原子核(nucleus)都是由質子和中子構成的，質子和中子叫重子，因為它們比電子重了近兩千倍，所以普通物質被簡化地稱為重子物質，電子被無情地忽視了。而質子和中子都是由兩種夸克構成，這兩種夸克有兩個普通得不能再普通的名字，上夸克和下夸克。

實驗測到的原子核的質量都接近于氫原子核質量的整數倍。1919年，盧瑟福通過反應

發(fā)現了一種粒子，它帶一個單位正電荷的電量，其質量與氫原子核質量相等，這種粒子被稱為質子。同時，用快速α粒子轟擊其他元素的原子核時也能產生這種粒子。這個發(fā)現說明了原子核內是包含質子的。但是原子核一般不能只由質子組成。就拿最簡單的氘原子核來說.它的電荷等于質子電荷，但質量卻為質子的兩倍。原子核中還應包含什么成分呢?

人們根據放射線中有β射線(即電子流組成的射線)，曾設想原子核是由質子和電子構成的。但這不可能。人們可給出許多論證說明電子不可能存在于核內。例如，由不確定關系ΔxΔp~h(其中Δx、Δp分別為電子的位置和動量的不確定性)。利用相對論公式E2=p2c2+me2c4可以估計核內存在的自由電子能量約為數十MeV。而β衰變中觀測到的電子最大的能量不超過數MeV。

直到1932年查德威克(Chadwick)發(fā)現了中子。人們才搞清了核的基本組成。原子核是由質子與中子組成的。

1930年，玻特(W.Bothe)等人利用反應

即用α粒子轟擊鋰、鈹等輕元素時.發(fā)現一種貫穿力較強的輻射，它能穿過厚的鉛板被計數管記錄下來。同年，約里奧·居里夫婦重復實驗.用釙α源照射鈹靶，并用所放出的那種穿透性強的“射線”去轟擊石蠟。遺憾的是，玻特和約里奧·居里夫婦都把這種輻射看成γ射線。實際上，根據康普頓散射計算得到的γ射線能量與通過吸收法測得的此“射線”能量相矛盾?？梢哉f，他們走到一個重大發(fā)現的邊緣，但沒有想到“中子”的可能。

查德威克在了解到約里奧·居里夫婦的工作后，立即意識到他們觀測到的不是康普頓散射。重復做了上述實驗并經過認證分析后，查德威克大膽預言這種未知射線是一種新的粒子，它不帶電，質量和質子相近，稱為“中子”。盧瑟福的預言終于得到了證實。查德威克還利用1H和14N的反沖實驗對中子質量進行了估計。在彈性碰撞下，考慮能量和動量守恒，可以很方便地得到下式：

其巾VH、VN分別為反沖氫核和氮核的速度，mn為中子的質量。查德威克的實驗結果是VH=3.3×109cm/s，VN=4.7×108cm/s，由上式可計算mn。計算結果表明中子質量比質子質量略大一些。

中子的發(fā)現是核物理發(fā)展史上一個重要的里程碑。中子的發(fā)現不但說明原子核由質子和中子組成，更重要的是.人們找到了極好的轟擊和分裂原子核的炮彈，開始了一系列重要的核反應研究。大大推動了原子核物理的發(fā)展。

不同的原子核所含有的質子和中子數目不同。中子和質子統(tǒng)稱為核子，它們的質量差不多相等，但中子不帶電，質子帶正電.其電量為Ze。因此，電荷數為Z的原子核含有Z個質子。原子核所含有的中子數用N表示，則原子核的質量數A=Z+N。具有一定Z，A的原子核稱為核素。下面介紹一些術語：

①同位素(Isotope)：Z同A不同的一些核素;

②同中子異荷素(Isotone)：N同Z不同的一些核素;

③同量異位素(Isobar)：A同Z不同的一些核素;

