FHSST物理/原子核/原子核

原子核

原子核是固體嗎？它是自然界的基本結構單元嗎？！雖然它非常小，但原子核是由更小的東西組成的。

質子

對像原子和原子核這樣小的物體進行實驗的唯一方法是讓它們相互碰撞並觀察會發生什麼。也許你認為這是一種野蠻的方式，就像讓一輛梅賽德斯和一輛豐田相撞以瞭解它們引擎蓋下有什麼一樣。但是對於微觀粒子，別無他法。

在20世紀20年代初，盧瑟福和其他物理學家進行了許多實驗，透過用高能氦核轟擊元素來改變一種元素為另一種元素。他們注意到，在這個過程中總是會發射氫核。很明顯，氫核在核結構中起著基本作用，並且是所有其他原子核的組成部分。到20世紀20年代後期，物理學家經常將氫核稱為質子。質子這個術語似乎是由盧瑟福創造的，並於1920年首次出現在印刷品中。

中子

因此，已經確定原子核由質子組成。原子核中質子的數量決定了它的正電荷。因此，這個數字與門捷列夫元素週期表中元素的原子序數一致。

這聽起來很不錯，也很合乎邏輯，但仍然存在一些嚴重的問題。確實，帶正電荷的質子如何在原子核中保持在一起？由於電力的排斥，它們應該朝不同的方向飛散。是什麼讓它們保持在一起？

此外，質子的質量不足以解釋核質量。例如，如果質子是原子核中唯一的粒子，那麼氦核（原子序數為2）將有兩個質子，因此只有氫核的兩倍質量。然而，它的質量實際上是氫核的四倍。這表明除了質子之外，原子核內部一定還有其他東西。

這些額外的粒子，它們像是粘合質子並構成核質量的粒子，顯然是電中性的。因此，它們被稱為中子。盧瑟福在1920年預測了中子的存在。12年後，即1932年，他的助手詹姆斯·查德威克發現了它並測量了它的質量，結果發現它的質量幾乎相同，但略大於質子。

同位素

因此，在20世紀30年代初，最終證明了原子核由兩種型別的粒子組成，即質子和中子。質子帶正電，而中子是電中性的。質子的電荷與電子的電荷大小相等，但符號相反。質子和中子的質量幾乎相同，分別約為1836和1839個電子質量。

除了電荷之外，質子和中子幾乎具有相同的特性。這就是為什麼它們有一個共同的名稱：核子。質子和中子都是核子，就像男人和女人都是人類一樣。在物理學文獻中，質子用字母$p$表示，中子用$n$表示。有時，當它們之間的差異不重要時，會使用字母$N$表示核子（與使用人代替男人或女人相同）。

元素的化學性質由其原子核的電荷決定，即由質子的數量決定。這個數字稱為原子序數，用字母$Z$表示。原子的質量取決於其原子核包含多少核子。核子的數量，即質子和中子的總數，稱為原子質量數，用字母$A$表示。

標準核符號顯示同位素的化學符號、質量數和原子序數。

例如，鐵原子核（門捷列夫元素週期表中的第 26 位）具有 26 個質子和 30 箇中子，表示為${}_{26}^{56}{\rm {Fe}}\$，其中原子核總電荷為$Z=26$，質量數為$A=56$。中子數只是差值$N=A-Z$（這裡使用了相同的字母$N$，就像核子一樣，但這不應引起任何混淆）。化學符號與$Z$密不可分。這就是為什麼有時會省略下標，您可能會遇到類似${}^{56}{\rm {Fe}}$的簡化表示法。

如果我們從原子核中新增或移除一些中子，原子的化學性質保持不變，因為它的電荷相同。這意味著這種原子應該保留在元素週期表中的同一位置。在希臘語中，“同一位置”讀作${\acute {\iota }}\sigma o\varsigma$$\tau {\acute {o}}\pi o\varsigma$（isos topos）。因此，具有相同質子數但中子數不同的原子核被稱為同位素。

給定元素的不同同位素具有相同的原子序數$Z$，但質量數$A$不同，因為它們的中子數$N$不同。元素的不同同位素的化學性質相同，但它們在核穩定性方面通常會有很大的差異。對於輕元素的穩定同位素，中子數幾乎等於質子數，但對於較重的元素，中子數總是大於$Z$，並且當$Z$增加時，中子過量傾向於增長。這是因為中子是一種將排斥的質子粘合在一起的膠水。排斥電荷越大，所需的膠水就越多。