原子和原子核的初步研究

黄可欣

【摘要】由于在高中物理课本中了解到了关于原子及原子核的一系列知识，我对其产生了兴趣，并对其进行了初步研究。在本文中我主要探讨了三个方面。首先本文介绍了原子和原子核的发现史，从原子中的各个组成部分的历史说起，在此的前提下，介绍了原子模型的发现史，其中主要介绍了道尔顿模型、枣糕模型、行星模型和玻尔原子模型。然后本文研究了原子核的基本核反应，分为三个部分：核衰变、核聚变、核裂变。研究了这三种核反应方式的简单历史、原理和在现实生活中的基本应用。本文的第三部分在第二部分的基础上着重研究了放射性核衰变，由于数学知识上的不充足，通过查阅资料帮助，解出了放射性衰变方程，得到了N（T）=N（0）e-？姿T;另外由于了解到这个函数求导后是自己本身，于是推测它可能是高中所学的e指数函数，也得到了同样的解。同时，得到了表征元素发生衰变的快慢的物理量衰变常量？姿和半衰期t1/2。

【关键词】原子模型  核反应  核衰变

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）17-0169-02

一、原子和原子模型的发现史

原子是一种在化学反应中不可再分割的微粒。原子由核外电子和原子核组成。

1858年时物理学家发现当给装有两个电极的空气稀薄玻璃管加上电压时，在阴极对面的墙上会有绿色的辉光，这个现象引起了物理界学者的极大兴趣，而大部分学者认为阴极射线是一种带电的粒子流。于是在1897年约瑟夫·约翰·汤姆逊通过阴极射线粒子在电磁作用下偏转的实验测出了它的荷质比，并定名为电子。

原子中的原子核又由质子和中子组成。1918年卡文迪许用α粒子轰击氮原子核时，他发现了氢核的迹象，也就是说氦原子中含有氢核，再通过偏转电场等一系列试验和计算后，定义下了质子。而在这个实验后，卡文迪许就预言出了一种“中性粒子”的存在。1930年物理学家博特和贝克用α粒子轰击Be时，发现了一种在电场和磁场中都不偏转的射线，当时他们认为这是γ射线，从理论推出来这种射线在穿过铅板后的能量约为10兆电子伏特。但在居里夫妇的实验中，这种射线穿过铅板后的实际能量是50兆电子伏特，虽然与理论相差过大，但是居里夫妇还是把这种现象解释为γ射线。查德威克和卢瑟福不相信这种解释，他用这种新射线去轰击氢、氦、氮等元素，他发现物质的密度越大对射线的吸收就越厉害，而γ射线的性质与之相反。查德威克认为这种新射线在轰击物质时，与物质的原子核相碰撞，将能量传递给了原子核，测出原子核运动的速度，就算出了这种组成新射线的粒子的质量与质子相差不多，查德威克将这种粒子命名为中子。

当人们知道是哪些物质构成原子的时候，这些物质是怎样构成原子的成为了另一个研究方向。

1793年，道尔顿提出了世界上第一个原子模型，在模型中他认为原子是一个不可再分割的实心球体，是参加化学反应的最小单位。虽然这个模型在发现电子后被否定了，但是道尔顿还是第一次把物理化学从哲学的领域中拉了出来。在发现电子后，1898年，汤姆生提出了经典的枣糕模型，他认为正电荷像蛋糕一样均匀分布在原子中，而负电荷像红枣一样散落分布在正电荷中，正电荷与负电荷正好抵消电性。在同年，日本科学家提出了土星模型，他们认为电子不是散落在原子中，而是集中在一个固定的轨道上。在卡文迪许发现质子的存在后，卢瑟福否定了老师汤姆生的枣糕模型，提出了行星模型。行星模型的主要内容为：①原子的大部分都是空的;②在原子的中间有一个体积小、质量大的原子核;③正电荷全在原子核内，而带负电的电子绕核做高速运动。但随着科学的进步，氢原子线状光谱证明行星模型是不正确的。1913年，玻尔在量子论和光学概念的基础上补充了核外电子分层排布的玻尔原子模型，很好地解释了氢原子的线状光谱，但解释不了更加复杂的光谱。在物理学家13年的努力下，终于在玻尔的原子模型的基础上提出了现代量子力学原子模型，这个模型也是直到今天得到广泛实验证明的模型。

二、核反应

核反应可大概分为三个部分：核衰变、核聚变和核裂变。

1.核衰变

核衰变是指原子核自发射出某种粒子而变成另一种核的过程。在科学家贝克勒尔研究含铀矿物质的荧光现象时，他发现了一种由于穿透性较强而可以使相机底片感光的射线，同时这种射线不能被人眼所捕捉。于是在之后多年的细致研究中，发现这种物质就是衰变产生的射线。

衰变产生的射线有大致三种分类：①α射线 产生α核素子荷比母荷电荷数少2，质量数比母荷少4;②β射线 是高速的电子流，产生β射线的核素中有一个中子转变成一个电子或由一个电子转变成一个质子的过程;③γ射线 处于高能量状态的核通过放出γ射线而转变为低能量的核。

2.核聚变

核聚变是指较轻的原子在高温作用下结合成较重的原子并释放出大量能量的反应。原子在高温条件下拥有更多的能量，使同性正电荷原子核间的斥力不足以抵消动力，两个原子发生核核之间的碰撞，就发生了核聚变反应。这个反应可以被当作一种新能源，并且没有核污染。但是核聚变反应不好控制，世界的科学家也正在致力于此。太阳就是通过核聚变反应给太阳系带来光和热的。

3.核裂变

核裂变是指质量较大的原子核在吸收一个中子之后分裂成两个或多个较轻原子核，放出相应个数个中子和大量能量的反应。反应所释放的中子和能量又能使其他原子核發生核裂变，这个多个反应称为链式反应。原子核也可以在没有中子的情况下发生核裂变反应，它因为自身的衰变而释放出中子，发生反应。核裂变在现实生活中主要应用于发电厂和原子弹，因为核裂变会产生核辐射，其使用范围不得不被限制在某个范围内。比如原子弹就是利用铀-235元素堆积而发生的自身衰变反应作为反应实质的。

三、放射性衰变反应

在本文第二部分中我们介绍了三种不同的核反应，这里我们仔细讨论一下放射性衰变。

首先，大量的实验指出，原子核的衰变是统计性的，我们用概率统计工具来研究它。假设某个衰变元素时间t的原子个数为N（t），短时间内发生衰变的原子个数为dN，因为发生衰变的原子个数与总个数比例应该在单位时间内是不变的，所以：

四、总结

在本文中我主要探讨了三个方面。首先本文介绍了原子和原子核的发现史，从原子中的各个组成部分的历史说起，在此的前提下，介绍了原子模型的发现史，其中主要介绍了道尔顿模型、枣糕模型、行星模型和玻尔原子模型。然后本文研究了原子核的基本核反应，分为三个部分：核衰变、核聚变、核裂变。研究了这三种核反应方式的简单历史、原理和在现实生活中的基本应用。本文的第三部分在第二部分的基础上着重研究了放射性核衰变，由于数学知识上的不充足，通过查阅资料帮助，解出了放射性衰变方程，得到了N（T）=N（0）e-？姿T;另外由于了解到这个函数求导后是自己本身，于是推测它可能是高中所学的e指数函数，也得到了同样的解。同时，得到了表征元素发生衰变的快慢的物理量衰变常量？姿和半衰期t1/2。

参考文献：

[1]卢德馨.大学物理学[M].北京：高等教育出版社，1998.