④同質異能素(Isomer)：Z.N相同，而能量狀態(tài)不同的核素。表示為AmX，它表示這種核素的能量狀態(tài)比較高。如60CO有壽命為10.5min的激發(fā)態(tài)。該同質異能素記為60mCo。為60Co的同質異能素。

隨著實驗手段的發(fā)展，更高性能的中高能重離子加速器、高能加速器等的投入使用。人們發(fā)現核內成分除了質子、中子外還存在非核子自由度。這些非核子自由度包括介子和夸克。

原子核極小，它的直徑在10-15m~10-14m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，在這極小的原子核里卻集中了99.96%以上原子的質量。原子核的密度極大，核密度約為1017kg/m3，即1m3的體積如裝滿原子核，其質量將達到1014t，即1百萬億噸。

原子核是由質子和中子組成的。不同核素的原子核可以用三個數來表征，質量數A，質子數Z，和中子數N。質量數等于質子數加中子數。

原子核的大小可以通過阿爾法粒子散射，高能質子散射，電子，中子散射等實驗測量。散射實驗表明原子核比原子的尺寸要小得多，只有飛米(fm)量級。即比原子的尺寸要小幾萬分之一。

隨著A的增大，原子核的半徑將越來越大。對氫原子核來說，其直徑為約1.75fm，對比較重的原子核，比如鈾，則可達到15fm。大小差了一個數量級。

原子核衰變也叫核衰變，是原子核自發(fā)射出某種粒子而變?yōu)榱硪环N核的過程。認識原子核的重要途徑之一。原子核衰變的類型有α衰變、β衰變和γ衰變三種，分別放出α射線、β射線和γ射線。

1、α衰變

放射性核素放射出α粒子后變成另一種核素。子核的電荷數比母核減少2，質量數比母核減少4。α粒子的特點是電離能力強，射程短，穿透能力較弱。

2、β衰變

β衰變又分β-衰變、β+衰變和軌道電子俘獲三種方式。

①β-衰變

放射出β-粒子(高速電子)的衰變。一般地，中子相對豐富的放射性核素常發(fā)生β-衰變。這可看作是母核中的一個中子轉變成一個質子的過程。

②β+衰變

放射出β+粒子(正電子)的衰變。一般地，中子相對缺乏的放射性核素常發(fā)生β+衰變。這可看作是母核中的一個質子轉變成一個中子的過程。

③軌道電子俘獲

原子核俘獲一個K層或L層電子而衰變成核電荷數減少1，質量數不變的另一種原子核。由于K層最靠近核，所以K俘獲最易發(fā)生。在K俘獲發(fā)生時，必有外層電子去填補內層上的空位，并放射出具有子體特征的標識X射線。這一能量也可能傳遞給更外層電子，使它成為自由電子發(fā)射出去，這個電子稱作“俄歇電子”。

3、γ衰變

處于激發(fā)態(tài)的核，通過放射出γ射線而躍遷到基態(tài)或較低能態(tài)的現象。γ射線的穿透力很強。γ射線在醫(yī)學核物理技術等應用領域占有重要地位。

原子核裂變也叫核裂變，是指由重的原子核(主要是指鈾核或钚核)分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。

鈾-235和鈾-238是兩種主要的鈾同位素，在自然界，主要以鈾-238的形式存在，大概占99.3%，而鈾-235只占0.7%。盡管鈾-235含量很低，但卻是主要的核燃料。因此，我們在核電利用之前，需要經過濃縮過程，使氧化鈾的含量處于3%~6%,最好處于5%水平。進一步濃縮，就可用于制造原子彈。

鈾-235在一個中子的轟擊下產生銫-137和銣-96兩個碎片，也可能產生碘-131和釔-102，這個過程叫做“原子核裂變”，同時釋放出能量。1 千克的鈾-235完全裂變可釋放4.1×1011焦耳的能量。

