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原子核的组成

天然放射现象
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, 它能穿透黑纸使照相底版感光。

受到贝克勒尔的发现的鼓舞, 波兰裔法国物理学家玛丽 - 居里和她的丈夫皮埃尔 - 居里对铀和含铀的各种矿石进行了深人研究。

他们发现了一种沥青中的含铀物质, 根据它的含铀量计算发出的射线不会太强, 但实际测得的射线要强得多。进一步研究后, 发现这种沥青中还存在着两种能够发出更强射线的新元素, 居里夫人把其中一种元素命名为钋 $(P o)$, 另一种元素命名为镭 $(\mathrm{Ra})$ 。

物质发出射线的性质称为放射性 (radioactivity), 具有放射性的元素称为放射性元素。后来发现, 放射性并不是少数元素才有的, 原子序数大于 83 的元素, 都能自发地发出射线, 原子序数小于或等于 83 的元素, 有的也能发出射线。放射性元素自发地发出射线的现象, 叫作天然放射现象。

射线的本质

发现了天然放射现象之后不久, 人们就在想, 这些射线到底是什么呢?

把放射源铀、钋或镭放人用铅做成的容器中, 射线只能从容器的小孔射出, 成为细细的一束。若在射线经过的空间施加磁场, 可以发现射线分裂成三束, 其中两束在磁场中向不同的方向偏转, 这说明它们是带电粒子流; 另一束在磁场中不偏转, 说明它不带电 (图 5.1-1)。于是, 人们把这三种射线分别叫作 $\alpha$ 射线、 $\beta$ 射线和 $\gamma$ 射线。
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物理学家们经过多方面的研究后确认 $\alpha$ 射线、 $\beta$ 射线和 $\gamma$ 射线具有以下特征。
$\alpha$ 射线 是高速粒子流, 粒子带正电, 电荷量是电子的 2 倍, 质量是氢原子的 4 倍, 其组成与氦原子核相同。 $\alpha$ 粒子的速度可以达到光速的 $\frac{1}{10}$ 。由于 $\alpha$ 粒子带电, 质量又比较大, 通过气体时很容易把气体分子中的电子剥离, 使气体电离。由于与物质中的微粒作用时会损失自己的能量, $\alpha$粒子的穿透能力较弱, 在空气中只能前进几厘米, 用一张纸就能把它挡住。
$\beta$ 射线 是高速电子流, 它的速度更大, 可达光速的 $99 \%$ 。它的电离作用较弱, 穿透能力较强, 很容易穿透黑纸, 也能穿透几毫米厚的铝板。
$\gamma$ 射线 是能量很高的电磁波, 波长很短, 在 $10^{-10} \mathrm{~m}$ 以下。它的电离作用更弱, 穿透能力更强, 甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。

实验发现, 如果一种元素具有放射性, 那么, 无论它是以单质存在的, 还是以化合物形式存在的, 都具有放射性。放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质决定于原子核外的电子, 这就说明射线与这些电子无关, 也就是说, 射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。
$\alpha$ 射线、 $\beta$ 射线都是高速运动的粒子, 能量很高, $\gamma$ 射线是波长很短的光子, 能量也很高。

原子核的组成
1919年, 卢瑟福用镭放射出的 $\alpha$ 粒子轰击氮原子核, 从氮原子核中打出了一种新的粒子 (图 5.1-4)。根据这种粒子
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在电场和磁场中的偏转, 测出了它的质量和电荷量, 原来它就是氢原子核, 叫作质子 (proton), 用 $\mathrm{p}$ 表示。以后,人们用同样的方法从氟、钠、铝等原子核中都打出了质子,由此断定, 质子是原子核的组成部分。

质子带正电荷, 电荷量与一个电子的电荷量相等。质子的质量为

$$
m_{\mathrm{p}}=1.672621898 \times 10^{-27} \mathrm{~kg}
$$

实际情况并非如此。绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的相应比值。卢瑟福猜想, 原子核内可能还存在着另一种粒子, 它的质量与质子相同, 但是不带电, 他把这种粒子叫作中子 (neutron)。1932 年, 卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想 (图 5.1-5)。
中子不带电, 用 $\mathrm{n}$ 表示。中子的质量是

$$
m_{\mathrm{n}}=1.674927471 \times 10^{-27} \mathrm{~kg}
$$

![图片](/uploads/2024-01/image_202401091a50e1e.png)
它与质子的质量非常接近, 只比质子质量约大千分之一。
质子和中子除了是否带电的差异以及质量上的微小差别外，其余性质十分相似，而且，都是原子核的组成成分，所以统称为核子 (nucleon)。

由于中子不带电, 原子核所带的电荷等于核内质子电荷的总和。所以, 原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍, 通常用这个整数表示原子核的电荷量, 叫作原子核的电荷数, 用 $Z$ 表示。原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和, 而质子与中子的质量几乎相等, 所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍, 这个倍数叫作原子核的质量数, 用 $A$ 表示。

原子核的电荷数就是核内的质子数, 也就是这种元素的原子序数, 而原子核的质量数就是核内的核子数。

原子核常用符号 ${ }_Z^A \mathrm{X}$ 表示 ( 图 5.1-6), $\mathrm{X}$ 为元素符号, $A$ 表示核的质量数, $Z$ 表示核的电荷数 (即原子序数)。例如, 氢原子核可以表示为 ${ }_1^1 \mathrm{H}$, 有时也用它表示质子。氦原子核可以表示为 ${ }_2^4 \mathrm{He}$, 它有 2 个质子和 2 个中子, 所以电荷数是 2 , 质量数是 4 。又如, ${ }_{92}^{238} \mathrm{U}$ 代表一种铀核,它的质量数为 238 , 电荷数为 92 , 即核内有 92 个质子、 146 个中子。

元素的性质与原子核外的电子有密切的关系。同种元素的原子, 质子数相同, 核外电子数也相同, 它们就会具有相同的化学性质。但是, 它们的中子数可能不同。这些具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素, 在元素周期表中处于同一位置, 因而互称同位素 (isotope)。

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