核科学基础知识

核科学基础知识

概述

核科学是研究原子核的结构、特性和相互作用的科学。普通物质的质量几乎全部都集中在原子核。了解核物质在常态和极端状态下的表现非常不易。极端状态存在于早期的宇宙中、存在于当今星球的内核，也可在实验室中通过原子核的相互碰撞实现。

核子科学家藉由测量静止时和碰撞状态下核子的性能、形状和衰退来进行研究。他们要解决的问题有：核子为什么停留在核心中？质子与中子有哪些可能的组合方式？当核被挤压的时候什么发生？地球上的核子起源于何外？核子科学家使用以下方法进行理论和实验研究：高能粒子加速器、创新的检测仪器和最前沿的计算设备。

原子

在20 世纪早期，已经有极具说服力的证据表明物质可以由原子理论加以描述，也就是说，物质是由一些种类不多的、我们称为原子的建筑模块组成。这一理论为当时已知的化学反应提供了一致的、统一的解释。然而，这个原子理论无法解释一些神秘现象。1896 年，A.H.Becquerel （贝克勒尔）发现了具有穿透力的放射线。在1897 年，J.J.Thomson （汤姆逊）指出电子带有负电荷，并且来自于普通物质之中。物质要呈电中性，必定在某处有正电荷潜藏。那么正电荷究竟在哪里，被什么携带呢？

1911 年出现了一次里程碑的突破。当时，Ernest Rutherford （卢瑟福）和他的同事想要通过实验找到一束阿尔法粒子（氦核）的穿过薄的金箔后的散射角度。

原子的模型

在Rutherford 模型中，原子中心的点是原子核。核的大小被扩大以使在图像中可以看到。

Rutherford 实验的预期结果本来是什么？它取决于原子的组织结构。当时流行的Thomson 模型（或称为”葡萄干—布丁”原子）认为带负电荷的电子（葡萄干）与四处填满的、带正电荷的质子（布丁）混合在一起。这个模型能够解释海量物质的电中性，而且能够解释电荷的流动。按照这一模型，一个阿尔法粒子发生散射时，散射角几乎不可能大于零点几度，而绝大部分几乎不会发生散射。

Rutherford 实验的结果是令人惊讶的：绝大多数的阿尔法粒子正如所期望的那样，几乎不会散射。但也有阿尔法粒子发生了大于90 度的散射，这对“葡萄干布丁”模型来说是不可思议的。主要就是由于这一类型的实验，导致了原子有一个核心的模型的提出。与Rutherford 试验唯一兼容的模型是：一个很小的位于中心的核（原子核）带有正电荷，并具有原子质量的绝大多数，而原子的绝大多数体积却是由绕原子核转动的、分散的电子占据。

按照经典电磁理论，一个以圆形轨迹运行的电荷会丢失能量。在Rutherford 模型，电子绕原子核的运行类似于行星绕太阳运行。然而，在这一模型下，没有任何东西阻止电子由于丢失能量而在库伦引力的作用下坠入原子核。这一稳定性的问题在1913 年被Niels Bohr 用一个新模型解决。这个模型中电子以特定的轨道绕核旋转，而不会因为丢失能量以螺旋轨道坠入核子里。这个模型是量子力学的开始，量子力学成功地揭示了原子的许多特性。Bohr 的原子模型能够很方便地解释氢原子能级。

原子核

原子核是由核子构成，核子有质子和中子。质子和中子由夸克组成，并被夸克之间胶子交换而产生的强作用力结合在一起。在由多个核子构成的原子核中，强作用力可以用介子（由夸克- 反夸克粒子对组成）交换来描述。一个质子由两个上夸克和一个下夸克及寿命很短的强作用域组成。中子与质子相似，但它有两个下夸克和一个上夸克。虽然科学家确信核子由夸克组成，但还从未在实验中成功分离出一个单一夸克。往核子内部加入能量以图分离夸克将增加它们之间的结合力。而在能量足够高时，能源的增加将产生新的粒子而非释放夸克。

