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(jí)結(jié)構(gòu);正負(fù)電子靠超強(qiáng)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(jí)結(jié)構(gòu)。

原子核的核能是原子核內(nèi)儲(chǔ)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(qiáng)引力都來(lái)源于正負(fù)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(yàn)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(jiàn)下表：

由表中看出，通過(guò)對(duì)十幾種粒子帶電性統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)這些粒子有的顯正電，有的顯負(fù)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(fù)電子的三種組合。

通過(guò)對(duì)粒子質(zhì)量與電子質(zhì)量的對(duì)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(guò)對(duì)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(gè)中子失去一個(gè)負(fù)電荷就轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，一個(gè)質(zhì)子獲得一個(gè)負(fù)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?！翱淇恕笔菍?shí)驗(yàn)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(lái)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(diǎn)、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(jìn)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(fù)電子構(gòu)成米團(tuán)子結(jié)構(gòu)”最符合上述特性(見(jiàn)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(guò)是這種“米團(tuán)子結(jié)構(gòu)”中幾個(gè)特殊的正負(fù)電子組合。

根據(jù)中子的“米團(tuán)子結(jié)構(gòu)”預(yù)測(cè)，顯中性且質(zhì)量小于中子的中性微粒有919多種，這些微粒中所含的正負(fù)電子個(gè)數(shù)相等而顯中性，即微粒中含有n個(gè)正電子和n個(gè)負(fù)電子，其中由1個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子構(gòu)成的是最小的中性粒子——祖中子。

顯負(fù)電性的也是一個(gè)大家族，質(zhì)量小于中子的負(fù)電粒子有919多種，這些粒子含有k個(gè)正電子和(k+1)個(gè)負(fù)電子，因此粒子顯負(fù)電性，其中負(fù)電子是最小的負(fù)粒子;顯正電性的同樣也是一個(gè)大家族，質(zhì)量小于質(zhì)子的正電粒子有918多種，粒子中含有(m+1)個(gè)正電子和m個(gè)負(fù)電子，因此粒子顯正電性，其中正電子是最小的正粒子;像λ、Σ、Ε這樣大于中子質(zhì)量的微粒也有很多。所有這些微粒的種類應(yīng)該在幾千種以上，利用原子對(duì)撞擊產(chǎn)生的微粒只是其中很小的一部分。

正負(fù)電子結(jié)合形成中子和質(zhì)子是因?yàn)檎?fù)電子都是獨(dú)立的、不可消滅的物質(zhì)微粒，雖然有許多正負(fù)電子結(jié)合在一起，它們的大小形態(tài)、所帶的電量、相互間的引力和斥力都不會(huì)因?yàn)檎?fù)電子結(jié)合而泯滅，這是電子固有的自然特性。

中子和質(zhì)子只是由許多正負(fù)電子靠相互間超強(qiáng)的靜電引力圈閉形成的比較穩(wěn)定的電子組合。中子的大小是由正電子和負(fù)電子的體積、電量和正負(fù)電子產(chǎn)生的團(tuán)聚力共同決定的。雖然正負(fù)電子可以任意結(jié)合形成一些質(zhì)量大于中子的粒子，但是這些大粒子的特性都不會(huì)穩(wěn)定。

2、原子核的結(jié)構(gòu)分析

中子大約含有920個(gè)正電子和920個(gè)負(fù)電子，質(zhì)子大約含有920個(gè)正電子和919個(gè)負(fù)電子。每個(gè)質(zhì)子和中子的最外層都含有多個(gè)正電子和多個(gè)負(fù)電子，在中子和質(zhì)子外圍形成了由正電子和負(fù)電子存在的多個(gè)正負(fù)極結(jié)構(gòu)。

根據(jù)數(shù)學(xué)模擬，一個(gè)中子外圍大約有300多個(gè)正極點(diǎn)和負(fù)極點(diǎn)。中子與質(zhì)子的結(jié)合力都來(lái)源于正負(fù)電子間產(chǎn)生的超強(qiáng)的靜電引力。中子和質(zhì)子都是由正負(fù)電子構(gòu)成的組合體，中子外層接觸處的電子是兩個(gè)質(zhì)子的共用電子，是連接兩個(gè)質(zhì)子的橋梁，因此“原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成”就等價(jià)于“原子核由質(zhì)子和電子構(gòu)成”。

