14．原子 原子核

Atom Nucleus

人们对物质结构的认识是逐步深化的。长期以来，人们一直认为原子是组成物质的最小微粒，是不可分割的。直到 19 世纪末、20 世纪初， 科学家们在物理学研究中先后发现了 X 射线、电子以及天然放射现象后， 人们才认识到原子也是可分的，且具有复杂的内在结构。研究原子的结构，是本世纪初物理学发展的重要方面，它推进了量子论的发展，导致量子力学的创立，使人们对物质结构的认识进入到一个更深的层次。

原子和原子核物理是近代研究物质微观结构、研究原子和原子核的内部结构和运动规律的学科，它是近代物理学的基础，也是固体、半导体、超导体、磁性材料、激光、核能利用等近代应用技术的基础。

这一章我们将学习原子和原子核物理中的一些基本原理，了解原子和原子核的性质、结构、运动规律及其应用。

一、原子结构的发现

电子的发现

1895 年，德国物理学家伦琴发现 X 射线之后，英国物理学家汤姆孙(1856—1940)对阴极射线进行了更深入的实验研究，确认阴极射线是带负电的粒子流。1897 年，他测定了组成阴极射线粒子的比荷（旧称荷质比）e/m，并发现用不同物质做成的阴极发出的阴极射线粒子都有相同的e/m 值，这表明不同物质都能发射这种带负电的粒子，它是构成各种物质的共有成分。

汤姆孙测得的阴极射线粒子的比荷，大约是当时已知的氢离子比荷的 1840 倍。汤姆孙认为这不外乎两种可能，不是阴极射线粒子的电荷很大，就是它的质量很小，后来汤姆孙测量了氢离子和阴极射线粒子的电荷，虽然测量不很准确，但可以肯定组成阴极射线粒子的电荷与氢离子的电荷大小是基本相等的，由此得出阴极射线粒子的质量比氢离子的质量小得多的结论，人们把这种粒子叫做电子(electron)。以后，美国物理学家密立根于 1917 年测定了基元电荷（大小等于电子的电量），这样， 由电子的比荷和电量就可算出电子的质量。

现在测得电子比荷

e/m=1.75880×1011 库/千克，

电子电量

e=1.60219×10-19 库

从而算出电子质量是 9.10953×10-31 千克。电子质量很小，约为氢原子质量的 1/1837。

汤姆孙的原子模型

既然原子中存在带负电的电子，而原子通常是电中性的，那么原子中一定还有带正电的部分。电子的质量很小，因此，原子的质量主要集中在带正电的部分，原子中带正电的部分和带负电的电子是怎样分布的呢？很自然的便提出了原子的结构问题。

在本世纪的前 10 年里，科学家们提出了几种原子模型，其中最有影

响的是 1903 年汤姆孙提出的原子模型。他认为原子是一个直径约为 10-

10 米的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子就嵌在其中，

好像蛋糕中嵌着一粒粒葡萄干一样。利用这一模型，能够解释一些实验事实，但是几年后就被英国物理学家卢瑟福(1871—1937)发现的新的实验事实否定了。

α粒子散射实验 卢瑟福的原子核式结构模型

卢瑟福从 1909 年起做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子，这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验，图 14-1 是这个实验装置的示意图。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的α射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后， 射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。

实验结果表明，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进， 但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过 90

°，有的甚至几乎达到 180°而被反弹回来，这就是α粒子的散射现象。发生极少数α粒子的大角度偏转现象是出乎意料的。根据汤姆孙模

型的计算，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的，因为电子的质量不到α粒子的 1/7400，α粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。正电荷又是均匀分布的， α粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏转的力就不会很大[图 14-2(a)]。然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象。卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上⋯⋯”卢瑟福对实验的结果进行了分析，认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现α粒子的大角度散射。由此，卢瑟福在 1911 年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫做 原子核(nucleus)，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。

按照这一模型，α粒子穿过原子时，电子对α粒子运动的影响很小， 影响α粒子运动的主要是带正电的原子核。而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，如图14-2(b)中的 1、3、4、6、7、9，只有极少数α粒子可能与核十分接近， 受到较大的库仑斥力，才会发生大角度的偏转，如图 14-2(b)中的 2，5， 8。

根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为 10-15 米～10-14 米，原子直径大约是 10-10 米，所以原子核的直径大约是原子直径的万分

之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。

思考

为什么说α粒子散射实验能够否定汤姆孙的原子模型？

练习三十二 1．卢瑟福的原子模型与汤姆孙的原子模型的主要区别是什么？通过

什么实验知道原子的核式结构模型更接近事实？

1. 氢原子的直径约为 10-10 米，氢原子核的直径约为 3×10-15 米， 若把氢原子放大，使核的直径为 1 毫米，电子离核的距离为多大？

2. 试估计氢原子核的密度大小（两位有效数字）。

二、玻尔模型

卢瑟福模型的困难

卢瑟福的原子核式结构模型很好地解释了α粒子的散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，然而这跟电磁理论发生了矛盾。根据经典理论，作加速运动的电子会不断向外辐射电磁波，电磁波的频率应等于电子绕核旋转的频率。由于原子不断向外辐射能量，随着能量的减少， 电子绕核旋转的频率也要减小，因此原子发射的光谱应该是连续光谱。同时由于能量的减少，电子绕核运行轨道的半径也要减小，电子将很快地沿螺旋线轨道接近原子核而最后落到核上。但事实告诉我们，原子是稳定的，原子发射的光谱是具有一定规律的明线光谱。这表明经典理论与原子的稳定性和原子光谱规律性有着深刻的矛盾，在这里，经典物理显然遇到了困难。

玻尔的原子模型

1913 年丹麦物理学家玻尔(1885—1962)运用普朗克提出的量子理论改造了卢瑟福模型，在卢瑟福模型的基础上把量子假说用到原子系统上，建立了玻尔原子理论，玻尔理论主要是下面三条假设：

1. 原子只能处于一系列不连续能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不对外辐射能量，这些状态叫做定态。

2. 原子的不同能量状态跟电子沿不同半径的圆形轨道绕核运动相对应。电子绕核运动时，只有电子的动量（质量和速度的乘积）和轨道半径的乘积等于 h/2π的整数倍的那些轨道才是稳定的，即

mvr = n h

2π

(n = 1，2， 3 )。

式中 h 为普朗克常数，n 叫做量子数。

1. 原子从能量为 Ei 的定态跃迁到能量为 Ef 的定态时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由两个定态的能量差决定，即

hv=Ei-Ef。

玻尔在上述假设的基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子轨道半径和电子在各条轨道上运动时原子的能量分别为 2

r = n² r ，E

= 1 E

( n = 1，2，3， )。

n 1 n

n 2 1

式中 r1 表示第一条（即离核最近的）可能轨道的半径，E1 表示电子在这一轨道上运动时原子的能量；rn 表示第 n 条可能轨道的半径，En 表示电子在这一轨道上运动时原子的能量。

玻尔计算出了 r1 和 E1 的数值：r1=0.53×10-10 米，E1=-13.6 电子伏 (eV)。

玻尔理论对氢原子光谱规律的解释

我们把由量子数 n 决定的氢原子的各个定态的能量值，叫做氢原子的能级。

E = 1 E 就是氢原子的能级公式，通常把上式计算出的氢原子的各个能级表

n n2 1

示为图 14-3 的能级图。

在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这一定态叫做基态。电子在其他轨道上运动，这些定态叫做激发态。原子从基态向激发态跃迁的过程，是吸收能量的过程。给物体加热或有光照射物体时，物体中某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中吸收一定的能量，从基态跃迁到激发态。原子从能量较高的激发态向能量较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，能量以光子的形式辐射出去，这就是原子的发光现象。原子无论吸收能量或辐射能量， 这个能量都等于原子发生跃迁的两个能级的能量差。

