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原子核

盧瑟福散射實驗圖，也稱為蓋革-馬斯登實驗

1908 年，歐內斯特·盧瑟福發現放射性物質發射的阿爾法輻射是由高速運動的帶正電粒子組成的。在盧瑟福散射實驗中，一束阿爾法粒子被送入金箔中，以觀察它們的偏轉方式。當被阿爾法粒子擊中時，熒光屏探測器會發出可見光的閃爍。結果表明，絕大多數阿爾法粒子穿過金箔而不被偏轉。一小部分以小於 90 度的角度偏轉。每八千個阿爾法粒子中有一個以大於 90 度的角度偏轉，這意味著它將有效地“反彈”到它來的方向。

推論

歐內斯特·盧瑟福實驗得出以下結論；

• 原子的大部分質量都在原子核內
• 原子核帶正電
• 原子核的直徑明顯小於原子的直徑，因此原子主要是空的空間

原子核的直徑約為$10^{-14}$mm，而原子的直徑約為$10^{-10}$mm。

原子模型

尼爾斯·玻爾提出，電子只能佔據某些能級或電子層。後來，盧瑟福提出將原子核中帶正電的粒子命名為質子。1932 年，詹姆斯·查德威克發現了中子。

粒子	電荷 / $e$	質量 / u
質子	1	1
中子	0	1
電子	-1	1/1840

原子符號

原子序數是原子核內質子的數量，通常用$Z$表示

核子數，$A$，是原子核中質子和中子的數量。

同位素是同一元素，但中子數不同。

一個原子可以用${}_{Z}^{A}\!X$表示，其中$X$是元素符號，我們可以說質子數 = $Z$，電子數 = $Z$，中子數 = $A-Z$

強核力

核子之間的力

吸引力負責將原子核束縛在一起，但它不可能是萬有引力，因為萬有引力太小，比靜電斥力小約 $10^{36}$ 倍。由於兩個質子之間的電磁力是斥力，而萬有引力太小，無法將它們束縛在一起，我們知道一定存在另一種作用在質子之間的力，被稱為 **強核力**。

強核力的性質

強核力隨著距離的增加而迅速減小，並且不會擴充套件到原子核中相鄰的質子和中子之外。這種力必須作用在核子之間，並且與電荷無關。以下是其中一些性質：

• 該力既有斥力也有引力。
• 在距離 $0.5*10^{-15}$ m 之內，核子之間存在斥力。
• 在距離 $3*10^{-15}$ m 和 $0.5*10^{-15}$ m 之間，核子之間存在引力。
• 超過 $3*10^{-15}$ m，強核力接近於 0。

平衡距離

為了使兩個中子處於平衡狀態，合力必須等於零。中子沒有電荷，沒有靜電荷，而且萬有引力可以忽略不計，因此我們需要關注強核力來尋找答案。

當強核力等於零時，它們之間的距離為 $d$。如果 $d$ 增加，則強大的引力將它們拉回來。如果 $d$ 減小，則強大的斥力將它們推回到平衡狀態。

核密度

我們知道原子直徑大約是原子核直徑的 10000 倍。因此，整個原子的密度應該遠小於原子核的密度，因為絕大多數質量都集中在原子核內。

核半徑

原子核的半徑與核子數之間不是線性關係。實驗表明，核半徑 $R$ 與核子數 $A$ 之間的關係由 $R=r_{0}A^{1 \over \ 3}$ 給出，其中 $r_{0}$ 是一個常數。因此，半徑與質量數的立方根成正比。 $r_{0}$ 的值為 $1.4*10^{-15}$ m。

核密度

密度定義為單位體積的質量，核密度表示為$\rho ={m_{n} \over \ V}$，其中$m_{n}$是核子的質量。這導致了：$\rho ={m_{n}A \over \ (4\pi \ {r_{0}}^{3})A/3}$

簡化後得到原子核平均密度的公式，由$\rho ={m_{n} \over \ (4\pi \ {r_{0}}^{3})}$給出。公式中的所有值在核子層面上都是常數，與質量數無關。這意味著所有原子核的密度都相同。

基本粒子

粒子的分類

亞原子粒子分為兩大類 - **強子** 和 **輕子**

**強子** 由夸克組成。夸克是基本粒子，這意味著它們不能分解成更小的粒子。質子和中子是強子，它們都由三個夸克組成。所有強子都經歷強核力。

**輕子** 是基本粒子，例如電子就是輕子。每個輕子都有自己的中微子。所有輕子都經歷弱核力，但不經歷強核力。

反粒子

每個粒子都有自己的“反粒子”，稱為*反粒子*。電子的反粒子是正電子。所有反粒子都與粒子具有相同的質量，但電荷相反。

當粒子與反粒子相互作用時，它們會相互湮滅，它們的總質量轉化為能量。

夸克性質

除了具有質量和電荷之外，夸克還具有其他性質，例如奇異性、魅力、重子數和輕子數，以及自旋。每一個都有一個測量它的數字。

最初提出的三個夸克是**上夸克**、**下夸克**和**奇異夸克**。我們可以從表格中看到它們的屬性

	夸克			反夸克
型別	上	下	奇異	反上	反下	反奇異
符號	$u$	$d$	$s$	${\bar {u}}$	${\bar {d}}$	${\bar {s}}$
電荷 $Q$	$+{2 \over \ 3}e$	$-{1 \over \ 3}e$	$-{1 \over \ 3}e$	$-{2 \over \ 3}e$	$+{1 \over \ 3}e$	$+{1 \over \ 3}e$
奇異性 $S$	0	0	-1	0	0	+1
重子數 $B$	$1 \over \ 3$	$1 \over \ 3$	$1 \over \ 3$	$-{1 \over \ 3}$	$-{1 \over \ 3}$	$-{1 \over \ 3}$

使用這種夸克和反夸克模型，我們可以看到某些粒子是如何構建的。

• 一個質子，uud，帶電荷 (${2 \over \ 3}+{2 \over \ 3}-{1 \over \ 3})e=+e$，重子數 1，奇異性 0
• 一箇中子，udd，帶電荷 (${2 \over \ 3}-{1 \over \ 3}-{1 \over \ 3})e=0$，重子數 1，奇異性 0

粒子的衰變

核子的夸克性質可以用來解釋正負電子發射。許多不穩定的強子由於其組成夸克的弱相互作用而衰變。