质子和中子是怎样在原子核中排列的
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发布时间：2022-10-19 22:21
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热心网友
时间：2024-11-16 03:24
相对原子质量、质子数、中子数之间的关系 物质构成的奥秘
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时间：2024-11-16 03:24
我们在越来越深入地发掘物质的结构时，现在应该用我们智力上的眼睛，试一试观察原子核的内部了。原子核的内部是只占原子本身总体积几亿分之一的神秘区域；尽管这个新的研究领域的尺寸小得难以置信，但我们将发现，它具有了非常巨大的活动性。事实上，原子核毕竟是原子的心脏，虽然它的体积只占原子总体积的10－15，但它却大约占有原子总质量的99．97％。
在从原子那个密度稀薄的电子云进入原子核区域时，我们马上会因为其中粒子极端拥挤的状态而感到惊奇。平均说来，在原子大气中，电子的活动范围比它自己的直径大几十万倍，而居住在原子核内部的粒子，却确实是一个紧挨着一个地挤在一起，把原子核挤得满满的，只能勉强地移动。从这个意义上说，原子核内部的景象与一般液体很相似，不过我们现在所碰到的不是分子，而是比分子小得多的粒子，即所谓质子和中子。在这里应该指出，质子和中子尽管名称不一样，但人们现在却把它们看做是同一种重基本粒子——即所谓“核子”——的两种不同的带电状态。质子是带正电的核子，中子是电中性的核子。至于说到核子的几何大小，那么，它们同电子并没有多大差别，直径约为10－12厘米。不过，核子比电子重得多，要用1840个电子放在天平的一端，才能同放在另一端的一个质子（或中子）相平衡。我已经说过，构成原子核的粒子彼此挤得非常紧，这是由某种特殊的原子核内聚力（强核力）的作用决定的。这种力同作用于液体分子之间的力很相似，并且就像液体的情形那样，尽管这种力能够防止各个粒子完全分离开，却并不妨碍各个粒子发生相对位移。这样一来，原子核物质就具有某种程度的流体的性质，它在不受任何外力的干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形。在我现在拿出的这张示意图上，你们可以看到由质子和中子构成的几种不同的原子核。最简单的一种是氢的原子核，它只含有一个质子，而最复杂的铀原子核却含有92个质子和142个中子。当然，你们应该把这些图形看做是真实情况的高度公式化的示意图，因为根据量子论那个最基本的测不准原理，每一个核子的位置实际上都“弥散”到整个原子核区域。
我已经说过，构成原子核的各个粒子是由很强的内聚力维持在一起的，但是，除了这种引力以外，在原子核内还存在着另一种作用方向与它相反的力。事实上，大约占原子核成员总数的一半的质子是带正电的，它们会由于库仑静电力的作用而互相排斥。对于比较轻的原子核来说，由于其中的电荷比较少，这种库仑斥力是无足轻重的，但是，在原子核比较重、电荷很多的场合下，库仑斥力就会同强核引力激烈地竞争。核力是短程力，只在相邻的核子之间起作用，而静电力却是长程力。这就意味着，处在原子核外围的质子只受到紧邻的核子的吸引，而却受到原子核内所有其他质子的排斥。当原子核内的质子增多时，斥力会变得越来越强，而引力并不随之增大。因此，当质子超过一定的数量时，原子核就不再是稳定的，它倾向于把它的某些组成部分驱逐出去，这就是许多处在周期表末尾的元素，即所谓“放射性元素”所发生的情形。
