【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(huì)”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(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)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(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)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(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)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(kù)（1庫(kù)倫=3×10?靜庫(kù)）；電勢(shì)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?！?

§9-6原子核的組成

【01】早在十九世紀(jì)初，人們根據(jù)元素的原子量都接近于整數(shù)的事實(shí)就以為所有元素都是由氫原子組成的。到了1919年，盧瑟福用人為方法使原子發(fā)生嬗變的實(shí)驗(yàn)成功以后，看到許多種元素的原子核在 α 粒子的轟擊下都能發(fā)射質(zhì)子，就更加相信一切原子核都是由氫原子核——質(zhì)子組成的。另一方面由于人們看到許多天然放射性元素的原子核會(huì)放出電子，似乎電子也是原子核的組成部分之一，于是就有人設(shè)想任何原子核都是由 M 個(gè)質(zhì)子和 M-Z 個(gè)電子所組成。因?yàn)檫@種假說(shuō)可以用來(lái)解釋原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)，所以直到1932年還被普遍地認(rèn)為是正確的。

【02】但是隨著原子物理學(xué)的發(fā)展，一門專門描述“微觀世界”現(xiàn)象的理論——波動(dòng)力學(xué)逐漸形成了。所謂“微觀世界”就是指有關(guān)分子、原子和原子核等微觀粒子的世界。根據(jù)波動(dòng)力學(xué)所論述的法則可以證明，在原子核里不可能有電子存在，如果原子核里確實(shí)存在著電子，那么它的能量就應(yīng)該比實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)值大得多。

【03】自從中子被發(fā)現(xiàn)以后，另一種關(guān)于原子核組成的觀點(diǎn)出現(xiàn)了。蘇聯(lián)物理學(xué)家伊凡寧科認(rèn)為原子核是由質(zhì)子和中子所組成的；在原子核中，質(zhì)子的數(shù)目等于它的電荷數(shù) Z，中子的數(shù)目等于它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)的差 M-Z? 。這個(gè)假說(shuō)成功地解決了上述矛盾，不久就獲得了普遍的承認(rèn)。從此，質(zhì)子和中子就統(tǒng)稱為核子。

【04】根據(jù)原子核的質(zhì)子-中子假說(shuō)，氮原子核，?N1? 的質(zhì)量數(shù)是 14，電荷數(shù)是 7，所以它是由 7 個(gè)質(zhì)子和 7 個(gè)中子組成的；α 粒子即氨原子核 ?He? 是由 2 個(gè)質(zhì)子和 2 個(gè)中子組成的。因?yàn)闅湓雍??H1 里只有1個(gè)質(zhì)子而沒(méi)有中子，因此氫原子核就是質(zhì)子。

【05】根據(jù)這個(gè)假說(shuō)還可以說(shuō)明，各種元素存在同位素是因?yàn)樗鼈冊(cè)雍酥械馁|(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的緣故，所以它們各具有不同的特征。例如，在鈾的同位素中：??U23? 是由 92 個(gè)質(zhì)子和 142 個(gè)中子組成的；??U23??是由 92 個(gè)質(zhì)子和 143 個(gè)中子組成的；而 ??U23? 是由 92 個(gè)質(zhì)子和 146 個(gè)中子組成的。天然的鈾就是由 99.28% 的鈾238、0.710% 的軸235和 0.006% 的軸234等組成的。

【06】既然原子核中沒(méi)有電子，為什么很多元素的原子核會(huì)發(fā)生 β 蛻變而放出電子來(lái)呢？原來(lái)電子是在原子核發(fā)生嬗變時(shí)產(chǎn)生的，原子核發(fā)射電子的情形就好比原子發(fā)射光子一樣。我們知道，原子內(nèi)并不存在光子，但是當(dāng)原子中處于激發(fā)狀態(tài)的電子從一個(gè)能級(jí)跳回到另一個(gè)較低的能級(jí)時(shí)就放出具有一定能量的光子；同樣當(dāng)原子核從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)，就有電子發(fā)射出來(lái)，雖然在原子核里并不存在電子。

