【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

(相关资料图)

第九章原子核的结构

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】 

§9-6原子核的组成

【01】早在十九世纪初，人们根据元素的原子量都接近于整数的事实就以为所有元素都是由氢原子组成的。到了1919年，卢瑟福用人为方法使原子发生嬗变的实验成功以后，看到许多种元素的原子核在 α 粒子的轰击下都能发射质子，就更加相信一切原子核都是由氢原子核——质子组成的。另一方面由于人们看到许多天然放射性元素的原子核会放出电子，似乎电子也是原子核的组成部分之一，于是就有人设想任何原子核都是由 M 个质子和 M-Z 个电子所组成。因为这种假说可以用来解释原子核的质量数和电荷数，所以直到1932年还被普遍地认为是正确的。

【02】但是随着原子物理学的发展，一门专门描述“微观世界”现象的理论——波动力学逐渐形成了。所谓“微观世界”就是指有关分子、原子和原子核等微观粒子的世界。根据波动力学所论述的法则可以证明，在原子核里不可能有电子存在，如果原子核里确实存在着电子，那么它的能量就应该比实验中测得的数值大得多。

【03】自从中子被发现以后，另一种关于原子核组成的观点出现了。苏联物理学家伊凡宁科认为原子核是由质子和中子所组成的；在原子核中，质子的数目等于它的电荷数 Z，中子的数目等于它的质量数和电荷数的差 M-Z  。这个假说成功地解决了上述矛盾，不久就获得了普遍的承认。从此，质子和中子就统称为核子。

【04】根据原子核的质子-中子假说，氮原子核，₇N¹⁴ 的质量数是 14，电荷数是 7，所以它是由 7 个质子和 7 个中子组成的；α 粒子即氨原子核 ₂He⁴ 是由 2 个质子和 2 个中子组成的。因为氢原子核 ₁H¹ 里只有1个质子而没有中子，因此氢原子核就是质子。

【05】根据这个假说还可以说明，各种元素存在同位素是因为它们原子核中的质子数相同而中子数不同的缘故，所以它们各具有不同的特征。例如，在铀的同位素中：₉₂U²³⁴ 是由 92 个质子和 142 个中子组成的；₉₂U²³⁵ 是由 92 个质子和 143 个中子组成的；而 ₉₂U²³⁸ 是由 92 个质子和 146 个中子组成的。天然的铀就是由 % 的铀238、% 的轴235和 % 的轴234等组成的。

【06】既然原子核中没有电子，为什么很多元素的原子核会发生 β 蜕变而放出电子来呢？原来电子是在原子核发生嬗变时产生的，原子核发射电子的情形就好比原子发射光子一样。我们知道，原子内并不存在光子，但是当原子中处于激发状态的电子从一个能级跳回到另一个较低的能级时就放出具有一定能量的光子；同样当原子核从一种状态转变为另一种状态时，就有电子发射出来，虽然在原子核里并不存在电子。

【07】原子核在放射电子的时候，它本身究竟发生什么变化呢？还是让我们举例来说明。例如，放射性钠 ₁₁Na²⁴ 在发生 β 蜕变时，放出电子同时变成镁24。这一蜕变过程可以写作   。

【08】₁₁Na²⁴ 与 ₁₂Mg²⁴ 有什么不同呢？这两种原子核的质量数是相同的，但电荷数却不同。这就是说，放射性钠的原子核是由 11 个质子和 13 个中子组成的；而镁原子核是由 12 个质子和 12 个中子组成的。由此可知，在 β 蜕变的过程中，放射性钠的原子核里一个中子变成了质子，于是就形成了镁24的原子核，同时在原子核的周围产生了一个自由电子。

【09】为什么中子会变成质子呢？科学研究表明，原子核里的质子和中子是可以互相变换的，或者说质子和中子不过是核子的两种状态，核子可以处于“质子”状态，也可以处于“中子”状态。在一定的条件下，原子核里的核子可以由一个状态过渡到另一个状态：当核子从“中子”状态过渡到“质子”状态时，原子核就放出电子；当核子从“质子”状态过渡到“中子”状态时，原子核就放出正电子【正电子是质量跟电子相等，所带正电量等于电子所带负电量的微观粒子.是在1932年被发现的】。

