从破解天然放射现象入手一步步揭开原子核秘密的

核能是原子核内包含的能量。 核能的发现是人们探索微观物质结构的重大成就。 人类利用核能的方式有很多，主要方式是发电。 如今，世界上大约 16% 的电能是由核反应堆产生的。 核能的利用可以有效缓解常规能源的短缺。 图为核电站核反应堆本体。 它淹没在水下（蓝色）。 含有铀和钚的燃料棒被装入核反应堆的核心，产生受控的核裂变反应，释放大量能量。

随着核能的出现，我们这一代人给世界带来了自人类发现火以来最具革命性的力量。

——爱因斯坦

第 5 章 1 原子核的成分是什么？

对原子核内部信息的研究首先来源于矿物的自然辐射现象。

铀矿石

那么，人们是如何从破译自然辐射现象开始，逐步揭开原子核的秘密的呢？

自然放射性现象

1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀矿物能发出不可见的射线，可以穿透黑纸，使照相底片对光敏感。

受到贝克勒尔发现的启发，波兰裔法国物理学家玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里对铀和各种含铀矿石进行了深入研究。

玛丽·居里 (1867-1934) 和她的丈夫皮埃尔·居里 (1859-1906)

他们在沥青中发现了一种含铀物质。 从其铀含量来看，发出的射线并不算太强，但实际测量到的射线却要强得多。 经过进一步研究，发现这种沥青中含有两种新元素，可以发出更强的射线。 居里夫人将其中一种元素命名为钋（Po），将另一种元素命名为镭（Ra）。

物质发射射线的性质称为放射性（），具有放射性的元素称为放射性元素。 后来人们发现放射性并不局限于少数元素。 原子序数大于83的元素可以自发发射射线。 一些原子序数小于或等于83的元素也能发射射线。 放射性元素自发发射射线的现象称为自然辐射。

射线的性质

自然辐射现象被​​发现后不久，人们就想知道这些射线是什么？

将放射源铀、钋或镭放入铅制成的容器中，射线只能从容器的小孔中发射成细束。 如果在射线经过的空间施加磁场，可以发现射线分裂成三束。 其中两束光束在磁场中向不同方向偏转，这表明它们是带电粒子流； 另一束光束在磁场中没有偏转，表明它不带电。 （图5.1-1）。 因此，人们将这三种射线分别称为α射线、β射线和伽马射线。

图5.1-1 对三种射线在磁场中不同运动路径的思考与讨论

如果α射线和β射线都是带电粒子流，从图5.1-1中标记的轨迹来看，它们带什么电荷？

如果我们用电场而不是磁场来确定它们的带电特性，我们如何放置两个电极，使得三束射线可以大致按图中所示的方向偏转？

经过广泛研究，物理学家确认α射线、β射线和伽马射线具有以下特性。

阿尔法射线是高速粒子流。 颗粒带正电。 电荷是电子的两倍，质量是氢原子的四倍。 其成分与氦原子核相同。 α粒子的速度可以达到\(\frac{1}{{10}}\)光速。 由于α粒子带电且质量较大，它们在穿过气体时很容易从气体分子中夺取电子，从而使气体电离。 由于与物质中的粒子相互作用时会损失自身的能量，α粒子的穿透能力较弱，只能在空气中前进几厘米。 它们可以用一张纸挡住。

射线使原子中的电子脱离原子核的键并成为自由电子。 这个过程称为电离。 射线的上述作用称为电离。

β射线是高速电子流原子核的组成，其速度更大，达到光速的99%。 其电离作用弱，穿透能力强。 它可以轻松穿透黑纸，也可以穿透几毫米厚的铝板。

伽马射线是能量高、波长短的电磁波，波长在10-10m以下。 其电离作用较弱，穿透能力较强。 它甚至可以穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。

实验发现，如果一种元素具有放射性，那么无论它是以单质形式存在还是以化合物形式存在，它都具有放射性。 放射性强度不受温度或外部压力的影响。 由于元素的化学性质是由原子核外的电子决定的，这意味着射线与这些电子无关，即射线来自原子核。 这表明细胞核内部存在结构。

