原子核(nucleus)都是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，質(zhì)子和中子叫重子，因為它們比電子重了近兩千倍，所以普通物質(zhì)被簡化地稱為重子物質(zhì)，電子被無情地忽視了。而質(zhì)子和中子都是由兩種夸克構(gòu)成，這兩種夸克有兩個普通得不能再普通的名字，上夸克和下夸克。

實驗測到的原子核的質(zhì)量都接近于氫原子核質(zhì)量的整數(shù)倍。1919年，盧瑟福通過反應(yīng)

發(fā)現(xiàn)了一種粒子，它帶一個單位正電荷的電量，其質(zhì)量與氫原子核質(zhì)量相等，這種粒子被稱為質(zhì)子。同時，用快速α粒子轟擊其他元素的原子核時也能產(chǎn)生這種粒子。這個發(fā)現(xiàn)說明了原子核內(nèi)是包含質(zhì)子的。但是原子核一般不能只由質(zhì)子組成。就拿最簡單的氘原子核來說.它的電荷等于質(zhì)子電荷，但質(zhì)量卻為質(zhì)子的兩倍。原子核中還應(yīng)包含什么成分呢?

人們根據(jù)放射線中有β射線(即電子流組成的射線)，曾設(shè)想原子核是由質(zhì)子和電子構(gòu)成的。但這不可能。人們可給出許多論證說明電子不可能存在于核內(nèi)。例如，由不確定關(guān)系ΔxΔp~h(其中Δx、Δp分別為電子的位置和動量的不確定性)。利用相對論公式E2=p2c2+me2c4可以估計核內(nèi)存在的自由電子能量約為數(shù)十MeV。而β衰變中觀測到的電子最大的能量不超過數(shù)MeV。

直到1932年查德威克(Chadwick)發(fā)現(xiàn)了中子。人們才搞清了核的基本組成。原子核是由質(zhì)子與中子組成的。

1930年，玻特(W.Bothe)等人利用反應(yīng)

即用α粒子轟擊鋰、鈹?shù)容p元素時.發(fā)現(xiàn)一種貫穿力較強的輻射，它能穿過厚的鉛板被計數(shù)管記錄下來。同年，約里奧·居里夫婦重復(fù)實驗.用釙α源照射鈹靶，并用所放出的那種穿透性強的“射線”去轟擊石蠟。遺憾的是，玻特和約里奧·居里夫婦都把這種輻射看成γ射線。實際上，根據(jù)康普頓散射計算得到的γ射線能量與通過吸收法測得的此“射線”能量相矛盾?？梢哉f，他們走到一個重大發(fā)現(xiàn)的邊緣，但沒有想到“中子”的可能。

查德威克在了解到約里奧·居里夫婦的工作后，立即意識到他們觀測到的不是康普頓散射。重復(fù)做了上述實驗并經(jīng)過認證分析后，查德威克大膽預(yù)言這種未知射線是一種新的粒子，它不帶電，質(zhì)量和質(zhì)子相近，稱為“中子”。盧瑟福的預(yù)言終于得到了證實。查德威克還利用1H和14N的反沖實驗對中子質(zhì)量進行了估計。在彈性碰撞下，考慮能量和動量守恒，可以很方便地得到下式：

其巾VH、VN分別為反沖氫核和氮核的速度，mn為中子的質(zhì)量。查德威克的實驗結(jié)果是VH=3.3×109cm/s，VN=4.7×108cm/s，由上式可計算mn。計算結(jié)果表明中子質(zhì)量比質(zhì)子質(zhì)量略大一些。

中子的發(fā)現(xiàn)是核物理發(fā)展史上一個重要的里程碑。中子的發(fā)現(xiàn)不但說明原子核由質(zhì)子和中子組成，更重要的是.人們找到了極好的轟擊和分裂原子核的炮彈，開始了一系列重要的核反應(yīng)研究。大大推動了原子核物理的發(fā)展。

不同的原子核所含有的質(zhì)子和中子數(shù)目不同。中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，它們的質(zhì)量差不多相等，但中子不帶電，質(zhì)子帶正電.其電量為Ze。因此，電荷數(shù)為Z的原子核含有Z個質(zhì)子。原子核所含有的中子數(shù)用N表示，則原子核的質(zhì)量數(shù)A=Z+N。具有一定Z，A的原子核稱為核素。下面介紹一些術(shù)語：

①同位素(Isotope)：Z同A不同的一些核素;

②同中子異荷素(Isotone)：N同Z不同的一些核素;

③同量異位素(Isobar)：A同Z不同的一些核素;

