原子核物理基础

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1、第一章原子核与放射性郭秋菊刘洪涛北京大学物理学院技术物理系物质世界是由什麽组成的？是什麽把它们组合在一起？第一部分原子与原子结构1）“原子”概念的提出朴素的认识论：世界万物由水空气土火等构成古希腊时代:思辩性古代原子论万物由原子构成,原子是物质世界的共同基础，不能再分割。2）1803道耳顿—化学原子论原子是保持元素化学性质的基本粒子-科学概念伦琴发现X射线1895年，德国物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了X射线——它不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因此成为1901年第一个诺贝尔物理学奖得主世

2、界上第一张X光照片贝克勒尔发现放射性1896年，法国物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生——证明发射这种射线是铀原子自身的作用。放射性的发现，引起人们对原子核内部的研究的深入。“进入原子内部”和“分裂原子”成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获1903年诺贝尔物理学奖。贝克勒尔与居里夫妇1898年，物理学家居里夫人在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中，先发现了一种新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她将其名命为“钋”。居里夫妇又花了4年时间，发现了镭，并在极端艰苦的条件下，从几吨沥

3、清铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭，后又测出其原子量为225，其发出的射线比铀强200多万倍。居里夫人因此获1911年诺贝尔化学奖。更强的放射性——钋、镭居里夫妇卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为α射线；另一种有较强的穿透能力，他称之为β射线。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。由于组成α射线的α粒子带有巨大能量和动量，就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。卢瑟福发现射线电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的，阴极射线究竟是什么？物理学家

4、汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置，证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的。指出电子是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离子的千分之一。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成部分。汤姆逊发现电子1903年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分

5、布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。汤姆逊的原子结构模型卢瑟福的原子结构模型1911年，卢瑟福借助于α粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径10-15米的范围内，而原子半径却有10－10米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明长冈半太郎的“土星型模型”比汤姆逊的“葡萄干面包模型”更接近于物理真实。原子结构模型演化示意图1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种

6、放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。并提出了“原子能”的概念。卢瑟福、索迪——元素衰变卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链：索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。卢瑟福、索迪——元素衰变卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核

7、，同时变成了另一种原子核的结果，18N＋α17O＋p。这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。人工衰变1932年，物理学家查德威克发现了其质量同质子相当的中性粒子，这正是1920年卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子，即中子。他因此获1935年诺贝尔物理学奖。查德威克发现中子1932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核

8、，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想"炮弹"。探索原子核奥妙的钥匙——中子中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工