【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第九章原子核的結(jié)構(gòu)

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫（1庫倫=3×10?靜庫）；電勢的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的。】??

§9-2放射性射線的性質(zhì)

【01】我們已經(jīng)知道，天然放射性射線是由 α、β 和 γ 等三種性質(zhì)不同的射線組成的。α 射線是帶正電的高速粒子流，β 射線是帶負(fù)電的高速粒子流，而 γ 射線是一種光子流。現(xiàn)在我們進(jìn)一步來研究它們的性質(zhì)。

【02】根據(jù) α 射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況，我們可以確定：α 粒子的荷質(zhì)比約為電子荷質(zhì)比的 1/3600。同時利用蓋革計數(shù)器可以測出 1 克純鐳每秒鐘放出 3.71×101o 個 α 粒子，再測出這些粒子所帶的總電量后，就可以算出?α?粒子所帶的電荷 q＝＋2e，它的質(zhì)量 M＝4 原子質(zhì)量單位【原子質(zhì)量單位就是化學(xué)里的原子量，1 個原子質(zhì)量單位約等于 1.6598×10?2? 克】。由此可知 α?粒子就是失去 2 個電子的氦原子，即氦原子核。為了驗證這一點，盧瑟福早在1909年就做過一個實驗，圖9·5就是這個實驗裝置的示意圖。圖中 A 是一個薄玻璃管，它的厚度以 α 粒子可以穿透為準(zhǔn)。A 管安置在一個上端比較狹細(xì)的厚玻璃管 B 里，B 管的上端還封有兩個電極。實驗時先把 B 管內(nèi)的空氣抽空，并封以水銀；然后在 A 管里放入少許鐳鹽，作為 α 粒子源。幾天以后，A 管里的 α 粒子就穿過玻璃壁而進(jìn)入 B 管，這時我們提高 B 管內(nèi)的水銀面以把其中含有?α?粒子的稀薄氣體壓入 B 管狹細(xì)部分，同時在兩極上加上高電壓，則 B 管上端就會有放電現(xiàn)象產(chǎn)生，從而發(fā)生強(qiáng)烈的光芒，經(jīng)過光譜分析可知，其中有氦氣存在。這說明?α?粒子在放電過程中獲得了 2 個電子而變成了氦原子。

【03】此外，在所有能放出?α?粒子的放射性物質(zhì)的礦穴中，總可以發(fā)現(xiàn)有氦氣存在；而在所有沒有放射性物質(zhì)的礦穴中又都沒有氦氣存在。這些事實也充分說明?α?粒子是氫原子核。

【04】關(guān)于?α?粒子的速度，實驗表明：不同的放射性物質(zhì)所放射的?α?粒子的速度是各不相同的，但同一種放射性物質(zhì)所放射的?α?粒子速度幾乎是一定的。α?粒子的速度最高可達(dá) 2×10?米/秒，用這樣的速度只要 2 秒鐘就可以繞地球一周。

【05】α 射線很容易被其他物質(zhì)所吸收，一片很薄的云母片，或者一片只有 0.05 毫米厚的鋁片就可以把?α?射線全部吸收掉。這是因為?α?粒子帶有 2 個單位正電荷，對電子的電磁作用很大，所以當(dāng)它經(jīng)過物質(zhì)時，很容易使物質(zhì)電離，而在它的徑跡上產(chǎn)生許多離子對【失去了電子的原子（即離子）和它所失去的電子合稱為離子對】。由于?α?粒子每產(chǎn)生一對離子，都要消耗它本身一定的動能，因此它們在經(jīng)過其他物質(zhì)時，總是愈走愈慢，最后就和物質(zhì)中的某 2 個電子結(jié)合成氦原子。所以在物質(zhì)中電離作用愈強(qiáng)的射線，就愈容易被物質(zhì)吸收。

【06】為了描述?α?粒子或者其他帶電粒子被物質(zhì)吸收的情況，通常我們把帶電粒子在物質(zhì)中所走過路程的長短叫做射程，帶電粒子的種類不同，能量不同，或者在不同的物質(zhì)中，它的射程就不同。下表所列的就是具有不同能量的?α?粒子在幾種物質(zhì)中的射程。我們可以根據(jù)?α?粒子在威耳遜云室里的徑跡來確定它在一定物質(zhì)中的射程，從而來測量?α?粒子的能量。

