种，人工制造的放射性同位素达1000多种。人工放射性同位素容易控制，且半衰期短，废料处理比较容易，所以常常用在医院的放射科。

如医学上，可以利用放射性同位素钴60杀死癌细胞，使其破坏、减慢繁殖速度；如工业上，可以利用放射性穿透钢铁的强度来测量钢铁的厚度；如农业上，可以用磷的放射性来判断什么时候磷吸收率最高、什么时候需要加磷促进植物生长，等等。

我们生活在放射性的环境中，如宇宙射线、有些岩石、蔬菜有放射性，医院的放射性治疗就更不用说了。什么时候安全，什么时候有害，这是一个量的问题，只要控制好量，都是安全的，控制不好，很容易导致各种血液病、原子病。

下面是医学检查仪器的科普知识：

X光是穿透性很强的射线，能够穿透人体，使用X线对人体内部进行透视或摄影的检查方法，其原理是利用了X线的穿透作用。在穿透人体时，被含钙的成分（骨）、水分（血液等）、软组织（肌肉）等吸收而减弱，X线会穿过人体，遇到被遮挡的部位，底片上不会曝光，洗片后这个部位就是白色的。因此可以呈现出所检查部位的基本形态。 X线最大缺点是受制于深浅组织的影像相互重叠和隐藏，有时需要多次多角度拍摄X线片。

CT意为X线计算机断层摄影，是用X线束对人体某部进行断层扫描，获得人体被检部的断面或立体图像。CT可以提供人体被检查部位的完整三维信息，可使器官和结构清楚显影，清楚地显示病变。

B超检查是利用超声波产生回声的原理来检查的。超声能向一定方向上传播，而且可以穿透物体，如果碰到障碍，就会产生回声，人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上，可以用来了解物体的内部结构，辅助诊断。

核磁共振 (MRI) 是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁。核磁共振成像检查已经成为一常见的影像检查方式。

第五节核力与结合能

1、核力：原子核内质子与中子间有万有引力，也有质子之间的库伦斥力，且前者远小于后者，那为什么核子牢牢地在一起呢？科学家提出有核力使得核子紧紧地束缚在一起，这后来被实验所证实。核力是一种什么力呢？首先它是一种短程力，只在10的负15次方内产生，不像万有引力与电磁力可以作用很远的距离，它们是长程力。其次，核力是一种强相互作用力。

据科学发现，核力有点像分子间的作用力，在距离很短时，表现为斥力，在距离稍大时，表现为引力，超过某个数值时，核力几乎消失。同时，科学家发现，在原子核内还存在第四种弱相互作用力，是它引起原子核的 $\beta$ 衰变，它也是短程力，比核力作用距离更短，为10的负18次方的范围。

至此，自然界中的四种力为人们所发现，那就是万有引力、电磁力、强相互作用力与弱相互作用力。

2、原子核中质子与中子的比例

在轻原子核中，质子与中子数几乎相等，这时核子间的核吸引力与库伦力抗衡，可以形成稳定的结构；在重原子核中，核子间距离增大，使得核力迅速下降，库伦斥力增加，这样的结构是不稳定的，为了达到稳定，重核里要增加中子，以增强核力，以便于与库伦力抗衡。所以，在重核中，中子数一般多于质子数，这是自然的选择，自然要选择结构稳定的物质存留下来。

3、结合能

什么有结合能？书本先以两个引力作用下的宏观物体为例说明，两个球在引力作用下发生碰撞而结合，正如完全非弹性碰撞，撞后系统的动能完全转化为内能消耗了，也就是为了结合而失去能量。同样，为了把他们分开，也要给予能量，这个让核子分开的能量叫做原子核的结合能。当核子数越多，结合能越大，但是不是结合地越牢固呢？应该用平均结合能来反映它们的牢固程度，所谓平均结合能，就是总结合能与核子数的比值，比值越大，表示结合地越牢固。

4、质量亏损

结合能怎么计算，爱因斯坦根据质能方程得出来，如果一个原子核与同等数量的质子、中子质量之和小，那么存在质量差，通过方程就能计算出它们的结合能。

第六节核裂变

核裂变是中子轰击铀核发生的核反应，产生中子，中子又轰击下一个铀核，使裂变不断产生，伴随产生巨大的能量。

第七节核聚变

所谓核聚变就是几种轻核在一定高温条件下聚集形成较大的原子核，同时释放巨大能量的过程。