按照玻尔原子理论，氢原子的核外电子从能量较高的轨道 n 跃迁到能量较低的轨道 2 时，辐射出的光子能量为

hv=En-E2。

因

v = c ，

λ

E = E1 ，E

n n 2 2

可得

= E1 ，

22

也可写成

h c = −E ( 1

λ 1 2 2

− 1 )，

n2

1 = − E1 ( 1 − 1 ) 。

λ hc 2² n²

将 E1、h、c 代入上式，可以算出氢原子光谱中各条谱线相应的波长λ，并知道谱线 Hα、Hβ、Hγ、Hδ是电子分别从 n=3、4、5、6 等能级跃迁到 n=2 的能级时辐射出光子能量所形成的。图 14-4 是用氢原子的轨道图表示氢原子光谱的形成。

玻尔理论的局限性

玻尔理论在解释氢原子光谱上获得了明显的成功，但用来解释比较复杂的其他原子的原子光谱时却遇到了困难。例如氦原子只比氢原子多一个电子，但是玻尔模型竟不能用来计算氦原子的能级，也不能解释氦原子的光谱规律，即使对氢原子光谱来说，它也只能算得谱线的波长， 而不能算出光谱线的强度大小分布。

玻尔和其他物理学家研究了这些问题，终于明白了这个理论的成功之处在于它引入了量子理论，失败之处在于保留了过多的经典物理理论。

本世纪 20 年代，大约在玻尔理论建立 10 年之后，德国物理学家海森堡(1901—1976)、奥地利物理学家薛定谔(1887—1961)等物理学家在量子观念的基础上建立了量子力学。量子力学不但成功地解释了玻尔理论所能解释的现象，而且还能解释大量玻尔理论所不能解释的现象。原来作为玻尔理论假设的，在量子力学理论中已成为它所推导出的必然结果。量子力学认为，对于像电子这样的微观粒子，它的运动不能像描述宏观物体那样用一定的位置和速度来描述，而要用概率波来描述，电子在原子核外出现的概率可以根据概率波计算出来，而不是在核外某些确定的轨道上运动，电子频繁地出现在那些概率大的地方。我们可以想象原子核的外围有一团“电子云”，云雾浓度大的地方，电子出现的概率就大。量子力学完全摒弃了经典理论中那些轨道、确定半径和速度等观念，它已成为研究微观世界的指导理论。

思考

玻尔理论的成功之处及其局限性是什么？

练习三十三 1．氢原子的核外电子分别在第 1、第 2 可能轨道上运行时，它们的

轨道半径之比 r1∶r2 和原子能量之比 E1∶E2 各为多大？ 2．为了使基态(n=1)氢原子电离，要用波长多大的电磁波照射氢原

子？这个波长的电磁波属于可见光、紫外线还是 X 射线？

3．氢原子基态能量是-13.6 电子伏，至少要吸收多大的能量才能发射出光子？所发射光子的能量为多大？

阅读材料 激光

原子在没有外界影响的情况下，处在高能级的电子会自发地向低能级跃迁而辐射光子，这种发光叫做自发辐射。在自发辐射中，发光体的大量原子跃迁的情况各不相同，各自辐射出的光子的频率、振动方向、位相都不相同，这些光叠加在一起也不会发生干涉。

原子还可以在另一种特定的条件下发光，那就是当原子处于激发态En 时，如果恰好有一个能量 hv=En-Ek 的光子从附近通过，在这一入射光子的电磁场影响下，原子便走向地向着低能级跃迁（在自发辐射的情况下，原子不一定跃迁到 Ek 能级上去），同时发射出一个跟入射光完全相

同的新光子，这种辐射叫做受激辐射。图 14-5(a)、(b)分别是自发辐射和受激辐射的示意图。在受激辐射时，一个光子能使处于激发态的原子激发出另一个光子，成为两个特性完全相同的光子。这是一种光放大作用。如果这两个光子又能引起其他原子的受激辐射，又激发出另外两个特征相同的新的光子，这样就会像雪崩似的产生越来越多的相同的光子使光得到加强，这种由于受激辐射而得到加强的光就是激光(laser)。

激光的主要特点是亮度极高、方向性好、单色性好（相干性好）。由于上述这些特点，激光在生产、科学技术中得到了广泛应用，如用于通信、精密测量、精密加工（激光打孔的直径可小到 0.13 毫米）、医疗手术（激光手术刀能利用其 1000℃～1500℃的高温，在切开身体组织的同时，使周围组织在瞬间凝成一烧结凝固薄层，微血管和淋巴管便被堵塞而不会出血，如本章导图 1 利用二氧化碳激光手术刀解剖大白鼠）。激光的应用正在不断扩大，如光纤通信、激光测距、激光定位、激

光印刷、激光唱盘、全息图象信用卡和超级市场内的激光价格标签扫描器。

三、放射性元素的衰变

天然放射现象

1896 年，法国物理学家贝克勒耳(1852—1908)在研究各种物质产生荧光现象时，发现铀(U)和含铀的矿物能发出人眼看不见的某种射线。这种射线可以穿透黑纸，使照相底片感光。能够发出这种射线的元素叫做放射性元素。

在贝克勒耳的建议下，法国物理学家皮埃尔·居里(1859—1906)和他的妻子玛丽·居里(1867—1934)对铀和铀的各种矿石进行了长期研究。他们发现所有的铀矿石都能发出射线，但其中一种沥青铀矿石发出的射线，比根据它的含铀量所能发出的射线强得多。进一步研究后，发现这种沥青铀矿石中存在着两种放射性更强的新元素。玛丽·居里为了纪念她的祖国波兰，把其中一种元素命名为钋(Po)，另一种元素命名为镭(Ra)。

放射性元素这种自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。

放射性元素发出的射线的本质是什么？它们的组成是否一样呢？卢瑟福利用磁场研究了射线的性质。他把放射源放在有一小孔的铅室底部，由于射线不能穿透厚的铅块，只能从小孔上方射出。在铅室上方放照相底片，在铅室和底片之间加上一个跟射线射出方向垂直的磁场，如图 14-6 所示。照相底片显影后，发现底片上有三条黑影。这说明在磁场的作用下，射线分成了三部分：一部分稍向右偏转，表明带正电，叫做α射线；一部分向左作较大的偏转，表明带负电，叫做β射线；还有一部分不发生偏转，表明不带电，叫做γ射线。

进一步研究知道，有的放射性元素放射α射线，有的放射性元素放射β射线，γ射线一般是伴随α射线或β射线的发出而产生的。

α、β、γ射线的性质和探测

后来的实验证实, α射线是高速运动的α粒子流, 它的速度约是光速的 1 。

10

α粒子的电量是基元电荷的 2 倍，它的质量是氢原子核质量的 4 倍，所以α粒子就是氦原子核。α射线的贯穿本领很小，连一张薄纸也穿不过， 但它的电离作用很强，使照相底片的感光作用也很强。

β射线是高速运动的电子流，它的速度接近光速。β射线的贯穿本领较强，可以穿透几毫米厚的铝板，它的电离作用比较弱。

γ射线是频率很高的γ光子。γ射线的贯穿本领最强，甚至能穿透几厘米厚的铅板，它的电离作用最弱。

射线是看不见、摸不着的，怎样知道它的存在呢？可以根据它跟物质的相互作用来探测它的存在，并判别它的性质。用来探测各种放射粒子的存在，并分辨、测量它们的各种物理性质的仪器，叫做探测器。目前，常用的探测器有云室、电离室、计数器、气泡室和乳胶照相等。

云室 计数器

云室是利用射线使气体电离的性质，来探测射线粒子并显示它们的径迹的仪器。云室是英国物理学家威尔逊(1869—1959)于 1911 年发明的，人们通常称它为威尔逊云室。

云室的主要结构如图 14－7 所示，在一个金属圆筒的上面连接一个塑料或玻璃制的容器，它的下面装有一个可在小范围内上下移动的活塞，上盖是透明的，可以观察室内发生的现象和进行照相。实验时，先在云室里加一些酒精（或乙醚），使室内充满酒精的饱和蒸汽。然后， 使活塞迅速向下移动，由于云室内酒精饱和汽迅速膨胀而降低温度，成为过饱和汽。这时，如果有射线粒子在室内飞过，在它经过的路径上的气体分子被电离，每厘米长度上可产生数百到上万对离子，过饱和汽就会以这些离子为中心凝结成一条雾迹。

