核武器物理的基础知识:原子核的组成当前位置:首页 > 科普知识

核武器物理的基础知识:原子核的组成

文章来源:经福谦   时间:2011-10-28 访问数:

 共1页  1 


    在十九世纪九十年代以前,人们认为,原子是组成元素的最小微粒,原子是不能再分的了。atom(原子)一词是拉丁语,就是不可分的意思。物质的元素是不可改变的,不能把一种元素变成另一种元素,也就是不能把一种元素的原子变成另一种元素的原子。

    1896年,法国物理学家贝克勒耳,偶然发现放在铀盐旁边纸袋里的底片变黑了,当时很惊奇。他怀疑铀盐里是不是放出了某种看不见的东西使底片感了光。经过仔细研究和实验,确实是铀原子放出的天然射线。这种天然射线分abg种。

图2.3	天然放射性射线在磁场中的偏转

2.3     天然放射性射线在磁场中的偏转

    三种射线在磁场里发生偏转的情况不同,如图2.3所示。通过磁场偏转证明了a带正电荷,就是氦原子核;b带负电荷,是电子;g不带电,是光子。

    原子既然能放出射线,就说明原子不是物质的最小微粒,它是可以再分的。从而打破了原子不可再分的陈腐观念,把科学研究带入了一个新的领域。科学家对放射性的研究,发现元素放出a,原子序数降两位;放出b原子序数升一位。g是在放射ab伴随着发射出来的。放射性从某一个重元素开始,这个元素就是放射性的祖宗,一代一代地放出ab,衰变成新的元素,直到变成稳定元素铅为止,形成一个放射性系。铀就是一个放射性元素系,称铀系。经过十三次衰变,最后到铅-206,才算稳定。如图2.4所示。

图2.4	铀放射性系示意图

 2.4      铀放射性系示意图

   自从人们发现了铀原子核能放出氦原子核,而变成另一种元素的原子核–––即钍原子核;镭原子核也能放出氦原子核,而变成另一种元素的原子核–––即氡原子核之后,人们对于物质的结构和运动规律有了更深一步的认识。这些新现象说明原子内部的结构和运动规律也是十分复杂的。

    首先发现原子中有核,是英国物理学家卢瑟福的贡献。他在1911年用a粒子射击金箔,发现大多数a粒子都穿过去了,有一些 a粒子却拐了弯,有的甚至被弹回来了。如图2.5所示。卢瑟福分析认为:

    金箔里的电子是挡不住a的,a一定是遇到了带正电的东西,才被散射而拐弯的;

    大多数a粒子穿过去了,说明金箔里空隙很大,a一路顺风,什么也没碰到;

    被弹回来的一定是对准了一个很硬的东西,而且对a有斥力。

图???	?散射实验示意图

2.5    a散射实验示意图

    对上述三种实验现象综合分析结果,卢瑟福断定原子中间有一个很坚实的核心。这个核心带正电,而且很小,称为原子核”。

    原来原子的中心有原子核,外面的电子绕着原子核旋转,中间是空的。那么天然放射性射线就是从原子核里放出来的,这样一来,原子核也应该是有组成的,不是不可分的。原子核又是由哪些成员组成的呢?氢原子中心只有一个质子,质子带正电,正好与外层的一个电子形成原子的电中性,这就可以肯定质子是原子核的成员。那么abg是不是原子核的成员呢?这个问题经过长时间的研究,直到1932年查德威克发现了中子之后,才肯定了这三种射线都不是原子核的组成成员。原子核的成员就是质子和中子。这两种粒子统称为核子。那么三种射线又是什么呢?研究结果证明原子核的b放射性,就是中子与质子的相互转变。其转变结果生成物如下:

    中子变为质子,放出负b(电子)

核武器物理的基础知识:原子核的组成

    质子变为中子,放出正b(正电子)

核武器物理的基础知识:原子核的组成

    质子也可俘获一个电子变为中子

核武器物理的基础知识:原子核的组成

    原子核里并不存在中微子,它是b放射的伴随物。中微子不带电,质量几乎为零,速度接近光速,它穿越太空通行无阻,很难探测到。

       g射线没有静止质量,更不存在于原子核中。它是原子核发射ab后,将剩余的能量以光量子的形态辐射出来的光子流。

       a粒子并不是一个单独的成员,它是两个质子和两个中子组成的小集团,是在原子核里闹独立而分裂出去的。

    至此,已经很清楚,原子核的成员只有质子和中子。质子和中子好象双胞胎,质量几乎相等,质子是阳性(带正电),中子是中性(不带电)。每个质子都吸引着一个外层电子(负电),所以整个原子还是电中性的。质子结合一个电子就变成中子,中子放出一个电子就变成质子。

