第5章 微觀(guān)世界及其探索3：原子核的結(jié)構(gòu)

原子的大小和重量原子的直徑10-10m。把1000萬(wàn)個(gè)碳原子一個(gè)接一個(gè)排成行，其長(zhǎng)度只有1厘米。

50萬(wàn)個(gè)原子只能排滿(mǎn)頭發(fā)絲的距離。全世界50億人一起來(lái)數(shù)一滴水中包含原子的數(shù)目，假定每人數(shù)一個(gè)原子的時(shí)間一秒鐘，50億人一起數(shù)完一滴水中全部原子所需的時(shí)間為30000年。

原子的重量只有10-23克。一杯水的重量與其中的一個(gè)原子的重量相比，約等于地球的重量與其上的一小塊磚頭的重量之比。原子由原子核和電子組成。原子核還能分割嗎？――放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1896年，法國(guó)物理化學(xué)家貝克勒爾在鈾礦石中發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象，此后，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了其他放射性元素：釷、釙、鐳。

射線(xiàn)――高能光子流

射線(xiàn)――高速運(yùn)動(dòng)的電子流

射線(xiàn)――帶兩個(gè)正電荷的氦核

放射性元素發(fā)出的射線(xiàn)包含三種射線(xiàn)：

一、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)

盧瑟福觀(guān)察原子核破裂的裝置原子量始終是氫原子量的整數(shù)倍。

1919年，盧瑟福用

粒子作為高速“炮彈”來(lái)轟擊氮原子核，首先實(shí)現(xiàn)了原子核的人工破裂。DS§5-4原子核的結(jié)構(gòu)

用

粒子轟擊氮原子核，能釋放氫核，用硼、氟、鈉、鋁、磷等做實(shí)驗(yàn)，也能打出氫核。氫核定義為“質(zhì)子”。每個(gè)原子核都由氫核構(gòu)成。盧瑟福得出結(jié)論：二、中子的發(fā)現(xiàn)1、盧瑟福的預(yù)言

2、查德威克從實(shí)驗(yàn)中找到中子，獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1930年，德國(guó)物理學(xué)家玻特和貝克發(fā)現(xiàn)利用

粒子轟擊鈹元素時(shí)，產(chǎn)生了一種穿透力極強(qiáng)而且不受電場(chǎng)或磁場(chǎng)影響的射線(xiàn)。

1932年，伊蓮娜和約里奧·居里發(fā)現(xiàn)，這些新射線(xiàn)能將運(yùn)動(dòng)速度極快的氫核從石蠟中釋放出來(lái)，斷言這種射線(xiàn)是

射線(xiàn)。德國(guó)著名生物學(xué)家巴斯德所說(shuō)：“在觀(guān)察的領(lǐng)域里，機(jī)遇只偏愛(ài)那些有準(zhǔn)備的頭腦?！痹釉雍穗娮淤|(zhì)子中子4、原子核3、發(fā)現(xiàn)中子的意義：不僅揭示了原子核的組成，而且為原子核物理的研究提供了有力的武器

1932年，前蘇聯(lián)伊凡寧柯與海森伯提出原子核由質(zhì)子和中子組成的理論。核子質(zhì)子中子原子質(zhì)量單位原子核的符號(hào)X：元素的化學(xué)符號(hào)Z：質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)）N：中子數(shù)核子數(shù)（質(zhì)量數(shù)）5、舉例(同位素)氫核：氘核（）氚核（）核素：具有確定的Z和N的原子核對(duì)應(yīng)的原子原子核的尺寸：?jiǎn)栴}：原子核內(nèi)是同種電荷原子核內(nèi)新型的力：核力核力是把質(zhì)子和中子糾合在一起，構(gòu)成一個(gè)個(gè)穩(wěn)定的原子核(也包括不穩(wěn)定的原子核)的強(qiáng)大的束縛力。核力出現(xiàn)于質(zhì)子～質(zhì)子、中子～中子、質(zhì)子～中子之間，強(qiáng)度相等。二、一種新的相互作用力－－核力1、核子與核子之間的相互作用力特點(diǎn)（1）核力是強(qiáng)相互作用力，且主要為吸引力（2）核力是一種短程力大約為兩個(gè)數(shù)量級(jí)表現(xiàn)為引力表現(xiàn)為斥力原子核不能無(wú)限地壓縮(3)核力是與粒子的帶電狀態(tài)完全無(wú)關(guān)的強(qiáng)大的吸引力。任何物體在松散時(shí)的質(zhì)量比在結(jié)合（集團(tuán)）時(shí)的質(zhì)量要大。任何物體在松散時(shí)的靜止能量比在結(jié)合（集團(tuán)）時(shí)的靜止能量要大。結(jié)合能：獨(dú)立的核子結(jié)合在一起時(shí)所釋放的能量結(jié)合能近似地與核子數(shù)A成正比，每個(gè)核子的平均結(jié)合能（比結(jié)合能）是個(gè)常數(shù)，與A無(wú)關(guān)。即原子核不能無(wú)限制地壓縮。反映核力具有飽和性質(zhì)。同時(shí)反映原子核的質(zhì)量密度是個(gè)常數(shù)。2、原子核的質(zhì)量密度原子核的半徑R與原子數(shù)A的近似關(guān)系質(zhì)量密度：（4）核力具有飽和性，結(jié)合能1cm3的體積內(nèi)約有億千克三、核能來(lái)源

