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(共23张PPT)
5.1 原子核的组成
目录
天然放射现象
射线的本质
原子核的组成
1. 天然放射现象
核物理是原子下一个层次的研究内容。它以核为研究对象，其内容包括核的基本性质、核结构、核力、核模型。核的放射性衰变，核反应以及核能的应用。
物质的性质要么归因于原子（核外电子），要么归因于原子核。但几乎不能同时归因于两者。
1896年，贝克勒尔发现放射性，人类第一次在实验室观察到原子核现象
1897年，居里夫妇发现放射性元素：钋和镭
1899年，卢瑟福发现 射线和 射线
1900年，法国科学家P.V.维拉德发现 射线
1911年，卢瑟福提出核式模型，1919年首次实现人工核反应。
1932年，查德威克发现中子
1939年，哈恩和史特拉斯曼用中子轰击铀核实验
1942年，费米领导下：发明热中子反应堆
1945年，奥本海默领导下：原子弹
1952年，泰勒领导下：热核爆炸，氢弹
1954年，前苏联，原子能发电厂
铀盐放射性的发现
贝克勒尔 (1852-1909)
生于法国巴黎，祖父和父亲都是固体磷光专家，从事研究工作有60多年的历史，贝克勒尔早期从事光学研究，43岁开始研究放射现象。
伦琴的发现，使贝克勒尔联想到，天然荧光物体是否也能产生X光那样的放射现象呢？
首先他将照相底片用黑纸包好，然后放在荧光物质下面，结果底片并没有感光；
后来选择硫酸钾铀酰作为实验材料，并放在太阳底下暴晒(暴晒可使荧光物质发出更强荧光)，结果底片感光了。用玻璃挡在铀盐和底片之间，底片同样暴光。1896年2月24日，他向科学院报告：“磷光物质能射出穿透黑纸的辐射。”
后来由于阴雨连绵，贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起锁进抽屉，结果在3月1日实验前检查底片时，底片仍旧被铀盐感光了。贝克勒尔经过分析，认为：使底片感光的射线与日晒和荧光无任何关系，它是铀盐自身产生的辐射现象，于是第二天，他在科学院的例会上公布了这一重大发现。
进一步的研究发现：只要有铀元素存在，就有这种贯穿辐射产生，与采用哪种铀的化合物无关，与温度等外界因素无关。这种射线和X射线一样，能穿透一切物质，并使气体电离。人们称之为“贝克勒尔射线”。
贝克勒尔射线的发现，是人类第一次发现某些元素自身也具有自发辐射现象，引起了人们对原子核问题的关注。
贝克勒尔获1903年诺贝尔奖。
钋和镭的发现
玛丽·居里
波兰中学毕业，获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大学，做了8年家庭教师，筹了费用，于1891年到法国巴黎，进入法兰西共和国大学理学院学习。1893年获物理硕士学位，次年又获得数学硕士学位。1894年与法国物理学家皮埃尔·居里相恋。1903年获诺贝尔物理奖，1911年获诺贝尔化学奖。
皮埃尔·居里
法国物理学家，从小聪慧过人，16岁获学士学位，18岁获硕士学位，24岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任。曾与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应，发明了测量微量电量的压电石英静电计---“居里计”。后来从事磁学研究，发现磁性消失的温度---“居里点”。
首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进行了精密测量。证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成正比，而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学条件无关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。
居里夫人认为:不应只有一种元素能自发辐射，其他元素也可能有同样的性质。居里夫人系统的研究了当时已知的各种元素和化合物，1898年她与德国德施莱特同时发现，“钍”也具有与铀类似的辐射，并建议把这种性质叫做“放射性”。
在对铀和钍的混合物进行测量时，辐射强度比预期的要强的多。她认为混合物中一定含有其他目前尚未知道的放射性元素。于是先将矿物进行化学分离，再用石英静电计分别测量各组成部分的辐射强度，在此过程中居里意识到这项工作的重要性，放下自己正在从事的晶体研究工作，与妻子一起投入到放射性的研究中。1897年7月，他们终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强400倍!
但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，1898年12月，又发现了比铀的放射性强200多万倍的新元素----镭 (radium) !
为了消除人们的怀疑，他们决心提炼出纯镭，镭矿渣非常贵，奥地利送了一吨，在低矮的棚屋里，居里夫妇从1899年至1902年，花了45个月的时间，历时四年，经过几万次的提炼，终于从8吨矿渣中提炼出0.12克的氯化镭，从中找到了两根特征光谱线，并宣布镭的原子量为225!
2. 射线的本质
α、β、γ射线的发现
镭的发现促进了对放射性的进一步研究，并相继发现了一些新的放射性元素，如锕等。
进一步的工作就是要探索放射性的本质及其规律。
更多的科学家开始了这方面的研究，其中贡献最大的是J.J.汤姆逊的学生----卢瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937)
1903年，卢瑟福和索迪注意到放射性现象伴随有能量的产生。指出：这是一种新的“原子能”，一般原子中也潜藏着这种能量。居里夫妇测出1克镭1小时放出100卡热量。
卢瑟福发现α射线和β射线：1898年，卢瑟福用强磁铁使铀射线偏转，发现射线分为方向相反的两股，一股极易被吸收，他称之为α射线；另一种具有较强的穿透力，称之为β射线。
β射线的本质：居里夫人曾证明它带负电，1900年，贝克勒尔测定了β射线的荷质比，从而确认β射线是电子流。
α射线的本质研究：1902年卢瑟福用强磁场测出α射线的荷质比，发现它与氢及氦离子同数量级，但还不能确定它带一个还是两个电荷。后来与盖革合作，用盖革计数管测量和推算出α射线带两个正电荷。1911年卢瑟福和罗伊兹证实α粒子在失去电荷后就是一个氦原子。
3. 原子核的组成
卡文迪什实验室始建于1871年，建成于1874年，是英国剑桥大学的前身，是由卡文迪什的近亲、当时任剑桥大学校长的W.卡文迪什倡议、推动并捐款修建的。目的在于将科学应用于工业和纪念H.卡文迪什。麦克斯韦为第一任实验室主任。
作为世界上最著名的物理学教育和科研中心之一，培养了一大批世界级的著名物理学家，26位诺贝尔奖金获得者。
1919～1937年卢瑟福主持卡文迪什实验室工作，主要进行放射性和核物理研究，先后取得了发现中子、验证了正电子的预言、人工打破原子核的重大成就。尤其在1932～1933年间，卡文迪什实验室达到其科学成就的高峰。在卢瑟福主持工作的18年间，实验室中共有12人获诺贝尔奖，这18年是该实验室的黄金时期，这期间它成为世界实验物理的研究中心。如1932年查德威克发现中子，获1935年奖；1927年G.P.汤姆孙独立发现电子衍射现象，获1937年奖；“低温物理之父”卡皮查获1978年奖等。
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，发现了质子
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
卢瑟福的学生查德威克自 1921 年起就致力于寻找中子的研究工作。
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。
小结
天然放射现象揭示了原子核也是有结构的。
物理学家利用人工方法,发现了组成原子核的粒子。
对原子核结构的研究,使人类进入了开发和利用核能的时代。
同时,随着大型粒子加速器的建设和使用,物理学家掌握了打开原子核的“利器”;种类繁多的亚原子粒子相继被发现。
更为奇特的是,物理学最大的研究对象——宇宙和最小的研究对象——基本粒子居然联系起来了。
人类对物质结构、相互作用乃至宇宙早期演化的认识不断深入。
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