例如氫(21H)原子核的結(jié)構(gòu)，原子核內(nèi)含有1個(gè)中子和1個(gè)質(zhì)子，由于外圍任何兩個(gè)正負(fù)電子都存在引力，因此1個(gè)中子和1個(gè)質(zhì)子形成了氚(21H)的原子核，由于中子外層接觸處的電子轉(zhuǎn)化成兩個(gè)質(zhì)子的共用電子，中間的這個(gè)電子是兩個(gè)質(zhì)子的連接點(diǎn)，因此1個(gè)中子和1個(gè)質(zhì)子形成的氚核結(jié)構(gòu)就變成了2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子形成的氚原子核結(jié)構(gòu)(見(jiàn)下圖)。

3、核子間的相互作用和核能的儲(chǔ)存釋放

對(duì)所有的原子核來(lái)說(shuō)，都可以變成原子核是由質(zhì)子和負(fù)電子構(gòu)成，因此核子之間存在任何兩個(gè)質(zhì)子之間的斥力、任何兩個(gè)負(fù)電子之間的斥力和質(zhì)子與負(fù)電子間的引力這三種作用力。這就使得原子核內(nèi)的粒子間蘊(yùn)涵了斥力和引力兩種電勢(shì)能。

由于所有大原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)都大于負(fù)電子數(shù)而使整個(gè)原子核顯正電性，不論原子核怎么裂變，形成的新原子核都顯正電，每個(gè)原子核形成的都是正電場(chǎng)。在原子核分裂的過(guò)程中，所有的新原子核相互做正功，因此會(huì)釋放出巨大的核能。

原子核結(jié)構(gòu)的探索：

20世紀(jì)初，從實(shí)驗(yàn)事實(shí)已經(jīng)知道電子是一切原子的組成部分。

1897年湯姆遜從放電管中的陰極射線發(fā)現(xiàn)了帶負(fù)電的電子，并測(cè)定了荷質(zhì)比e/m，1910年密立根用油滴實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子的電量值為e=1.602×10-19C，從而算出電子質(zhì)量me=9.109×10-31kg=0.511MeV/c2，差不多是氫原子質(zhì)量的1/2000，即電子的質(zhì)量比整個(gè)原子的質(zhì)量要小得多。但物質(zhì)通常是中性的，足見(jiàn)原子中還有帶正電的部分。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和當(dāng)時(shí)的經(jīng)典理論是考慮原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)。

湯姆遜最早提出了一個(gè)“葡萄干鑲面包”的原子結(jié)構(gòu)模型或稱為“西瓜”模型。他根據(jù)上述資料，設(shè)想原子的帶正電部分是一個(gè)原子那么大的、具有彈性的、凍膠狀的球，正電荷在球中均勻分布著，在這個(gè)球內(nèi)或球上，有負(fù)電子嵌著。這些電子能在它們的平衡位置附近做簡(jiǎn)諧振動(dòng)。觀察到的原子所發(fā)光譜的各種頻率就相當(dāng)于這些振動(dòng)的頻率。湯姆遜的原子模型好像能夠把當(dāng)時(shí)知道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論考慮都?xì)w納進(jìn)去。

勒納特從1903年起，直到多年后所做的電子在金屬膜上的散射實(shí)驗(yàn)顯示了湯姆遜模型的困難。他發(fā)現(xiàn)較高速度的電子很容易穿透原子，后者不像是具有10-10m那樣半徑的實(shí)體球。

1904年長(zhǎng)岡半太郎提出原子的土星模型，認(rèn)為原予內(nèi)的正電荷集中于中心，電子均勻地分布在繞正電荷旋轉(zhuǎn)的圓環(huán)上，遺憾的是他沒(méi)有深入下去。

1909年，盧瑟福的a粒子散射實(shí)驗(yàn)對(duì)湯姆遜模型構(gòu)成了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。

