第四章 原子核世界

§1 原子核的组元

原子核的体积很小，原子核直径的量级是十万分之一埃。在研究原子核和粒子世界问题时，常用费米作为长度的单位，一费米等于十万分之一埃， 也就是一千万亿分之一米。原子核是由质子和中子组成的，质子和中子通过只在 10 费米以内的近距离时才有很强的强相互作用吸引力结合成原子核。在人们发现中子以前，不清楚原子核是由什么粒子构成的，这些粒子又是怎么样构成原子核的。

30 年代初期，人们知道原子核的性质可以由原子序数和原子量两个量描写。原子序数是该原子核所带的正电荷，是单位正电荷的倍数，原子量则正比于原子核的质量，并且大体上是氢原子量的整数倍，而氢原子核就是质子。当时已经发现的基本粒子有质子、电子和光子，质子带单位正电荷，电子带单位负电荷，光子不带电。质子的静止质量很重，是电子的 1836.15 倍。当时曾有一个原子核的结构模型，认为原子核是由质子和电子所组成，原子量就是原子核中包含的质子的数目，原子核中电子的数目则是原子量减原子序数，这样原子核所带有的正电荷的数目自然就等于原子序数。

这个模型可以对原子核的原子序数和原子量给以很好的解释，但进一步的分析研究就碰到了一系列基本的困难。

第一个困难。原子核的结合很紧，说明把原子核的各组成成分结合在一起的相互作用很强，特别是在距离为 1 费米附近时，应该远比电磁相互作用强。如果原子核是由质子和电子组成，原子核和电子之间应该有这种相互作用。然而当把电子射向原子核时，接近到几费米甚至 1 费米距离附近时始终没有察觉到有超过通常电磁相互作用的更强的新型的相互作用存在。

第二个困难。如果原子核中包含电子，电子的位置就被限制在原子核的体积内，即在半径为几费米的球体积内。由于微观粒子运动普遍满足位置和动量的不确定关系，电子的动量就不能很小，相应地电子所具有的动能也不能太小。例如，氧原子核的半径约为 3 费米，从不确定关系给出在氧原子核

中电子动量的不确定范围，从而可以估计出电子具有的动能值至少达到 16.3 兆电子伏特。具有这么大动能的电子不可能被束缚在原子核里，将会很快地从原子核中穿出来，这表明由质子和电子组成的原子核不可能是稳定的。

第三个困难。质子和电子都是自旋量子数为 1/2 的费米子，当它们组成原子核时，可以根据角动量的相加规则很容易地估计出原子核自旋角动量的性质，判断原子核是费米子还是玻色子。由于每一对质子和电子的自旋角动量之和可以是总自旋量子数为 0 或 1，所有的配了对的质子和电子的自旋角动量的总和的自旋量子数必然是整数，因此，原子核的自旋类型应完全由原子序数决定。原子序数为奇数的原子核应该是费米子，原子序数为偶数的原子核应该是玻色子。然而这个规则并不对，氮的原子序数是 7，但实验测得氮核的自旋量子数为整数，是玻色子。