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第五章 原子核
核能是蕴藏在原子核内部的能量。核能的发现是人们探索微观物质结构的一个重大成果。人类通过许多方式利用核能，主要的途径是发电，如今，全世界大约有16%的电能是由核反应堆生产的。核能的利用可以有效缓解常规能源的短缺。
图为某核电站核反应堆的本体。它是浸没在水下的(蓝色)。其中含有铀和钚的燃料棒被装进核反应堆的堆芯，用于产生受控核裂变反应，释放出大量的能量。
5.1 原子核的组成
首先在1896年，贝克勒尔发现了天然放射现象，说明原子核是可以再分的.
然后在1919年，卢瑟福用《粒子轰击氮原子核，发现了质子，说明质子是原子核的组成部分，再后来在1932年，查德威克用 α 粒子轰击铍原子核，发现了中子，说明中子是原子核的组成部分，由此，一步步揭开了原子核的秘密。
天然放射现象
人们通过什么现象或实验发现原子核是由更小的微粒构成的？
人们认识原子核的结构就是从天然放射性开始的。
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片感光。
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入研究。
他们研究了一种沥青铀矿，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，发现这种矿物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(Po)，另一种元素命名为镭(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。
钡铀云母
翠砷铜铀矿
斜水钼铀矿
铀钙石矿
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 α射线、β射线和γ射线。
α 射线在磁场中向左偏转，由左手定则可判断 α 粒子带正电. β 射线在磁场中向右偏转，由左手定则可判断 β 粒子带负电. γ 射线不偏转，说明 γ 射线不带电.
因为 α 粒子带正电、β 粒子带负电、γ 射线不带电，要想用电场使三种射线大致出现如教材图5.1-1中所示的偏转，所加极板带电正负应如图所示.
β 粒子受电场力作用向正极偏转，说明 β 粒子带负电；
α 粒子受电场力作用向负极偏转，说明 α 粒子带正电，γ 射线不偏转，说明 γ 射线不带电.
物理学家经过多方面的研究后确认 α 射线、β 射线和 γ 射线具有以下特征。
α 射线
是 α 粒子流。α 粒子带正电，电荷量是电子的 2 倍，质量是氢原子的 4 倍，其组成与氨原子核相同。
α 粒子的速度可以达到光速的。
由于 α 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， α 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。
β 射线
是电子流，速度可以接近光速。
β 射线的电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
γ 射线
是一种电磁波，波长很短的光子，波长在 10－10 m 以下。
γ射线的电离作用更弱，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。
威耳逊云室
由微观粒子构成的射线，肉眼是看不见的。但是，射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，会显示射线的存在。威耳逊云室就是一种常用的射线探测装置。
图5.1-2是威耳逊云室的实物照片。云室内部设计有可以上下移动的活塞，上盖是透明的可以通过它观察粒子运动的径迹。
云室里面有干净的空气。实验时，先往云室里加少量酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后迅速向下拉动活塞，室内气体膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态。这时如果有粒子在室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴，于是显示出粒子运动的径迹。这种云室是英国物理学家威耳逊在1912年发明的，叫作威耳逊云室。
图5.1-3中甲、乙两图分别是α射线和β射线在云室中的径迹。α粒子的质量比较大，在气体中飞行时不易改变方向。由于它的电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而清晰。高速β粒子的径迹又细又直，低速β粒子的径迹又短又粗而且是弯曲的。γ射线的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹。
原子核的组成
1919年，卢瑟福用镭放射出的 α 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p表示。
质子
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
mp＝1.672 621 898×10－27 kg
质子是原子核的组成部分，但绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的质量与电荷量之比，说明原子核中除质子外，还存在着其他粒子，并且这种粒子不带电或带电荷量比质子小.
