核科學(xué)基礎(chǔ)知識講義

概述

核科學(xué)是研究原子核的結(jié)構(gòu)、特性和相互作用的科學(xué)。普通物質(zhì)的質(zhì)量幾乎全部都集中

在原子核。了解核物質(zhì)在常態(tài)和極端狀態(tài)下的表現(xiàn)非常不易。極端狀態(tài)存在于早期的宇宙中、

存在于當(dāng)今星球的內(nèi)核，也可在實驗室中通過原子核的相互碰撞實現(xiàn)。

核子科學(xué)家藉由測量彈止時和碰撞狀態(tài)下核子的性能、形狀和衰退來進(jìn)行研究。他們要

解決的問題有：核子為什么停留在核心中？質(zhì)子與中子有哪些可能的組合方式？當(dāng)核被擠壓

的時候什么發(fā)生？地球上的核子起源于何外？核子科學(xué)家使用以下方法進(jìn)行理論和實驗研

究：高能粒子加速器、創(chuàng)新的檢測儀器和最前沿的計算設(shè)備。

原子

在20世紀(jì)早期，已經(jīng)有極具說服力的證據(jù)表明物質(zhì)可以由原子理論加以描述，也就是

說，物質(zhì)是由一些種類不多的、我們稱為原子的建筑模塊組成。這一理論為當(dāng)時已知的化學(xué)

反應(yīng)提供了一致的、統(tǒng)一的解釋。然而，這個原子理論無法解釋一些神秘現(xiàn)象。1896年，

A.H.Becqucrci（貝克勒爾）發(fā)現(xiàn)了具有穿透力的放射線。在1897年，J.J.Thomson（湯

姆遜）指出電子帶有負(fù)電荷，并且來自于普通物質(zhì)之中。物質(zhì)要呈電中性，必定在某處有正

電荷潛藏。那么正電荷究竟在哪里，被什么攜帶呢？

1911年出現(xiàn)了一次里程碑的突破。當(dāng)時，ErnestRutherford（盧瑟福）和他的同事想

要通過實驗找到一束阿爾法粒子（氮核）的穿過薄的金箔后的散射角度。

Indivisible'Plum-pudding1Rutherford

AtomAtomAtom

(hardsphere)

原子的模型

在Rutherford模型中，原子中心的點是原子核。核的大小被擴大以便在圖像中可以看

到。

Rutherford實驗的預(yù)期結(jié)果本來是什么？它取決于原子的組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)時流行的

Thomson模型（或稱為"葡萄干一布丁”原子）認(rèn)為帶負(fù)電荷的電子（葡萄干）與四

處填滿的、帶正電荷的質(zhì)子（布?。┗旌显?起。這個模型能夠解釋海量物質(zhì)的電中性，而

且能夠解釋電荷的流動。按照這一模型，一個阿爾法粒子發(fā)生散射時，散射角幾乎不可能大

于零點幾度，而絕大部分幾乎不會發(fā)生散射。

Rutherford實驗的結(jié)果是令人驚訝的：絕大多數(shù)的阿爾法粒子正如所期望的那樣，幾乎

不會散射。但也有阿爾法對子發(fā)生了大于90度的散射，這對“葡萄干布丁”模型來說是不

可思議的。主要就是由于這一類型的實驗，導(dǎo)致了原子有一個核心的模型的提出。與

Rutherford試驗唯一兼容的模型是：一個很小的位于中心的核（原子核）帶有正電荷，并具

有原子質(zhì)量的絕大多數(shù)，而原子的絕大多數(shù)體積卻是由繞原子核轉(zhuǎn)動的、分散的電子占據(jù)。

按照經(jīng)典電磁理論，一個以圓形軌跡運行的電荷會丟失能量。在Rutherford模型，電

子繞原子核的運行類似于行星繞太陽運行。然而，在這一模型下，沒有任何東西阻止電子由

于丟失能量而在庫倫引力為作用下墜入原子核。這一穩(wěn)定性的問題在1913年被NielsBohr

用一個新模型解決。這個模型中電子以特定的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，而不會因為丟失能量以螺旋抗

