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热学、光学
及原子物理初步
导入 从太阳和彩虹说起
太阳以光和热滋养着地球上的万事万物；芬芳馥郁的鲜花将大地点缀得生机勃勃；绚丽夺目的彩虹延伸到天边的云海；山川 深处的矿石蕴藏着惊人的能量……
太阳内部“藏”着什么样的奥秘？彩虹是如何形成的？为什么人们能闻到远处沁人心脾的花香？学完本章知识，你将找到问题的答案。
在电工电子技术行业中，人们经常利用放射性射线探测金属或焊缝内有无裂纹、气泡等缺陷。什么是放射性？射线是什么？让我们带着这些问题一起来学习本节内容。
第五节 原子结构 原子核的组成
19 世纪初，人们认为物质是由大量分子组成的，分子是由原子组成的。原子是构成物质的不可再分割的最小颗粒。然而，原子真的不可再分吗？
1897 年，英国科学家汤姆孙在研究阴极射线时证实了电子的存在，说明电子是原子的组成部分。电子带负电，原子呈电中性，因此原子是由电子和正电荷组成的。这打破了人们对原子不可再分的认知，激发了人们对原子内部结构进行不断探索。
一、原子的核式结构
第五节 原子结构 原子核的组成
汤姆孙认为，原子是一个球体，正电荷应充斥整个球体，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，这个模型被称为“葡萄干面包”模型（图 10-30）。汤姆孙的原子模型虽然能解释原子呈电中性等实验事实，但这一模型很快就被新的实验事实所否定。
一、原子的核式结构
第五节 原子结构 原子核的组成
1909—1911 年，卢瑟福和他的合作者设计用 α 粒子轰击金箔的实验，实验装置如图 10-31 所示。在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋（Po），它发出的 α 粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上。α 粒子穿过金箔后，打到环形荧光屏上，产生一个个闪烁的光点，这些光点可用显微镜观察到。
一、原子的核式结构
第五节 原子结构 原子核的组成
实验结果表明，绝大多数 α 粒子穿过金箔后保持原来的运动方向继续前进，但是有少数 α 粒子发生了较大的偏转，还有极少数 α 粒子的偏转角超过了 90°，甚至有的 α 粒子被原路弹回。用其他重金属箔做实验，也同样观察到了大角度散射现象。后来，人们将卢瑟福的这个实验称为 α 粒子散射实验。
这一现象令人惊奇，根据汤姆孙的“葡萄干面包”原子模型，α 粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度应该是很小的。汤姆孙的原子模型无法解释 α 粒子的大角度散射现象。
一、原子的核式结构
第五节 原子结构 原子核的组成
卢瑟福经过严谨的理论计算，于 1911 年提出了原子核式结构模型。他认为，原子内部有一个体积很小的核，称为原子核。原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内，电子在原子核外运动。
按照这个模型，α 粒子进入原子区域后，电子对 α 粒子运动的影响很小，主要是原子核影响 α 粒子的运动。大部分 α 粒子穿过金箔时离核较远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有极少数 α 粒子从原子核附近飞过，会发生大角度偏转（图 10-32）。卢瑟福核式结构模型很好地解释了 α 粒子大角度散射现象。
一、原子的核式结构
第五节 原子结构 原子核的组成
进一步的研究表明，原子核半径的数量级为 ，原子半径的数量级为 ，原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一。
原子由原子核和核外电子组成，那原子核的组成又是怎样的呢？
1919 年，卢瑟福用 α 粒子轰击氮核，从中打出一种粒 子，测出其质量和电荷量，确定了它就是氢原子核，又称为质子。质子带一个单位的正电荷。以后，人们用同样的方法从其他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。
卢瑟福发现质子后，猜想原子核内可能还存在着质量跟质子相近的不带电的中性粒子，并将其称为中子。1932 年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这一猜想。
二、原子核的组成
第五节 原子结构 原子核的组成
质子和中子都是原子核的组成部分（图 10-33），人们将质子和中子统称为核子。
