原子核(nucleus)

原子核(nucleus)都是由质子和中子构成的，质子和中子叫重子，因为它们比电子重了近两千倍，所以普通物质被简化地称为重子物质，电子被无情地忽视了。而质子和中子都是由两种夸克构成，这两种夸克有两个普通得不能再普通的名字，上夸克和下夸克。

实验测到的原子核的质量都接近于氢原子核质量的整数倍。1919年，卢瑟福通过反应

发现了一种粒子，它带一个单位正电荷的电量，其质量与氢原子核质量相等，这种粒子被称为质子。同时，用快速α粒子轰击其他元素的原子核时也能产生这种粒子。这个发现说明了原子核内是包含质子的。但是原子核一般不能只由质子组成。就拿最简单的氘原子核来说.它的电荷等于质子电荷，但质量却为质子的两倍。原子核中还应包含什么成分呢?

人们根据放射线中有β射线(即电子流组成的射线)，曾设想原子核是由质子和电子构成的。但这不可能。人们可给出许多论证说明电子不可能存在于核内。例如，由不确定关系ΔxΔp~h(其中Δx、Δp分别为电子的位置和动量的不确定性)。利用相对论公式E2=p2c2+me2c4可以估计核内存在的自由电子能量约为数十MeV。而β衰变中观测到的电子最大的能量不超过数MeV。

直到1932年查德威克(Chadwick)发现了中子。人们才搞清了核的基本组成。原子核是由质子与中子组成的。

1930年，玻特(W.Bothe)等人利用反应

即用α粒子轰击锂、铍等轻元素时.发现一种贯穿力较强的辐射，它能穿过厚的铅板被计数管记录下来。同年，约里奥·居里夫妇重复实验.用钋α源照射铍靶，并用所放出的那种穿透性强的“射线”去轰击石蜡。遗憾的是，玻特和约里奥·居里夫妇都把这种辐射看成γ射线。实际上，根据康普顿散射计算得到的γ射线能量与通过吸收法测得的此“射线”能量相矛盾。可以说，他们走到一个重大发现的边缘，但没有想到“中子”的可能。

查德威克在了解到约里奥·居里夫妇的工作后，立即意识到他们观测到的不是康普顿散射。重复做了上述实验并经过认证分析后，查德威克大胆预言这种未知射线是一种新的粒子，它不带电，质量和质子相近，称为“中子”。卢瑟福的预言终于得到了证实。查德威克还利用1H和14N的反冲实验对中子质量进行了估计。在弹性碰撞下，考虑能量和动量守恒，可以很方便地得到下式：

其巾VH、VN分别为反冲氢核和氮核的速度，mn为中子的质量。查德威克的实验结果是VH=3.3×109cm/s，VN=4.7×108cm/s，由上式可计算mn。计算结果表明中子质量比质子质量略大一些。

中子的发现是核物理发展史上一个重要的里程碑。中子的发现不但说明原子核由质子和中子组成，更重要的是.人们找到了极好的轰击和分裂原子核的炮弹，开始了一系列重要的核反应研究。大大推动了原子核物理的发展。

不同的原子核所含有的质子和中子数目不同。中子和质子统称为核子，它们的质量差不多相等，但中子不带电，质子带正电.其电量为Ze。因此，电荷数为Z的原子核含有Z个质子。原子核所含有的中子数用N表示，则原子核的质量数A=Z+N。具有一定Z，A的原子核称为核素。下面介绍一些术语：

①同位素(Isotope)：Z同A不同的一些核素;

②同中子异荷素(Isotone)：N同Z不同的一些核素;

③同量异位素(Isobar)：A同Z不同的一些核素;

④同质异能素(Isomer)：Z.N相同，而能量状态不同的核素。表示为AmX，它表示这种核素的能量状态比较高。如60CO有寿命为10.5min的激发态。该同质异能素记为60mCo。为60Co的同质异能素。

随着实验手段的发展，更高性能的中高能重离子加速器、高能加速器等的投入使用。人们发现核内成分除了质子、中子外还存在非核子自由度。这些非核子自由度包括介子和夸克。

原子核极小，它的直径在10-15m~10-14m之间，体积只占原子体积的几千亿分之一，在这极小的原子核里却集中了99.96%以上原子的质量。原子核的密度极大，核密度约为1017kg/m3，即1m3的体积如装满原子核，其质量将达到1014t，即1百万亿吨。

