【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎教育但卻很不扎實的學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本大學基礎自學內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數(shù)理化自學教材大系列。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)術語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，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)理化自學叢書6677版』上傳成文字版。?

第九章原子核的結構

【山話||? 本系列專欄中的力單位達因等于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。】?

§9-5中子

【01】1930年，德國物理學家玻特和白克爾在仔細研究 α 粒子所引起的核反應時，發(fā)現(xiàn)一種輕元素鈹(Be)在?α?粒子的轟擊下并不發(fā)射質(zhì)子，而放出一種穿透能力非常強的射線來；后來又發(fā)現(xiàn)輕元素硼(B)在?α?粒子的轟擊下也會產(chǎn)生同樣的情況。當時他們錯誤地以為這種射線是一種 γ 射線。根據(jù)這種射線在透過鉛板后強度減弱的情況，可以肯定它的能量在 10 百萬電子伏特左右，即要比任何天然放射性物質(zhì)所發(fā)出的 γ 射線的能量來得大。

【02】到了1932年，伊麗芙·居里和約里奧·居里又進一步發(fā)現(xiàn)，這種射線在穿過石蠟或其他含氫物質(zhì)時會使這些物質(zhì)放出速度約為 3×10? 米/秒的質(zhì)子來。如果認為這些質(zhì)子的產(chǎn)生是由于原子核受到 γ 光子碰撞的結果，那么計算表明，這種 γ 光子的能量至少應該具有 50 百萬電子伏特，否則就不可能給質(zhì)子那么大的速度，然而這跟實際測得的數(shù)據(jù) 10 百萬電子伏特有矛盾。后來恰德維克又對這種射線在經(jīng)過不同物質(zhì)時的情況進行了系統(tǒng)的研究，他指出，只有假定鈹(Be)、硼(B)等輕元素的原子核在?α?粒子的轟擊下，放出的不是 γ 光子，而是一種質(zhì)量跟質(zhì)子差不多的中性粒子，才能解決上面的矛盾。恰德維克把這種中性粒子叫做中子。不久，這個假定就被其他許多實驗證實了。

【03】圖9·10所示的是恰德維克用來表明中子穿過石蠟片時，能使石蠟放出質(zhì)子來的實驗裝置。圖中左邊的容器Ⅰ是用來產(chǎn)生中子的。其中有個金屬盤 P，上面涂著一層釙(Po)作為?α?粒子源；B 是鈹(Be)片，它在?α?粒子的轟擊下就發(fā)出中子。圖中右邊的容器 Ⅱ 是個帶有鋁箔窗 W 的電離室，即是一個簡單的蓋革計數(shù)器。放在電離室前面的是石蠟片 D? 。

【04】實驗時，先不放石蠟片 D，我們就會看到，在左右兩容器相隔 3 厘米時，計數(shù)器上指出每分鐘的粒子數(shù)是 4。很明顯，這并不等于說每分鐘只有 4 個中子進入容器 Ⅱ。因為中子不帶電，所以它在進入電離室后不能使其中的氣體電離，而只有極少數(shù)的中子可以在撞擊電離室器壁的過程中引起原子核的運動從而產(chǎn)生離子，因而計數(shù)器對進入容器 Ⅱ 的中子計數(shù)是不精確的。如果在容器間放入一塊鉛片，計數(shù)器上的計數(shù)并不會減少，這表明中子的穿透能力是很強的。當我們在容器間放入一塊石蠟片 D 時，計數(shù)器上的計數(shù)就大大地增多了，這說明含氫的石蠟片 D 在中子的轟擊下放出了速度很高的質(zhì)子，這些質(zhì)子在容器 Ⅱ 內(nèi)產(chǎn)生了強烈的電離作用。如果取走石蠟片 D，讓中子直接進入容器 Ⅱ，則計數(shù)器上的計數(shù)就又回降到原來的數(shù)字。

【05】因為中子是中性粒子，它在磁場或電場中并不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以我們不能利用它在磁場或電場中的徑跡來計算它的質(zhì)量。但是當它穿過物質(zhì)時，它將與物質(zhì)中的原子核發(fā)生碰撞，從而把能量傳給原子核，使原子核運動。這種受到中子碰撞而發(fā)生反沖運動的原子核就叫做反沖核。根據(jù)這種碰撞情況利用動量、能量守恒定律就可以間接地把中子的質(zhì)量推算出來。恰德維克就是利用這種方法得出中子質(zhì)量接近于質(zhì)子質(zhì)量的結論。根據(jù)最新的數(shù)據(jù)，中子質(zhì)量等于 1.008986 原子質(zhì)量單位；而質(zhì)子質(zhì)量等于 1.007593 原子質(zhì)量單位。因此我們可以把中子的符號寫作為 ?n1；于是前面提到的關于中子產(chǎn)生的核反應方程可以寫作?；? 。

【06】此外，我們還發(fā)現(xiàn)，除了氧和碳以外，原子序數(shù)在 19 以下的輕元素，在 α 粒子的轟擊下大都能產(chǎn)生中子。例如?；? 。