原子核的质量等于核内质子和中子的质量之和，而质子和中子的质量几乎相等，所以原子核的质量近似等于单个核子质量的整数倍。这个倍数代表原子核的相对质量，称为原子核的质量数，用符号 表示。原子核的质量数等于核子数。
质子带正电，中子不带电，原子核所带电荷数等于质子电荷的整数倍。这个整数代表原子核的电荷量，称为原子核的电荷数（简称核电荷数），用符号 表示。原子核的核电荷数等于核内的质子数，也等于元素周期表中的原子序数。
二、原子核的组成
第五节 原子结构 原子核的组成
某元素 的原子核常用符号 表示，其中 为元素符 号， 表示原子核的质量数，写在元素符号的左上角， 表示核电荷数，写在元素符号的左下角。例如，碳原子核可表示为 （为了方便，有时也可简记为），其核电荷数为 6， 质量数为 12，核内有 12 个核子，其中质子 6 个，中子 6 个。
研究发现，有些原子核具有相同的质子数，但却具有不 同的中子数。物理学中，将这种具有相同质子数、不同中子数的原子核组成的核素互称同位素。例如，氢的 3 种同位素为氕、氘、氚，符号分别是、、（图 10-34），它们在元素周期表中的同一位置，属于同一元素。
二、原子核的组成
第五节 原子结构 原子核的组成
1895 年，德国物理学家伦琴发现一种具有很强穿透力的射线，它能使很多固体材料发出可见的荧光，伦琴将其命名为 X 射线。1896 年，法国物理学家贝可勒尔意外地发现，未经阳光照射的铀盐也能使照相底片感光。物质能自发地放出射线的现象称为天然放射现象。物质发出射线的这种性质，称为放射性。具有放射性的元素，称为放射性元素。
法国物理学家皮埃尔 · 居里夫妇对铀和含铀的矿石进行了深入研究，发现了两种放射性更强的新元素，即钋（Po）和镭（Ra），居里夫妇和贝可勒尔因发现放射性物质共同获得了 1903 年的诺贝尔物理学奖。
三、天然放射现象
第五节 原子结构 原子核的组成
放射性元素通常盛放在特殊的容器中，当射线从容器细长的小孔中穿出时，只是细细的一束射线。若射线垂直进入磁场后，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，受到洛伦兹力的作用而发生偏转；另一束在磁场中不偏转，说明它不带电，没有受到洛伦兹力的作用。这三种射线分别称为 α 射线、β 射线和 γ 射线（图 10-35）。三种射线具有以下特征。
三、天然放射现象
第五节 原子结构 原子核的组成
α 射线是带正电的高速粒子流，组成与氦原子核相同。射出时的速度可达光速的 。α 射线有很强的电离作用，极易使空气电离，也能增强照相底片的感光作用，但它的穿透能力很弱，在空气中只能飞行几厘米，一张铝箔或一张薄纸就能将它挡住。
β 射线是带负电的高速电子流，射出时的速度可达光速的 99%，穿透能力较强，能穿透几毫米厚的铝板，但电离作用较弱。
三、天然放射现象
第五节 原子结构 原子核的组成
γ 射线不带电，是波长很短能量很高的电磁波，穿透能力很强，能穿透几厘米厚的铅板。它的电离作用很弱。
三种射线的穿透能力如图 10-36 所示。
三、天然放射现象
第五节 原子结构 原子核的组成
放射性物质的危害和防护
过量的射线照射或大量放射性物质侵入人体会严重损害机体功能，甚至 引起人体基因突变和染色体畸变，并通过遗传危害后代健康。
为保证生命安全，使用放射性物质时，必须做好防护。针对放射性物质的特性，防护措施分为外照射防护和内照射防护。
外照射防护的基本方法有三种：
（1）减少受照射的时间；
（2）增加人体与放 射源之间的距离；
（3）在人与放射源之间设置屏蔽物。
三、天然放射现象
第五节 原子结构 原子核的组成
拓展一步
内照射防护的基本方法有两种：
（1）隔离法，即把放射性物质与操作人员隔离开，如利用防护服或手套箱进行隔离（图 10-37）；
（2）稀释法，即把空气或水中的放射性物质浓度降低到可接受的水平以下。
三、天然放射现象
第五节 原子结构 原子核的组成
拓展一步
作业与活动
第五节 原子结构 原子核的组成
1. α 粒子是氦原子核，质量数是 4，核电荷数是 2，请用原子核符号 表示氦原子核。氢原子核是质子，质量数和核电荷数都是 1，请用原子核符号 表示氦原子核。
2. 分析卢瑟福的原子核式结构与汤姆孙的“葡萄干面包”原子模型的不同点。
项目任务与实践活动
第五节 原子结构 原子核的组成
3. 查找资料，了解卢瑟福原子结构模型的建立过程，并与同学交流这个重要发现对探索原子结构奥秘的意义。
4. 查阅相关资料，做一个关于放射性物质危害的列表以及如何防护的方案。

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