利用云室可以清晰地看到α粒子和β粒子的径迹。α粒子的电离本领大，它的质量也比较大，在气体中运动时不易改变方向，所以它的径迹粗而直。β粒子的电离本领较小，它的质量又很小，在运动中跟气体分子的电子碰撞时容易改变方向，所以它的径迹比较细，有弯曲。γ粒子的电离本领更小，只能产生一些细碎的雾迹。在历史上云室第一次把微观粒子的径迹呈现在人们眼前，所以曾被卢瑟福赞为“科学史上最妙不可言的新颖仪器”。

盖革·缪勒计数器简称 G-M 计数器，它是利用射线进入探测器时， 在电子线路中引起脉冲电流来记录进入的粒子数量的仪器。计数器的主要部分是计数管（图 14-8），它是一根玻璃管，里面有一个导电的圆筒作为阴极，管的轴线上有一根细的金属丝作为阳极。管内充有惰性气体

（如氩、氖）和少量的乙醇蒸汽和溴蒸汽。在两极间加上 1000V 以上的电压，这个电压略低于管内气体的击穿电压。当射线粒子飞进管内，气体电离产生了电子。电子在强电场作用下向阳极加速运动，碰到气体分子又可使气体电离再产生电子，在很短时间内就会产生大量电子。这些电子到达阳极，正离子到达阴极（正离子质量大，运动速度小，不会使气体分子电离），使计数管中发生一次短暂放电，从而产生一个脉冲电流，并通过电子设备记录下来。记录的脉冲电流的次数，就是进入探测

器的带电粒子数目。计数器不能分辨射线的种类，只能测出进入探测器射线粒子的数量。

思考

α射线、β射线、γ射线有哪些不同的性质？

放射性元素的衰变

铀、镭、钋都是放射性元素，但并不是只有这三种元素具有放射性。实验告诉我们，原子序数大于 83 的天然存在的元素都具有放射性，它们的原子核都不稳定，会自发地放出射线变为另一种元素的原子核。原子序数小于 83 的天然存在的元素，也有一些具有放射性。

某种元素的原子核，放出一个α粒子或β粒子后，就变成了新的原子核。我们把原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化叫做原子核的衰变(disinte-grate)。

在原子核物理中，又怎样来表示各种元素的原子核以及它们的转变呢？通常把基元电荷取作电荷的单位，用来表示原子核的电荷数；把原子量为 12 的碳原

子质量的 1

12

取作为一个原子质量单位（用符号u表示，lu = 1.660565×10^-27 千

克），并用原子质量单位表示各种原子核的质量（由于都非常接近于整数，习惯上常用整数表示）。

假设 X 为某一元素的符号，在其左上角标以原子核的质量数(A)，左下角标

以原子核的电荷数(Z) ，那么^A X就是元素X的原子核的符号。例如¹⁶O就是氧

Z 8

核的符号，²³⁸U是铀核的符号， ⁴He是氦核的符号。用 ⁰e来表示电子（即β

92 2 −1

粒子）的符号。因为电子的质量比原子核的质量小得多，一个原子核放出一个β粒子，它的质量几乎不变，所以在衰变过程中可以认为电子的质量数为零，电荷数是-1。

原子核自发地放出α粒子的衰变叫做α衰变。例如²³⁸ U（铀核）发生α衰

变转变成²³⁴Th（钍核）； ²²⁶Ra（镭核）发生α衰变转变成²²² Rn（氡核）。上

90 88 86

述α衰变可用下面的方程来表示：

²³⁸ U→²³⁴ Th+⁴ He；

92 90 2

²²⁶ Ra→²²²Rn+⁴ He。

88 86 2

原子核自发地放出β粒子的衰变叫做β衰变。例如⁶⁰Co（钴核）发生β衰

变转变成⁶⁰Ni（镍核）； ²³⁴Th（钍核）发生β衰变转变为²³⁴ Pa（镤核）。上

28 90 91

述β衰变可用下面的方程表示：

⁶⁰ Co→⁶⁰Ni+ ⁰e；

27 28 −1

²³⁴ Th→²³⁴ Pa+ ⁰e。

90 91 − 1

从上面的α衰变和β衰变的方程可以看出，在衰变前，原子核的质量数和电荷数与衰变后生成的新核及放出的粒子的质量数与电荷数是守恒的。

放射性元素的原子核在发生α衰变或β衰变生成新原子核时，常常同时会辐

射出γ光子，所以γ光子是伴随α粒子或β粒子产生的。例如²³⁵U在放射α粒子的同时还伴随γ光子的辐射； ⁶⁰Co在放射β粒子的同时也伴随γ光子的辐

射。当放射性物质连续发生衰变时，各种原子核有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随γ辐射，这时在放射线中就会有α、β、γ三种射线。

思考

放射性元素经过一次α衰变或一次β衰变后生成新元素，它在元素周期表中的位置的移动有什么规律？

衰变是不稳定的原子核自发转变为另一种原子核的过程，对同一种放射性元素的大量原子核来说，它们的衰变不可能同时发生，而是有先有后。但是对任何放射性元素，它原来的原子核数将随时间的增长变得越来越少。为了研究放射性

元素的衰变规律，人们用²²²Rn（氡核）的α衰变做实验，发现大约每经过3.8

天，就有一半氡核发生了衰变。也就是说经过3.8 1

再经过3.8

天，氡的数量减少到原来的 ；

2

1 3.8天后，氡的数量减少

天，氡的数量减少到原来的 4 ；经过第三个

1

到原来的 。图14 - 9就是氡的相对含量随时间变化的图象，这是一条按指数规8

律衰减的曲线。

不同放射性元素的原子核减少一半所需时间是不相同的，我们用半衰期(half-life)来表示放射性元素衰变的快慢。半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。每一种放射性元素都有一定的半 衰期，各种放射性元素的半衰期差别很大。例如镭 226 变为氡 222 的半

衰期是 1620 年，而铀 238 变为钍 234 的半衰期长达 4.5×109 年，跟地球

的年龄相当。有的放射性元素的半衰期则很短，例如钍 234 变为镤 234

的半衰期是 1.2 分，而钋 212 变为铅 208 的半衰期竟短到 3×10-7 秒。各种放射性元素的半衰期是由这种元素的原子核内部本身的因素决

定的，也就是说半衰期是不因原子所处的物理状态或化学状态的不同而发生变化。

思考

某实验室贮有某种放射性元素 100 克，现将该元素取走 50 克，那么， 剩余

的50克的放射性元素的半衰期将变为原来质量为100 1

2

为这个结论正确吗？为什么？

练习三十四 1．写出下列各放射性元素的α衰变方程：

²¹⁴ Bi（铋核）， ²²² Rn（氡核）， ²¹⁰ Po（钋核）。

83 86 84

2．写出下列各放射性元素的β衰变方程：

²³⁴ Th（钍核）， ²²⁸Ac（锕核）， ⁶⁶Cu（铜核）。

90 89 29

3． 238 U（铀核）衰变为²²² Rn（氡核）要经过几次α衰变和几次β衰变？

92 86

4．铋 210 的半衰期是 5 天，经过多少天后，20 克铋 210 剩下 0.625 克？

四、原子核的人工转变原子核的人工转变

天然放射性元素的衰变事实告诉我们，原子核的结构是复杂的，而

且内部结构可以变化。为了进一步研究原子核的结构及其变化规律，单靠天然放射性元素的衰变是不够的，因为天然存在的放射性元素的数量有限，所以有必要用人工的方法使原子核发生转变。为此，物理学家们利用天然放射性元素所放出的高速粒子去轰击其他元素的原子核，使它们发生剧烈的相互作用，从而去探索原子核的结构。

