A-level 物理/力、場和能量/原子核

直到 19 世紀，人們一直認為原子是構成物質的最小的基本單元，物質無法再被分解成更小的單元。現在我們知道原子是由更小的亞原子粒子組成的。這也幫助我們理解了核過程，例如裂變和聚變。

原子的結構

葡萄乾布丁模型

在 19 世紀末，人們普遍認為原子作為一個整體是中性的，並且在較大的正電結構中包含有濃縮的負電團塊。這種原子模型被稱為葡萄乾布丁模型，其中布丁是正電的，葡萄乾是負電的電子。它也被稱為巧克力曲奇模型。

原子核的發現

1906 年，歐內斯特·盧瑟福研究了 α 粒子穿過金箔的過程。他發現，大多數 α 粒子直線穿過金箔，但有一些 α 粒子發生了超過 90° 的偏轉。已知 α 粒子比原子小且帶正電荷，由此盧瑟福得出結論，原子大部分是空的空間，並且中心有一個帶正電荷的原子核，它排斥 α 粒子。這個實驗推翻了葡萄乾布丁模型，而新的原子核模型現在被廣泛接受。他還計算出原子核的直徑約為 $10^{-14}m$。

後來，最初導致葡萄乾布丁模型的負電“團塊”被發現實際上是電子，它們繞原子核執行，半徑約為 $10^{-10}m$，這也證實了原子大部分是空的空間。

質子的發現

下一步是找出原子核是由什麼組成的。質子是由盧瑟福於 1919 年發現的。為了找到質子，他將 α 輻射源放置在裝有氮氣的圓柱體中。圓柱體的一端有一個開口，開口處覆蓋著一層鋁箔。在開口外放置一個螢幕，並在螢幕上觀察到閃光。閃光是由撞擊螢幕的粒子引起的，但由於已知鋁箔會阻止 α 粒子穿過，所以另一個更小的粒子一定撞擊了螢幕。盧瑟福讓他的兩位研究助手蓋革和馬斯登測量了粒子的偏轉角，他透過計算發現質子比大多數原子核小，並且帶正電荷，其大小與電子的電荷相同。偏轉的 α 粒子的分佈對於不同的力（例如，磁力、硬球等）是不同的。盧瑟福能夠確定原子核帶正電荷。

中子的發現

1932 年，詹姆斯·查德威克發現了一種粒子，它的質量略大於質子，並且不帶電荷，他稱之為中子。他使用了來自釙的 α 輻射，並將其指向一些鈹。鈹在被 α 輻射轟擊時會發射中子，但由於它們不帶電荷，因此很難檢測到它們。查德威克在中子的路徑上放置了一些石蠟，石蠟發射了高能質子（石蠟含有大量的氫）。這表明有粒子撞擊了石蠟的原子，沒有被原子核的正電荷減速，並且它們與原子發生了彈性碰撞。

晶體結構的證據

可以將一束 X 射線照射到一塊晶體材料上，並且在它後面的螢幕上出現的點是一個規則間隔的圖案。規則間隔的點是材料中的原子具有晶體結構的證據。如果原子沒有晶體結構，則產生的圖案將是模糊的環。

使用 X 射線是因為 X 射線的波長與原子之間的間距大致相同，因此衍射最大。電子束也可以用來提供相同的證據。

原子核大小的證據

一束高能電子可用於確定原子核的半徑。高能電子是被加速到高速度的電子，因此它們的德布羅意波長可以改變以匹配原子核之間的間距。電子繞著不同的原子核衍射，並根據衍射角進行計算以確定原子核的半徑。

相對大小

從以上實驗中確定了各種粒子的尺寸：

• 質子半徑 ≈ 中子半徑 ≈ $10^{-15}$m
• 原子核半徑 ≈ $10^{-15}$m 到 $10^{-14}$m
• 原子半徑 ≈ $10^{-10}$m
• 分子半徑 ≈ $10^{-10}$m 到 $10^{-6}$m

核過程

核方程

一個氦原子

如果我們看一下氦原子核，我們可以看到它有兩個中子和兩個質子。它可以這樣表示

$\ _{2}^{4}He$

頂部的 4 代表原子核中的核子數量，因此被稱為核子數，有時也稱為質量數。它有時用字母 A 表示。

底部的 2 代表質子數，因此被稱為質子數或原子序數，有時用字母 Z 表示。然而，更準確地說，質子數代表原子核的電荷，因此電子表示為

$\ _{-1}^{0}e$

在所有核過程中，始終保持平衡。中子和質子的數量在過程前後始終保持一致，因此核子數和質子數必須保持不變。考慮這個反應

$\ _{1}^{2}H+\ _{1}^{2}H=\ _{2}^{4}He$

這裡，兩個氫原子核融合形成一個氦原子核。您可以將核子數加在一起，得到 $2+2=4$，您可以將質子數加在一起，得到 $1+1=2$。正如您所看到的，等號兩邊都是平衡的。

核裂變

原子核分裂成兩個大約相等的碎片。

核聚變

當較小的原子核結合形成較大的穩定原子核時，就會發生核聚變。

同位素

同位素具有相同數量的質子，但中子數量不同。