④同質(zhì)異能素(Isomer)：Z.N相同，而能量狀態(tài)不同的核素。表示為AmX，它表示這種核素的能量狀態(tài)比較高。如60CO有壽命為10.5min的激發(fā)態(tài)。該同質(zhì)異能素記為60mCo。為60Co的同質(zhì)異能素。

隨著實驗手段的發(fā)展，更高性能的中高能重離子加速器、高能加速器等的投入使用。人們發(fā)現(xiàn)核內(nèi)成分除了質(zhì)子、中子外還存在非核子自由度。這些非核子自由度包括介子和夸克。

原子核極小，它的直徑在10-15m~10-14m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，在這極小的原子核里卻集中了99.96%以上原子的質(zhì)量。原子核的密度極大，核密度約為1017kg/m3，即1m3的體積如裝滿原子核，其質(zhì)量將達到1014t，即1百萬億噸。

原子核是由質(zhì)子和中子組成的。不同核素的原子核可以用三個數(shù)來表征，質(zhì)量數(shù)A，質(zhì)子數(shù)Z，和中子數(shù)N。質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子數(shù)加中子數(shù)。

原子核的大小可以通過阿爾法粒子散射，高能質(zhì)子散射，電子，中子散射等實驗測量。散射實驗表明原子核比原子的尺寸要小得多，只有飛米(fm)量級。即比原子的尺寸要小幾萬分之一。

隨著A的增大，原子核的半徑將越來越大。對氫原子核來說，其直徑為約1.75fm，對比較重的原子核，比如鈾，則可達到15fm。大小差了一個數(shù)量級。

原子核衰變也叫核衰變，是原子核自發(fā)射出某種粒子而變?yōu)榱硪环N核的過程。認識原子核的重要途徑之一。原子核衰變的類型有α衰變、β衰變和γ衰變?nèi)N，分別放出α射線、β射線和γ射線。

1、α衰變

放射性核素放射出α粒子后變成另一種核素。子核的電荷數(shù)比母核減少2，質(zhì)量數(shù)比母核減少4。α粒子的特點是電離能力強，射程短，穿透能力較弱。

2、β衰變

β衰變又分β-衰變、β+衰變和軌道電子俘獲三種方式。

①β-衰變

放射出β-粒子(高速電子)的衰變。一般地，中子相對豐富的放射性核素常發(fā)生β-衰變。這可看作是母核中的一個中子轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子的過程。

②β+衰變

放射出β+粒子(正電子)的衰變。一般地，中子相對缺乏的放射性核素常發(fā)生β+衰變。這可看作是母核中的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個中子的過程。

③軌道電子俘獲

原子核俘獲一個K層或L層電子而衰變成核電荷數(shù)減少1，質(zhì)量數(shù)不變的另一種原子核。由于K層最靠近核，所以K俘獲最易發(fā)生。在K俘獲發(fā)生時，必有外層電子去填補內(nèi)層上的空位，并放射出具有子體特征的標識X射線。這一能量也可能傳遞給更外層電子，使它成為自由電子發(fā)射出去，這個電子稱作“俄歇電子”。

3、γ衰變

處于激發(fā)態(tài)的核，通過放射出γ射線而躍遷到基態(tài)或較低能態(tài)的現(xiàn)象。γ射線的穿透力很強。γ射線在醫(yī)學(xué)核物理技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位。

原子核裂變也叫核裂變，是指由重的原子核(主要是指鈾核或钚核)分裂成兩個或多個質(zhì)量較小的原子的一種核反應(yīng)形式。

鈾-235和鈾-238是兩種主要的鈾同位素，在自然界，主要以鈾-238的形式存在，大概占99.3%，而鈾-235只占0.7%。盡管鈾-235含量很低，但卻是主要的核燃料。因此，我們在核電利用之前，需要經(jīng)過濃縮過程，使氧化鈾的含量處于3%~6%,最好處于5%水平。進一步濃縮，就可用于制造原子彈。

鈾-235在一個中子的轟擊下產(chǎn)生銫-137和銣-96兩個碎片，也可能產(chǎn)生碘-131和釔-102，這個過程叫做“原子核裂變”，同時釋放出能量。1 千克的鈾-235完全裂變可釋放4.1×1011焦耳的能量。

除了鈾-235，可用于大規(guī)模核能利用的核素還有钚-239和鈾-233，不過，這兩種皆屬于人造核素，產(chǎn)生于反應(yīng)堆。鈾-238在反應(yīng)堆里面經(jīng)過幾次裂變，會變成钚-239。钚-239可能存在兩種用途：用作核燃料或作為原子彈基本材料。令人格外擔(dān)心的是，钚-239不僅是放射性物質(zhì)，本身還具有化學(xué)毒性，而且半衰期以萬年計，清除難度非常高。

