原子和原子核

图10-2 α粒子散射实验
图10-3 α粒子散射实验结果
1910年12月，卢瑟福对大角度散射过程 的受力关系进行计算，得出一个新的原子结 构设想——原子有核模型，如图10-4所示。 他认为 粒子是在同作为靶的金属箔的原 子一次碰撞中改变其方向的，因此原子中有 一个体积很小、质量很大的带正电荷的原子 核，它对带正电荷的 粒子的很强的排斥力使 粒子发生大角度偏转。原子核的体积很小， 其直径约为原子直径的万分之一至十万分之 一，核外是很大的空的空间，带负电的、质 量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动。
原子核由质子和中子组成，质子带电，中子不带电，质子和中子统称为 核子。原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总数，叫做原子核的质子 数，也称为电荷数，用Z来表示，原子核的质量数用A表示。 原子核常用符号 Z X 表示，其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z 4 235 为原子核中的质子数。例如， 2 He 代表质子数为2、质量数为4的氦核； 92 U 代 表电荷数为92、质量数为235的铀核。
电子发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。 但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中还有与电子的电荷等量的正 电荷，所以，研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎样分布的问题。 从1901年起，各国科学家提出各种不同的原子模型。
第一个比较有影响的原子模型，是J.J. 汤姆生于1904年提出的“电子浸浮于均匀正 电球”中的模型。他设想，原子中正电荷以 均匀的密度连续地分布在整个原子中，原子 中的电子则在正电荷与电子间的作用力以及 电子与电子间的斥力的作用下浮游在球内， 这种模型被俗称为“葡萄干布丁模型（枣糕 模型）”，如图10-1所示。
A
卢瑟福是因何提出原子有核模型结构的？
卢瑟福的原子有核模型学说很好地解释了 粒子散射实验，初步建立 了原子结构的正确图景，但是和经典的电磁理论发生了矛盾：既然核外 电子没有被库仑力吸引到核上，它一定以很大的速度绕核运动，这样电 子会不停地辐射能量，自身的能量不断减少，最后“跌落”在原子核上， 但是这样的事情并没有发生。 这个矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于微观 粒子。1913年，丹麦物理学家玻尔（1885—1962年）突破了经典物理学 的局限，提出了他的原子理论，其主要内容为：
1． 、 和 三种射线的本质各是什么？ 2．原子核中没有电子，为什么有些放射性元素的原子核会放射出 粒子？
物理学家发现，有些重核分裂成中等质量的核时会放出巨大的能量。
1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，铀核吸收一 个中子后会分裂成两部分，同时释放出能量，这种现象叫做核裂变。铀核裂变 的产物是多种多样的，一种典型的反应是裂变为钡和氪，同时放出3个中子， 如图10-8所示。
如果让射线通过磁场或电场，那么这三种射线就分得一清二楚了：偏转 角度很大的是β射线；偏向另一方、偏转角度较小的是α射线；不发生偏转的 是γ射线，如图10-7所示。
α射线又称 α 粒子，是氦原子核，由两个质子和两个 中子组成，质量数为4，带2个正电荷。α 射线有很强的电 离本领，这种性质既可利用，也带来一定坏处，对人体内 组织破坏能力较大，由于其质量较大，穿透能力差，在空 气中的射程只有几厘米。 β射线又称β粒子，它是电子，带1个负电荷。β射线在 空气中射程短，穿透力弱。在生物体内的电离作用较γ射 线、X射线强。 γ射线又称γ粒子，它不带电，是能量很高的电磁波， 波长很短，在 1010 m 以下。它穿透力强、射程远，一次 可照射很多材料，而且剂量比较均匀、危险性大，必须屏 蔽，几厘米的铅板或几米厚的混凝土墙都能贯穿。
图10-4 卢瑟福原子模型
1919年，卢瑟福 粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种 微粒产生，电量是1，质量是1，这样的微粒正是质子。因此，人们断定，质子是原 子核的组成部分。 一开始，人们认为原子核只是由质子组成的。但是，这不能解释核的质量和原 子核所带的电荷量。如果原子核只是由质子组成，那么，某种原子核的质量与质子 质量之比，应该等于这种原子核的电荷和质子电荷之比。实际上，绝大多数的原子 核的质量与质子质量之比都大于核的电荷与质子电荷之比。 卢瑟福猜想原子核内可能还存在着另一种粒子，质量和质子相等，但是不带电， 他将这种粒子称为中子。卢瑟福的这种猜想被他的学生查德威克用实验证实。精确 的测量表明，中子的质量非常接近于质子的质量。发现中子以后，人们很快认识到 原子核是由质子和中子组成的，很多问题也得到了解释。