【10】核子在原子核里集聚得非常紧密。例如铅原子核 ₈₂Pb²º⁷ 的体积约为 4×10⁻³⁶ 厘米，其中却有 82 个质子和 125 个中子，可见原子核的密度是十分巨大的，它的数量级达 10¹⁴ 克/厘米³。可以设想，如果把原子核一个个地排起来装满一个火柴盒，那它的重量就相当于喜马拉雅山的重量。

【11】我们知道，质子都带有单位正电荷，它们彼此间的距离又这样小，显然它们之间的电磁斥力一定很大，那又是什么作用力使它们这样紧密地集聚在一起呢？是万有引力吗？不可能。因为质子间的万有引力要比静电斥力小得多。由此可见，在原子核里，在各个核子之间一定存在着一种引力，而这种引力的总和一定要比质子间电磁斥力的总和大得多，只有这样才能使原子核保持稳定。我们就把核子间的这种引力称为核力。实验指出，核子只有在集聚得非常紧密的情况下才呈现出强大的核力，或者说只有当两个核子间的距离在 3×10⁻¹³ 厘米以内时【这一距离要比原子核的半径小得多】，它们之间的核力才远远超过电磁斥力；当两个核子间的距离超出 3×10⁻¹³ 厘米以外，它们之间的核力就立刻显著地减小，以至于小到可以忽略的地步。也正是这个原因，原子核里的核子只与它周围的几个核子发生作用。

【12】核子在原子核里是怎样分布的呢？关于这个问题到目前为止还没有完全得到解决。科学家们曾经提出过好几种核模型，每一种核模型都只能用来解释某一些实验现象，而至今还没有一种核模型能够解释所有的实验事实。

【13】1937年，玻尔曾经提出过一种所谓原子核的液滴模型。玻尔认为，可以把原子核比作液滴，原子核里的核子可以想象为液滴里的分子。在原子核里，核子只与它周围的几个核子发生作用，这种情况跟液滴里的分子情况十分相似，而液滴里分子的不断运动也相似于原子核里核子在不断地运动。玻尔利用这个液滴模型成功地解释了原子核发生核反应的过程。他把原子核受到粒子轰击后形成不稳定复核的过程与液滴受热相比拟，而把粒子从复核里飞出的过程看作是液滴在蒸发。图9·11就是玻尔对核反应过程解释的示意图。其中图(a)表示在原子核“液滴”里插有一个具有两个刻度的温度计，左面的刻度是以百亿度为单位，右面的刻度是以百万电子伏特为单位；一颗中子正在向原子核“液滴”射来。图(b)表示中子侵入了原子核内，“液滴”温度升高到八百亿度，核内所有的核子都被“激发”了，“液滴”处于振动的状态下。图(c)表示从原子核“液滴”里“蒸发”出一个粒子，于是温度降低。图(d)表示原子核放出了 γ 射线的光子后恢复正常状态。

【14】此外，还有一种所谓 α 粒子模型，它认为在原子核里，两个质子跟两个中子常常更紧密地结合在一起形成一个粒子。这种模型可以用来解释某些放射性元素能放出 α 粒子的现象。

习题9-4~9-6

1、卢瑟福通过什么实验第一次发现原子的人为嬗变现象？

2、嬗变和蜕变有什么区别与联系？

3、中子是怎样被发现的？它具有哪些特性？我们为什么不能利用威耳逊云室或者汽泡室来探测中子的径迹？

4、什么叫做核反应？根据给出的条件，完成下列各核反应方程，并指出核反应的类型：

【

】

5、写出下列各原子核中的质子数和中子数：₆C¹²，₈O¹⁷，₁₀Ne²²，₁₂Mg²⁵，₁₃Al²⁷，₁₄Si²⁸，₁₅P³¹，₁₇Cl³⁷，₁₈Ar³⁸，₁₈Ar⁴º  。【6,6；8,9；10,12；12,13；13,14；14,14；15,16；17,20；18,20；18,22】

6、既然原子核中并没有电子，那为什么很多元素的原子核会发生 β 蜕变而放出电子来呢？原子核在放射电子的时候，它本身会发生什么变化？

7、在威耳逊云室中用高速质子轰击硼核(₅B¹¹)时，可以观察到三条相同的几乎是从一点发出的径迹（见附图），这说明硼核俘获了质子后嬗变成三个相同的粒子，试问这些是什么粒子呢？并写出核反应方程来。【α 粒子；₅B¹¹＋₁H¹ → (₆C¹²) → 3 ₂He⁴】

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