α射线和β射线是高速运动且具有高能量的粒子。 伽马射线是波长很短、能量很高的光子。

能够从原子内部喷射出如此高能的粒子，使人们认识到原子核是一个能量宝库。

拓展学习

威尔逊云室

图5.1-2是威尔逊云室的实物照片。 云室内部设计有可上下移动的活塞，上盖是透明的，通过上盖可以观察颗粒的运动情况。

图 5.1-2 威尔逊云室

云室内有洁净的空气。 实验时，先向云室中加入少量酒精，使云室内充满酒精饱和蒸气，然后快速向下拉动活塞。 室内气体膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态。 这时，如果颗粒物飞过室内气体，沿途气体分子电离，过饱和的酒精蒸气就会凝结成以这些离子为核心的雾滴，从而表现出颗粒物的运动。 这种云室是英国物理学家威尔逊于1912年发明的，称为威尔逊云室。

图5.1-3中的A、B分别显示了α射线和β射线在云室中的轨迹。 α粒子质量较大，在气体中飞行时很难改变方向。 由于其电离功率大，沿途产生大量离子，因此它在云室中的轨迹笔直而清晰。 高速β粒子的轨迹又细又直，而低速β粒子的轨迹又短又粗又弯曲。 伽马射线的电离功率很小，在云室中一般不可见其轨迹。

图 5.1-3 威尔逊云室中的粒子轨迹。 原子核的组成。

1919年，卢瑟福用镭发射的α粒子轰击氮原子核，从氮原子核中产生了一种新粒子（图5.1-4）。 根据该粒子在电场和磁场中的偏转，测量其质量和电荷。 原来它是一个氢原子的原子核，称为质子（），p。 后来，人们用同样的方法从氟、钠、铝等的原子核中提取出质子，并得出质子是原子核的组成部分的结论。

图5.1-4 α粒子轰击氮原子核示意图

质子的正电荷等于电子的电荷。质子的质量为

\[{m_p} = 1. \times {10^{ - 27}}{\rm{ 公斤}}\]

想法与讨论

原子核仅由质子组成吗？ 如果原子核中只有质子，则任何原子核的质量与电荷之比应等于质子的质量与电荷之比。 但事实真的是这样吗？

不是这种情况。 大多数原子核的质荷比大于相应的质子比。 卢瑟福推测原子核中可能存在另一种粒子，它的质量与质子相同，但不带电荷。 他称这种粒子为中子（）。 1932年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想（图5.1-5）。

中子不带电，用 n 表示。中子的质量为

\[{m_n} = 1.\times {10^{ - 27}}{\rm{ 公斤}}\]

它非常接近质子的质量，仅比质子的质量大千分之一左右。

图5.1-5 原子核示意图

除了是否带电和质量略有不同之外，质子和中子具有非常相似的性质。 而且，它们都是原子核的组成部分，所以统称为核子（）。

由于中子不带电，因此原子核上的电荷等于原子核中质子上的电荷之和。 因此，原子核所带电荷始终是质子电荷的整数倍。 通常用这个整数来表示原子核的电荷，称为原子核的电荷数，用Z表示。原子核的质量等于原子核中质子和中子的质量之和，而质子和中子的质量几乎相等，因此原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍。 这个倍数称为原子核的质量数，用 A 表示。

原子核的电荷数不是它携带的电荷量，质量数不是它的质量。

原子核的电荷数是原子核中质子的数量，也就是该元素的原子序数，原子核的质量数是原子核中核子的数量。

原子核通常用符号AZX表示（图5.1-6）。 例如，氢核可以表示为11H，有时也用它来表示质子。 氦原子核可表示为 42He。 它有2个质子和2个中子，所以电荷数为2，质量数为4。又如，表示质量数为238，电荷数为92的铀原子核，即有92个质子和原子核中有146个中子。

图5.1-6 原子核符号

元素的性质与核外电子密切相关。 同一元素的原子具有相同数量的质子和相同数量的原子核外电子，因此它们将具有相同的化学性质。 然而，它们的中子数可能不同。 这些质子数相同但中子数不同的元素称为同位素。

氢有三种同位素，即氕（俗称氢）、氘（又称重氢）、氚（又称超重氢）。 其符号为11H、21H、31H（图5.1-7）。

图5.1-7 氢同位素科学漫步

自然辐射现象的发现

1895年底，德国物理学家伦琴发现了一种新型射线——X射线，又称伦琴射线。 它具有一定的放射性。 我们现在知道，X 射线是电子在原子内跃迁时发出的波长非常短的电磁波。 但这在当时并不为人所知，因此它的发现引起了许多科学家的研究兴趣。