    在原子核这个小社会里,外层电子好比是女儿国,中心原子核好比是男子王国,质子全是未婚的王子,但它们在女儿国里都有一个对象,互相吸引着。原子核王国里质子的多少,决定原子的地位(原子序数);而中子好象是结了婚的王子。王子结了婚就降低了身价,因为男子王国里,是不准异性存在的,如果某个王子与一个电子结合,就必须把它吃掉,正电与负电综合而变成电中性的中子。变成中子后,它的地位就降低了,要派去守边防。在原子核里,质子基本上分布在中心区域,中子分布在边缘地带。对原子核的电荷测定,发现原子核里的电荷分布接近边缘处陡然下降,证明原子核的外缘基本上是中子,似乎原子核有一层中子皮。有的中子也不甘心长期戍守边疆,想回到内地。这时它就闹离婚,把电子吐出去,结果又变成了质子,恢复了王子的地位。中微子像是中子闹离婚时遗弃的产儿,无足轻重,无人照管,养成了一身乖僻,在宇宙空间任意闯荡。

    至此,我们弄清了原子核的组成及其成员。那么它的空间结构像个什么样呢?简单地说就是像太阳系一样。氦原子的行星模型如图2.6所示。

图2.6	氦原子行星模型示意图

 2.6      氦原子行星模型示意图

    如果把原子看成是一个小太阳系,原子核就是中心的太阳,外层电子围绕着原子核高速旋转。原子内部非常空旷,原子核半径只占原子半径的万分之一。若有一个中子射向原子,那就好似流星穿越太空,碰到原子核的机会是十分难得的。

    从上述原子核模型可以想象,原子核是如此微微,原子是何其空空。如果把一个原子看成足球场那么大,原子核就好象一个铅球放在足球场的中心,电子好象一些乒乓球在足球场周围不停地飞旋。

    原子世界是一个精彩的世界。它的空间结构真是空空如也,它的质量分布却是两极分化。核物理学家把原子核的质量当着原子的质量,在这一点上与化学家没有什么不同。难道他们不知到原子核外面还有那么多电子吗?电子的质量到哪里去了?是的,电子的质量当然存在,但是,比起原子核来可以忽略。有精确的测量数据说明这一点。图2.7只是一个示意图,天平是难以测出原子与原子核质量差异的。

图2.7	原子与原子核的质量示意图

 2.7      原子与原子核的质量示意图

    原子核的质量是用质谱仪测定的(见图3.1)。带电粒子在磁场中运动,其质量、电荷与在磁场的偏转半径有一个确定的关系:

M/q=B2R2/2U

    式中M?粒子质量,B?磁感应强度,R?粒子在磁场中的偏转半径,U?粒子进入磁场时的加速电压,q?粒子电量。BRU是已知的,只要记录实验中的加速电压和测出粒子流的电量,就可精确地算出原子核的质量。这种方法称为荷质比测定法。

    电子也可通过荷质比测定其质量。科学家测定的结果证明,电子质量是核子质量的1/1836。氢原子中只有一个核子,它的比值就是这个数值。铀-238238个核子,核外有92个电子,其电子质量与原子核质量的比值应该是1/5000。由此可见,原子核真是重如泰山,电子却是轻如鸿毛。它们的质量分配两极分化到如此地步,难怪原子核是一个皇室家族,它有取之不尽的财富。

    实验测定核子的半径 r0 1.2×10-15 米。在原子核领域内,通常的长度单位是尘米,更经常称它为费米(fm

1fm = 10-15 m = 10-13 cm

    原子核的半径近似地用 r = r0×A1/3 来计算。A是原子核内的核子个数。这样可以算出原子半径在10-13 厘米到10-12 厘米之间。大约是原子半径的万分之一到十万分之一。

    由于微观粒子的波动性,原子核没有确定的边界,原子也没有确定的边界。量子力学用波函数描写原子外层电子的运动,一时好象在这里,一时又好象在那里,所以用电子云来描写。

    电子云是没有确定的边界的,但有几率最大的地方。将电子出现几率最大的地方连起来就像一环一环的轨道,给人们一个形象的概念。轨道大小不同显示电子在不同的层间运动。图2.8是碳原子和碳原子核的空间形象示意。

    同样,用波函数描写原子核,也是没有确定的边界的。大多数原子核是长球体,他们稍稍偏离球形而类似橄榄状。如图2.9所示。

    但对于许多问题的研究,把原子核看成具有相当确定边界的球就够了。如估算原子核的密度,设这个原子核有A个核子紧密靠拢在一个球形体积里,已知一个核子的质量为1.66×10-24克,计算它的密度如下:

核武器物理的基础知识:原子核的组成

    这个密度值大约是典型的固体密度值的一百万亿倍。说明正常物质的绝大部份是真空,原子核密度却是实在的。核密度的数值非常惊人,108是一亿,106克是一吨,一立方厘米体积与一颗骰子大小差不多,这样大点核物质的质量就有二亿三千万吨,天下再大的起重设备也吊不起来。如果用轮船装,要二万三千艘万吨巨轮才载得起。

图2.8	碳原子及其原子核示意图

 2.8      碳原子及其原子核示意图

图2.9	大体按比例画出一个轻核和一个重核的形状

 2.9      大体按比例画出一个轻核和一个重核的形状

    我们了解了原子的形貌,看到了原子内部的空间结构、质量分布以及原子核密度的惊人数据。那么这个精彩的世界是靠什么力量把它结合起来的呢?下面回答这个问题。

延伸阅读