原子核的组成和结构(原子的组成和结构图)

导语：原子核的组成

一、天然放射现象

1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，轴和含轴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

对轴和含轴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，根据它的含轴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，发现这种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）。

物质发出射线的性质称为放射性（radioactivity），具有放射性的元素称为放射性元素。后来发现，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。

二、射线的本质

发现了天然放射现象之后不久，人们就在想，这些射线到底是什么呢？

把放射源轴、钋或镭放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。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（图）。

于是，人们把这三种射线分别叫作α射线、射线和y射线。

☞[what]如果α射线、β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？

物理学家们经过多方面的研究后确认α射线、β射线和γ射线具有以下特征。

α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。α粒子的速度可以达到光速的1/10。由于α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。由于与物质中的微粒作用时会损失自己的能量，α粒子穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。

β射线 是高速电子流，它的速度更大，可达光速的99％。它的电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。

γ射线 是能量很高的电磁波，波长很短，在10⁻¹⁰m以下。它的电离作用更弱，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。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，这就说明射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。

α射线、β射线都是高速运动的粒子，能量很高，γ射线是波长很短的光子，能量也很高。

☞从原子内部能够射出这样高能的粒子，这使人们意识到原子核是一个能量的宝库。

☞射线使原子中的电子脱离核的束缚成为自由电子，这样的过程叫作电离。射线的上述作用叫作电离作用。

三、原子核的组成

1919年，卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮原子核，从氮原子核中打出了一种新的粒子（图）。

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（proton），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。

质子带正电荷，电荷量与一个电子的电荷量相等。质子的质量为

mp＝1.672621898×10⁻²⁷kg

☞[what]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。卢瑟福猜想，原子核内可能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（neutron）。1932年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想（图）。

中子不带电，用n表示。中子的质量是

mn＝1.674927471×10⁻²⁷kg

它与质子的质量非常接近，只比质子质量约大千分之一。质子和中子除了是否带电的差异以及质量上的微小差别外，其余性质十分相似，而且，都是原子核的组成成分，所以统称为核子（nucleon）。

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。所以，原子核所带的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。原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而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的质子数，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。原子核常用符号ᴬᴢX表示（图），

X为元素符号，A表示核的质量数，Z表示核的电荷数（即原子序数）。

☞原子核的电荷数不是它所带的电荷量，质量数也不是它的质量。

例如，氢原子核可以表示为¹₁H，有时也用它表示质子。

氦原子核可以表示为⁴₂He，它有2个质子和2个中子，所以电荷数是2，质量数是4。又如，²³⁸₉₂U代表一种轴核，它的质量数为238，电荷数为92，即核内有92个质子、146个中子。

元素的性质与原子核外的电子有密切的关系。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。但是，它们的中子数可能不同。这些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，因而互称同位素（isotope）。

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），符号分别是¹₁H、²₁H、³₁H（图）。

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