A-level 物理/核物理與粒子物理/原子核

核子

質子和中子是原子核的組成部分。質子是一種帶正電荷的粒子，其電荷與電子相同，但為正電荷。另一方面，中子是一種不帶電荷的中性粒子。質子的質量為 1.6552e-27 kg，電荷為 +1.66e-19 庫侖，而中子的質量為 1.6725e-27 kg。質子和中子統稱為**核子**。原子核中質子的數量決定了原子序數，而質子和中子的總質量之和佔原子質量的 99.9%，其餘質量由電子貢獻。在元素週期表中，您可以看到核子數量作為質量數寫出。

什麼力量將原子核束縛在一起？

多年來，人們一直在思考是什麼將原子固定在一起，以及為什麼原子不會因排斥的電磁力而分解。起初，他們認為是萬有引力將原子、質子和中子固定在一起。在他們發現萬有引力在核能水平上非常非常弱後，這一觀點被否定了。實際上，它比實際需要的力小了百萬兆兆兆兆兆兆倍。（10^36）
我們現在知道，負責將夸克、反夸克和膠子結合形成強子的相互作用被稱為強核力 (SNF) 或強相互作用。殘留的強相互作用提供了核結合力。簡單地說，強力是將原子核束縛在一起抵消質子之間庫侖（靜電排斥）力的力。強力作用於任何一對強子。它的作用範圍極短，只有幾飛米。即使如此，在非常短的距離內，SNF 也會變得排斥，否則中子和質子會相互吸引，最終形成一個奇點。

原子核的半徑

以下公式用於計算原子核的半徑。
$r=r_{0}A^{\frac {1}{3}}$
其中

• r 是半徑
• A 是核子的數量
• r0 是一個常數，值為 1.2 飛米到 1.5 飛米。

核物質的密度

$density={\frac {mass}{volume}}$

$\rho ={\frac {m}{{\frac {4}{3}}(\pi r^{3})}}$ (由於 ${\frac {4}{3}}(\pi r^{3})$ 是原子核的體積，它被認為是半徑為 r 的球體）。核密度在整個核尺寸範圍內都是恆定的。

計算靜電力

$F={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Q_{1}Q_{2}}{r^{2}}}$
其中

• F 是力
• $\epsilon _{0}$ 是自由空間的介電常數，值為 8.8541878176^e-12 F/m c（法拉每米每庫侖）

上面的表示式被稱為庫侖靜電定律。

計算萬有引力

$F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}$

其中

• F 是力
• m1 和 m2 是兩個物體的質量的乘積；
• r 是它們之間的距離。
• G 是萬有引力常數的值，為

$G=6.67\times 10^{-11}\ {\mbox{N}}\ {\mbox{m}}^{2}\ {\mbox{kg}}^{-2}\,$