除了鈾-235，可用于大規(guī)模核能利用的核素還有钚-239和鈾-233，不過，這兩種皆屬于人造核素，產生于反應堆。鈾-238在反應堆里面經過幾次裂變，會變成钚-239。钚-239可能存在兩種用途：用作核燃料或作為原子彈基本材料。令人格外擔心的是，钚-239不僅是放射性物質，本身還具有化學毒性，而且半衰期以萬年計，清除難度非常高。

日本東京電力公司曾計劃在柏崎-刈羽核電廠試用MOX技術，即組合使用钚-239和鈾-235，據說這樣可以大大提高反應堆的功率。后因2007年的地震而于2010年10月改在福島第一核電站3號機組進行試驗。

原子核外電子排布是原子核外電子的一種排列規(guī)則。原子核外電子排布與原子軌道的能級次序有關，排布市主要服從三個規(guī)則:能量最低原理、泡利原理以及洪特規(guī)則。原子核外...[查看全部]

原子核是由質子和中子構成的等效于原子核是由質子和電子構成，這是原子核的二級結構;正負電子靠超強的靜電引力吸聚在一起形成質子和中子，這是原子核的一級結構。

原子核的核能是原子核內儲存的質子與質子、電子與電子之間產生的斥力作用，原子釋放的能量是帶正電核子分裂或聚合相互做功釋放的能量。構成中子、質子和各種微粒的超強引力都來源于正負電子間的靜電引力。

1、質子與中子的結構分析

在原子核試驗中，發(fā)現了300多種很小的微粒，如質子、中子、e-子、e+子、π-子、π+子等，這些微粒都具有不同的物理特征，見下表：

由表中看出，通過對十幾種粒子帶電性統(tǒng)計，發(fā)現這些粒子有的顯正電，有的顯負電，有的顯中性，這些粒子所顯示的電性只限于0、-1和+1三種類型，這三種帶電類型正好符合正電子與負電子的三種組合。

通過對粒子質量與電子質量的對比，發(fā)現它們的質量幾乎都是電子質量的整數倍，其中質子的質量特性非常明顯;通過對核反應的分析，發(fā)現中質子與中子可以相互轉化，一個中子失去一個負電荷就轉化為質子，一個質子獲得一個負電子就再轉化成中子，在原子核反應中，電量的轉化是以電子的電量轉移為單位，由此看出現在定義的“夸克”并不符合這一現象?！翱淇恕笔菍嶒灥贸龅慕Y果，夸克可以證明質子與中子不是最小的粒子。

原子核的帶電量與核外電子的帶電量相等，預示者核外電子有可能來源于核子。根據核粒子質量與電子質量成倍數的關系、原子核內正電荷數與核外電子數相等及核外電子有固定質量和電量的特點、根據核粒子顯示三種帶電類型、質子與中子轉化的最小單位是電子、再結合幾種“夸克”所具有的共性進行綜合分析，得出“中子和質子是由最基本的微粒正電子和負電子構成米團子結構”最符合上述特性(見下圖)。

中子與質子的這種結構與科學家們論述的“夸克理論”并不完全矛盾，目前所發(fā)現的幾種“夸克”類型只不過是這種“米團子結構”中幾個特

一談到原子核物理，有人就會感到害怕，因為很多人會從原子核物理想到原子彈的巨大破壞力和放射性污染。原子核物理是研究原子核的結構和變化規(guī)律，獲得射線束并將其用于探測、分析的技術，以及研究同核能、核技術應用有關的物理問題。簡稱核物理。

也有人對原子核物理感到新奇。是啊，物質由原子組成，這點誰都知道?？墒?，誰能拿出一個原子來看看呢?那小得不能再小的微粒到底是什么樣子的呢?它那神秘莫側的巨大能量，又是從哪里來的呢?它怎么會有放射性的?原子核都有放射性嗎了……多少年來，就是這些間題吸引了無數原子核物理學家。

很早以前，人們把原子當作組成物質的最小微粒?！霸印边@個詞的希臘文原意，就是“不可分割的”。直到1911年，人們才認識到，原予并不是不可分的，而是由更小的原子核及環(huán)繞原子核運動的電子所組成。1932年，又進一步發(fā)現了原子核是由中子和質子組成的。

