普通高中物理选择性必修三 第五章第1节 原子核的组成
内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
随着核能的出现，我们这一代人为世界带来了人类发现火以来最革命性的力量。——爱因斯坦
关于原子核内部信息的研究，最早来自矿物的天然放射现象。
天然放射现象
历史回顾
1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，它能穿透黑纸使照相底版感光。
受到贝克勒尔的发现的鼓舞，波兰裔法国物理学家玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里对铀和含铀的各种矿石进行了深入研究。
他们发现了一种沥青中的含铀物质，根据它的含铀量计算发出的射线不会太强，但实际测得的射线要强得多。
进一步研究后，发现这沥青中还存在着两种能够发出更强射线的新元素，居里夫人把其中一种元素命名为钋（Po），另一种元素命名为镭（Ra）。
天然放射 现象
物质发出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。
放射性并不是少数元素才有的，原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线。
放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象。
射线是什么
把放射源铀、钋或镭放入用铅做成容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为一细细的一束。
若在射线经过的空间施加磁场，可以发现射线分裂成三束，其中两束在磁场中向不同的方向偏转，这说明它们是带电粒子流；另一束在磁场中不偏转，说明它不带电。
思考与讨论 如果a射线、b射线都是带电粒子流，按照图中标出的径迹判断，它们分别带什么电荷？如果不用磁场而用电场判断它们带电的性质，两个电极怎样放置可以使三种射线大致沿图示的方向偏转？
射线的本质
a射线
a射线是高速粒子流，粒子带正电，电荷量是电子的2倍，质量是氢原子的4倍，其组成与氦原子核相同。
由于a粒子带电，质量又比较大，通过气体时很容易把气体分子中的电子剥离，使气体电离。
射线使原子中电子脱离核的束缚成为自由电子，这样的过程叫作电离。射线的这种作用叫作电离作用。
由于与物质中的微粒作用时会损失自己的能量，a粒子的穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。
b射线
b射线高速电子流，它的速度更大，可达光速的99%。
b射线的穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
g射线
g射线是能量很高的电磁波，波长很短，在10-10m以下。
g射线穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。
a射线、b射线都是高速运动的粒子，能量很高，g射线是波长很短的光子，能量也很高。
射线来自 原子核
实验发现，如果一种元素具有放射性，那么，无论它是以单质存在的，还是以化合物形式存在的，都具有放射性。放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。
由于元素的化学性质决定于原子核外的电子，说明射线与这些电子无关，即射线来自原子核。
从原子内部能够射出高能的粒子，这使人们意识到原子核是一个能量的宝库。
威尔逊云室
结构
云室内部设计有可以上下移动的活塞，上盖是透明的，可以通过它观察粒子运动的径迹。
原理
实验时，先往云室里加少量酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后迅速向下拉动活塞，室内气体膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态。
这时，如果有粒子在室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴，于是显示出粒子运动的径迹。
这种云室是英国物理学家威耳逊在1912年发明的，叫作威耳逊云室。
径迹
a粒子质量比较大，在气体中飞行时不易改变方向。由于它的电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而清晰。
高速b粒子的径迹又细又直，低速b粒子的径迹又短又粗而且是弯曲的。
g射线的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹。
质子
1919年，卢瑟福用镭放射出a粒子轰击氮原子核，从氮原子核中打出了一种新的粒子。
根据这种粒子在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电荷量，原来它就是氢原子核，叫作质子，用p表示。
以后，人们用同样的方法从氟、钠、铝等原子核中都打出了质子，由此断定，质子是原子核的组成部分。
思考与讨论 原子核是只由质子组成的吗？如果原子核中只有质子，那么，任何一种原子核的质量与电荷量之比，都应该等于质子的质量与电荷量之比。但事实是这样的吗？
实际情况并非如此，绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的相应比值。
中子
卢瑟福猜想，原子核内可以还存在着另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫作中子。
1932年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这猜想。
中子的质量与质子的质量非常接近，只比质子质量约大千分之一。
原子核
电荷数
由于中子不带电，原子核所带的电荷等于核内质子电荷的总和。
原子核所带电荷总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫作原子核的电荷数，用Z表示。
质量数
质子与中子的质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫作原子核的质量数，用A表示。
原子核的电荷数就是核内质子数，也就是这种元素的原子序数，而原子核的质量数就是核内的核子数。
代表原子核，X为元素符号，A表示核质量数，Z表示核的电荷数（即原子序数）。
例如
表示氦原子核，它有2个质子2个中子，电荷数是2，质量数是4。
表示一种铀核，它的质量数是238，电荷数为92，即核内有92个质子，146个中子。
同位素
具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素，在元素周期表中处于同一位置，因而互称为同位素。
同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，它们就会具有相同的化学性质。
氢有三种同位素，分别叫作氕（也就是通常说的氢）、氘（也叫重氢）、氚（也叫超重氢）。
科学漫步 天然放射现象的发现
伦琴
1895年末，德国物理学家伦琴发现一种新射线——X射线，即伦琴射线。它具有一定的辐射性。
X射线是原子内层电子跃迁时发射的波长很短的电磁波，它的发现激起了许多科学家研究兴趣。
贝克勒尔
法国物理学家贝克勒尔对荧光研究了多年，他决定研究荧光与X射线的关系。
1896年初，贝克勒尔选择了在日光照晒时能发出荧光的铀盐——硫酸钾铀酰做实验材料。
贝克勒尔发现，中要有铀元素存在，不论是什么化合物，就一定有一种贯穿本领很强的射线发出。
贝克勒尔认为这种射线不是X射线，他认为，发出射线的能力是铀原子自身的性质。
居里夫人
1897年，居里夫人在撰写博士论文时选择了贝克勒尔发现的射线作为研究课题。
居里夫人首先证实，铀盐发出射线的强度只与化合物中铀的含量成正比，而与化合物的种类无关，也不受光照、加热、通电等因素的影响。
居里夫人确认这一现象的起因在于原子内部，并提出了“放射性”这个词，用来描述这一现象。
居里夫妇提出了一个重要的问题：是否还有其他元素也具有这种性质？
居里夫妇决定检查当时知道的所有元素，结果发现钍也发射类似的射线。
1898年7月，他们得到了一种放射性比铀强400倍的新元素，并把它命名为钋，以表达居里夫人对祖国波兰的热爱。同年12月，他们又发现了放射性比铀强百万倍的镭。
居里夫妇经过艰苦繁重的工作，在几万次提炼之后，终于在1902年从8t沥青矿渣中提炼出0.12g纯净的氯化镭，向世人证实了镭元素的存在。
可能是由于长期受到射线的照射，居里夫人死于白血病。
居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而一起获得1903年的诺贝尔物理学奖。居里夫人在1911年又因镭和钋的发现而获得了诺贝尔化学奖，成为两次获得诺贝尔奖的科学家。
