原子与原子核的结构

1/5第三章二、原子与原子核的结构原子的核式结构模型1909～1911年，英国物理学家卢瑟福（E．Rutherford，1871-1937）和他的助手们进行了α粒子散射的实验：用α射线照射金箔，由于金原子中的带电微粒对仪粒子有库仑力的作用，一些α粒子穿过金箔后会改变原来运动的方向。卢瑟福希望通过对实验现象的分析，来了解原子内部电荷与质量分布的情形。实验的结果是，绝大多数α粒子穿过金箔后仍大致沿原来的方向前进，但是少数α粒子发生了较大的偏转（图3.2-1）。实验中观察到的大角度散射使卢瑟福感到惊奇。α粒子的这种大角度散射，不可能是金箔原子内的电子造成的，因为电子的质量很小。这就像子弹碰到尘埃一样，子弹的方向不会发生什么变化。α粒子一定是由于正电荷的作用而散射，而且正电荷的质量一定很大，碰撞时才能使α粒子改变运动方向。卢瑟福猜想：原子中的正电荷与原子的质量一定集中在一个很小的核上。卢瑟福精确统计了向各个方向散射的α粒子的数目，在此基础上提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核内，这个核叫做原子核（atomicnucleus），带负电的电子在核外的空间运动着。按照原子的核式结构模型，原子内部的空间十分空旷。近代研究表明，原子直径的数量级为10-10m，而原子核直径的数量级仅为10-15m，两者相差十万倍！如果把原子比做直径百米左右的大球，那么原子核只有米粒大小。原子核的组成原子核虽然很小，但是也有内部结构。1919年，卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮原子核，从氮核中打出了一种新的粒子。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，原来它就是氢原子核，叫做质子（proton），用p表示。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，因而，质子是原子核的组成部分。图3.2-1α粒子的散射2/5质子带正电荷，电荷量与一个电子所带电荷量相等。质子的质量mp=1.6726231×10-27kg。原子核只由质子组成吗？如果原子核中只有质子，那么任何一种原子核的电荷量与质量之比，都应该与质子的电荷量与质量之比相同。实际并不是这样，绝大多数原子核的电荷量与质量之比都比质子相应的比值要小。卢瑟福猜想：原子核内可能还存在着另一种粒子，它的质量跟质子相同，但是不带电。卢瑟福把这种粒子叫做中子（neutron）。卢瑟福的这个猜想被他的学生英国物理学家查德威克（J．Chadwick，1891-1974）通过实验证实了。中子不带电，用符号n表示。中子的质量mn=1.6749286×10-27kg，非常接近质子质量，只比质子质量大千分之一左右。质子和中子除了所带电荷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，所以统称核子（nucleon）。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。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，叫做原子核的电荷数，用Z表示。原子核的质量几乎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核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数，用A表示。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。图3.2-2α粒子轰击氮原子核3/5原子核常用符号AZX表示，X为元素符号，上角标A表示核的质量数，下角标Z表示核的电荷数（原子序数）。例如氦核，可以表示为42He，它的质量数是4，电荷数是2，即氦核内有2个质子和2个中子。23892U代表铀核，它的质量数为238，电荷数为92，即核内质子数为92，中子数为146。原予核的质子数决定了核外电子的数目，也决定了电子在核外分布的情况，进而决定了这种元素的化学性质。因此，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。这些具有相同质子数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）。例如，氢有三种同位素，分别叫做氢、氘（也叫重氢）、氚，符号是；11H、21H、31H。中子的发现使人们认识到，如果认为原子核是由质子和中子组成的，与原子核组成有关的问题都可以得到圆满的解释，于是这一看法很快得到了公认。质能方程如果某种粒子与原子核发生相互作用，导致核的组成或核的状态发生了变化，这样的过程叫做核反应。核反应总会伴随着能量的变化。由于原子核内的核子之间存在着强大的作用力，所以核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化。例如，一个质子和一个中子结合成氘核时，要放出2.2MeV1的能量。蕴藏在原子核中的能量称为核能（nuclearenergy）。爱因斯坦在建立相对论时指出，物体的能量与质量之间存在着联系，它们之间的关系是E=mc2这就是著名的爱因斯坦质能方程，式中E为物体的能量，m为物体的质量，c是光速。这个方程表示，物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比例关系。既然物体的质量与它的能量之间存在着联系，原子核在其能量释放的前后，它的组成成分的总质量也会有所不同。精确测定的结果表示，原子核的质量比组成它的所有质子和中子的质量之和要略小一点。例如，氘核虽然是由一个质子和一个中子组成的，但是氘核的质量比一个质子、一个中子质量之和约小0.12%。这个现象叫做原子核的质量亏损。核反应涉及的能量十分巨大。1mol碳完全燃烧过程中释放的能量不过393.51kJ，每个1eV是能量的单位，叫做电子伏特，常用在原了物理学和核物理学中。1eV=1.6×10-19J。图3.2-3原子核示意图4/5碳原子在燃烧过程中放出的能量不过4eV，而一个质子与一个中子结合成氘核所释放的能量可达2.2MeV，两者相差近百万倍！爱因斯坦（AlbeliEinstein．1879-1955）是人类历史上最伟大的物理学家之一。他出生于德国南部的小城马尔姆，1900年毕业于瑞士联邦工业大学。1905年，是科学史上值得记取的一年。这一年，爱因斯坦26岁，他在德国《物理学年鉴》上发表了五篇论文，其中的三篇都是划时代的成就。一篇论文是关于光电效应的。爱因斯坦将普朗克的量子论大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成，解释了光电效应。这一工作使他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。第二篇论文是关于布朗运动的，爱因斯坦从数学上对微粒的无规则运动给予了解释。最重要的成就是第三篇论文，爱因斯坦提出了狭义相对论。由于爱因斯坦在这一年发表了改变物理学面貌的几篇论文，后人将1905年称为“爱因斯坦奇迹年”。为了纪念这一奇迹年100周年，2004年6月10日，联合国大会通过了2005年为“国际物理年”的决议。晚年的爱因斯坦将主要精力投入到统一场论的研究中，希望把引力与电磁力统一起来。同时，他还关心社会问题，反对战争。在谈到科学与战争的关系时，他在一封信中写下了如下的话：“科学是一种强有力的工具。怎样用它，究竟是给人带来幸福还是带来灾难，全取决于人自己，而不取决于工具。刀子在人类生活上是有用的，但是它也能用来杀人。”问题和练习1．简要说明原了与原子核的结构。2．为什么从α粒子发生大角度散射的现象，可以设想原子具有原子核？3．下面的说法中正确的是A．原子核是由质子和中子组成的B．质子是卢瑟福发现的C．中子是卢瑟福发现的D．中子的电荷量与质子的电荷量差不多5/54．什么是原子核的质量亏损？