道墜入核子里。這個模型是量子力學(xué)的開始，量子力學(xué)成功地揭示了原子的許多特性。Bohr

的原子模型能夠很方便地解釋氫原子能級。

原子核

原子核是由核子構(gòu)成，核子有質(zhì)子和中子。質(zhì)子和中子由夸克組成，并被夸克之間膠子

交換而產(chǎn)生的強作用力結(jié)合在?起。在由多個核子構(gòu)成的原子核中，強作用力可以用介子（由

夸克-反夸克粒子對組成）交換來描述。一個質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克及壽命很短

的強作用域組成。中子與質(zhì)子相似，但它有兩個下夸克和一個上夸克。雖然科學(xué)家確信核子

由夸克組成，但還從未在實驗中成功分離出一個單一夸克。往核子內(nèi)部加入能量以圖分離夸

克將增加它們之間的結(jié)合力。而在能量足夠高時，能源的增加將產(chǎn)生新的粒子而非釋放夸克。

放射能

Radioactivity

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如果原子核內(nèi)中子和質(zhì)子以一種不穩(wěn)定的方式組合，那么原子就具有放射性。對于質(zhì)

子數(shù)（Z）小的原子，維持原子穩(wěn)定所需的中子數(shù)（N）大約與質(zhì)子數(shù)相等。舉例來說，

在絕大多數(shù)碳原子的原子核中，有6個質(zhì)子和6個中子。對質(zhì)子數(shù)多的原子核，質(zhì)子之間

的排斥電荷力致使需要更多的中子才能構(gòu)成穩(wěn)定的原子核，一個穩(wěn)定的鉛原子核中包括126

個中子和82個質(zhì)子。一個放射性的原子，在質(zhì)子數(shù)量和中子數(shù)量之間缺乏適當(dāng)?shù)钠胶猓?/p>

會經(jīng)過放射性的衰變而達(dá)到一個較穩(wěn)定的組合。這種衰變在時間上是隨機發(fā)生的，但是大量

放射性材料可預(yù)期壽命。常見的衰變產(chǎn)物依希臘字母的前三個來命名?阿爾法（a）,貝塔

（b）,和伽瑪（g）。在阿爾法衰退方面，一個氮核從一個原子核分裂出來。阿爾法放射使

原子核減少兩個質(zhì)子數(shù)字和兩個中了數(shù)。貝塔衰變可以如下任何一種方式進(jìn)行：發(fā)射一個電

子和一個反中微子，或者發(fā)射它們的反粒子，即正電子和中微子。貝塔衰變將原子核中的一

個質(zhì)子變成中子，或?qū)⒁粋€中子變成一個質(zhì)子，從而改變原子核中的質(zhì)子、中子數(shù)量。反貝

塔衰變過程中原子核則獲得一個電子。在gamma衰變中，一個高能光子離開核子，從而原

于核形成更穩(wěn)定的、低能結(jié)構(gòu)。一個大原子核自然分裂生成小質(zhì)量原子核也是放射的一種形

式。

阿爾法衰變

阿爾法粒子衰變

在圖中所示的阿爾法衰變中，原子核發(fā)出一個4He核，即一個阿爾法粒子。在質(zhì)子/

中子比數(shù)太大的重原子核中，最常發(fā)生阿爾法衰變。一個阿爾法質(zhì)子帶兩個質(zhì)子和兩個中子，

是一個非常穩(wěn)定的粒了,結(jié)構(gòu)。阿爾法放射減小母核中的質(zhì)子中了?比率，使其成為一個比較穩(wěn)