质子的发现

1919 年，卢瑟福用α粒子轰击氮核的实验，是第一次实现原子核的人工转变，并发现了质子。他所用的实验装置如图 14-10 所示，A 是放射性物质，F 是银箔，选择银箔的厚度使从 A 射出的α粒子恰好能被完全吸收，而不能穿过。S 是荧光屏，M 为显微镜，可以观察荧光屏上是否出现闪光。当容器通过阀门 T 通入纯净的氧气或二氧化碳时，荧光屏 S 上没有闪光，说明这时α粒子已全部被银箔 F 吸收。当容器内通入纯净的氮气时，荧光屏 S 上出现闪光。卢瑟福认为，这闪光一定是α粒子击中氮核后，产生的能量较大的新粒子透过银箔引起的。

后来，测出这种粒子的质量和电量，才知道它就是氢原子核，又叫做质子

(Proton)，符号为¹H或¹P。

1 1

这种用人工的方法使原子核发生转变的过程叫做原子核的人工 转变。以上实验中的人工转变，可用下面核反应方程表示：

¹⁴ N+⁴ He→¹⁷ O+¹H。

7 2 8 1

从上面核反应方程可以看出，原子核的人工转变过程中的电荷数和

质量数也是守恒的。

图 14-11 是α粒子穿过充满氮气的云室中拍摄的照片。在许多α粒子的径迹中有一条径迹发生了分叉，分叉后细而长的是质子的径迹，粗而短的是一新生的氧核的径迹，分叉处就是氮核俘获α粒子发生人工转变的地方。α粒子轰击氮核的命中率极小，因此要拍摄成千上万张照片才能得到像图 14-11 所示的照片。英国物理学家希拉凯特拍摄了 2 万多

张照片，在 40 多万条α粒子径迹中，才发现有 8 条产生分叉。

后来科学家们发现，除了氧和碳以外，原子序数在 21 以下的较轻元素的原子核，在α粒子轰击下都能发生类似的转变，都放出质子。由于多种原子核里都能打出质子来，这就表明质子是原子核的组成部分。

中子的发现

在原子核中，除了质子以外，还有什么呢？卢瑟福曾预想到原子核内可能还存在着质量跟质子相等的不带电的中性粒子，他把这种粒子叫做中子(neutron)。

1930 年，科学家们发现放射性元素钋(Po)发出的α粒子轰击铍(Be)时，会产生一种看不见的射线，这种射线的贯穿本领极大，在电场和磁场中都不会偏转，当时认为这种不带电粒子可能是能量很高的γ射线。 1932 年，约里奥·居里夫妇发现用这种射线轰击石蜡时，会从石蜡

中打出高速的质子（实验装置示意图如图 14-12 所示）。经过测量和计算，发现石蜡放出的质子的能量是巨大的，能使质子获得这样巨大能量的γ光子，本身必须具有 55 兆电子伏(MeV)的能量，而实际测定α粒子

打击铍后产生的粒子的能量仅为 7 兆电子伏(MeV)。由此可见，这种不带电的粒子不可能是γ光子。卢瑟福的学生查得威克(1891—1974)经过实验和研究，证实了这种不带电的粒子，质量差不多与质子相等。卢瑟福预想的中子终于被证实了。

中子的质量数是1，电荷数是零，用符号 ¹n表示。α粒子轰击铍产生中子

的核反应方程是：

⁹ Be+⁴ He→¹² C+ ¹n。

4 2 6 0

后来的研究证明，很多种原子核在高速粒子轰击下都能放出中子来，可见中子也是原子核的组成部分。

思考

人工转变和放射性元素的衰变有什么区别？

练习三十五1．写出下列各人工转变的核反应方程。

1. ²³Na（钠核）俘获1个α粒子后放出1个质子；

2. ²⁷ Al（铝核）俘获1个α粒子后放出1个中子；

3. ¹⁶ O（氧核）俘获1个中子后放出1个质子；

4. ³⁰Si（硅核）俘获1个质子后放出1个中子。

1. 完成下列各个核反应方程。

(1)¹⁹ F+⁴ He→¹H + （ ）；

9 2 1

(2)¹¹B＋（ ）→ ¹n＋¹⁴N；

5 0 7

(3)（ ）+ ¹n→ ⁶⁵Ni＋¹H；

0 28 1

(4)¹⁴ N+ ¹n→（ ）+¹H。

7 0 1

1. 从云室中拍摄的照片（图14 - 13）上发现，

   ¹¹B（硼核）在俘获1个质

子后，生成的新核的轨迹是三条完全相同的径迹。这表明硼核在人工转变后生成三个相同的新核，新生成的是什么核？写出核反应方程。

五、原子核的组成

天然放射现象的发现，揭示了原子核也是可变的、可分的，这就促使人们进一步去探索原子核的组成。早在 19 世纪初，人们根据元素的原子量都接近于整数的事实，以为所有元素都是由氢原子组成的。1919 年发现了质子，1932 年发现了中子后，苏联物理学家伊凡宁柯提出了原子核组成的假说：原子核是由质子和中子组成的，原子核中质子的数目等于它的原子序数，中子的数目等于它的质量数减去原子序数的差。这个假说与大量实验相符合，因而获得普遍的承认。质子和中子统称为核子。

原子核的体积很小，核子在原子核里紧密地聚集在一起。例如²⁰⁷Pb（铅

核）的体积约为 4×10-36 厘米 3，其中却有 82 个质子和 125 个中子。我们知道质子带正电，它们之间的距离又这样小，质子之间的库仑斥力必定很大，而通常原子核是很稳定的。可见，在原子核里，各个核子之间一定存在另一种力，它把各核子紧密地聚集在一起，这种力叫做核力。实验指出，核子只有在聚集得非常紧密的情况下，才有强大的核力，或者说，两个核子间距离在 2×10-15 米以内，核力才起作用，超过这个距离，核力就迅速减小到零，所以核力是一种短程力。质子和中子的半径大约是 0.8×10-15 米，每个核子只跟它周围邻近的核子才有核力作用。关于核力的本质问题还在研究中。

S：既然原子核中没有电子，为什么放射性元素的原子核会发生β衰变放出电子来呢？

T：以前人们看到许多天然放射性元素会发出β射线，曾以为电子也是原子核的组成部分之一，但是这个假说跟许多实验结果相矛盾而被否定。现在我们知道原子核是由质子和中子组成的。科学研究表明，在一定条件下，质子和中子是可以互相转变的，当核内的一个中子转变成质子时，原子核就放出电子，这就是β衰变；当核内的一个质子转变为中子时，原子核就放出正电子（正电子的质量跟电子的质量相同，带一个单位正电荷），这叫做正β衰变。

同位素

原子核由质子和中子组成，中子不带电，质子带一个单位正电荷， 所以原子核的电荷数就等于它的质子数。具有相同质子数的原子，它的核外电子数也相同，因而化学性质也相同，属于同一种元素，但它们的中子数可以是不相同的，这些具有相同的核电荷数和不同中子数的核素

叫做同位素。如铀的同位素中：

²³⁴ U是由92个质子和142个中子组成的， ²³⁵U是由92个质子和143个中子组成

92 92

的，²³⁸U是由92个质子和146个中子组成的。天然的铀就是由99.28%的铀238、

0.71％的铀 235 和 0.006％的铀 234 等组成的。

1934 年，约里奥·居里和伊丽芙·居里夫妇用α粒子轰击铝箔时， 除探测

到中子外，还探测到正电子（正电子的符号是⁰e）。意外的是，把α粒子源移

开以后，铝箔虽不再发射中子，但仍继续发射正电子。经过研究才知道正电子是从新生成的磷核中放射出来的。铝核被α粒子击中后的核反应方程是：

²⁷ Al+ ⁴He→³⁰+ ¹n。

13 2 15 0

新生成的³⁰P是磷的一种同位素，它具有放射性，像天然放射性元素一样

会发生衰变，并且也有一定的半衰期。它衰变时放出正电子，核反应方程是：

³⁰ P→³⁰ Si+ ⁰e。

15 14 1

像³⁰P这种具有放射性的同位素叫做放射性同位素。用人工方法得到放射性同位素是一个重要的发现，后来人们用质子、氘核（² H）、中子等轰击原子

核，也得到了放射性同位素。目前已发现的人工制造的放射性同位素有1000 多种；包括自然界存在的元素在内，每种元素都有放射性同位素。放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究等方面得到了广泛的应用。

