§19-1  原子核的一般性质

         原子核是原子的中心部分,其线度只有原子的万分之一,但却占有原子质量的99%以上。原子核对原子性质的主要贡献是原子核的质量和电荷,原子核的其他性质对原子的影响相当微小;另外,核外电子的行为对原子核的性质也几乎没有关系;物质的有些性质主要归因于核外电子,如元素的化学性质、某些物理性质以及光谱特性等,有些性质则主要归因于原子核,如放射性等,但是,除了物质的电性以外几乎不存在哪种性质是由原子核和核外电子共同提供的。这些情况,使大家可以把原子和原子核看为是物质结构中泾渭分明的两个层次,从而为大家研究原子核提供了便利。

         一、原子核的组成

         卢瑟福提出原子的核型结构模型,揭开了研究原子核的序幕。原子核带正电并且其质量是质子质量的整数倍这一实验事实,使人们确认质子是原子核的基本成员。但是根据原子核的质量和电量分别去确定原子核所包含的质子数,结果是不一致的,所以,在一段时间内人们曾经认为原子核是由质子和电子共同组成的,这就是原子核的质子-电子假说。例如,认为氦原子核是由4个质子和2个电子组成的,这与氦原子核的质量是质子质量的4倍,电荷是质子电荷的2倍的事实相一致。

         但是原子核的质子-电子假说遇到了不可克服的困难。仍以氦原子核为例,电子要在核内稳定地存在,根据量子力学的规律,核的直径d应为电子驻波的半波长整数倍,即

                                      (19-1)

n = 1,就得到核内电子的德布罗意波长的最大值不应大于2d,氦原子核的直径约为5 fm.,由此算得电子的动量为

                      .

根据相对论能量-动量关系E2 = (pc)2 +(m0c2 )2,由于pc >>m0c2,所以核内电子的能量应为

                         E » pc = 124 MeV .

但是核内存在如此高能量的电子是与实验事实不相符的。

         另外,原子核的质子-电子假说也无法说明核自旋的实验事实。以氮原子核为例,按照原子核的质子-电子假说,氮核中应包含14个质子和7个电子,粒子总数是21,因为质子和电子的自旋都是1/2h,21个粒子合成的氮核的自旋是21/2,而实际上氮核的自旋是1h

         1932年查德威克(J.Chadwick, 1891-1974)发现中子之后,伊凡宁柯(Д .Д .Иваненко)和海森伯(W.K.Heisenberg, 1901-1976)马上提出原子核是由质子和中子组成的假说。这个假说不仅解决了上述矛盾和困难,而且得到各方面实验的支撑。

         质子常用p表示,它带有1个单位的正电荷,质量为1.007277 u,是电子质量的1836.1倍;中子常用n表示,它不带电荷,质量为1.008665 u,是电子质量的1838.1倍。质子和中子统称为核子,海森伯认为质子和中子是核子的两个不同状态,它们在质量上的微小差异是由电性质的不同所引起的。在原子核内,中子是组成核的稳定粒子,但在原子核外,中子是不稳定的,一个自由中子的寿命是888.6 s,约为15 min,最后衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子,即

                         .

在原子核内,中子与质子之间也是可以互相转化的,在转化过程中还会有其他粒子伴随产生。

       
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