你们可能会从上面的叙述得出结论说，这些不稳定的重原子核会把质子发射出去，因为中子不带任何电荷，所以，它们不是库仑斥力所要排斥的对象。但是，实验告诉我们，实际上被发射出的粒子是所谓“α粒子”（氦的原子核），这是由两个质子和两个中子构成的一种复合粒子。这个事实应该用原子核各个组成部分特殊的结合方式来解释。原来，由两个质子和两个中子结合成α粒子这样的组合特别稳定，因此，一下子把这整个粒子团抛出，要比把它*成质子和中子容易得多。
你们大概已经知道，放射性衰变现象是法国物理学家贝克勒尔最先发现的；而把它解释成原子核自发嬗变的结果的，则是著名的英国物理学家卢瑟福。关于卢瑟福，我过去在谈到别的问题时已经提到过了，由于他在原子核物理学中有过许多重要的发现，他对科学所做的贡献是很大的。
α衰变过程的一个最重要的特点是：α粒子要找到离开原子核的“门路”，往往需要极长的时间。在铀和钍的情况下，这个时间大约是几十亿年，在镭的场合下，它大约是16个世纪。此外，尽管有些元素只要几分之一秒就发生衰变，但是，它们的整个寿命同原子核内部运动的速度比较起来、仍然可以认为是非常之长的。
那么，是什么力量使α粒子有时在原子核内停留几十亿年之久呢？再说，既然它已经停留这么久了，为什么它最后又会发射出来呢？
为了回答这个问题，我们必须先简单地谈谈内聚引力和作用于粒子、使它们脱离原子核的静电斥力的相对强度。卢瑟福曾经利用所谓“轰击原子”的方法，对这两种力作了细致的实验研究。卢瑟福在卡文迪许实验室做过一个著名的实验，他让一束从某种放射性物质发射出的快速运动的α粒子射到物质上，并观察这些原子炮弹由于同被轰击物质的原子核碰撞而发生的偏转（散射）。这种实验证明了这样一个事实：当这些炮弹离原子核比较远时，它们受到核电荷的长程静电斥力的强烈排斥，但是，如果它们能够射到非常靠近原子核区域的外界，这种斥力就会被强烈的引力所取代。可以说，原子核有点像一个四周有又高又陡的围墙的堡垒，它的围墙既不让粒子从外部进入，也不让粒子从里面逸出。但是，卢瑟福实验的最令人惊讶的结果也就在于：不管是在放射性衰变过程中发射出的α粒子，还是从外部射入原子核的炮弹，它们实际拥有的能量都太小了，不足以从围墙——即我们物理学家常说的“势垒”——上面越过。这是一个同古典力学的全部概念完全相矛盾的事实。真的，要是滚一个皮球所用的能量远远小于它达到山顶所需要的能量，你怎能期望它越过山顶滚过去呢？在这种情况下，古典物理学只好瞪大眼睛，假定卢瑟福的实验肯定有某种错误了。
其实，这里并没有任何错误。如果说这里有什么错误的话，那么，犯错误的决不是卢瑟福，而恰恰是古典力学自己。这种局面已经由伽莫夫、格尼和康登同时澄清了，他们指出，只要从量子论的观点来考虑这个问题，就不会产生任何疑难了。事实上，我们已经知道，今天的量子物理学并不承认古典理论那种非常确定的、呈曲线状的轨道，而用幽灵般模糊的径迹来代替它们。并且，正像古老传说中的幽灵能够毫无困难地穿过古城堡厚厚的石墙一样，这种幽灵般的轨道也能够穿透那种从古典观点看来完全无法穿透的势垒。
请大家不要以为我是在开玩笑。势垒被能量不够大的粒子所穿透的可能性，确实是新的量子力学的基本方程直接给出的数学结果，它代表新、旧运动概念之间的一个最重大的差异。不过，新的力学虽然容许出现这种不寻常的效应，但却是在加上严格*的条件下才容许这样做的：在绝大多数场合下，穿过势垒的机会都极其微小，被禁闭的粒子肯定要往墙上撞许许多多次（次数多到无法置信），才能够最后获得成功。量子论为我们提供了一些计算这种逃逸概率的精确公式，现在事实已经证明。我们所观察到的α衰变的周期是同这种理论预测完全相符的。即使是对于那些从外部射入原子核的炮弹来说，量子力学的计算结果也同实验非常一致。