图10-8 核裂源自文库反应
一般来说，铀核裂变时总要释放出2~3个中子，这些中子又引起其他铀核的 裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量，称为链式反 应，如图10-9所示。
图10-9 链式反应示意图
裂变释放出的能量是巨大的，其释放的能量可以由爱因斯坦的质能方程 E=mc² 来计算，E表示能量，单位是焦耳（J）；m代表质量，单位是千克 （Kg）；而c则表示光速常量。
235 92 234 4 U 90 Th 2 He
在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的 电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量观察表明，原子衰变时电荷数和质量数 都守恒。
235 92
234 234 U 在α衰变时产生的 90 Pa Th 也具有放射性，它能放出一个β粒子而变为 91
卢瑟福从1904年到1906年6月，做了许多 射线通过不同厚度的空气、云母片和 金属箔的实验。英国物理学家W.H.布拉格在1904－1905年也做了这样的实验。他们 发现，在此实验中 射线速度减慢，而且径迹偏斜了（即发生散射现象）。 在卢瑟福的指导下，盖革和青年研究生马斯顿于1909年3月用镭作放射源，进行 粒子穿射金属箔（先后用了金箔和铂箔）的实验，精心测量数量极少的大角度散射 粒子，如图10-2所示。结果发现约有八千分之一的入射 粒子发生大角度偏转，偏转 角平均为90°，其中有的甚至反弹回来，如图10-3所示。 粒子的这种超过90°的反 常的散射现象，使卢瑟福十分惊讶，虽然他事前对大角度散射做过一些推测。
图10-7 射线运动轨迹
衰变是放射性元素放射出粒子后变成另一种元素的现象。不稳定的原子核 在放射出粒子及能量后可变得较为稳定，这些粒子或能量统称辐射，由不稳定 原子核发射出来的辐射可以是α粒子、β粒子。 α衰变是原子核自发放射α粒子的核衰变过程。α粒子是电荷数为2、质量数 为4的氦核He。铀238核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，成 为新核钍234核，这种衰变就是α衰变。这个过程可以用下面的衰变方程表示：
这个方程对于人们利用原子能的发展是关键性的。通过测量不同原子核 的质量和那个数量的独立质子和中子的质量和的差，可以得到原子核所包含 的结合能的估计值。一般来说，铀核裂变式平均每个核子释放的能量约为 1MeV1。因此如果1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2 000 t优质煤完全燃烧 时释放出的能量。
核电站是利用核裂变反应所释放的能量 产生电能的发电厂，使用的燃料一般是放射 性重金属：铀、钚。它一般分为两部分：利 用原子核裂变生产蒸汽的核岛（如反应堆装 置和回路系统）和利用蒸汽发电的常规岛 （如汽轮发电机系统）。 核电站的核心设施就是核反应堆，又称 为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以 实现大规模可控制裂变链式反应的装置。图 10-10所示就是核燃料铀235反应堆的示意图。 图10-10 核反应堆示意图
由于裂变时产生的中子速度都很大，不容易被铀235俘获而引起裂变，为 此需要在铀棒周围放上减速剂，快中子与减速剂的原子核碰撞后能量减少，变 成慢中子。常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水（有时叫轻水）。 为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插入一些控制棒。 控制棒由镉做成。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入 深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会减慢，反之则将控制棒往 外拔出。核电站都是计算机自动调节控制棒的升降，使反应堆保持一定的功率， 安全地工作。 核燃料裂变释放出来的能量大部分转化为热，使反应区温度升高。水或者 液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，将反应堆内的热量传输出去，用 于发电，同时也使反应堆冷却，确保安全。 人类首次实现核能发电是在1951年。当年8月，美国原子能委员会在爱达 荷州一座钠冷块中子增殖实验堆上进行了世界上第一次核能发电实验并获得成 功。1954年，苏联建成了世界上第一座实验核电站，发电功率5 000 kW。