【07】通常我們把這種核反應叫做 α-n 型核反應.由此可知，輕元素的原子核在?α?粒子的轟擊下不一定放出質(zhì)子，也可能放出中子。

【08】因為中子是中性粒子，很難使氣體電離，所以中子不能使熒光物質(zhì)發(fā)出閃光，也不能使乳膠片“感光”；同時我們也不能利用威耳遜云室來觀察它的徑跡，或是利用蓋革計數(shù)器來對它進行計數(shù)。因此我們只能用間接的方法來探測它的存在和它的能量值。例如當中子和原子核碰撞而產(chǎn)生反沖核時，這些反沖核在它們的徑跡上產(chǎn)生大量的離子，這些離子可以在威耳遜云室中被觀察到，這樣也就間接地探測到中子的存在。同時我們還可以根據(jù)反沖核的射程來確定中子的能量。又例如當中子在穿過乳膠片時，雖然中子本身并不能留下徑跡，但是它能使乳膠中輕元素的原子核發(fā)射質(zhì)子，于是我們就可以根據(jù)這些質(zhì)子在乳膠中的射程來推測質(zhì)子的能量，從而間接地把中子的能量也推算出來。

【09】因為中子是中性粒子，它不象帶電粒子那樣容易和原子中的電子發(fā)生相互作用，所以當中子經(jīng)過物質(zhì)時，能量損失很少，這也就是中子具有很強的穿透能力的原因。中子可以穿透幾十厘米厚的鉛板。

【10】因為中子是中性粒子，所以當它經(jīng)過物質(zhì)時，很容易接近原子核而使它發(fā)生嬗變。我們知道，用 α 粒子作為“炮彈”來轟擊原子核時，命中的可能性是很小的，大約需要 10? 個?α?粒子“炮彈”才能使一個原子核發(fā)生嬗變。因為?α?粒子荷正電，要受到原子核的推斥，故不易擊中原子核，又因為絕大多數(shù)的?α?粒子在跟原子核發(fā)生碰撞以前，必須經(jīng)過很多的原子，結果就把大部分的能量損失在使那些原子電離上，而剩下來的能量已經(jīng)不足以侵入原子核，所以只有少數(shù)?α?粒子才能引起原子核的嬗變。中子的情況就不同，因為中子沒有電荷，在經(jīng)過原子時，不會跟核外電子相互作用而損失能量，所以中子可以自由地通過很多原子，這樣命中原子核的機會就多了。因此，在核反應中，中子是一種很好的“炮彈”，中子幾乎能使一切元素的原子核發(fā)生嬗變。例如盧瑟福曾經(jīng)利用當時最快的?α?粒子作“炮彈”，也沒有能引起氧原子核的嬗變；但是利用中子來轟擊氧原子核，就能使它放出?α?粒子而嬗變成碳 13 了。

【11】下面就來介紹幾種由中子所引起的核反應。實驗表明，不但高能量的中子容易引起核反應，就是低能量的中子也同樣容易引起核反應，有時甚至比能量大的中子更為有效。例如有幾種輕元素的原子核在低能量的中子的轟擊下會放出?α?粒子來。這種核反應通常稱為 n-α 型核反應。如；? 。

【12】一般用來檢查中子是否存在的靈敏探測器就是利用上述核反應的原理制成的。它的構造很簡單，就是在一個電離室的內(nèi)壁上涂一層含硼的化合物，當中子進入室內(nèi)時，由于碰撞內(nèi)壁而產(chǎn)生的 α 粒子可以使室內(nèi)氣體電離，這樣就可以確定中子的存在。除 n-α 型核反應外，還有 n-p 型、n-2n 型的和 n-γ 型的核反應等。例如；；；? 。

【13】核反應的種類很多，我們不僅可以用 α?粒子和中子作“炮彈”，而且還可以用質(zhì)子、氘核（重氫核 ?H2）、γ 光子等粒子作為“炮彈”來轟擊原子核，使它發(fā)生嬗變。實驗表明，各種能量不同的粒子都有可能進入原子核，但是進入原子核的可能性的大小卻跟粒子所具有的能量有關，粒子所具有的能量越大，那么與原子核碰撞時，進入原子核的機會也就越多。因此為了提高“炮彈”的能量，就可以運用加速器來獲得能量高達幾十個甚至幾百個百萬電子伏特的高速粒子。用加速的碳原子核、氮原子核、氧原子核等來做“炮彈”轟擊原子核時，可以獲得某些罕見的不穩(wěn)定同位素和新元素。如最近用加速的碳原子核 ?C13 來轟擊鋦(Cm)時，發(fā)現(xiàn)了電荷數(shù) Z 等于 102 的超鈾元素?！炯铀倨魇怯萌斯し椒▉懋a(chǎn)生高速帶電粒子的設備，加速器的種類很多，例如靜電加速器是通過一個很高的電壓來加速帶電粒子的加速器，回旋加速器是通過一個不很高的電壓來反復多次地加速帶電粒子的加速器，電子加速器是專門用來加速電子的加速器等等】