日本東京電力公司曾計劃在柏崎-刈羽核電廠試用MOX技術(shù)，即組合使用钚-239和鈾-235，據(jù)說這樣可以大大提高反應(yīng)堆的功率。后因2007年的地震而于2010年10月改在福島第一核電站3號機組進行試驗。

原子核外電子排布是原子核外電子的一種排列規(guī)則。原子核外電子排布與原子軌道的能級次序有關(guān)，排布市主要服從三個規(guī)則:能量最低原理、泡利原理以及洪特規(guī)則。原子核外...[查看全部]

原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的等效于原子核是由質(zhì)子和電子構(gòu)成，這是原子核的二級結(jié)構(gòu);正負電子靠超強的靜電引力吸聚在一起形成質(zhì)子和中子，這是原子核的一級結(jié)構(gòu)。

原子核的核能是原子核內(nèi)儲存的質(zhì)子與質(zhì)子、電子與電子之間產(chǎn)生的斥力作用，原子釋放的能量是帶正電核子分裂或聚合相互做功釋放的能量。構(gòu)成中子、質(zhì)子和各種微粒的超強引力都來源于正負電子間的靜電引力。

1、質(zhì)子與中子的結(jié)構(gòu)分析

在原子核試驗中，發(fā)現(xiàn)了300多種很小的微粒，如質(zhì)子、中子、e-子、e+子、π-子、π+子等，這些微粒都具有不同的物理特征，見下表：

由表中看出，通過對十幾種粒子帶電性統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)這些粒子有的顯正電，有的顯負電，有的顯中性，這些粒子所顯示的電性只限于0、-1和+1三種類型，這三種帶電類型正好符合正電子與負電子的三種組合。

通過對粒子質(zhì)量與電子質(zhì)量的對比，發(fā)現(xiàn)它們的質(zhì)量幾乎都是電子質(zhì)量的整數(shù)倍，其中質(zhì)子的質(zhì)量特性非常明顯;通過對核反應(yīng)的分析，發(fā)現(xiàn)中質(zhì)子與中子可以相互轉(zhuǎn)化，一個中子失去一個負電荷就轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，一個質(zhì)子獲得一個負電子就再轉(zhuǎn)化成中子，在原子核反應(yīng)中，電量的轉(zhuǎn)化是以電子的電量轉(zhuǎn)移為單位，由此看出現(xiàn)在定義的“夸克”并不符合這一現(xiàn)象。“夸克”是實驗得出的結(jié)果，夸克可以證明質(zhì)子與中子不是最小的粒子。

原子核的帶電量與核外電子的帶電量相等，預(yù)示者核外電子有可能來源于核子。根據(jù)核粒子質(zhì)量與電子質(zhì)量成倍數(shù)的關(guān)系、原子核內(nèi)正電荷數(shù)與核外電子數(shù)相等及核外電子有固定質(zhì)量和電量的特點、根據(jù)核粒子顯示三種帶電類型、質(zhì)子與中子轉(zhuǎn)化的最小單位是電子、再結(jié)合幾種“夸克”所具有的共性進行綜合分析，得出“中子和質(zhì)子是由最基本的微粒正電子和負電子構(gòu)成米團子結(jié)構(gòu)”最符合上述特性(見下圖)。

中子與質(zhì)子的這種結(jié)構(gòu)與科學(xué)家們論述的“夸克理論”并不完全矛盾，目前所發(fā)現(xiàn)的幾種“夸克”類型只不過是這種“米團子結(jié)構(gòu)”中幾個特

一談到原子核物理，有人就會感到害怕，因為很多人會從原子核物理想到原子彈的巨大破壞力和放射性污染。原子核物理是研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，獲得射線束并將其用于探測、分析的技術(shù)，以及研究同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。簡稱核物理。

也有人對原子核物理感到新奇。是啊，物質(zhì)由原子組成，這點誰都知道?？墒?，誰能拿出一個原子來看看呢?那小得不能再小的微粒到底是什么樣子的呢?它那神秘莫側(cè)的巨大能量，又是從哪里來的呢?它怎么會有放射性的?原子核都有放射性嗎了……多少年來，就是這些間題吸引了無數(shù)原子核物理學(xué)家。