α粒子的散射實(shí)驗(yàn)：

1909年，盧瑟福的學(xué)生蓋革和馬斯頓在用α粒子轟擊鉑的薄膜靶子的實(shí)驗(yàn)中，觀察到一個(gè)重要現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)α粒子在轟擊鉑原子時(shí)，絕大多數(shù)平均只有2～3°的偏轉(zhuǎn)，但有大約1/8000的α粒子偏轉(zhuǎn)角大于90°，其中有的接近180°。實(shí)驗(yàn)裝置和模擬實(shí)驗(yàn)大致如下圖所示。

上圖中R為α放射源;F為散射的鉑箔;S為閃爍屏;M為顯微鏡可以轉(zhuǎn)到不同方向?qū)ι⑸涞摩亮Ｗ舆M(jìn)行觀察;A為代刻度圓盤;B為圓形金屬匣;T為抽空B的管;C為光滑套軸。

對(duì)這樣的事實(shí)，盧瑟福感到十分驚奇。因?yàn)榇蠼嵌壬⑸洳豢赡芙忉尀槎际桥既恍缘男〗嵌壬⑸涞睦鄯e，這種可能性要比1/8000小得多，絕大多數(shù)應(yīng)該是一次碰撞的結(jié)果，但這在湯姆遜的原子模型中是不可能發(fā)生的。

作為初略的估算，如果我們忽略散射的α粒子受到原子中電子的影響，只考慮原子中帶正電而質(zhì)量很大的部分對(duì)散射粒子的影響，按照湯姆遜原子模型，原子是半徑為R的均勻帶正電荷歷的球體，所以散射粒子與原子之間的庫(kù)侖力，當(dāng)r R時(shí)是2Ze2/(4πε0r2);當(dāng)r R時(shí)是2Ze2/(4πε0R3)。當(dāng)r=R時(shí)，即粒子掠過(guò)原子表面時(shí)作用力最大，所以原子對(duì)掠過(guò)原子邊界的α粒子有最大的偏轉(zhuǎn)。

為了估計(jì)α粒子由于散射而引起的動(dòng)量的變化，只要把作用力乘以α粒子在原子核附近掠過(guò)的時(shí)間(大約為2R/v)，即

從而α粒子的最大偏轉(zhuǎn)角為θmax，如下圖所示。

Eα是入射的α粒子動(dòng)能。

對(duì)于動(dòng)能為5MeV的α粒子，每次碰撞的最大偏轉(zhuǎn)角將小于10-3rad，要引起1°的偏轉(zhuǎn)，必須經(jīng)多次碰撞的積累，但因?yàn)槊看桅亮Ｗ拥钠D(zhuǎn)方向都是隨機(jī)而無(wú)規(guī)律的，所以發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的概率是十分小的，可以估計(jì)，要發(fā)生偏轉(zhuǎn)90°的散射，概率大約為10-3500，但實(shí)驗(yàn)值確是1/8000。

用盧瑟福自己的話說(shuō)：“這是我一生中從來(lái)未有過(guò)的最為難以置信的事件，它的難以置信好比你對(duì)一張白紙射出一發(fā)15英寸的炮彈，結(jié)果卻被頂了回來(lái)打在自己身上，而當(dāng)我做出計(jì)算時(shí)看到，除非采用一個(gè)原子的大部分質(zhì)量集中在一個(gè)微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，否則是無(wú)法得到這種數(shù)量級(jí)的任何結(jié)果的，這就是我后來(lái)提出的原子具有體積很小而質(zhì)量很大的核心的想法?！?/p>原子核式結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)過(guò)對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算和分析，盧瑟福于1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。在這個(gè)結(jié)構(gòu)模型中，原子有一個(gè)帶正電的中心體——原子核，所帶正電的數(shù)值是原子序數(shù)Z乘以單位電荷e值。

原子核的半徑在10-15m～10-14m之間。原子核外散布著Z個(gè)帶負(fù)電的電子圍繞它運(yùn)動(dòng)。但原子質(zhì)量的絕大部分是原子核的質(zhì)量。這樣一個(gè)原子的核式結(jié)構(gòu)模型在盧瑟福提出后很快被大家接受，認(rèn)為它代表了原子的真實(shí)情況。