*放射性同位素的应用

根据放射性同位素的性质和特点，放射性同位素的应用，主要可分为射线的应用和示踪原子的应用。

利用放射性同位素放出的γ射线，检查金属内部的裂缝和砂眼，叫做γ射线探伤。例如放射性同位素钴 60，它放出的γ射线能够贯穿 30 厘米厚的钢板，而 X 射线只能贯穿 2 厘米～3 厘米厚的钢板。图 14-14 是利用γ射线探伤的示意图，让γ射线贯穿金属制品后，照相底片便感光，从而可检查出金属制品内部的缺陷。

导电性能不良的物体在快速运转的生产过程中，常因摩擦而带有很强的静电。带电物体的相互排斥或吸引，会使原料或半成品在自动化的机器中脱出导轨；带着静电的原料或成品能吸引灰尘或自相纠结，这在纺织厂生产化纤及整理产品的过程中都有明显的不良作用；在塑料、胶片、橡胶的生产中，静电所产生的火花有引起火灾的危险。利用放射性同位素放出的α、β射线可使空气电离，产生离子而导电，消除静电的积累现象。

目前，被用作能源的放射性同位素已有多种。同位素电池是将放射性同位素衰变时产生的热转变为电能的一种装置。这种电池体积小，寿

命长，不受环境影响，主要用作卫星、飞船、行星星际站的能源，但成本较高。

近些年来，放射性同位素在农业上的应用发展很快。如辐射育种： 用强度适当的放射性同位素照射种子，可以使作物早熟和增产，小麦和燕麦的种子经过中子射线照射后，可获得抗锈菌能力很强的优良品种。又如辐射灭虫：用适当强度的射线照射田间，可直接杀死害虫，或使成虫失去生殖能力，幼虫失去发育能力。还有辐射保藏食品：经放射性同位素照射的食品可长期保存，它不破坏外形，不影响品质，不带药物残余。课本彩图 9 就是辐射保鲜。

放射性同位素的射线在医疗方面可以用来抑制或治疗恶性肿瘤，目前用作治疗的同位素有钴 60、碘 131、磷 32 等，特别是钴 60 能作为很强的放射源，而价格又较低廉。放射性同位素还可用于临床诊断（图14-15），它灵敏度高，方便安全，可对人体进行动态观察，并提供定量、准确的资料。

把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移， 由于放射性原子的放射作用，可用放射性探测仪器进行跟踪，就可以通过放射性原子了解某些不容易观察到的过程或状态，这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。

利用示踪原子可以了解农作物吸收肥料情况，如棉桃快要成熟时， 若向根部施加带有放射性磷 32 的磷肥，通过探测器会发现根部已不大能吸收肥料，若这时把磷肥施在叶子上，证实棉花仍能吸收，所以要使棉花增产就要向叶子施肥。在炼钢时，为了不让磷的含量过高，并能及时作出鉴定，便在钢中掺入一定比例的放射性磷，取试样用探测仪器测出射线强度，再用化学分析方法就可知磷的含量。在医学上，利用示踪原子来作诊断和研究，如在皮下注入含有放射性钠的生理食盐水，就可研究人体血液循环情况。在生物科学研究上，利用示踪原子可以研究生物分子结构及其功能。我国在 1965 年 9 月首先用人工方法合成牛胰岛素， 为了证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素结晶是同一种物质， 就在合成牛胰岛素中掺入碳 14，再把它与天然牛胰岛素混合，经过多次重新结晶，测得碳 14 在结晶内分布是均匀的，从而证明人工合成的牛胰岛素跟天然牛胰岛素没有区别。

因为过强的放射性射线对人体有害，所以在使用时应注意安全防护。也要注意防止放射性物质对水源、空气、工作场所的污染。

碳 14 鉴年法

碳14鉴年法是美国化学家利比在1952年提出的。大气中的¹⁴N（氮核）不断地受到外层空间的射线的轰击，而变为放射性同位素¹⁴C。在光合作用过程中，活的植物在吸收无放射性的¹²C同时也吸收¹⁴C。植物枯死后，对¹⁴ C的吸

6 6 6

收也停止了。由于¹⁴C的半衰期是5600年，植物中的放射性总量便不断减少。

实验证明，活的植物中，每克碳 1 分钟内有 16 个碳核发生衰变；在枯死

的植物中，如果每克碳分钟内有 8 个碳核发生衰变，就可知这个植物已

有 5600 年之久了；如果植物中每克碳 1 分钟内有 4 个碳核发生衰变，则

这个植物已有 11200 年之久了。利用碳 14 鉴年法可鉴定古代遗物的年

代，如 1972 年，我国长沙发掘出的马王堆一号墓，通过测定陪葬果品中

梅子的核，算出它的年代是公元前 165 年前后，这和利用其他旁证计算的年代是一致的。用类似的方法可测定地球和月球上岩石的年龄，用铷- 锶鉴年法和铀-铅鉴年法已测出月球上岩石的年龄大于 45 亿年。

思考

一个原子序数是 Z、质量数是 M 的原子核，分别由多少个质子、中子组成？是由多少个核子组成？

练习三十六 1．写出下列各原子核的质子数和中子数：

¹⁷ O，¹⁴C，¹²N，²⁷Al， ³H，²⁰⁷Pb。

8 6 7 13 1 82

2． 30 P（磷核）发生正β衰变，生成的新原子核的质子数和中子数分别

是 [ ]

A．15，15； B．14，15；

C．14，16； D．16，14。

1. 一个原子核经过 2 次α衰变，6 次β衰变，它的质子数和中子数的变化情况分别是 ［ ]

A．减少 4，减少 4； B．增加 2，减少 8； C．减少 10，增加 2； D．减少 4，增加 2。

4． 59 Co（钴核）俘获什么粒子后变成放射性同位素⁶⁰Co粒子，而⁶⁰ Co

27 27 27

放出β粒子后又变成什么原子核？分别写出核反应方程。

*六、核能

20 世纪中叶，核能作为一种新能源，已越来越引起人们的普遍重视， 如核反应堆释放的核能作为核电站和大型舰船的动力，军事上主要用来制造核武器。

核能

原子核由质子和中子组成，原子序数越大的元素，核内的核子数越多。原子核的体积很小，直径一般在 10-15 米～10-14 米左右，核内质子相互排斥，由于核子间存在强大的核力，核子才能紧密结合成为稳定的原子核。正是由于核子间存在强大的核力，核子结合成原子核时要放出一定的能量。核子结合成原子核时放出的能量叫做原子核能，简称核能(nuclear energy)。例如2 个中子和 2 个质子结合成氦核时要放出 28.37 兆电子伏(MeV)的能量。

质量亏损

当 2 个中子和 2 个质子结合成氦核时，这一核反应方程可写成

2 ¹n +2¹H→ ⁴He。

0 1 2

从方程来看，反应前后核子的总质量是不变的。但实验研究和精确计算表明，生成的氦核的质量比 2 个中子、2 个质子的质量之和要小一些。

中子的质量为 mn=1.008665u，质子的质量为 mH=1.007825u，氦核的质量为 mHe=4.00260u。

2(mn+mH)=2×(1.008665+1.007825)u=4.032980u， 质量差Δm=4.032980u-4.00260u=0.03038u。

当核子组成原子核时，核子的质量跟原子核质量的差叫做核的质量亏损。

质能方程

核子结合成原子核时要放出能量，而又存在质量亏损。放出的能量跟质量亏损有没有关系呢？爱因斯坦在相对论中得出了物体的质量 m 跟能量 E 之间的关系

E=mc2

式中 c 是光速，这个关系式叫做爱因斯坦质能方程。这个方程告诉我们， 物体的能量跟它的质量成正比。核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，表明核子在互相结合过程中放出了能量

