原子和原子核的初步研究

黃可欣

【摘要】由于在高中物理課本中了解到了關(guān)于原子及原子核的一系列知識，我對其產(chǎn)生了興趣，并對其進(jìn)行了初步研究。在本文中我主要探討了三個方面。首先本文介紹了原子和原子核的發(fā)現(xiàn)史，從原子中的各個組成部分的歷史說起，在此的前提下，介紹了原子模型的發(fā)現(xiàn)史，其中主要介紹了道爾頓模型、棗糕模型、行星模型和玻爾原子模型。然后本文研究了原子核的基本核反應(yīng)，分為三個部分：核衰變、核聚變、核裂變。研究了這三種核反應(yīng)方式的簡單歷史、原理和在現(xiàn)實(shí)生活中的基本應(yīng)用。本文的第三部分在第二部分的基礎(chǔ)上著重研究了放射性核衰變，由于數(shù)學(xué)知識上的不充足，通過查閱資料幫助，解出了放射性衰變方程，得到了N（T）=N（0）e-？姿T;另外由于了解到這個函數(shù)求導(dǎo)后是自己本身，于是推測它可能是高中所學(xué)的e指數(shù)函數(shù)，也得到了同樣的解。同時，得到了表征元素發(fā)生衰變的快慢的物理量衰變常量？姿和半衰期t1/2。

【關(guān)鍵詞】原子模型 ?核反應(yīng) ?核衰變

【中圖分類號】G633.7 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）17-0169-02

一、原子和原子模型的發(fā)現(xiàn)史

原子是一種在化學(xué)反應(yīng)中不可再分割的微粒。原子由核外電子和原子核組成。

1858年時物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)給裝有兩個電極的空氣稀薄玻璃管加上電壓時，在陰極對面的墻上會有綠色的輝光，這個現(xiàn)象引起了物理界學(xué)者的極大興趣，而大部分學(xué)者認(rèn)為陰極射線是一種帶電的粒子流。于是在1897年約瑟夫·約翰·湯姆遜通過陰極射線粒子在電磁作用下偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)測出了它的荷質(zhì)比，并定名為電子。

原子中的原子核又由質(zhì)子和中子組成。1918年卡文迪許用α粒子轟擊氮原子核時，他發(fā)現(xiàn)了氫核的跡象，也就是說氦原子中含有氫核，再通過偏轉(zhuǎn)電場等一系列試驗(yàn)和計(jì)算后，定義下了質(zhì)子。而在這個實(shí)驗(yàn)后，卡文迪許就預(yù)言出了一種“中性粒子”的存在。1930年物理學(xué)家博特和貝克用α粒子轟擊Be時，發(fā)現(xiàn)了一種在電場和磁場中都不偏轉(zhuǎn)的射線，當(dāng)時他們認(rèn)為這是γ射線，從理論推出來這種射線在穿過鉛板后的能量約為10兆電子伏特。但在居里夫婦的實(shí)驗(yàn)中，這種射線穿過鉛板后的實(shí)際能量是50兆電子伏特，雖然與理論相差過大，但是居里夫婦還是把這種現(xiàn)象解釋為γ射線。查德威克和盧瑟福不相信這種解釋，他用這種新射線去轟擊氫、氦、氮等元素，他發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的密度越大對射線的吸收就越厲害，而γ射線的性質(zhì)與之相反。查德威克認(rèn)為這種新射線在轟擊物質(zhì)時，與物質(zhì)的原子核相碰撞，將能量傳遞給了原子核，測出原子核運(yùn)動的速度，就算出了這種組成新射線的粒子的質(zhì)量與質(zhì)子相差不多，查德威克將這種粒子命名為中子。

當(dāng)人們知道是哪些物質(zhì)構(gòu)成原子的時候，這些物質(zhì)是怎樣構(gòu)成原子的成為了另一個研究方向。

1793年，道爾頓提出了世界上第一個原子模型，在模型中他認(rèn)為原子是一個不可再分割的實(shí)心球體，是參加化學(xué)反應(yīng)的最小單位。雖然這個模型在發(fā)現(xiàn)電子后被否定了，但是道爾頓還是第一次把物理化學(xué)從哲學(xué)的領(lǐng)域中拉了出來。在發(fā)現(xiàn)電子后，1898年，湯姆生提出了經(jīng)典的棗糕模型，他認(rèn)為正電荷像蛋糕一樣均勻分布在原子中，而負(fù)電荷像紅棗一樣散落分布在正電荷中，正電荷與負(fù)電荷正好抵消電性。在同年，日本科學(xué)家提出了土星模型，他們認(rèn)為電子不是散落在原子中，而是集中在一個固定的軌道上。在卡文迪許發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的存在后，盧瑟福否定了老師湯姆生的棗糕模型，提出了行星模型。行星模型的主要內(nèi)容為：①原子的大部分都是空的;②在原子的中間有一個體積小、質(zhì)量大的原子核;③正電荷全在原子核內(nèi)，而帶負(fù)電的電子繞核做高速運(yùn)動。但隨著科學(xué)的進(jìn)步，氫原子線狀光譜證明行星模型是不正確的。1913年，玻爾在量子論和光學(xué)概念的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了核外電子分層排布的玻爾原子模型，很好地解釋了氫原子的線狀光譜，但解釋不了更加復(fù)雜的光譜。在物理學(xué)家13年的努力下，終于在玻爾的原子模型的基礎(chǔ)上提出了現(xiàn)代量子力學(xué)原子模型，這個模型也是直到今天得到廣泛實(shí)驗(yàn)證明的模型。