1、原子核的結(jié)合能及其計(jì)算結(jié)合能：當(dāng)所有核子（質(zhì)子和中子）由于相互吸引而聚集在一起時(shí)，將有能量放出，此放出的能量稱(chēng)結(jié)合能。所有的從松散（粒子）粒子狀態(tài)聚集到一起都有能量放出。集團(tuán)狀態(tài)能量最低，最穩(wěn)定；反之，將集團(tuán)打碎，需要能量。結(jié)合能的計(jì)算公式（根據(jù)）：：核子在形成原子核前后靜能之差。忽略電子的質(zhì)量，即忽略電子的結(jié)合能：：氫原子的質(zhì)量：原子的質(zhì)量例：氘核是熱核反應(yīng)的主要原料，計(jì)算其結(jié)合能（一個(gè)電子）＋（一個(gè)質(zhì)子）＝氫原子電離能核能比原子結(jié)合能大很多2、核能來(lái)源：從結(jié)合能小的原子核到結(jié)合能大的原子核，有能量釋放。核能來(lái)源于原子核結(jié)合能變化所釋放的能量（1）比結(jié)合能：每個(gè)核子的結(jié)合能原子核的平均結(jié)合能曲線(xiàn)(P.176)

（2）核能的來(lái)源1）重核裂變:一個(gè)重核（）裂變成兩個(gè)中等核（）(2)氫核聚變：兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)比結(jié)合能較大的核。原子彈：重核裂變氫彈：氫核聚變例：D和T聚合成氦核，同時(shí)放出一個(gè)中子，求結(jié)合能聚變獲得的能量比裂變獲得的能量大很多，故氫彈的威力比原子彈大很多。核反應(yīng)的公式可按如下

§9-3裂變反應(yīng)堆

P305-P316閱讀：

§9-4可控的熱核聚變反應(yīng)

P316-P323

1938年，德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W托·哈恩發(fā)現(xiàn)核裂變

，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)利用原子能的新紀(jì)元。

美籍意大利裔物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”理論使原子核裂變反應(yīng)成為現(xiàn)實(shí)。

1942年12月2日，在芝加哥大學(xué)的體育場(chǎng)的看臺(tái)下，世界上第一座用碳作減速劑的核反應(yīng)堆竣工落成。人類(lèi)進(jìn)入了原子能時(shí)代。五、核子結(jié)構(gòu)夸克：層子模型

1960年前后，蓋爾曼提出了一個(gè)對(duì)當(dāng)時(shí)已知亞原子粒子分類(lèi)的方法。根據(jù)這個(gè)方案推測(cè)，質(zhì)子、中子等一些粒子可能由一種新的粒子組成，蓋爾曼給它取名夸克。1967年，有人在研究質(zhì)子和中子的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子的內(nèi)部有3個(gè)小小的結(jié)實(shí)的核心，又經(jīng)過(guò)大家6年的實(shí)驗(yàn)與研究，逐步明確這3個(gè)點(diǎn)狀物就是蓋爾曼的夸克。

20世紀(jì)70年代后，理論和實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果均表明應(yīng)該存在6種夸克，上夸克（u）、下夸克（d）、奇異夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）、頂夸克（t）。

夸克禁閉——夸克都3個(gè)一組“囚禁”在強(qiáng)子中，沒(méi)有探測(cè)到自由的夸克。

夸克味道：上夸克奇異夸克底夸克下夸克粲夸克頂夸克

6種夸克，被物理學(xué)家風(fēng)趣地稱(chēng)為6種“味道”

u夸克帶有2/3的正電子電量，d夸克帶有1/3的電子電量。質(zhì)子由2個(gè)u夸克

和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成?？淇藥в蟹?jǐn)?shù)電荷但是，有的重子含有的3個(gè)夸克中有同味夸克，這與泡利不相容原理相矛盾，于是，物理學(xué)家又引入一個(gè)新的量子數(shù)——色每一味夸克分為紅、綠、藍(lán)三種，每個(gè)重子都是無(wú)色的，是3色夸克的組合。（注意，這里的色是借