ΔE=Δm·c2

2 个中子、2 个质子结合成氦核时，质量亏损Δm=0.03038u，根据质能方程，应放出能量

ΔE=Δm·c2=0.03038×1.66×10-27×(3.00×108)2 焦

=4.538×10-12 焦=28.37 兆电子伏。

从上述计算可推出，当核子结合成 1 摩尔氦核（即 4 克）时，大约要放出 2.73×1012 焦的能量，相当于燃烧 100 吨煤所释放的能量。由此可知，核反应能释放出巨大的能量。

[例题]根据ΔE=Δm·c2，证明 1 原子质量单位 u 相当于 931 兆电子伏。

证明：已知 1u=1.66×10-27 千克，c=2.997×108 米/秒，e=1.60×10-19库，

∆E = ∆m·c²

= 1.66 × 10⁻²⁷ × (2.997 × 10⁸ ) ²

1.60 × 10⁻¹⁹

电子伏

=9.31×108eV

=931 兆电子伏。

练习三十七 1．通常我们看到物体的能量发生变化时，为什么觉察不到物体的质

量发生变化？

2． 9 Be（铍核）的质量为9.012182u，它是由多少个中子和质子组成？并

计算这些核子结合成铍核时的质量亏损。

*七、重核裂变

天然放射现象发现以后，人们就已知道衰变过程中有大量的能量伴随释放，如 1 克镭完全衰变成为铅可放出 8.16×108 焦的能量，但因为半衰期太长，所以释放出的能量不能集中起来加以利用。用人工加速的带电微粒所引起的核反应也能释放核能，如 1 克质子完全打中锂核，理论计算可产生 9.36×1012 焦的能量，但要使 1 克质子全部打中锂核是太困难了，106 个质子中可能只有 1 个质子能打中锂核，为了使 1 克质子能打

中锂核就需要加速 106 克的质子，消耗的能量比获得的能量要大几千倍， 所以无实用意义。在相当长时间里，科学家们找不到释放大量核能的实际有效方法，直到 1938 年发现了重核的裂变现象，才找到了利用核能的途径。

铀核的裂变

1938 年，德国化学家哈恩和斯特拉曼在用中子轰击铀核时，期望获得新元素，但经化学分析，发现产物中有钡的放射性同位素。以后证实这是铀核俘获了一个中子后，裂变成为两个中等质量的核形成的，并释放出核能。

铀核裂变后的产物，可能是钡(Ba)和氪(Kr)，可能是锑(Sb)和铌(Nb)，也可能是氙(Xe)和锶(Sr)，同时还放出 2 个～3 个中子。1946 年我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇发现，铀核还可能分裂成 3 块或 4 块， 不过这种情况比较少见。

实验发现铀235和铀238的裂变情况不同：能量较小（约为 1

40

电子伏）的

慢中子被铀 235 俘获产生裂变的可能性特别大；如果被铀 238 俘获却不

能产生裂变，即使能量大于 1.1 兆电子伏的中子被铀 238 俘获，也只有极小可能产生裂变。

重核裂变的最大特点是能释放巨大的能量。下面的核反应（图 14- 16）是铀

核裂变的可能情况之一，即²³⁵U＋ ¹n→¹³⁸Ba +⁹⁵Kr +3¹ n。

92 0 56 36 0

在这个核反应中释放的能量，可根据质量亏损来计算。

铀 235 的质量为 235.0439u，中子的质量为 1.008665u，裂变前质量之和为 236.05254u。

钡的质量为 137.9050u，氪的质量为 94.90u，3 个中子的质量为3.025995u，裂变后质量之和为 235.83099u。

核反应过程中质量亏损Δm=0.2216u，反应中释放的能量ΔE=206.28 兆电子伏。

不同的核反应释放的能量是不相等的。铀核裂变时，平均每个核子释放的能量约为 1 兆电子伏。如果 1 千克铀 235 全部裂变，它放出的能

量相当于 2500 吨优质煤完全燃烧时放出的能量。

链式反应

用中子轰击铀核产生裂变时，一个重要特点是每次裂变都放出2 个～ 3 个中子，如果这些中子又跟其他铀核作用，引起新的裂变并产生第二代中子，这样裂变反应就像链条一样，一环扣一环地持续不断地进行下去， 这种反应叫做链式反应（图 14-17）。

要产生链式反应，还有一些问题需要解决。首先是天然铀是由 99%

以上的铀 238、0.71%的铀 235 和极微量的铀 234 组成，其中铀 238 会吸收大部分能量较大的快中子而不发生裂变，所以要产生链式反应，必须对天然铀进行提炼，以提高铀 235 的相对浓度，即制取浓缩铀。其次，

容易被铀 235 俘获的是慢中子，而铀 235 裂变中放出的是快中子，所以要使链式反应持续下去，必须使快中子迅速减速变为慢中子。第三是铀块的体积必须足够大，只有铀块的体积足够大，其中所包含的铀核多到使新生的中子数大于被铀核吸收和从铀块表面逸出的中子数，才能使链式反应持续下去。能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。

如果铀 235 的体积超过它的临界体积，只要有中子进入铀块，就立即引起链式反应，在极短时间内会释放大量核能，发生猛烈爆炸，这就是原子弹的原理。图 14-18 是原子弹的结构示意图，把浓缩铀分成两块， 并互相分隔开，每块体积都小于它的临界体积。当需要爆炸时，利用引爆装置使两块铀合并，总体积就超过临界体积，在极短时间内引起强烈爆炸。本章导图 3 就是一幅原子弹爆炸时所升起的蘑菇云的照片。

核反应堆 核电站

核反应堆是可控的链式反应装置，它能使核能平稳释放。核反应堆主要由核燃料、减速剂、控制调节系统、冷却系统和防护层组成，图 14-19 是核反应堆的结构示意图。核燃料是由天然铀或浓缩铀制成的铀棒。铀核裂变产生的是速度很大的快中子，为了使链式反应持续下去，要设法使快中子变成慢中子，为此，必须在铀棒周围放上使中子减速的减速剂。减速剂通常用石墨、重水或普通水。快中子跟这些减速剂物质的原子核碰撞后能量减小，变为慢中子。为了控制反应速度，要在铀棒之间插进一些镉棒，镉棒吸收中子的能力很强，通过电子仪器自动调节镉棒，使镉棒插入或抽出一些以调节中子的数量，从而控制反应速度，使反应堆保持一定功率安全地运行。这种镉棒叫做控制棒。由于裂变反应所释放的巨大能量，最终大部分都转变为热，反应区温度便升高。为了保证反应堆在一定温度下运行，通常用水、液态金属钠、空气等流体做冷却剂， 在反应堆内外流动，通过热交换器把产生的热能传输出去并加以利用。为了防止裂变时和裂变产物放出的射线对人体的危害，在反应堆外要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线。

核反应堆的用途非常广泛，可以作为核动力，例如核电站、核舰艇、核潜艇的动力源。核反应堆还可以用来生产各种放射性同位素，提供中子源和生产裂变材料等。课本彩图 16 就是一座研究性重水核反应堆。

核反应堆里所产生的大量的热量能将水变成蒸汽，推动汽轮机发电，这就是核电站。图 14-20 是火力发电站和核电站的示意图，由图可见，核电站与其他动力工厂的不同点仅在于汽轮机所用的蒸汽产生的方法。核电站消耗燃料少，放出能量大。图 14-21 所示的核燃料为二氧化

铀，图中每根小棒所释放的核能相当于 10 吨煤完全燃烧所放出的能量。

一个功率为 105 千瓦的核电站，每天只要消耗几百克铀，而产生同样功率的火力发电站，每天就要消耗几百吨煤。核电站的投资虽比火力发电站略高，但使用燃料比较经济，生产出来的每千瓦时电能的价格比火力发电站的低，且对环境的污染比火力发电站要小。目前查明，我国拥有相