不同的原子核中，質子數和中子數都是不同的。到現在為止，人們在自然界里，已經找到了300多種原子核，又用人工方法制造出了1600多種原子核。原子核的大小只占整個原子體積的萬分之一，而質量卻占整個原子質量的99%以上。

這種情況使人們認識到，原子的結構是很松的，而原子核的結構卻是很緊的。實驗證明，每1立方厘米原子核，質量就達到1億噸。也就是說，1立方厘米的原子核，要用1萬艘萬噸輪來運載!

1、強子物理

強子，包括介子和重子，是能從物質中分離出來的、已觀測到的具有內部結構的最小單元。強子內部的夸克–膠子結構以及可能存在的新強子態(tài)是當今人類正在探索的物質世界的最微觀部分，是中高能原子核物理和粒子物理共同關心的交叉前沿熱點。

2、核物質性質和相圖

得益于現代加速器和探測器技術的高速發(fā)展，高能原子核物理在過去幾十年取得了巨大的成功。國際社會和政府的持續(xù)高投入，使得大科學裝置的建設和連續(xù)運行得到保障。

一些重

原子核裂變簡稱核裂變，又稱核分裂，是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。是指由重的原子，主要是指鈾或钚，分裂成較輕的原子的一種核反應形式。

只有一些質量非常大的原子核像鈾(yóu)、釷(tǔ)等才能發(fā)生原子核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以后會分裂成兩個或更多個質量較小的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發(fā)生原子核裂變……，使過程持續(xù)進行下去，這種過程稱作鏈式反應。原子核在發(fā)生原子核裂變時，釋放出巨大的能量稱為原子核能，俗稱原子能。

原子核裂變是在1938年發(fā)現的，由于當時第二次世界大戰(zhàn)的需要，原子核裂變被首先用于制造威力巨大的原子武器——原子彈。原子彈的巨大威力就是來自原子核裂變產生的巨大能量。目前，人們除了將原子核裂變用于制造原子彈外，更努力研究利用原子核裂變產生的巨大能量為人類造福，讓原子核裂變始終在人們的控制下進行，核電站就是這樣的裝置。

與其他的物理發(fā)現不同，原子核裂變的發(fā)現完全是出人意料的。當哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現鈾元素被中子轟擊后會導致鋇元素的出現時，他們是如此震驚，以至于在宣布這一發(fā)現的論文中寫道：“我們還沒有準備好邁出如此巨大的一步，它與所有已知的核物理實驗相背離”。

1932年英國物理學家查德威克發(fā)現了期待已久的中子。這是一個偉大的發(fā)現，誘發(fā)裂變反應的主角登場了。中子的發(fā)現具有非凡的意義，不僅完成了原子核是由質子和中子組成的核模型，而且為變革原子核提供了一個有力的武器。

先前人們是使用α粒子作為人射粒子轟擊原子核的，但α粒子帶正電荷，被轟擊的原子核也帶正電荷，必須克服庫侖排斥力才能打人原子核。而中子不帶電，可以長驅直入地打入原子核。因而，中子是一個研究原子核結構的理想“炮彈”。

科學家立即開始用中子去轟擊各種元素，研究所引起的核反應。特別是意大利物理學家費米等人，按照元素周期

原子核衰變，簡稱核衰變，是原子核自發(fā)射出某種粒子而變?yōu)榱硪环N核的過程。認識原子核的重要途徑之一。原子核衰變有3種：α衰變、β衰變、γ衰變。

其根本原因在于核內的核力與庫侖力不是處于平衡狀態(tài)。無論是質子還是中子，它們之間存在核力，屬吸引力。質子與質子之間存在庫侖力，當然眾所周知，屬于排斥力。

如果質子過多，那么排斥力大于吸引力，當然不穩(wěn)定。通過質子變成中子等效應，降低排斥力，增加吸引力，最終使二者達到平衡。這就是(級聯(lián))衰變過程。同樣，如果中子過多，吸引力過大于排斥力，二力不平衡，也影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。所以要衰變，減少中子數或增加質子數。

