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阅读：质子、中子与同位素的发现

天然放射现象表明原子核有内部结构，原子核的结构也可以发生变化。20 世纪上半叶，物理学家开始通过人工方法使原子核的结构发生变化，并借助这种方法探明了原子核的组成。我们知道原子核由质子和中子组成，它们是如何被发现的呢？

## 质子的发现
1914 年，卢瑟福的学生在实验中发现，有些 α 粒子穿越空气时的距离竟然长达 40 cm，远超过 α 粒子在空气中一般的穿越距离。这是什么原因呢？

卢瑟福对此进行了深入而细致的研究。1917 年至 1919 年间，卢瑟福再度利用 α 射线作为“探针”成功地“击破”了原子核，解决了这一问题。

图 15–7 为卢瑟福的实验装置示意图。容器 C 中放置着放射性物质 A，A 可以在底座支架上左右移动，并可以由底座上的标尺测出 A 离开银箔 F 的距离。从 A 中射出的 α 粒子可以射到 F 上。当 F 厚度适当时，α 粒子恰好可以被 F 完全吸收而不能透过 F。F 后放置一荧光屏 S，通过 S 后的显微镜 M 可以观察 S 上是否发生由粒子入射引起的闪光。C 上的两个阀门 T 可以分别向 C 内充入或抽出氮气。

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 卢瑟福经过研究发现，荧光屏 S 上的闪光是 α 粒子击中氮原子核后产生的新粒子透过银箔所致。将这种新粒子引进磁场和电场，可以确认是氢原子核，也就是质子，用符号 11H 或 p 表示。这是历史上第一次利用一定能量的粒子轰击原子核，实现原子核结构转变的过程。我们将这样的过程称为**核反应**（nuclear reaction）。**核反应的过程也遵循质量数和电荷数守恒的规律**。

对上述质子产生的机制曾有两种不同的猜测：一种是 α 粒子直接从氮原子核中打出了质子，同时 α 粒子被氮原子核散射；另一种是 α 粒子打进氮原子核后形成的复合核衰变放出了质子。1925 年，英国物理学家布拉凯特（P. Blackett，1897—1974）又在充有氮气的云室中重做了这个实验。布拉凯特拍摄了 2 万多张云室照片，从 40 多万条 α 粒子的径迹中，发现有 8 条产生了两分叉的情况。如图 15–8 所示，分叉后细而长的是 11H 的径迹，短而粗的是 178O 的径迹，由此证明后一种猜测是正确的。

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 图 15–8 布拉凯特所摄的云室照片

卢瑟福发现质子的核反应可以写成

$$
{ }_7^{14} N+{ }_2^4 He \rightarrow{ }_8^{17} O+{ }_1^1 H
$$

卢瑟福和他的助手又用类似的方法实现了硼、氟、钠、铝、磷等原子核的人工转变，并且都产生了质子，由此可以判定质子是原子核的组成部分。

**想一想**：为何 40 万条 α 粒子的径迹仅有 8 条产生了分叉的情况？若按第一种猜测，α 粒子击中氮原子核后径迹的情况又如何？请谈谈你对这两个问题的观点。

参考答案：因为氮气的密度很低，原子核又很小，所以 α 粒子撞到氮原子核的概率很小。按第一种猜测，应该出现三分叉现象。

### 拓展视野

云室是一种早期的核辐射探测仪器。如图 15–9（a）所示，在一个圆柱形容器内放入 α 射线源，盖上玻璃板，将它放在干冰上。在粒子通过的路径上，空气分子被电离，成为凝结核，生成雾珠从而显示出带电粒子的径迹（犹如夜晚温度降低时会起雾一样）。如图 15–9（b）所示，从 α 射线源发出的一缕缕辐射状的直线就是 α 射线的径迹。