在进一步深入讨论之前，我想先让大家看几张照片，它们显示了几种被高能原子炮弹击中的原子核的衰变过程。
第一张是旧的云室照片。我应该说明一下，由于这些亚原子粒子非常非常之小，人们是不能够直接看到它们的，即使是用倍数最大的显微镜也不行。所以，你们一定想不到我能为大家提供它们的真实照片了。可是情况并不如此，我们只要利用一些巧妙的方法，就可以做到这一点。
请大家设想一架高速飞行的飞机所留下的蒸汽尾迹吧！那架飞机本身可能飞得非常快，因而很难看到它，事实上，当你想看它的时候，它可能根本已经不再在那里了。但是，我们却可以从它留在身后的蒸汽尾迹知道它的行踪。威尔孙就是用这种简单的方法把亚原子粒子变成“可见的”。他制造了一个含有气体和水蒸气的观察室，然后利用一个活塞，使气体突然发生膨胀。这会使室内的温度立即降低，从而使蒸汽处于过饱和状态。这样的蒸汽全都倾向于形成云。但是，云是不会无缘无故就开始形成的，必须有一些中心可以使蒸汽附着在上面凝结成小水滴，否则，一个水滴就不会开始在某个地方（而不在另一个地方）产生了。在云的形成过程中通常发生的情况，是大气中存在的尘埃粒子变成蒸汽优先选择的中心，蒸汽可以附着在上面开始凝结。不过，威尔孙云室的巧妙之处却在于他把一切尘埃都清除干净。那么，小水滴会在什么地方形成呢？原来当时已经发现，当带电粒子通过媒质运动时，它会使它路上的原子发生电离（也就是说，会从那些原子中击出一些电子）。这些电离了的原子便是很好的冷凝中心，依靠它们可以形成越来越大的水滴。因此，在云室中发生的情况是：只要有带电粒子在其中穿过（同时在其身后留下一串电离了的原子）。那么，在云室内就会形成一串小水滴，这些小水滴在几分之一秒内就长得很大，使人们可以看到它们，并对它们进行摄影。我现在挂出的这张图，就是发生这种情况时的照片。
大家可以看到，从图的左边开始出现许多串小水滴，每一串都是从图中没有示出的强α射线源发出的一个α粒子所造成的，这些α粒子大多没有发生一次严重的碰撞就穿过我们的视场，但是其中有一个（就是刚刚低于图的中线的那一串）正好击中了一个氮原子核。那个α粒子的径迹终止在碰撞点上，大家可以看到，就从这个点上出现了另外两个径迹：朝左上方飞去的那条较细的长径迹是从氮原子核中击出的一个质子留下的，而那条较粗的短径迹则代表原子核自身的反冲。不过，现在它已经不再是氮原子核了，因为氮原子核在失去一个质子和吸收入射的α粒子以后，已经转变成氧原子核了。这样一来，我们现在已经用“炼金术”把氮转变成氧和副产品氢。我之所以让大家看这张照片，是因为它是有史以来拍摄到的第一张使元素发生人为转变的照片，它是卢瑟福的学生布莱克特拍到的。
这张照片所表明的核嬗变，是今天实验物理学所研究的几百种核嬗变当中的相当有代表性的例子。在所有这类被称为“置换核反应”的核嬗变中，都有一个入射粒子（质子、中子或α粒子）进入原子核，把另一个粒子打出去，它自己则置换了这个粒子。我们可以用α粒子置换质子，可以用质子置换α粒子，也可以用中子置换质子，等等。在所有这些嬗变中，反应过程中产生的新元素在周期表上都是那个被轰击元素的近邻。
一直到第二次世界大战的前夕，才有两个德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现了一种完全新型的原子核变化，在这种变化中，一个重的原子核*成两个大致相等的部分，同时释放出极其大量的能量。在下一张挂图中，你们可以看到铀原子核两块碎片从一张很薄的铀箔向彼此相反的方向飞出。这种现象被称为“核裂变反应”，最初是在用中子束轰击铀的场合下发现的，但是，人们很快就查明，靠近周期表末尾的其他元素也具有类似的性质。
