三、原子核的人工转变原子核的组成

放射现象的发现使人们认识到原子核仍然具有复杂结构，并且是能够发生变化的。但是，能不能用人工的方法使原子核发生变化呢？原子核是由什么组成的呢？

原子核的人工转变 1919 年，卢瑟福做了用 a 粒子轰击氮原子核的实验，得出了重大的发现，从此开辟了人工核反应的道路。卢瑟福的实验装置如图 10-5 所示。容器 C 里放有放射性物质 A，从 A 射出的 a 粒子射到一片铝箔 F 上，适当选取铝箔的厚度，使 a 粒子恰好被它完全吸收，而不能透过。在 F 的后面放一荧光屏 S，用显微镜 M 来观察荧光屏上是否出现闪光。通过阀门 T 往容器 C 里通入氮气后，卢瑟福从荧光屏 S 上观察到了闪光。这个实验表明，闪光一定是 a 粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的。

后来，测出了这种粒子的质量和电量，确定它就是氢原子核，又叫

做质子，通常用符号¹H或¹P表示。

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为了进一步证实这个实验的结果，英国物理学家布拉凯特在充氮的云室里做了这个实验，拍摄了两万多张云室照片，终于从 40 多万条 a 粒子径迹的照片中，发现有 8 条产生了分叉(图 10-6)。分析径迹的情况可以确定， 分叉后的细长径迹是质子的径迹，另一条短粗的径迹是新产生的核的径迹，a 粒子的径迹在跟核碰撞后不再出现。从质量数守恒和电荷数守恒可以知道，新产生的核是质量数等于 17 的氧。这个变化过程可以用下面的核反应方程来表示：

14 N + 4 He →17

O +¹ H

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后来，人们用同样的方法使氟、钠、铝等核发生了类似的转变，并且都产生了质子。由于从各种原子核里都能打出质子来，可见质子是原子核的组成部分。

中子的发现 到本世纪 20 年代，原子核中包含着质子，已经为大多数人所公认。由于原子核的质量大体上是质子质量的整数倍，有人认为， 原子核可能是由质子组成的。但是不久就知道了这种想法是不正确的。如果原子核只是由质子组成的，它的电荷数(以基本电荷为单位)应该与质量数相等。实际上原子核的电荷数只是质量数的一半或者还少一些。卢瑟福根据这一事实，预想到原子内可能还存在着质量跟质子相等的不带电的中性粒子，他把它称之为中子。后来人们又发现用α射线轰击铍能产生一种能量较高、贯穿能力很强的中性粒子。英国物理学家查德威克(1891～1974) 经过仔细研究，终于证明这种中性粒子即是卢瑟福所预言的中子。

原子核的组成 发现中子以后，如果认为原子核是由质子和中子组成的，以前在原子结构理论中遇到的问题都可以解决。于是原子核是由质子和中子组成的这一看法很快得到了公认。

质子和中子统称为核子。质子带一个单位的正电荷，中子不带电；质子和中子的质量几乎相等，都等于一个质量单位。所以原子核的电荷数等于它的质子数，原子核的质量数等于它的质子数与中子数的和。具有相同质子数的原子，它们核外的电子数相同，因而有相同的化学性质，属于同一种元素。但它们的中子数可以是不同的，这些具有相同的质子数和不同

的中子数的原子互称同位素。

原子核的半径很小，其中的质子之间的库仑斥力是很大的，然而通常的原子核却是很稳定的。这表明，在原子核里，除了质子间的库仑力，还有另一种力，它把各种核子紧紧地拉在一起。这种力叫做核力。从实验知道，核力是一种很强的力，它在质子和质子间、质子和中子间、中子和中子间都存在，并且只在 2.0×10^-15 米的短距离内起作用。超过了这个距离， 核力就迅速减小到零。质子和中子的半径大约是 0.8×10^-15 米，因此每个核子只跟它相邻的核子间才有核力的作用。关于核力的本质问题现在仍在深入研究中。