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于原子及原子核的一系列知識，我對其產生了興趣，并對其進行了初步研究。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現史，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現史，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，分為三個部分：核衰變、核聚變、核裂變。研究了這三種核反應方式的簡單歷史、原理和在現實生活中的基本應用。本文的第三部分在第二部分的基礎上著重研究了放射性核衰變，由于數學知識上的不充足，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求導后是自己本身，于是推測它可能是高中所學的e指數函數，也得到了同樣的解。同時，得到了表征元素發生衰變的快慢的物理量衰變常量？姿和半衰期t1/2。

【關鍵詞】原子模型 ?核反應 ?核衰變

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

一、原子和原子模型的發現史

原子是一種在化學反應中不可再分割的微粒。原子由核外電子和原子核組成。

1858年時物理學家發現當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，這個現象引起了物理界學者的極大興趣，而大部分學者認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的實驗測出了它的荷質比，并定名為電子。

原子中的原子核又由質子和中子組成。1918年卡文迪許用α粒子轟擊氮原子核時，他發現了氫核的跡象，也就是說氦原子中含有氫核，再通過偏轉電場等一系列試驗和計算后，定義下了質子。而在這個實驗后，卡文迪許就預言出了一種“中性粒子”的存在。1930年物理學家博特和貝克用α粒子轟擊Be時，發現了一種在電場和磁場中都不偏轉的射線，當時他們認為這是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。但在居里夫婦的實驗中，這種射線穿過鉛板后的實際能量是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，他發現物質的密度越大對射線的吸收就越厲害，而γ射線的性質與之相反。查德威克認為這種新射線在轟擊物質時，與物質的原子核相碰撞，將能量傳遞給了原子核，測出原子核運動的速度，就算出了這種組成新射線的粒子的質量與質子相差不多，查德威克將這種粒子命名為中子。

當人們知道是哪些物質構成原子的時候，這些物質是怎樣構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，在模型中他認為原子是一個不可再分割的實心球體，是參加化學反應的最小單位。雖然這個模型在發現電子后被否定了，但是道爾頓還是第一次把物理化學從哲學的領域中拉了出來。在發現電子后，1898年，湯姆生提出了經典的棗糕模型，他認為正電荷像蛋糕一樣均勻分布在原子中，而負電荷像紅棗一樣散落分布在正電荷中，正電荷與負電荷正好抵消電性。在同年，日本科學家提出了土星模型，他們認為電子不是散落在原子中，而是集中在一個固定的軌道上。在卡文迪許發現質子的存在后，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、質量大的原子核;③正電荷全在原子核內，而帶負電的電子繞核做高速運動。但隨著科學的進步，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概念的基礎上補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，但解釋不了更加復雜的光譜。在物理學家13年的努力下，終于在玻爾的原子模型的基礎上提出了現代量子力學原子模型，這個模型也是直到今天得到廣泛實驗證明的模型。

二、核反應

核反應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射出某種粒子而變成另一種核的過程。在科學家貝克勒爾研究含鈾礦物質的熒光現象時，他發現了一種由于穿透性較強而可以使相機底片感光的射線，同時這種射線不能被人眼所捕捉。于是在之后多年的細致研究中，發現這種物質就是衰變產生的射線。

衰變產生的射線有大致三種分類：①α射線 產生α核素子荷比母荷電荷數少2，質量數比母荷少4;②β射線 是高速的電子流，產生β射線的核素中有一個中子轉變成一個電子或由一個電子轉變成一個質子的過程;③γ射線 處于高能量狀態的核通過放出γ射線而轉變為低能量的核。

2.核聚變

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

3.核裂變

核裂變是指質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，放出相應個數個中子和大量能量的反應。反應所釋放的中子和能量又能使其他原子核發生核裂變，這個多個反應稱為鏈式反應。原子核也可以在沒有中子的情況下發生核裂變反應，它因為自身的衰變而釋放出中子，發生反應。核裂變在現實生活中主要應用于發電廠和原子彈，因為核裂變會產生核輻射，其使用范圍不得不被限制在某個范圍內。比如原子彈就是利用鈾-235元素堆積而發生的自身衰變反應作為反應實質的。

三、放射性衰變反應

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

首先，大量的實驗指出，原子核的衰變是統計性的，我們用概率統計工具來研究它。假設某個衰變元素時間t的原子個數為N（t），短時間內發生衰變的原子個數為dN，因為發生衰變的原子個數與總個數比例應該在單位時間內是不變的，所以：

四、總結

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現史，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現史，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，分為三個部分：核衰變、核聚變、核裂變。研究了這三種核反應方式的簡單歷史、原理和在現實生活中的基本應用。本文的第三部分在第二部分的基礎上著重研究了放射性核衰變，由于數學知識上的不充足，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求導后是自己本身，于是推測它可能是高中所學的e指數函數，也得到了同樣的解。同時，得到了表征元素發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：

[1]盧德馨.大學物理學[M].北京：高等教育出版社，1998.