原子核是由质子和中子组成的。不同核素的原子核可以用三个数来表征，质量数A，质子数Z，和中子数N。质量数等于质子数加中子数。

原子核的大小可以通过阿尔法粒子散射，高能质子散射，电子，中子散射等实验测量。散射实验表明原子核比原子的尺寸要小得多，只有飞米(fm)量级。即比原子的尺寸要小几万分之一。

随着A的增大，原子核的半径将越来越大。对氢原子核来说，其直径为约1.75fm，对比较重的原子核，比如铀，则可达到15fm。大小差了一个数量级。

原子核衰变也叫核衰变，是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程。认识原子核的重要途径之一。原子核衰变的类型有α衰变、β衰变和γ衰变三种，分别放出α射线、β射线和γ射线。

1、α衰变

放射性核素放射出α粒子后变成另一种核素。子核的电荷数比母核减少2，质量数比母核减少4。α粒子的特点是电离能力强，射程短，穿透能力较弱。

2、β衰变

β衰变又分β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。

①β-衰变

放射出β-粒子(高速电子)的衰变。一般地，中子相对丰富的放射性核素常发生β-衰变。这可看作是母核中的一个中子转变成一个质子的过程。

②β+衰变

放射出β+粒子(正电子)的衰变。一般地，中子相对缺乏的放射性核素常发生β+衰变。这可看作是母核中的一个质子转变成一个中子的过程。

③轨道电子俘获

原子核俘获一个K层或L层电子而衰变成核电荷数减少1，质量数不变的另一种原子核。由于K层最靠近核，所以K俘获最易发生。在K俘获发生时，必有外层电子去填补内层上的空位，并放射出具有子体特征的标识X射线。这一能量也可能传递给更外层电子，使它成为自由电子发射出去，这个电子称作“俄歇电子”。

3、γ衰变

处于激发态的核，通过放射出γ射线而跃迁到基态或较低能态的现象。γ射线的穿透力很强。γ射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。

原子核裂变也叫核裂变，是指由重的原子核(主要是指铀核或钚核)分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。

铀-235和铀-238是两种主要的铀同位素，在自然界，主要以铀-238的形式存在，大概占99.3%，而铀-235只占0.7%。尽管铀-235含量很低，但却是主要的核燃料。因此，我们在核电利用之前，需要经过浓缩过程，使氧化铀的含量处于3%~6%,最好处于5%水平。进一步浓缩，就可用于制造原子弹。

铀-235在一个中子的轰击下产生铯-137和铷-96两个碎片，也可能产生碘-131和钇-102，这个过程叫做“原子核裂变”，同时释放出能量。1 千克的铀-235完全裂变可释放4.1×1011焦耳的能量。

除了铀-235，可用于大规模核能利用的核素还有钚-239和铀-233，不过，这两种皆属于人造核素，产生于反应堆。铀-238在反应堆里面经过几次裂变，会变成钚-239。钚-239可能存在两种用途：用作核燃料或作为原子弹基本材料。令人格外担心的是，钚-239不仅是放射性物质，本身还具有化学毒性，而且半衰期以万年计，清除难度非常高。

日本东京电力公司曾计划在柏崎-刈羽核电厂试用MOX技术，即组合使用钚-239和铀-235，据说这样可以大大提高反应堆的功率。后因2007年的地震而于2010年10月改在福岛第一核电站3号机组进行试验。

原子核外电子排布是原子核外电子的一种排列规则。原子核外电子排布与原子轨道的能级次序有关，排布市主要服从三个规则:能量最低原理、泡利原理以及洪特规则。原子核外...[查看全部]

原子核是由质子和中子构成的等效于原子核是由质子和电子构成，这是原子核的二级结构;正负电子靠超强的静电引力吸聚在一起形成质子和中子，这是原子核的一级结构。

原子核的核能是原子核内储存的质子与质子、电子与电子之间产生的斥力作用，原子释放的能量是带正电核子分裂或聚合相互做功释放的能量。构成中子、质子和各种微粒的超强引力都来源于正负电子间的静电引力。

1、质子与中子的结构分析

在原子核试验中，发现了300多种很小的微粒，如质子、中子、e-子、e+子、π-子、π+子等，这些微粒都具有不同的物理特征，见下表：

由表中看出，通过对十几种粒子带电性统计，发现这些粒子有的显正电，有的显负电，有的显中性，这些粒子所显示的电性只限于0、-1和+1三种类型，这三种带电类型正好符合正电子与负电子的三种组合。