定的結(jié)構(gòu)。許多比鉛重的原子都按這一方式衰變。

以210Po的阿爾法衰變?yōu)槔悍磻?yīng)式可以寫成2I（）Po?206Pb+4He。Po原子核

有84個質(zhì)子和126個中子。質(zhì)子數(shù)對中子數(shù)的比率是Z/N=84/126,即0.667。一個

Pb核子有82個質(zhì)子和124個中子,質(zhì)子數(shù)對中子數(shù)的比是82/124,即0.661.質(zhì)子數(shù)

對中子數(shù)比率的這一小小改變，已足以使原子核處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，并且如下圖所示，使得

子核（衰變產(chǎn)物）位于核素圖中穩(wěn)定的區(qū)域。

在阿爾法衰變中，原子序數(shù)發(fā)生改變，因此，最初的（或用）原子和子原子（衰變產(chǎn)

物）是不同的元素，具有不同的化學(xué)性質(zhì)。

核素圖上端

原子發(fā)生阿爾法衰變時，結(jié)合能轉(zhuǎn)變?yōu)榘柗Ｗ雍妥雍说膭幽堋Ｓ捎谀芰勘仨氃谶@兩

種粒子之間分享，并且阿爾法粒子和子核一定有等量且方向相反的動量，所以衰變之后的阿

爾法粒子和反沖的了?核將會有明確的能量。因為阿爾法粒子質(zhì)量較小，大部分動能都傳給了

它。

Beta粒子是電子或正電子（帶正電荷的電子，或稱反電子）。一個原子核如果帶有

太多質(zhì)子或中子，而其中的一個質(zhì)子變成了中子，或一個中子變成了質(zhì)子時，就發(fā)生了Beta

衰變發(fā)生。beta負(fù)衰變時，一個中子變成一個質(zhì)子，一個電子和一個反中微子：n?p+e

-+oBeta正衰變時，一個質(zhì)子變成一個中子，一個正電子和一個中微子：p?n+e++n。

兩種反應(yīng)都可以發(fā)生，因為在核素圖的不同區(qū)域，這兩種反應(yīng)之一將會使衰變產(chǎn)物移到穩(wěn)定

的區(qū)域。按照守恒定律，就會發(fā)生某一種反應(yīng)。按照電荷守恒定律，一個電中性的中子變成

一個質(zhì)子時，必須生成一個負(fù)電荷的粒子（此時為電子）。與此相似，按照輕子數(shù)守恒定律,

一個中子（輕子數(shù)為0）衰變成一個質(zhì)子（輕子數(shù)為0）和一個電子（輕子數(shù)為-1）時,

必須生成一個輕子數(shù)為-1的粒子（此時為反中微子）。Beu衰變發(fā)射出的輕粒子在衰變

之前并不存在于原子核中，它們是在衰變那一刻生成的。

我們已知，一個隔離的質(zhì)子，即一個氫核，不論帶不帶電子，不發(fā)生衰變。然而在一個

原子核里，Beta衰變過程可以將一個質(zhì)子變成一個中子。一個隔離中的中子是不穩(wěn)定的，

而且將會以10.5分鐘的半衰期衰變。原子核內(nèi)的一個中子，如果能夠使原子核生成一個更

穩(wěn)定的核，將會衰變；半衰期依同位素不同而異。原子核中的一個質(zhì)子，如果能夠使原子核

生成一個更穩(wěn)定的核，則可從原子捕獲一個電子（電子抓取），和生成一個中子和一個中微

子。

質(zhì)子衰變、中子衰、電子捕獲是質(zhì)子中子互相轉(zhuǎn)變的三種方法。在每種衰變中都發(fā)生了

原子序數(shù)的改變，因此母原子和子原子是不同元素。在所有三個過程中，核子的A值保持

不變，而質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)增加或減少10

Beta衰變時，結(jié)合能轉(zhuǎn)變?yōu)閎eta粒子的質(zhì)量能和動能、中微子的能量、和子核反沖的

動能