綜上所述，當核內質子數與中子數搭配協(xié)調時，體系才穩(wěn)定。否則就衰變，向穩(wěn)定過渡。這就好比一個社會，男女比例不可以太失調。另外，當核內有過多的質子和中子時(比如質量數超過200時)，即使二力平衡也不穩(wěn)定。這就好比搭積木，積木越多框架越不穩(wěn)定。也好比一個國家，比如以前的蘇聯(lián)，國家太大了，就不好治理。

α衰變

α衰變，是一種放射性衰變(核衰變);發(fā)生α衰變時，一顆α粒子會從原子核中射出;α衰變發(fā)生后，原子核的質量數會減少4個單位，其原子序數也會減少了2個單位。α衰變是一種核裂變，當中涉及量子物理學中的隧穿效應，和β衰變不同的是α衰變是由強核力力場產生和控制。

設衰變前的原子核(稱母核)為X(Z，A)，這里Z為原子序數，A為質量數，衰變后的原子核(稱子核)為Y(Z-2，A-4)，則α衰變可表示為

X(Z，A)→Y(Z-2，A-4)+α

一顆α粒子帶有5兆電子伏特的動能，其移動速度是每秒15000公里，即是只達到5%光速;由于α粒子相對大的質量，其+2的電荷，以及相對慢的移動速度，它們實在太容易就會和其他原子核和粒子反應及失去其能量，α粒子在幾厘米厚度的空氣內就會被吸收。

地球上大多數的氦氣都是來自地下蘊藏

原子核外電子排布是原子核外電子的一種排列規(guī)則。原子核外電子排布與原子軌道的能級次序有關，排布市主要服從三個規(guī)則:能量最低原理、泡利原理以及洪特規(guī)則。

原子核外電子排布是有規(guī)律的，首先是電子按層排布，而且每層最多容納的電子數為2n2個;其次，最外層電子數不得超過8個，而次外層的電子數則不能超過18個。這些規(guī)律是從實驗和周期律總結出來的，核外電子的排布服從如下的三個規(guī)則:

1、能量最低原理:

核外電子的排布將盡可能使體系的能量最低。因此，電子首先排布在能量最低的軌道上，最低軌道排滿后，電子再進入能量較高的軌道。

2、泡利原理:

在同一個原子中，最多只能有兩個電子處在同一狀態(tài)(這里指的是由三個量子數n，l，m規(guī)定的狀態(tài)或稱為軌道)，但這兩個電子的自旋方向必須相反。

這就是說，在同一原子中不可能有二個或更多個電子有完全相同的四個量子數。這個原理是泡利根據實驗總結出來的，泡利原理是自旋量子數為半整數的一類牡子(如電子、質子和中子等)所遵從的統(tǒng)計規(guī)律的反映。

從幾率的觀點來看，兩個電子在某一瞬間同時在空間某點出現的幾率等于零，這說明電子有相互回避的特性，這種特性就反映在泡利原理中。

3、洪特規(guī)則:

在不違背能量最低原理和泡利原理的前提下，在由相同的主量子數n和角量于數l規(guī)定的等價軌道上排布電子時，電子總是先單獨而且自旋平行地占據盡量多的軌道，當各等價軌道上都占有一個電子后，電子繼續(xù)境充時才逐一填充在己有一個電子的軌道上，這一規(guī)則是洪特根據光譜實驗總結出來的，又稱為盡量不成對原理。

原子核外電子排布時，其主要依據是原子軌道的能級次序。

原子軌道能是指和電子波函數Φ1相應的能量E1。原子的總能量近似等于各個電子的原子軌道能之和。電子結合能是指在基態(tài)原子中當其它電子處于最低能態(tài)，電子從指定軌道上電離時所需要能量的負值。電子結合能