当丰富的核资源，在我国广东、浙江、江苏、辽宁和台湾等地都在建造和即将建造核电站，我国自行设计的核电站——浙江秦山核电站（见本章导图 2）和广东大亚湾核电站都已投入使用并网发电，1996 年，我国电力结构中核电已占 1％。

*八、轻核聚变

我们知道太阳不断地发出巨大的能量，平均每秒达 4×1026 焦。地球接受其中的二十亿分之一，已足使地面温暖，产生风云雨露，促使河川流动，万物生长。太阳的巨大能量是怎样产生的呢？这是太阳内部不断地在进行热核反应的缘故。

聚变

重核裂变时可放出巨大的能量，而某些轻核结合成质量较大的核时，也能释放出巨大的能量。例如 2 个氘核结合成 1 个氚核时，释放出 4 兆电子伏的能量，核反应方程是：

² H+² H→ ³H+⁴ H。

1 1 1 1

又如 1 个氘核和 1 个氚核结合成 1 个氦核时，释放出 17.6 兆电子伏的能量，核反应方程是：

² H+³ H→ ⁴He+ ¹n。

1 1 2 0

轻核结合成质量较大的核叫做聚变。按平均每个核子放出能量多少来比较，聚变时比裂变时要大好几倍，如氘核、氚核结合成氦核时，平均每个核子放出 3 兆电子伏的能量，而铀核裂变时，平均每个核子放出

能量是 1 兆电子伏。

热核反应

轻核要接近到核力能够发生作用的范围（在 10-15 米之内）才能发生聚变，而要彼此接近到这种程度，轻核必须具有足够大的动能。理论研究指出，只有在几百万度高温情况下，原子将完全离子化，也就是原子的核外电子已全部和原子脱离，成为等离子体，这时部分原子核就具有足够大的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在相互碰撞中接近到能发生聚变，所以这种反应叫做热核反应。目前热核反应主要用在核武器氢弹上，氢弹是由原子弹和热核燃料组成的，原子弹爆炸可以产生足够的高温而引起热核反应。热核反应在宇宙中很普遍，太阳内部和许多恒星内部，温度高达 10M℃以上。就能发生热核反应。

人们要想利用热核反应所释放的能量作为动力，那就必须实现可控的热核反应。热核反应如能控制，它就是一种理想的能源。它释放的能量，就每个核子平均来说比裂变大好几倍；它对环境造成的污染比裂变小；而且聚变的原料氘，在世界上储藏量很丰富。1 升海水中约有 0.03

克的氘，它发生热核反应产生的能量相当于 300 升汽油燃烧时放出的能量。目前世界上许多国家都在研究可控热核反应，我国在四川省乐山地区建成了自行设计的可控核聚变实验装置。1991 年 11 月，设在英国的欧洲联合环形聚变反应堆进行受控聚变实验，第一次产生大约 1.7×106 瓦

的电力，持续时间为 2 秒，反应是在比太阳中心温度高 20 倍的环形反应堆中进行的。

核武器的防御

原子弹、氢弹等核武器具有很强的杀伤作用，一般形成杀伤作用的有：冲击波、光热辐射、贯穿辐射和放射性污染等，我们只要了解这些杀伤作用产生的原理，核武器所造成的危害就可以防御。

核武器爆炸时，由于爆炸时间短，释放的能量巨大，爆炸中心的温度就升高到几百万度，压强高达几万亿千帕，强烈压缩周围空气层，形成了冲击波。冲击波不仅能摧毁建筑物，还能杀伤暴露着的人员。各种坚固的物体、建筑物都能减弱冲击波，因此，战壕、山洞、坚固的地下室、隐蔽所都能防御冲击波。

核武器爆炸后，周围空气受热，能达到几十万度的高温，形成一个表面比太阳表面温度还要高的大火球，这个大火球能发出强烈的光和热，向四周辐射，在一定距离内使易燃物体起火，直接伤害人，对眼睛的伤害尤其严重。防止光、热辐射的办法是把易燃物体和人隐蔽起来。核武器爆炸后，放射出大量中子和γ射线，中子和γ射线的贯穿本

领很强，叫做贯穿辐射。这些射线对人体危害很大。防御贯穿辐射，只要在人和爆炸中心之间隔上一层很厚的障碍物就可以了。以上三种破坏和杀伤作用，强度随着距离的增加而迅速减弱，只要及时采取防护措施， 就可以减轻甚至避免对人体的伤害。

核武器爆炸时，产生的高温高压蒸汽，具有极强烈的放射性，这种蒸汽冷却凝结后就成为放射性尘埃，尘埃在风吹动下会散布在相当广阔的地区。另外，爆炸时射出的中子打击到物质上，会使物质也具有放射性。放射性污染时间较长，范围较广。对放射污染区，要迅速撤离人员， 冲洗或掩埋受污染的物体，就可以减轻甚至避免放射性污染的危害。

对于核武器，我国一贯的立场是禁止使用核武器，不首先使用核武器。

*九、我国核工业的发展

早在 1955 年，我国就确定要发展核能事业。经过 8 年的努力，在自

力更生的情况下，终于在 1964 年 10 月首次原子弹爆炸成功，1967 年 6 月首次氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸到第一颗氢弹爆炸成功经历的时间，美国是 7 年 4 个月，苏联是 4 年，英国是 4 年 7 个月，法国是 8

年 6 个月，而我国仅用了 2 年 8 个月，充分表明了我国国防核工业的先进水平。

目前世界上用于发电的核反应堆有轻水堆、重水堆、高温气冷堆和快中子堆等多种型式，轻水堆用得最多。轻水堆就是用高度纯化的水做冷却剂，轻水堆又分压水堆和沸水堆两类。我国秦山核电站（功率为 3

×105 千瓦）采用压水堆作动力，所用的核燃料为高 10 毫米、直径 8 毫

米的小圆柱体的二氧化铀，把 200 多个小圆柱体放在锆合金管内。核燃

料裂变时产生的大量的热，被冷却剂不断带走。冷却剂密闭在 1.5×107 帕的高压系统内，即使加热到 300℃，冷却剂也不

会沸腾，所以叫压水堆。反应堆一次装核燃料几十吨，以后就自动更换

其中的

1 。如果烧煤，一年要烧7×10⁶ 吨。因此，对缺煤、人口众多的我国东南各

3

省，核电站是最合适的发电站。秦山核电站的设计是极其周密、审慎的。根据“不污染国土，不危害人民”的原则，在设计中留有较大的安全系数，把发生事故的可能性减到最低限度，还设置了多重独立的安全保护及控制系统，在运行出现异常时，能及时迅速降低功率甚至紧急停止工作。

阅读材料 宇宙射线和基本粒子

本世纪初，人们发现不管怎样注意绝缘问题，验电器总有漏电现象发生。当时以为这是地壳中的放射性射线电离空气引起的。为了证明这种假设，在 1909 年～1919 年间，科学家们把装有探测仪器的气球升到高空，测定空气电离情况。测定结果表明 1000 米以上空气电离程度越来越强，5000 米高空几乎比地面增加了 10 倍，这说明使大气微弱电离不是地壳内存在的放射性元素所引起，而是来自地球以外的某些射线引起的。人们又往水下和地下深井测量，发现随深度增加电离程度逐渐减弱，这就进一步肯定了这种射线来自地球以外的宇宙空间。人们把这种射线叫做宇宙射线(cosmicrays)。

研究表明，宇宙射线主要是由带正电的高能量的粒子组成，其中约有 83%～89%是质子，10%～15%是α粒子，还有 1%～2%是电子以及极少量的多电荷粒子，包括从锂到铁的各种原子核。这些粒子的能量很高，通常是在 103 兆电子伏～105 兆电子伏范围，最高的达到1015 兆电子伏。1972 年，我国科学家在云南乌蒙山上的宇宙线实验站发现了一个质量比质子大 10 多倍的新粒子，1977 年，在西藏拉萨附近海拔 5500 米的甘巴拉山上的实验站（课本彩图 18）中，又发现了能量超过 4×108 兆电子伏的一些高能粒子。