图10-6 氢原子的能级图
1．如何用玻尔理论来解释原子的发光现象？ 2．氢原子从第二个激发态跃迁到基态时，辐射的能量是多少？
原子核不仅具有复杂的结构，而且能够发生变化。天然放射现象就是原子 核的一种自发变化。
1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见 的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。物质发射射线的性质称为 放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。 放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82的所有元 素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。这 种元素自发的放出射线的现象叫做天然放射现象。放射性的发现对于近代物 理学的发展具有极大的意义。 英国物理学家卢瑟福在1899年就发现，放射性物质放出的射线不是单一 的，可以分出带正电荷的α射线和带负电荷的β射线，前者穿透性较弱，后者 穿透性较强。后来又分出一种穿透性很强的不带电荷的γ射线。
图10-1 汤姆生的葡萄干布丁模型
汤姆生还认为，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球 壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子的增多 将造成结构上的周期性。因此他设想，元素性质的周期变化或许可用这种电 子分布的壳层结构作出解释。但他的原子模型很快被进一步的实验所否定， 因为不能解释 射线的大角度散射现象。
原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳 定的，这些状态叫做定态。在每个状态中，原子的能量值都是确定的， 这个能量值叫做能级。
原子可以从一个能级跃迁到另一个 能级。原子在由高能级向低能级跃迁时， 放出一个光子；在吸收一个光子或通过 其他途径获得能量时，则由低能级向高 能级跃迁，如图10-5所示。
（镤）。电子的质量比核子的质量小得多，原子核放出一个电子后，质量数不变。 因此，我们可以认为电子的质量数为零，电荷数为-1，可以表示为 0 1 e 。上述过程 可以用衰变方程来表示：
234 90 234 Th 91 Pa 0 1 e
这个方程两边的质量数和电荷数也是守恒的。这种放出 粒子的衰变叫做β衰变。 在放射性元素的原子核中，2个中子和两个质子结合得比较紧密，有时会作为 一个整体从较大的原子核中抛射出来，这就是放射性元素发生的α衰变现象。 原子核里虽然没有电子，但是核内的中子可以转化为质子和电子，产生的电子 从核内发射出来，这就是β衰变。 原子核的能量也只能取一系列不连续的数值，因此也存在着能级，而且能级越 低越稳定。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往还处于高能级， 这时它要向低能级跃迁，辐射γ光子。因此，γ射线经常是伴随着α射线和β射线产生 的。当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同 时还伴随着γ辐射。这时射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。
图10-5 原子的跃迁图
通常状态下，原子处于最低的能级，这时原 子的状态叫做基态。给物体加热或者有光照射物 体时，某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中 吸收能量，从基态跃迁到较高的能级，这时原子 的状态叫做激发态。由于原子的能级是不连续的， 所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不会是任 意的，这个能量等于原子跃迁时始末两个能级间 的能量差。以氢原子为例，如图10-6所示，如果 它的基态能量E1算是 13.6 eV，那么它的激发态的 1.51 eV、 能量E2、E3、E4∙∙∙∙∙∙分别为 3.4 eV 、 0.85 eV ∙∙∙∙∙∙当它从第一激发态跃迁到基态时， 辐射出的能量为 。