通过对粒子质量与电子质量的对比，发现它们的质量几乎都是电子质量的整数倍，其中质子的质量特性非常明显;通过对核反应的分析，发现中质子与中子可以相互转化，一个中子失去一个负电荷就转化为质子，一个质子获得一个负电子就再转化成中子，在原子核反应中，电量的转化是以电子的电量转移为单位，由此看出现在定义的“夸克”并不符合这一现象。“夸克”是实验得出的结果，夸克可以证明质子与中子不是最小的粒子。

原子核的带电量与核外电子的带电量相等，预示者核外电子有可能来源于核子。根据核粒子质量与电子质量成倍数的关系、原子核内正电荷数与核外电子数相等及核外电子有固定质量和电量的特点、根据核粒子显示三种带电类型、质子与中子转化的最小单位是电子、再结合几种“夸克”所具有的共性进行综合分析，得出“中子和质子是由最基本的微粒正电子和负电子构成米团子结构”最符合上述特性(见下图)。

中子与质子的这种结构与科学家们论述的“夸克理论”并不完全矛盾，目前所发现的几种“夸克”类型只不过是这种“米团子结构”中几个特

一谈到原子核物理，有人就会感到害怕，因为很多人会从原子核物理想到原子弹的巨大破坏力和放射性污染。原子核物理是研究原子核的结构和变化规律，获得射线束并将其用于探测、分析的技术，以及研究同核能、核技术应用有关的物理问题。简称核物理。

也有人对原子核物理感到新奇。是啊，物质由原子组成，这点谁都知道。可是，谁能拿出一个原子来看看呢?那小得不能再小的微粒到底是什么样子的呢?它那神秘莫侧的巨大能量，又是从哪里来的呢?它怎么会有放射性的?原子核都有放射性吗了……多少年来，就是这些间题吸引了无数原子核物理学家。

很早以前，人们把原子当作组成物质的最小微粒。“原子”这个词的希腊文原意，就是“不可分割的”。直到1911年，人们才认识到，原予并不是不可分的，而是由更小的原子核及环绕原子核运动的电子所组成。1932年，又进一步发现了原子核是由中子和质子组成的。

不同的原子核中，质子数和中子数都是不同的。到现在为止，人们在自然界里，已经找到了300多种原子核，又用人工方法制造出了1600多种原子核。原子核的大小只占整个原子体积的万分之一，而质量却占整个原子质量的99%以上。

这种情况使人们认识到，原子的结构是很松的，而原子核的结构却是很紧的。实验证明，每1立方厘米原子核，质量就达到1亿吨。也就是说，1立方厘米的原子核，要用1万艘万吨轮来运载!

1、强子物理

强子，包括介子和重子，是能从物质中分离出来的、已观测到的具有内部结构的最小单元。强子内部的夸克–胶子结构以及可能存在的新强子态是当今人类正在探索的物质世界的最微观部分，是中高能原子核物理和粒子物理共同关心的交叉前沿热点。

2、核物质性质和相图

得益于现代加速器和探测器技术的高速发展，高能原子核物理在过去几十年取得了巨大的成功。国际社会和政府的持续高投入，使得大科学装置的建设和连续运行得到保障。

一些重

原子核裂变简称核裂变，又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化。是指由重的原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的原子的一种核反应形式。

只有一些质量非常大的原子核像铀(yóu)、钍(tǔ)等才能发生原子核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生原子核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生原子核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。

原子核裂变是在1938年发现的，由于当时第二次世界大战的需要，原子核裂变被首先用于制造威力巨大的原子武器——原子弹。原子弹的巨大威力就是来自原子核裂变产生的巨大能量。目前，人们除了将原子核裂变用于制造原子弹外，更努力研究利用原子核裂变产生的巨大能量为人类造福，让原子核裂变始终在人们的控制下进行，核电站就是这样的装置。

与其他的物理发现不同，原子核裂变的发现完全是出人意料的。当哈恩和斯特拉斯曼发现铀元素被中子轰击后会导致钡元素的出现时，他们是如此震惊，以至于在宣布这一发现的论文中写道：“我们还没有准备好迈出如此巨大的一步，它与所有已知的核物理实验相背离”。

1932年英国物理学家查德威克发现了期待已久的中子。这是一个伟大的发现，诱发裂变反应的主角登场了。中子的发现具有非凡的意义，不仅完成了原子核是由质子和中子组成的核模型，而且为变革原子核提供了一个有力的武器。