很早以前，人們把原子當(dāng)作組成物質(zhì)的最小微粒?！霸印边@個詞的希臘文原意，就是“不可分割的”。直到1911年，人們才認識到，原予并不是不可分的，而是由更小的原子核及環(huán)繞原子核運動的電子所組成。1932年，又進一步發(fā)現(xiàn)了原子核是由中子和質(zhì)子組成的。

不同的原子核中，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是不同的。到現(xiàn)在為止，人們在自然界里，已經(jīng)找到了300多種原子核，又用人工方法制造出了1600多種原子核。原子核的大小只占整個原子體積的萬分之一，而質(zhì)量卻占整個原子質(zhì)量的99%以上。

這種情況使人們認識到，原子的結(jié)構(gòu)是很松的，而原子核的結(jié)構(gòu)卻是很緊的。實驗證明，每1立方厘米原子核，質(zhì)量就達到1億噸。也就是說，1立方厘米的原子核，要用1萬艘萬噸輪來運載!

1、強子物理

強子，包括介子和重子，是能從物質(zhì)中分離出來的、已觀測到的具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最小單元。強子內(nèi)部的夸克–膠子結(jié)構(gòu)以及可能存在的新強子態(tài)是當(dāng)今人類正在探索的物質(zhì)世界的最微觀部分，是中高能原子核物理和粒子物理共同關(guān)心的交叉前沿?zé)狳c。

2、核物質(zhì)性質(zhì)和相圖

得益于現(xiàn)代加速器和探測器技術(shù)的高速發(fā)展，高能原子核物理在過去幾十年取得了巨大的成功。國際社會和政府的持續(xù)高投入，使得大科學(xué)裝置的建設(shè)和連續(xù)運行得到保障。

一些重

原子核裂變簡稱核裂變，又稱核分裂，是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。是指由重的原子，主要是指鈾或钚，分裂成較輕的原子的一種核反應(yīng)形式。

只有一些質(zhì)量非常大的原子核像鈾(yóu)、釷(tǔ)等才能發(fā)生原子核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以后會分裂成兩個或更多個質(zhì)量較小的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發(fā)生原子核裂變……，使過程持續(xù)進行下去，這種過程稱作鏈式反應(yīng)。原子核在發(fā)生原子核裂變時，釋放出巨大的能量稱為原子核能，俗稱原子能。

原子核裂變是在1938年發(fā)現(xiàn)的，由于當(dāng)時第二次世界大戰(zhàn)的需要，原子核裂變被首先用于制造威力巨大的原子武器——原子彈。原子彈的巨大威力就是來自原子核裂變產(chǎn)生的巨大能量。目前，人們除了將原子核裂變用于制造原子彈外，更努力研究利用原子核裂變產(chǎn)生的巨大能量為人類造福，讓原子核裂變始終在人們的控制下進行，核電站就是這樣的裝置。

與其他的物理發(fā)現(xiàn)不同，原子核裂變的發(fā)現(xiàn)完全是出人意料的。當(dāng)哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)鈾元素被中子轟擊后會導(dǎo)致鋇元素的出現(xiàn)時，他們是如此震驚，以至于在宣布這一發(fā)現(xiàn)的論文中寫道：“我們還沒有準備好邁出如此巨大的一步，它與所有已知的核物理實驗相背離”。

1932年英國物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了期待已久的中子。這是一個偉大的發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)裂變反應(yīng)的主角登場了。中子的發(fā)現(xiàn)具有非凡的意義，不僅完成了原子核是由質(zhì)子和中子組成的核模型，而且為變革原子核提供了一個有力的武器。

先前人們是使用α粒子作為人射粒子轟擊原子核的，但α粒子帶正電荷，被轟擊的原子核也帶正電荷，必須克服庫侖排斥力才能打人原子核。而中子不帶電，可以長驅(qū)直入地打入原子核。因而，中子是一個研究原子核結(jié)構(gòu)的理想“炮彈”。

科學(xué)家立即開始用中子去轟擊各種元素，研究所引起的核反應(yīng)。特別是意大利物理學(xué)家費米等人，按照元素周期

原子核衰變，簡稱核衰變，是原子核自發(fā)射出某種粒子而變?yōu)榱硪环N核的過程。認識原子核的重要途徑之一。原子核衰變有3種：α衰變、β衰變、γ衰變。

其根本原因在于核內(nèi)的核力與庫侖力不是處于平衡狀態(tài)。無論是質(zhì)子還是中子，它們之間存在核力，屬吸引力。質(zhì)子與質(zhì)子之間存在庫侖力，當(dāng)然眾所周知，屬于排斥力。