法国物理学家贝克勒尔研究荧光多年，他决定研究荧光与X射线之间的关系。 1896年初，他选择硫酸铀酰钾（一种暴露在阳光下会发出荧光的铀盐）作为他的实验材料。 他用黑纸把胶卷包起来，放在铀盐下，在阳光下暴晒了几个小时。 胶片冲洗后，发现胶片上有铀盐的黑色轮廓，说明该胶片已“感光”。 阳光无法穿透黑纸。 贝克勒尔认为，这种铀盐除了在阳光照射下发出可见荧光外，还能发出X射线。 正是 X 射线穿过黑纸，使胶片变得敏感。 再次准备实验时遇到了几天阴天，贝克勒尔不得不把准备好的铀盐和包好的底片放进抽屉里。 几天后，贝克勒尔在检查底片时，意外发现底片又被曝光了。 这一事实使贝克勒尔相信铀盐本身能够发出神秘的射线，从而使胶片对光敏感。 1896年3月2日，他在法国科学院例会上宣布了这一发现。 贝克勒尔进一步对其他不发荧光的铀化合物进行了实验，发现它们也可以使胶片对光敏感。 铀化合物发出的射线可以像X射线一样穿透许多物质。 他还发现，只要有铀元素存在，无论是什么化合物，一定会发出如此强烈的穿透射线。 贝克勒尔认为这些射线不是X射线；而是X射线。 他进一步指出，发射射线的能力是铀原子本身的特性。

1897年，玛丽·居里在撰写博士论文时选择了贝克勒尔发现的射线作为研究课题。 她首先证实，铀盐发出的射线强度只与化合物中的铀含量成正比，与化合物的种类无关，也不受光、热、电等因素的影响。 由此，她确认了这种现象的原因在于原子内部，并提出了“放射性”一词来描述这种现象。

居里夫妇提出了一个重要问题：还有其他元素具有这种性质吗？ 他们决定检查当时已知的所有元素，发现钍也发出类似的射线。 居里夫妇还发现，某些含有铀和钍混合物的矿石的辐射强度比测得的铀和钍的放射性强得多。 他们大胆地假设这些矿石中还含有一些当时未知的放射性元素，并开始了一项艰苦的工作：从沥青铀矿中分离出新元素。 1898年7月，他们获得了一种放射性比铀高400倍的新元素，并将其命名为钋，以表达居里夫人对祖国波兰的热爱。 同年12月，他们发现了镭，其放射性比铀高一百万倍。 镭的发现再次震惊了科学界，但也有人怀疑它的存在。 为了消除这种怀疑，居里夫妇艰苦卓绝，经过数万次提炼，终于在1902年从8吨沥青铀矿渣中提取出0.12克纯氯化镭，向世人证实了镭元素的纯度。 。 存在。

居里夫妇和贝克勒尔夫妇因对放射性的研究而共同获得了1903年诺贝尔物理学奖。 在发现激光的治癌功能后，他们认为这种救命之物应该属于全世界。 当镭以昂贵的价格出现在市场上时，他们自己也甘愿生活在贫困之中。 居里夫人因发现镭和钋而于1911年获得诺贝尔化学奖，成为两次获得诺贝尔奖的科学家。

可能由于长期接触辐射，居里夫人死于白血病。

练习和应用

1. 放射性元素发出的射线来自原子核内部，是否有任何事实和理由？ 自然辐射现象的发现对物质微观结构的研究有何意义？

2. α射线、β射线和伽马射线中哪种射线更像X射线？ 为什么说伽马射线是高能量的电磁波，而且波长一定很短呢？

3． 验电器带正电是因为空气干燥并且验电器金属箔的角长期保持打开状态。 现在有一束α射线射向验电器上端的金属球。 验电器金属箔的张开角度会如何变化？ 为什么？

4． 当人们发现了质子并在许多原子核中产生了质子之后，是否有理由断定原子核中一定存在其他类型的粒子呢？

5. 用符号表示下列原子核，并写出原子核中质子和中子的数量。

(1)阿尔法粒子。

(2) 质量数为14的碳核。

(3) 氧原子核，电荷数为8，质量数为17。

(4) 质量数为40的钾核。

(5) 电荷数为86、核子数为222的氡核。

6． 写出氢的三种同位素的符号，原子核中子数分别为 0、1 和 2。 比较铀三种同位素 、 和 之间的异同。

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