先前人们是使用α粒子作为人射粒子轰击原子核的，但α粒子带正电荷，被轰击的原子核也带正电荷，必须克服库仑排斥力才能打人原子核。而中子不带电，可以长驱直入地打入原子核。因而，中子是一个研究原子核结构的理想“炮弹”。

科学家立即开始用中子去轰击各种元素，研究所引起的核反应。特别是意大利物理学家费米等人，按照元素周期

原子核衰变，简称核衰变，是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程。认识原子核的重要途径之一。原子核衰变有3种：α衰变、β衰变、γ衰变。

其根本原因在于核内的核力与库仑力不是处于平衡状态。无论是质子还是中子，它们之间存在核力，属吸引力。质子与质子之间存在库仑力，当然众所周知，属于排斥力。

如果质子过多，那么排斥力大于吸引力，当然不稳定。通过质子变成中子等效应，降低排斥力，增加吸引力，最终使二者达到平衡。这就是(级联)衰变过程。同样，如果中子过多，吸引力过大于排斥力，二力不平衡，也影响系统的稳定。所以要衰变，减少中子数或增加质子数。

综上所述，当核内质子数与中子数搭配协调时，体系才稳定。否则就衰变，向稳定过渡。这就好比一个社会，男女比例不可以太失调。另外，当核内有过多的质子和中子时(比如质量数超过200时)，即使二力平衡也不稳定。这就好比搭积木，积木越多框架越不稳定。也好比一个国家，比如以前的苏联，国家太大了，就不好治理。

α衰变

α衰变，是一种放射性衰变(核衰变);发生α衰变时，一颗α粒子会从原子核中射出;α衰变发生后，原子核的质量数会减少4个单位，其原子序数也会减少了2个单位。α衰变是一种核裂变，当中涉及量子物理学中的隧穿效应，和β衰变不同的是α衰变是由强核力力场产生和控制。

设衰变前的原子核(称母核)为X(Z，A)，这里Z为原子序数，A为质量数，衰变后的原子核(称子核)为Y(Z-2，A-4)，则α衰变可表示为

X(Z，A)→Y(Z-2，A-4)+α

一颗α粒子带有5兆电子伏特的动能，其移动速度是每秒15000公里，即是只达到5%光速;由于α粒子相对大的质量，其+2的电荷，以及相对慢的移动速度，它们实在太容易就会和其他原子核和粒子反应及失去其能量，α粒子在几厘米厚度的空气内就会被吸收。

地球上大多数的氦气都是来自地下蕴藏

原子核外电子排布是原子核外电子的一种排列规则。原子核外电子排布与原子轨道的能级次序有关，排布市主要服从三个规则:能量最低原理、泡利原理以及洪特规则。

原子核外电子排布是有规律的，首先是电子按层排布，而且每层最多容纳的电子数为2n2个;其次，最外层电子数不得超过8个，而次外层的电子数则不能超过18个。这些规律是从实验和周期律总结出来的，核外电子的排布服从如下的三个规则:

1、能量最低原理:

核外电子的排布将尽可能使体系的能量最低。因此，电子首先排布在能量最低的轨道上，最低轨道排满后，电子再进入能量较高的轨道。

2、泡利原理:

在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同一状态(这里指的是由三个量子数n，l，m规定的状态或称为轨道)，但这两个电子的自旋方向必须相反。

这就是说，在同一原子中不可能有二个或更多个电子有完全相同的四个量子数。这个原理是泡利根据实验总结出来的，泡利原理是自旋量子数为半整数的一类牡子(如电子、质子和中子等)所遵从的统计规律的反映。

从几率的观点来看，两个电子在某一瞬间同时在空间某点出现的几率等于零，这说明电子有相互回避的特性，这种特性就反映在泡利原理中。

3、洪特规则:

在不违背能量最低原理和泡利原理的前提下，在由相同的主量子数n和角量于数l规定的等价轨道上排布电子时，电子总是先单独而且自旋平行地占据尽量多的轨道，当各等价轨道上都占有一个电子后，电子继续境充时才逐一填充在己有一个电子的轨道上，这一规则是洪特根据光谱实验总结出来的，又称为尽量不成对原理。

原子核外电子排布时，其主要依据是原子轨道的能级次序。

原子轨道能是指和电子波函数Φ1相应的能量E1。原子的总能量近似等于各个电子的原子轨道能之和。电子结合能是指在基态原子中当其它电子处于最低能态，电子从指定轨道上电离时所需要能量的负值。电子结合能