中子
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)。
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。
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 n 表示。
中子的质量是
mn＝1.674 927 471×10－27 kg
它与质子的质量非常接近，只比质子质量约大千分之一。
核子
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)。
电荷数
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。
质量数
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，这个整数叫作原子核的质量数，用 A 表示。
子核的电荷数不是它所带的电荷量，质量数也不是它的质量。
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。
原子核常用符号表示 (图5.1-6)，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 H，有时也用它表示质子。氦原子核可以表示为 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，引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。这些核中质子数相同而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素(isotope)。
同位素
氢有三种同位素，分别叫作氕 (也就是通常说的氢)、氘(也叫重氢)、氚 (也叫超重氢)，符号分别是 H、H、H (图5.1-7)。
原子核的组成
中子
质子
统称核子
U
He
H
1
1
4
2
235
92
X
A
Z
(核) 电荷数
质量数
10－15m
元素符号
质量数
核子数
中子＋质子
质子
中子
核子
质子数
核外电荷数
原子序数
同位素
原子核的组成
氢原子核(H)最简单，它就是一个质子，核外有一个电子绕着它转；
氦原子核(He)是由2个质子和2个中子组成的，核外有2个电子绕着它转；
锂原子核(Li)是由3个质子和4个中子组成的，核外有3个电子分两层绕着它转；
铍原子核(Be)由4个质子和5个中子组成，核外有4个电子分两层绕着它转；
……
各种原子核内质子的个数 (核的电荷数) 和核外电子的个数都相同，它也等于该种元素在元素周期表中的原子序数；
原子核内质子和中子的总数叫做核的质量数，它等于该元素原子量的整数部分。
在某种核反应中，一个中子变成一个电子和一个质子。这就是原子核内没有电子，又会放出电子，产生 β 射线的原因。
典例探究
例题：氘和氚是氢的同位素，关于氢、氘、氚的原子，下列说法哪个正确？
(1) 具有相同的质子数、相同的中子数、相同的电子数；
(2) 具有不同的质子数、相同的中子数、相同的电子数；
(3) 具有相同的质子数、不同的中子数、相同的电子数；
(4) 具有相同的质子数、相同的中子数、不同的电子数．
天然放射现象的发现
1895年年末，德国物理学家伦琴发现了一种新的射线——X 射线，即伦琴射线。它具有一定的辐射性。现在我们知道，X 射线是原子内层电子跃迁时发射的波长很短的电磁波。但在当时并不知道这些，所以，它的发现激起了许多科学家的研究兴趣。
法国物理学家贝克勒尔对荧光研究了多年，他决定研究荧光与 X 射线的关系。1896年年初，他选择了在日光照晒时能发出荧光的铀盐——硫酸铀酰钾做实验材料。他用黑纸把照相底片包住，放到这种铀盐的下面，在阳光下曝晒了几小时。底片显影后，发现了铀盐在底片上的黑色轮廓，表示底片已经感“光”。阳光是不能透过黑纸的，贝克勒尔认为，这种铀盐受到阳光照射后除了能够发出可见的荧光外，还能发射 X 射线，是 X 射线透过黑纸使底片感光。再次准备实验的时候遇到了几个阴天，贝克勒尔只好把准备好的铀盐和包好的底片一起放进了抽。几天以后贝克勒尔在检查底片时意外发现底片又已经感光。
这个事实使贝克勒尔认为铀盐本身能够发射一种神秘的射线，正是这种射线导致了底片感光。1896年3月2日，他在法国科学院例会上公布了这一发现。贝克勒尔进一步用不发荧光的其他铀化合物进行实验，发现也能使底片感光。铀化合物发出的射线也像X射线一样能穿透多种物质。他还发现，只要有铀元素存在，不论是什么化合物，就一定有这种贯穿本领很强的射线发出。贝克勒尔认为这种射线不是X射线;他还进一步指出，发出射线的能力是铀原子自身的性质。
