物理世界奇遇记12：在原子核内部（上）

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1、物理世界奇遇记12：在原子核内部（上）物理世界奇遇记12：在原子核内部（上）物理世界奇遇记12：在原子核内部（上）　　　　汤普金斯先生出席的下一个演讲会，是专门介绍原子核的内部结构的。现在教授开始演讲了。女士们，先生们：　　　　我们在越来越深入地发掘物质的结构时，现在应该用我们智力上的眼睛，试一试观察原子核的内部了。原子核的内部是只占原子本身总体积几亿分之一的神秘区域；尽管这个新的研究领域的尺寸小得难以置信，但我们将发现，它具有了非常巨大的活动性。事实上，原子核毕竟是原子的心脏，虽然它的体积只占原子总体积的10-15，但它却大约占有原子总质量的％。　　

2、　　在从原子那个密度稀薄的电子云进入原子核区域时，我们马上会因为其中粒子极端拥挤的状态而感到惊奇。平均说来，在原子大气中，电子的活动范围比它自己的直径大几十万倍，而居住在原子核内部的粒子，却确实是一个紧挨着一个地挤在一起，把原子核挤得满满的，只能勉强地移动。从这个意义上说，原子核内部的景象与一般液体很相似，不过我们现在所碰到的不是分子，而是比分子小得多的粒子，即所谓质子和中子。在这里应该指出，质子和中子尽管名称不一样，但人们现在却把它们看做是同一种重基本粒子——即所谓“核子”——的两种不同的带电状态。质子是带正电的核子，中子是电中性的核子。至于说到核子

3、的几何大小，那么，它们同电子并没有多大差别，直径约为10-12厘米。不过，核子比电子重得多，要用1840个电子放在天平的一端，才能同放在另一端的一个质子相平衡。我已经说过，构成原子核的粒子彼此挤得非常紧，这是由某种特殊的原子核内聚力的作用决定的。这种力同作用于液体分子之间的力很相似，并且就像液体的情形那样，尽管这种力能够防止各个粒子完全分离开，却并不妨碍各个粒子发生相对位移。这样一来，原子核物质就具有某种程度的流体的性质，它在不受任何外力的干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形。在我现在拿出的这张示意图上，你们可以看到由质子和中子构成的几种不同的原子核。最

4、简单的一种是氢的原子核，它只含有一个质子，而最复杂的铀原子核却含有92个质子和142个中子。当然，你们应该把这些图形看做是真实情况的高度公式化的示意图，因为根据量子论那个最基本的测不准原理，每一个核子的位置实际上都“弥散”到整个原子核区域。　　　　我已经说过，构成原子核的各个粒子是由很强的内聚力维持在一起的，但是，除了这种引力以外，在原子核内还存在着另一种作用方向与它相反的力。事实上，大约占原子核成员总数的一半的质子是带正电的，它们会由于库仑静电力的作用而互相排斥。对于比较轻的原子核来说，由于其中的电荷比较少，这种库仑斥力是无足轻重的，但是，在原子核比

5、较重、电荷很多的场合下，库仑斥力就会同强核引力激烈地竞争。核力是短程力，只在相邻的核子之间起作用，而静电力却是长程力。这就意味着，处在原子核外围的质子只受到紧邻的核子的吸引，而却受到原子核内所有其他质子的排斥。当原子核内的质子增多时，斥力会变得越来越强，而引力并不随之增大。因此，当质子超过一定的数量时，原子核就不再是稳定的，它倾向于把它的某些组成部分驱逐出去，这就是许多处在周期表末尾的元素，即所谓“放射性元素”所发生的情形。　　　　你们可能会从上面的叙述得出结论说，这些不稳定的重原子核会把质子发射出去，因为中子不带任何电荷，所以，它们不是库仑斥力所要排

6、斥的对象。但是，实验告诉我们，实际上被发射出的粒子是所谓“α粒子”，这是由两个质子和两个中子构成的一种复合粒子。这个事实应该用原子核各个组成部分特殊的结合方式来解释。原来，由两个质子和两个中子结合成α粒子这样的组合特别稳定，因此，一下子把这整个粒子团抛出，要比把它分裂成质子和中子容易得多。　　　　你们大概已经知道，放射性衰变现象是法国物理学家贝克勒尔最先发现的；而把它解释成原子核自发嬗变的结果的，则是著名的英国物理学家卢瑟福。关于卢瑟福，我过去在谈到别的问题时已经提到过了，由于他在原子核物理学中有过许多重要的发现，他对科学所做的贡献是很大的。　　　　α

7、衰变过程的一个最重要的特点是：α粒子要找到离开原子核的“门路”，往往需要极长的时间。在铀和钍的情况下，这个时间大约是几十亿年，在镭的场合下，它大约是16个世纪。此外，尽管有些元素只要几分之一秒就发生衰变，但是，它们的整个寿命同原子核内部运动的速度比较起来、仍然可以认为是非常之长的。　　　　那么，是什么力量使α粒子有时在原子核内停留几十亿年之久呢？再说，既然它已经停留这么久了，为什么它最后又会发射出来呢？　　　　为了回答这个问题，我们必须先简单地谈谈内聚引力和作用于粒子、使它们脱离原子核的静电斥力的相对强度。卢瑟福曾经利用所谓“轰击原子”的方法，对这两种

8、力作了细致的实验研究。卢瑟福在卡文迪许实验室做过一个著名的实验，他让一束从某种放射性物质发射出