放射能

如果原子核内中子和质子以一种不稳定的方式组合，那么原子就具有放射性。对于质子数（Z ）小的原子，维持原子稳定所需的中子数（N ）大约与质子数相等。举例来说，在绝大多数碳原子的原子核中，有6 个质子和 6 个中子。对质子数多的原子核，质子之间的排斥电荷力致使需要更多的中子才能构成稳定的原子核，一个稳定的铅原子核中包括126 个中子和82 个质子。一个放射性的原子，在质子数量和中子数量之间缺乏适当的平衡，就会经过放射性的衰变而达到一个较稳定的组合。这种衰变在时间上是随机发生的，但是大量放射性材料可预期寿命。常见的衰变产物依希腊字母的前三个来命名- 阿尔法( a ), 贝塔( b ), 和伽玛( g ) 。在阿尔法衰退方面，一个氦核从一个原子核分裂出来。阿尔法放射使原子核减少两个质子数字和两个中子数。贝塔衰变可以如下任何一种方式进行：发射一个电子和一个反中微子，或者发射它们的反粒子，即正电子和中微子。贝塔衰变将原子核中的一个质子变成中子，或将一个中子变成一个质子，从而改变原子核中的质子、中子数量。反贝塔衰变过程中原子核则获得一个电子。在gamma 衰变中，一个高能光子离开核子，从而原子核形成更稳定的、低能结构。一个大原子核自然分裂生成小质量原子核也是放射的一种形式。

阿尔法衰变

阿尔法粒子衰变

在图中所示的阿尔法衰变中，原子核发出一个 4 He 核，即一个阿尔法粒子。在质子/ 中子比数太大的重原子核中，最常发生阿尔法衰变。一个阿尔法质子带两个质子和两个中子，是一个非常稳定的粒子结构。阿尔法放射减小母核中的质子中子比率，使其成为一个比较稳

定的结构。许多比铅重的原子都按这一方式衰变。

以210 Po 的阿尔法衰变为例：反应式可以写成210 Po ? 206 Pb + 4 He 。Po 原子核有84 个质子和126 个中子。质子数对中子数的比率是Z / N = 84/126 ，即0.667 。一个Pb 核子有82 个质子和124 个中子，质子数对中子数的比是82/124, 即0.661 。质子数对中子数比率的这一小小改变，已足以使原子核处于较稳定的状态，并且如下图所示，使得子核（衰变产物）位于核素图中稳定的区域。

在阿尔法衰变中，原子序数发生改变，因此，最初的（或母）原子和子原子（衰变产物）是不同的元素，具有不同的化学性质。

核素图上端

原子发生阿尔法衰变时，结合能转变为阿尔法粒子和子核的动能。由于能量必须在这两种粒子之间分享，并且阿尔法粒子和子核一定有等量且方向相反的动量，所以衰变之后的阿尔法粒子和反冲的子核将会有明确的能量。因为阿尔法粒子质量较小，大部分动能都传给了它。

Beta 衰变

Beta 粒子是电子或正电子（带正电荷的电子，或称反电子）。一个原子核如果带有太多质子或中子，而其中的一个质子变成了中子，或一个中子变成了质子时，就发生了Beta 衰变发生。beta 负衰变时，一个中子变成一个质子，一个电子和一个反中微子：n ? p + e - + 。Beta 正衰变时，一个质子变成一个中子，一个正电子和一个中微子：p ? n + e+ + n 。两种反应都可以发生，因为在核素图的不同区域，这两种反应之一将会使衰变产物移到稳定的区域。按照守恒定律，就会发生某一种反应。按照电荷守恒定律，一个电中性的中子变成一个质子时，必须生成一个负电荷的粒子（此时为电子）。与此相似，按照轻子数守恒定律，一个中子（轻子数为0 ）衰变成一个质子（轻子数为0 ）和一个电子（轻子数为-1 ）时，必须生成一个轻子数为-1 的粒子（此时为反中微子）。Beta 衰变发射出的轻粒子在衰变之前并不存在于原子核中，它们是在衰变那一刻生成的。

我们已知，一个隔离的质子，即一个氢核，不论带不带电子，不发生衰变。然而在一个