【07】原子核在放射電子的時(shí)候，它本身究竟發(fā)生什么變化呢？還是讓我們舉例來(lái)說(shuō)明。例如，放射性鈉 ??Na2? 在發(fā)生 β 蛻變時(shí)，放出電子同時(shí)變成鎂24。這一蛻變過(guò)程可以寫作?? 。

【08】??Na2??與 ??Mg2??有什么不同呢？這兩種原子核的質(zhì)量數(shù)是相同的，但電荷數(shù)卻不同。這就是說(shuō)，放射性鈉的原子核是由 11 個(gè)質(zhì)子和 13 個(gè)中子組成的；而鎂原子核是由 12 個(gè)質(zhì)子和 12 個(gè)中子組成的。由此可知，在 β 蛻變的過(guò)程中，放射性鈉的原子核里一個(gè)中子變成了質(zhì)子，于是就形成了鎂24的原子核，同時(shí)在原子核的周圍產(chǎn)生了一個(gè)自由電子。

【09】為什么中子會(huì)變成質(zhì)子呢？科學(xué)研究表明，原子核里的質(zhì)子和中子是可以互相變換的，或者說(shuō)質(zhì)子和中子不過(guò)是核子的兩種狀態(tài)，核子可以處于“質(zhì)子”狀態(tài)，也可以處于“中子”狀態(tài)。在一定的條件下，原子核里的核子可以由一個(gè)狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)狀態(tài)：當(dāng)核子從“中子”狀態(tài)過(guò)渡到“質(zhì)子”狀態(tài)時(shí)，原子核就放出電子；當(dāng)核子從“質(zhì)子”狀態(tài)過(guò)渡到“中子”狀態(tài)時(shí)，原子核就放出正電子【正電子是質(zhì)量跟電子相等，所帶正電量等于電子所帶負(fù)電量的微觀粒子.是在1932年被發(fā)現(xiàn)的】。

【10】核子在原子核里集聚得非常緊密。例如鉛原子核 ??Pb2o? 的體積約為 4×10?3? 厘米，其中卻有 82 個(gè)質(zhì)子和 125 個(gè)中子，可見原子核的密度是十分巨大的，它的數(shù)量級(jí)達(dá) 101? 克/厘米3?？梢栽O(shè)想，如果把原子核一個(gè)個(gè)地排起來(lái)裝滿一個(gè)火柴盒，那它的重量就相當(dāng)于喜馬拉雅山的重量。

【11】我們知道，質(zhì)子都帶有單位正電荷，它們彼此間的距離又這樣小，顯然它們之間的電磁斥力一定很大，那又是什么作用力使它們這樣緊密地集聚在一起呢？是萬(wàn)有引力嗎？不可能。因?yàn)橘|(zhì)子間的萬(wàn)有引力要比靜電斥力小得多。由此可見，在原子核里，在各個(gè)核子之間一定存在著一種引力，而這種引力的總和一定要比質(zhì)子間電磁斥力的總和大得多，只有這樣才能使原子核保持穩(wěn)定。我們就把核子間的這種引力稱為核力。實(shí)驗(yàn)指出，核子只有在集聚得非常緊密的情況下才呈現(xiàn)出強(qiáng)大的核力，或者說(shuō)只有當(dāng)兩個(gè)核子間的距離在 3×10?13 厘米以內(nèi)時(shí)【這一距離要比原子核的半徑小得多】，它們之間的核力才遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電磁斥力；當(dāng)兩個(gè)核子間的距離超出 3×10?13 厘米以外，它們之間的核力就立刻顯著地減小，以至于小到可以忽略的地步。也正是這個(gè)原因，原子核里的核子只與它周圍的幾個(gè)核子發(fā)生作用。