![图片](/uploads/2025-10/0420e9.svg){width=600px}
图 15–9 云室

## 中子的发现
人们用质谱仪测量发现，原子核的质量都是质子数的整数倍。结合质子的发现，有人认为原子核全是由质子组成的。但大量事实表明，多数原子核的电荷数都小于质量数。例如，氦原子核的质量数是 4，电荷数是 2。

卢瑟福猜想原子核内可能存在由一个电子和一个质子紧密结合的中性双子，这种中性双子的质量近似等于一个质子的质量。卢瑟福认为，要解释原子核的组成，这种中性双子的存在几乎是必需的。他将这种还未被实验发现的粒子称为中子。

1930 年，德国物理学家用 α 粒子轰击铍原子核，获得一种穿透性极强的、不带电的射线，他们认为这是一种 γ 射线。不久，法国居里实验室的约里奥 - 居里夫妇（F. Juliot-Curie，1897—1956 和 I. Juliot-Curie，1900—1958）发现，如果用来自铍的这种射线轰击含氢的石蜡，竟然能将质子从石蜡中打出来。他们依然认为这种穿透性极强的射线是 γ 射线。

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 图 15–10 查德威克（J.Chadwick，1891—1974）
 
 卢瑟福的学生查德威克（图 15–10）自 1921 年起就致力于寻找中子的研究工作。查德威克采用新的探测仪器再度做了上述实验，并仔细地复核实验的有关数据。他确信，如果实验中放出的是 γ 射线，则实验数据不符合动量守恒和能量守恒，除非假定这种射线是一种质量接近质子的中性粒子流。他进一步用云室和质谱仪进行研究，发现射线中粒子的质量为 $1.674 920×10^{−27} kg$（质子的质量为 $1.672 614×10^{−27} kg$），确实与质子的质量十分接近，中子终于“现形”了。然而中子并不是卢瑟福所想象的中性双子，我们用 n 表示中子。

发现中子的核反应方程是

$$
{ }_4^9 Be+{ }_2^4 He \rightarrow{ }_6^{12} C+{ }_0^1 n
$$

实验证实，从许多原子核中都能打出中子，可见中子也是原子核的组成部分。

中子的发现为原子核模型理论提供重要的证据，引发了人工放射性、慢中子和核裂变的研究，为人类打开了利用核能的大门。

**想一想**：许多科学家用中子代替 α 粒子轰击原子核，发现中子更容易打进原子核。请对此加以解释。

参考答案：中子不带电．与组成原子核的质子不会发生库仑力作用，所以更容易打进原子核。

## 同位素
中子被发现后，原子核由质子和中子组成（图 15–11）的观点得到了公认。我们将质子和中子统称为**核子**（nucleon）。由于中子不带电，质子和中子的质量几乎相等，都等于一个原子质量单位，所以原子核的电荷数就等于它的质子数，原子核的质量数就等于它的核子数。

![图片](/uploads/2025-06/9b5d54.svg){width=400px}
图 15–11 原子核模型

具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素（isotope）。例如，${ }^{11}{ }_6 C 、{ }^{12}{ }_6 C$ 、 ${ }^{13}{ }_6 C 、{ }^{14}{ }_6 C 、{ }^{15}{ }_6 C$ 都是碳的同位素，但碳的各种同位素在自然界中的含量不同。壂如自然界中碳 12 是含量最多的碳同位素，占碳元素总量的 $98.9 \%$ 。同位素的化学性质相同。有些同位素具有放射性，称为**放射性同位素**。

> 呼气法是检测幽门螺旋杆菌的常用方法。被测试者口服含有碳同位素的尿素胶囊，如果胃部存在幽门螺旋杆菌，尿素胶囊就会被幽门螺旋杆菌分泌的尿素酶水解，形成二氧化碳随血液进入肺部并以气体排出。尿素中除了碳 12 外还分别加入了微量的碳 14 或碳 13 以区别正常呼吸气体中的碳元素（正常呼吸气体中几乎没有碳 14 和碳 13）。检测被测试者呼出气体中是否有碳 14 或碳 13 即可判断被测试者胃部是否有幽门螺旋杆菌。

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