【07】β 射線是一種貫穿能力較大的放射性射線，大多數(shù) β 粒子都能夠穿過幾毫米厚的鋁片。根據(jù)?β?射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)情況，可以測出它的能量和速度，由于?β?粒子的荷質(zhì)比遠(yuǎn)大于 α 粒子的荷質(zhì)比，因此測量時不需要很強(qiáng)的磁場。β?射線有很多性質(zhì)跟陰極射線相似，但是?β?粒子所具有的能量卻比通常觀測到的陰極射線能量高得多。后來才知道，β?射線原來是一種高速電子流；β?粒子就是電子。β?粒子的速度很大，例如由放射性鐳放出的?β?粒子，速度幾乎接近光速。

【08】β?粒子所帶的電量 q＝－e，只有 α 粒子所帶電量的一半；它的質(zhì)量 M＝0.000549 原子質(zhì)量單位，約為 a 粒子質(zhì)量的1/7200，因此?β?粒子在經(jīng)過物質(zhì)時，電離作用較弱，不象 α 粒子那樣容易被物質(zhì)所吸收；而射程卻要比?β?粒子大得多。例如 3 百萬電子伏特能量的 α 粒子在 1 個大氣壓 15°C 的空氣中，其射程約為 2.8 厘米，在每毫米路程中約產(chǎn)生 4000 個離子對；而能量相同的?β?粒子在同樣的空氣中射程約為 1000 厘米，在每毫米路程上只能產(chǎn)生 4 個離子對。β?粒子在每毫米路程上產(chǎn)生的離子對數(shù)目隨著它速度的減低而增加，最后就成了物質(zhì)中的自由電子，或者與某個離子結(jié)合成中性原子。下表所列的是不同能量的?β?粒子在幾種物質(zhì)中的射程。

【09】β 粒子與 α 粒子的性質(zhì)不同還可以從它們在威耳遜云室里的徑跡中表現(xiàn)出來。圖9·6就是關(guān)于它們的徑跡的照片。α 粒子由于電離作用強(qiáng)，而又不易散射，因此它的徑跡粗而濃，并且很直；β 粒子由于電離作用較弱，而且容易散射，因此它的徑跡細(xì)而稀，并且有彎彎曲曲的現(xiàn)象。

【10】γ 射線常伴隨著 α 射線或者 β 射線產(chǎn)生。它的性質(zhì)與一般的可見光、紫外線、倫琴射線很相似，也是由光子組成的。所不同的是 γ 射線的能量很大，一個?γ?光子的能量約在幾十萬電子伏特以上，而一般可見光的光子只有幾個電子伏特。

【11】γ?射線被物質(zhì)吸收的情況和 α、β 等帶電粒子被吸收的情況不同，因為光子的速度是固定不變的。γ?光子在經(jīng)過物質(zhì)時，可能把全部能量傳給原子中的一個電子而使原子電離；也可能把一部分能量傳給原子中的一個電子或者傳給自由電子，從而本身變成能量較低的光子，同時改變了運動方向，離開了原來的光子流。所以?γ?射線在經(jīng)過物質(zhì)時，速度并不減小，只是光子數(shù)目逐漸減少。因此對于?γ?射線來說，研究它的射程意義并不大，通常我們總是用穿過多厚的物質(zhì)后強(qiáng)度減弱多少來說明?γ?射線被物質(zhì)吸收的情況。實驗表明：γ?射線在空氣中飛行了幾百米以后，強(qiáng)度并沒有顯著的減弱。下表列出了使不同能量的?γ?射線強(qiáng)度減弱一半所需要的物質(zhì)的厚度。

【12】從原子核能夠發(fā)射?γ?射線的事實，可以知道原子核中也存在著能級，原子核中能量的分布也是一級級的，或者說原子核能夠處在各種激發(fā)狀態(tài)中。當(dāng)原子核從能級較高的激發(fā)狀態(tài)躍遷到能級較低的狀態(tài)時，就發(fā)出?γ?射線來。這個現(xiàn)象和原子中的電子從能級較高的激發(fā)狀態(tài)躍遷到能級較低的狀態(tài)時發(fā)射可見光或者倫琴射線十分相似。由于原子核中能級間的能量差很大，一般說來，要比電子殼層間的能量差大得多，因此發(fā)射出來的?γ?射線的能量比可見光也大得多。