【12】核子在原子核里是怎樣分布的呢？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題到目前為止還沒(méi)有完全得到解決?？茖W(xué)家們?cè)?jīng)提出過(guò)好幾種核模型，每一種核模型都只能用來(lái)解釋某一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而至今還沒(méi)有一種核模型能夠解釋所有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

【13】1937年，玻爾曾經(jīng)提出過(guò)一種所謂原子核的液滴模型。玻爾認(rèn)為，可以把原子核比作液滴，原子核里的核子可以想象為液滴里的分子。在原子核里，核子只與它周圍的幾個(gè)核子發(fā)生作用，這種情況跟液滴里的分子情況十分相似，而液滴里分子的不斷運(yùn)動(dòng)也相似于原子核里核子在不斷地運(yùn)動(dòng)。玻爾利用這個(gè)液滴模型成功地解釋了原子核發(fā)生核反應(yīng)的過(guò)程。他把原子核受到粒子轟擊后形成不穩(wěn)定復(fù)核的過(guò)程與液滴受熱相比擬，而把粒子從復(fù)核里飛出的過(guò)程看作是液滴在蒸發(fā)。圖9·11就是玻爾對(duì)核反應(yīng)過(guò)程解釋的示意圖。其中圖(a)表示在原子核“液滴”里插有一個(gè)具有兩個(gè)刻度的溫度計(jì)，左面的刻度是以百億度為單位，右面的刻度是以百萬(wàn)電子伏特為單位；一顆中子正在向原子核“液滴”射來(lái)。圖(b)表示中子侵入了原子核內(nèi)，“液滴”溫度升高到八百億度，核內(nèi)所有的核子都被“激發(fā)”了，“液滴”處于振動(dòng)的狀態(tài)下。圖(c)表示從原子核“液滴”里“蒸發(fā)”出一個(gè)粒子，于是溫度降低。圖(d)表示原子核放出了 γ 射線的光子后恢復(fù)正常狀態(tài)。

【14】此外，還有一種所謂 α 粒子模型，它認(rèn)為在原子核里，兩個(gè)質(zhì)子跟兩個(gè)中子常常更緊密地結(jié)合在一起形成一個(gè)粒子。這種模型可以用來(lái)解釋某些放射性元素能放出 α 粒子的現(xiàn)象。

習(xí)題9-4~9-6

1、盧瑟福通過(guò)什么實(shí)驗(yàn)第一次發(fā)現(xiàn)原子的人為嬗變現(xiàn)象？

2、嬗變和蛻變有什么區(qū)別與聯(lián)系？

3、中子是怎樣被發(fā)現(xiàn)的？它具有哪些特性？我們?yōu)槭裁床荒芾猛d云室或者汽泡室來(lái)探測(cè)中子的徑跡？

4、什么叫做核反應(yīng)？根據(jù)給出的條件，完成下列各核反應(yīng)方程，并指出核反應(yīng)的類型：

【

】

5、寫出下列各原子核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)：?C12，?O1?，??Ne22，??Mg2?，??Al2?，??Si2?，??P31，??Cl3?，??Ar3?，??Ar?o? ?！?,6；8,9；10,12；12,13；13,14；14,14；15,16；17,20；18,20；18,22】

6、既然原子核中并沒(méi)有電子，那為什么很多元素的原子核會(huì)發(fā)生 β 蛻變而放出電子來(lái)呢？原子核在放射電子的時(shí)候，它本身會(huì)發(fā)生什么變化？

7、在威耳遜云室中用高速質(zhì)子轟擊硼核(?B11)時(shí)，可以觀察到三條相同的幾乎是從一點(diǎn)發(fā)出的徑跡（見附圖），這說(shuō)明硼核俘獲了質(zhì)子后嬗變成三個(gè)相同的粒子，試問(wèn)這些是什么粒子呢？并寫出核反應(yīng)方程來(lái)?！睛?粒子；?B11＋?H1 → (?C12) → 3 ?He?】