看来，这些重原子核确实已经处在它们的稳定性的边缘了，所以，尽管中子的撞击只提供很小的刺激，却已足以使它们一分为二。像一滴太大的水银那样分成较小的液滴了。重原子核具有这种不稳定性的事实，使人们想到应该怎样解释为什么自然界中只有92种元素的问题。事实上，任何一种比铀更重的元素都无法存在很久，它们会立即自发地*成许多小得多的碎片，而且不需要任何外来的刺激。
从实用的观点看，核裂变现象是很有意义的，它可能成为核能源：当重核*时，它们会以辐射和快速运动粒子的形式发射出能量。在被发射出的粒子当中，有一些是中子。它们可以进一步引起邻近原子核的裂变，而后者又能够导致更多中子的发射，产生更多次的裂变，也就是发生所谓的链式反应。只要铀原料足够多（我们称之为临界质量），被发射出的中子便有足够高的概率去击中其他原子核，并引起下一轮的裂变，从而使裂变过程自动持续下去。事实上，这可能演变成一种爆炸性的反应，在几分之一秒的时间内就把贮藏在那些原子核里的能量统统释放出来。这就是第一颗原子弹所依据的原理。
但是，链式反应并不一定会导致一场爆炸。在严格控制的条件下，这种过程也可以有节制地持续进行下去，同时稳定地释放出一定数量的能量。这正是核电站里发生的情形。
像铀这类重元素的核裂变，并不是开发原子核能的惟一途径，在利用原子核能方面，还有一种完全不同的办法。这就是把最轻的元素（如氢）合成比较重的元素。这种过程称为核聚变反应。
当两个轻原子核相接触时，它们会像小盘上的两小滴水银一样，聚合在一起，这种情形只有在非常高的温度下才能够发生，要不然，静电斥力就不允许互相靠近的轻原子核彼此发生接触。但是，当温度达到几千万摄氏度时，静电斥力已不再能阻碍轻原子核互相接触，于是，聚变过程就开始了。最适合于聚变反应的原子核是氘核，这就是重氢的原子核。重氢是很容易从海水中提取的。
现在也许大家会觉得奇怪：为什么聚变和裂变都能够释放出能量呢？要点在于，中子和质子的某几种组合要比其他组合束缚得更牢固一些；当从束缚得较松散的组合变成核子束缚得更有效的组合时，就有一些多余的能量可以释放出来。原来，重的铀原子核是束缚得相当松散的；所以它能够通过*成较小的群组而转变成若干个更牢固的组合。而在周期表的另一端（轻元素的那一端），却是核子的较重的组合，束缚得比较牢固。例如，由两个质子和两个中子组成的氦原子核就束缚得异常牢固。因此，如果能设法迫使几个分开的核子或氘核发生碰撞而结合成氦时，就会有一些能量可以释放出来。
氢弹就是根据这个原理制成的。在氢弹爆炸时，氢通过包括聚变在内的一些反应转变成氦，这时所释放出的能量要多得多，因此，氢弹的威力也要比靠裂变造出的第一代核武器大得多。遗憾的是，科学家们已经证明，要想和平使用氢弹的威力，其困难也要大得多——在建成利用聚变能量的民用核电站以前，还有很长的路要走！
不过，太阳却毫无困难地做到了这一点。氢不断连续地转变成氦是太阳的主要能源。过去，太阳已经成功地以稳定的速率把这种反应维持了50亿年，将来，它还会再把它维持50亿年。
在质量比太阳更大的恒星上，由于其内部温度更高，便发生了许多更进一步的聚变反应，这些反应把氦转变成碳，把碳转变成氧，等等，等等，直到变成铁元素为止。到了铁以后，从聚变反应就得不到什么可用的能量了（在中等质量的元素里，核子的束缚比较牢固）。因此，要想得到有用的能量，就只好指望相反的过程——像铀这类重原子核的裂变了。
（来源：《物理世界奇遇记》乔治·伽莫夫）