宇宙射线的起源问题，至今还是一个有待进一步研究的课题。过去科学家们曾认为宇宙射线来源于太阳，可是实际上宇宙射线的强度昼夜变化不大，这说明宇宙射线主要不是从太阳中射来的。目前有两种观点： 一是认为宇宙射线来自超新星的爆炸；二是认为由星际空间某种高速运动着的稀薄电离物质发射出的。对这两种观点，目前还没有定论。

随着科学技术的发展，自 20 世纪 30 年代以来，人们不断从宇宙射线中发现了大量的新粒子，这对人们研究基本粒子起了很大的作用。

电子、质子和中子是组成物质的最基本的粒子，人们把它们叫做基本粒子。随着科学发展，不断从宇宙射线中和其他实验中发现不少新粒子，它们也都是基本粒子。例如 1932 年发现的正电子，1937 年发现的μ 介子，1947 年发现的 K 介子和π介子，这些粒子的质量介于质子和电子之间，因此叫做介子。后来又发现质量比质子大的粒子，叫做超子。

自从加速器发明以后，在利用加速器对粒子加速的各类实验中，又发现了许多新的基本粒子，还发现其中许多粒子都有跟它的质量相同而电荷相反的粒子，叫做反粒子。例如电子的反粒子就是正电子，质子的反粒子就是反质子，正π介子的反粒子就是负π介子。

现在已发现的基本粒子有 300 多种。绝大多数基本粒子都是不稳定

的，寿命都很短，在不到 1 微秒甚至更短时间内，就会衰变为其他粒子。例如正、负π介子的平均寿命约为 2×10-8 秒，它衰变为μ介子，同时产生一个中微子（符号为δ）。μ介子也不稳定，平均寿命约为 2.2×10-

6 秒，衰变后成为电子和正反两个中微子。

根据基本粒子之间的相互作用，可以把它们分为强子、轻子和媒介子三大类。强子类包含的粒子最多，它们的主要特征是参与强相互作用。核子间的核力，是一种比电磁作用大得多的相互作用，叫做强相互作用。质子是最早发现的强子。强子又分重子（中子、质子、超子）和介子两类。轻子类粒子都不参与强相互作用，一般来说它们的质量都比较轻， 所以统称为轻子。电子是最早发现的轻子。μ介子从它的许多性质来看也属于轻子。1975 年，又发现一种质量很大的轻子，叫做τ子。由于它不参与强相互作用，所以归到轻子类，也把它叫做重轻子。还有三种中微子也属于轻子。媒介子是传递粒子间电磁相互作用的粒子，例如光子。

目前发现的基本粒子是不是都是基本的呢？它们有没有内部结构？ 近 20 年来大量实验结果和理论研究，都认为基本粒子并不基本，是有内部结构的。为了探索强子的内部结构，科学家提出了许多模型。这些模型中比较成功的、能与大量实验事实相符合的是 1963 年美国物理学家盖

尔曼等人提出的夸克模型。这个模型共有 6 类 18 种夸克（我国称层子）， 还有同样数目的反夸克，它们所带电

1 2

荷是基本电荷的± 3 或± 3 。一切强子都是由夸克组成的，重子是由3个夸克

组成，介子是由 1 个夸克和 1 个反夸克组成。到目前为止，在实验中还没有发现自由夸克，因此，夸克模型的理论还需进一步发展和完善。

本章学习要求 1．知道α粒子散射实验和原子的核式结构模型。

1. 知道玻尔模型及其局限性。

2. 知道氢原子光谱及玻尔理论对氢光谱的解释。

3. 知道光子的发射和吸收。

4. 知道天然放射现象，知道α、β、γ射线的本质和性质。

5. 知道放射性元素的α衰变和β衰变及其衰变方程。

6. 知道放射性元素的半衰期。

7. 知道原子核的人工转变及核反应方程。

8. 知道质子、中子的发现。

9. 知道原子核的组成。

10. 知道同位素。

复习题

1．单选题

1. 关于卢瑟福的α粒子散射实验，以下说法中不符合事实的是

[ ]

A．是提出原子核式结构模型的实验基础； B．观察到绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进； C．大多数α粒子穿过金箔后，发生了超过 90°的大角度偏转； D．极少数α粒子被金箔反弹回来，偏转角度几乎达到 180°。

1. 氢原子从n=3 的能级跃迁到基态时，辐射的光子能量可能为[ ]

   A．13.6eV； B．1.89eV；

C．12.09eV； D．10.2eV 。 3．在α、β、γ射线中，贯穿本领最强的一种，电离本领最大的一

种，依次是 [ ]

A．α射线，β射线； B．β射线，γ射线； C．γ射线，β射线； D．γ射线，α射线。

4． 238 U铀核衰变为²²²Rn氡核，经过α衰变和β衰变的次数分别为

92 86

[ ]

A．3 次，4 次； B．4 次，2 次；

C．2 次，2 次； D．4 次，4 次。

1. 某放射性元素在9

3

天内衰变了 4 ，其半衰期为 [ ]

A．6 天； B．3 天； C．4.5 天； D．1.5 天。6．同一元素的同位素的原子核里有 [ ]

A．不同的质子数、相同的中子数； B．相同的质子数、相同的中子数； C．相同的电子数、不同的质子数； D．相同的质子数、不同的中子数。

*7．在核子结合成原子核的过程中，会释放出核能，这是由于[ ] A．原子核的质量大于核子的总质量； B．原子核的质量小于核子的总质量； C．原子核的质量等于核子的总质量； D．原子核的质量大于每个核子的质量。

2．光子能量为 E 的一束单色光，照射容器中的氢气，氢原子吸收光子后，能发出频率分别为 v1、v2、v3 的三种光，且 v1＜v2＜v3，则入射光束的光子能量为多大？

3．氢原子基态能量 E1=-13.6eV，相应电子轨道半径 r1=0.53×10-10

米，则氢原子处于量子数 n=3 的能级时，能量和电子运动轨道半径分别为多大？

1. 有一群处在量子数 n=4 的激发态中的氢原子，在它们跃迁到低能态的过程中发出的光谱线可能有几条？

2. 完成下列核反应方程，并在方程的后边括号内，注明这一核反应是属于α衰变、β衰变、人工转变、裂变、聚变哪一种变化：

⁴⁰ Ar＋ ⁴He→ ⁴³Ca + （ ） [ ]

18 2 20

² H＋ ³H→（ ）＋ ¹n [ ]

1 1 0

²³⁵ U+ ¹n→¹⁴¹Ba+⁹² Kr＋（ ） [ ]

92 0 56 36

²²⁶ Ra→ ²²²Rn＋（ ） [ ]

88 86

¹⁴ C→¹⁴N＋（ ） [ ]

6 7

²⁷ Al+¹n→²⁴Na＋（ ） [ ]

13 0 11

¹¹B＋¹H→（ ） [ ]

5 1

²³⁵ U+ ¹n→ ⁸⁸ Sr+¹³⁶Xe＋（ ） [ ]

92 0 38 54

1. 用α粒子轰击硼 10，产生 1 个中子和 1 个具有放射性的核，这个新的核能放出正电子，衰变成另一新核，写出这两个核反应方程。

7．下列各原子核：¹²C，¹³C，¹⁴C，¹²N，¹³N，¹⁴N， ¹⁵N， ¹⁶N，¹⁷O中有

6 6 6 7 7 7 7 8 8

相同质子数的核是哪些？有相同中子数的核是哪些？有相同核子数的核是哪些？

8．镭²²³Ra的半衰期是11.2天，原有镭100克，经过多少天，剩下的镭为

3.125 克？

中学物理基本常数