如果質(zhì)子過多，那么排斥力大于吸引力，當(dāng)然不穩(wěn)定。通過質(zhì)子變成中子等效應(yīng)，降低排斥力，增加吸引力，最終使二者達到平衡。這就是(級聯(lián))衰變過程。同樣，如果中子過多，吸引力過大于排斥力，二力不平衡，也影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。所以要衰變，減少中子數(shù)或增加質(zhì)子數(shù)。

綜上所述，當(dāng)核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)搭配協(xié)調(diào)時，體系才穩(wěn)定。否則就衰變，向穩(wěn)定過渡。這就好比一個社會，男女比例不可以太失調(diào)。另外，當(dāng)核內(nèi)有過多的質(zhì)子和中子時(比如質(zhì)量數(shù)超過200時)，即使二力平衡也不穩(wěn)定。這就好比搭積木，積木越多框架越不穩(wěn)定。也好比一個國家，比如以前的蘇聯(lián)，國家太大了，就不好治理。

α衰變

α衰變，是一種放射性衰變(核衰變);發(fā)生α衰變時，一顆α粒子會從原子核中射出;α衰變發(fā)生后，原子核的質(zhì)量數(shù)會減少4個單位，其原子序數(shù)也會減少了2個單位。α衰變是一種核裂變，當(dāng)中涉及量子物理學(xué)中的隧穿效應(yīng)，和β衰變不同的是α衰變是由強核力力場產(chǎn)生和控制。

設(shè)衰變前的原子核(稱母核)為X(Z，A)，這里Z為原子序數(shù)，A為質(zhì)量數(shù)，衰變后的原子核(稱子核)為Y(Z-2，A-4)，則α衰變可表示為

X(Z，A)→Y(Z-2，A-4)+α

一顆α粒子帶有5兆電子伏特的動能，其移動速度是每秒15000公里，即是只達到5%光速;由于α粒子相對大的質(zhì)量，其+2的電荷，以及相對慢的移動速度，它們實在太容易就會和其他原子核和粒子反應(yīng)及失去其能量，α粒子在幾厘米厚度的空氣內(nèi)就會被吸收。

地球上大多數(shù)的氦氣都是來自地下蘊藏

原子核外電子排布是原子核外電子的一種排列規(guī)則。原子核外電子排布與原子軌道的能級次序有關(guān)，排布市主要服從三個規(guī)則:能量最低原理、泡利原理以及洪特規(guī)則。

原子核外電子排布是有規(guī)律的，首先是電子按層排布，而且每層最多容納的電子數(shù)為2n2個;其次，最外層電子數(shù)不得超過8個，而次外層的電子數(shù)則不能超過18個。這些規(guī)律是從實驗和周期律總結(jié)出來的，核外電子的排布服從如下的三個規(guī)則:

1、能量最低原理:

核外電子的排布將盡可能使體系的能量最低。因此，電子首先排布在能量最低的軌道上，最低軌道排滿后，電子再進入能量較高的軌道。

2、泡利原理:

在同一個原子中，最多只能有兩個電子處在同一狀態(tài)(這里指的是由三個量子數(shù)n，l，m規(guī)定的狀態(tài)或稱為軌道)，但這兩個電子的自旋方向必須相反。

這就是說，在同一原子中不可能有二個或更多個電子有完全相同的四個量子數(shù)。這個原理是泡利根據(jù)實驗總結(jié)出來的，泡利原理是自旋量子數(shù)為半整數(shù)的一類牡子(如電子、質(zhì)子和中子等)所遵從的統(tǒng)計規(guī)律的反映。

從幾率的觀點來看，兩個電子在某一瞬間同時在空間某點出現(xiàn)的幾率等于零，這說明電子有相互回避的特性，這種特性就反映在泡利原理中。

3、洪特規(guī)則:

在不違背能量最低原理和泡利原理的前提下，在由相同的主量子數(shù)n和角量于數(shù)l規(guī)定的等價軌道上排布電子時，電子總是先單獨而且自旋平行地占據(jù)盡量多的軌道，當(dāng)各等價軌道上都占有一個電子后，電子繼續(xù)境充時才逐一填充在己有一個電子的軌道上，這一規(guī)則是洪特根據(jù)光譜實驗總結(jié)出來的，又稱為盡量不成對原理。

原子核外電子排布時，其主要依據(jù)是原子軌道的能級次序。

原子軌道能是指和電子波函數(shù)Φ1相應(yīng)的能量E1。原子的總能量近似等于各個電子的原子軌道能之和。電子結(jié)合能是指在基態(tài)原子中當(dāng)其它電子處于最低能態(tài)，電子從指定軌道上電離時所需要能量的負值。電子結(jié)合能