1897年，居里夫人在撰写博士论文时选择了贝克勒尔发现的射线作为研究课题。她首先证实，铀盐发出射线的强度只与化合物中铀的含量成正比，而与化合物的种类无关，也不受光照加热、通电等因素的影响。由此，她确认这一现象的起因在于原子内部，并提出了“放射性”这个词，用来描写这一现象。
居里夫妇提出了一个重要的问题：是否还有其他元素也具有这种性质 他们决定检查当时知道的所有元素，结果发现钍也发射类似的射线。
居里夫妇还发现，某些含有铀钍混合物矿石的辐射强度比已测到的铀和钍的放射性强得多，他们大胆假定这些矿石中含有当时尚不知晓的某种其他放射性元素，并一起开始了一项艰苦的工作：从沥青铀矿中分离这种新元素。1898年7月，他们得到了一种放射性比铀强400倍的新元素，并把它命名为钋，以表达居里夫人对祖国波兰的热爱。同年12月，他们又发现了放射性比铀强百万倍的镭。镭的发现再次轰动了科学界，但是也有人怀疑它的存在。为了排除这一怀疑，居里夫妇经过艰苦繁重的工作，在几万次提炼之后，终于在1902年从8t沥青铀矿渣中提炼出0.12g纯净的氯化镭，向世人证实了镭元素的存在。
居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而一起获得1903年的诺贝尔物理学奖。在发现镭射线的治癌功能后，他们认为这种济世救人之物应该属于全世界。当镭以昂贵的价格出现在市场上时，他们自己却甘愿过着清贫的生活。居里夫人在1911年又因镭和钋的发现而获得了诺贝尔化学奖，成为两次获得诺贝尔奖的科学家。
可能是由于长期受到射线的照射，居里夫人死于白血病。
练习与应用
1.有什么事实和理由可以说明放射性元素放出的射线来自原子核的内部 天然放射现象的发现对物质微观结构的研究有什么意义
解：实验发现，如果一种元素具有放射性，那么，无论它是以单质形式存在的，还是以化合物形式存在的，都具有放射性，而且放射性的强度不受温度、外界压强等因素的影响，而以上因素会影响原子核外的电子，这说明射线与这些电子无关. 也就是说，射线来自原子核的内部.
天然放射现象的发现，使人们认识到原子核内部有复杂的结构，而且原子核可以发生变化，成为另一种原子核.
实际上，人们认清原子核的结构就是从天然放射现象开始的.
2. 根据 α 射线、β 射线和 γ 射线的主要特征，判断其中哪种射线更像 X 射线
解：α 射线是速度可达到 0.1c 的核粒子流，β 射线是速度可接近光速的电子流，都是实物粒子. γ 射线和 X 射线都是光子，是电磁波，γ 射线更像 X 射线.
3. 一个验电器带正电，因为空气干燥，验电器金属箔的张角能维持很长的时间。现有一束 α 射线射向这个验电器上端的金属球，验电器金属箔的张角将会怎样变化 为什么
解：验电器金属的张角将变小. 因为放射性元素放出的 α 射线具有一定的电离作用，它能使所经过的路径上的空气分子电离，使空气变成导体，从而中和掉部分验电器上所带的正电荷，所以验电器金属的张角将变小.
4. 当人们发现了质子，并在很多原子核中打出了质子以后，有什么理由可以认定原子核中一定还存在着另外不同种类的粒子
解：如果原子核中只有质子，那么任何一种原子核的质量与电荷量之比都应该等于质子的质量与电荷量之比. 实际并不是这样，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. 所以卢瑟福猜想，原子核内可能存在着另，种有质量但不带电的粒子.
5. 用符号表示以下原子核，并说出原子核的质子数、中子数。
(1) α 粒子。
(2) 质量数为 14 的碳原子核。
(3) 电荷数为 8、质量数为 17 的氧原子核。
(4) 质量数为 40 的钾原子核。
(5) 电荷数为 86、核子数为 222 的氨原子核。
解：(1) He；质子数是2，中子数是 2.
(2) C；质子数是6，中子数是 8.
(3) O；质子数是8，中子数是 9.
(4) K；质子数是 19，中子数是 21.
(5) Rn；质子数是 86，中子数是 136.
6. 写出原子核中的中子数分别为0、1、2的三种氢的同位素符号。比较铀的三种同位素 U、 U、 U 的异同。
解：氢的三种同位素分别是 H、 H、H.
铀的三种同位素具有相同的质子数、电荷数，它们属于同种元素的原子，核外电子数也相同，具有相同的化学性质；但是它们的中子数是不同的，因此它们的质量数不同.

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