二、核反應(yīng)

核反應(yīng)可大概分為三個部分：核衰變、核聚變和核裂變。

1.核衰變

核衰變是指原子核自發(fā)射出某種粒子而變成另一種核的過程。在科學(xué)家貝克勒爾研究含鈾礦物質(zhì)的熒光現(xiàn)象時，他發(fā)現(xiàn)了一種由于穿透性較強(qiáng)而可以使相機(jī)底片感光的射線，同時這種射線不能被人眼所捕捉。于是在之后多年的細(xì)致研究中，發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)就是衰變產(chǎn)生的射線。

衰變產(chǎn)生的射線有大致三種分類：①α射線 產(chǎn)生α核素子荷比母荷電荷數(shù)少2，質(zhì)量數(shù)比母荷少4;②β射線 是高速的電子流，產(chǎn)生β射線的核素中有一個中子轉(zhuǎn)變成一個電子或由一個電子轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子的過程;③γ射線 處于高能量狀態(tài)的核通過放出γ射線而轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芰康暮恕?/p>

2.核聚變

核聚變是指較輕的原子在高溫作用下結(jié)合成較重的原子并釋放出大量能量的反應(yīng)。原子在高溫條件下?lián)碛懈嗟哪芰?，使同性正電荷原子核間的斥力不足以抵消動力，兩個原子發(fā)生核核之間的碰撞，就發(fā)生了核聚變反應(yīng)。這個反應(yīng)可以被當(dāng)作一種新能源，并且沒有核污染。但是核聚變反應(yīng)不好控制，世界的科學(xué)家也正在致力于此。太陽就是通過核聚變反應(yīng)給太陽系帶來光和熱的。

3.核裂變

核裂變是指質(zhì)量較大的原子核在吸收一個中子之后分裂成兩個或多個較輕原子核，放出相應(yīng)個數(shù)個中子和大量能量的反應(yīng)。反應(yīng)所釋放的中子和能量又能使其他原子核發(fā)生核裂變，這個多個反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。原子核也可以在沒有中子的情況下發(fā)生核裂變反應(yīng)，它因?yàn)樽陨淼乃プ兌尫懦鲋凶?，發(fā)生反應(yīng)。核裂變在現(xiàn)實(shí)生活中主要應(yīng)用于發(fā)電廠和原子彈，因?yàn)楹肆炎儠a(chǎn)生核輻射，其使用范圍不得不被限制在某個范圍內(nèi)。比如原子彈就是利用鈾-235元素堆積而發(fā)生的自身衰變反應(yīng)作為反應(yīng)實(shí)質(zhì)的。

三、放射性衰變反應(yīng)

在本文第二部分中我們介紹了三種不同的核反應(yīng)，這里我們仔細(xì)討論一下放射性衰變。

首先，大量的實(shí)驗(yàn)指出，原子核的衰變是統(tǒng)計(jì)性的，我們用概率統(tǒng)計(jì)工具來研究它。假設(shè)某個衰變元素時間t的原子個數(shù)為N（t），短時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子個數(shù)為dN，因?yàn)榘l(fā)生衰變的原子個數(shù)與總個數(shù)比例應(yīng)該在單位時間內(nèi)是不變的，所以：

四、總結(jié)

在本文中我主要探討了三個方面。首先本文介紹了原子和原子核的發(fā)現(xiàn)史，從原子中的各個組成部分的歷史說起，在此的前提下，介紹了原子模型的發(fā)現(xiàn)史，其中主要介紹了道爾頓模型、棗糕模型、行星模型和玻爾原子模型。然后本文研究了原子核的基本核反應(yīng)，分為三個部分：核衰變、核聚變、核裂變。研究了這三種核反應(yīng)方式的簡單歷史、原理和在現(xiàn)實(shí)生活中的基本應(yīng)用。本文的第三部分在第二部分的基礎(chǔ)上著重研究了放射性核衰變，由于數(shù)學(xué)知識上的不充足，通過查閱資料幫助，解出了放射性衰變方程，得到了N（T）=N（0）e-？姿T;另外由于了解到這個函數(shù)求導(dǎo)后是自己本身，于是推測它可能是高中所學(xué)的e指數(shù)函數(shù)，也得到了同樣的解。同時，得到了表征元素發(fā)生衰變的快慢的物理量衰變常量？姿和半衰期t1/2。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧德馨.大學(xué)物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998.