原子核结构

原子核的组成

　　原子核是由质子和中子构成的等效于原子核是由质子和电子构成，这是原子核的二级结构;正负电子靠chao强的静电引力吸聚在一起形成质子和中子，这是原子核的一级结构。

　　原子核的核能是原子核内储存的质子与质子、电子与电子之间产生的斥力作用，原子释放的能量是带正电核子分裂或聚合相互做功释放的能量。构成中子、质子和各种微粒的chao强引力都来源于正负电子间的静电引力。

　　1、质子与中子的结构分析

　　在原子核试验中，发现了300多种很小的微粒，如质子、中子、e-子、e+子、π-子、π+子等，这些微粒都具有不同的物理特征，见下表：

　　由表中看出，通过对十几种粒子带电性统计，发现这些粒子有的显正电，有的显负电，有的显中性，这些粒子所显示的电性只限于0、-1和+1三种类型，这三种带电类型正好符合正电子与负电子的三种组合。

　　通过对粒子质量与电子质量的对比，发现它们的质量几乎都是电子质量的整数倍，其中质子的质量特性非常明显;通过对核反应的分析，发现中质子与中子可以相互转化，一个中子失去一个负电荷就转化为质子，一个质子获得一个负电子就再转化成中子，在原子核反应中，电量的转化是以电子的电量转移为单位，由此看出现在定义的“夸克”并不符合这一现象。“夸克”是实验得出的结果，夸克可以证明质子与中子不是Z小的粒子。

　　原子核的带电量与核外电子的带电量相等，预示者核外电子有可能来源于核子。根据核粒子质量与电子质量成倍数的关系、原子核内正电荷数与核外电子数相等及核外电子有固定质量和电量的特点、根据核粒子显示三种带电类型、质子与中子转化的Z小单位是电子、再结合几种“夸克”所具有的共性进行综合分析，得出“中子和质子是由Z基本的微粒正电子和负电子构成米团子结构”Z符合上述特性(见下图)。

　　中子与质子的这种结构与科学家们论述的“夸克理论”并不完全矛盾，目前所发现的几种“夸克”类型只不过是这种“米团子结构”中几个特殊的正负电子组合。

　　根据中子的“米团子结构”预测，显中性且质量小于中子的中性微粒有919多种，这些微粒中所含的正负电子个数相等而显中性，即微粒中含有n个正电子和n个负电子，其中由1个正电子和一个负电子构成的是Z小的中性粒子——祖中子。

　　显负电性的也是一个大家族，质量小于中子的负电粒子有919多种，这些粒子含有k个正电子和(k+1)个负电子，因此粒子显负电性，其中负电子是Z小的负粒子;显正电性的同样也是一个大家族，质量小于质子的正电粒子有918多种，粒子中含有(m+1)个正电子和m个负电子，因此粒子显正电性，其中正电子是Z小的正粒子;像λ、Σ、Ε这样大于中子质量的微粒也有很多。所有这些微粒的种类应该在几千种以上，利用原子对撞击产生的微粒只是其中很小的一部分。

　　正负电子结合形成中子和质子是因为正负电子都是独立的、不可消灭的物质微粒，虽然有许多正负电子结合在一起，它们的大小形态、所带的电量、相互间的引力和斥力都不会因为正负电子结合而泯灭，这是电子固有的自然特性。

　　中子和质子只是由许多正负电子靠相互间chao强的静电引力圈闭形成的比较稳定的电子组合。中子的大小是由正电子和负电子的体积、电量和正负电子产生的团聚力共同决定的。虽然正负电子可以任意结合形成一些质量大于中子的粒子，但是这些大粒子的特性都不会稳定。

　　2、原子核的结构分析

　　中子大约含有920个正电子和920个负电子，质子大约含有920个正电子和919个负电子。每个质子和中子的Z外层都含有多个正电子和多个负电子，在中子和质子外围形成了由正电子和负电子存在的多个正负极结构。

　　根据数学模拟，一个中子外围大约有300多个正极点和负极点。中子与质子的结合力都来源于正负电子间产生的chao强的静电引力。中子和质子都是由正负电子构成的组合体，中子外层接触处的电子是两个质子的共用电子，是连接两个质子的桥梁，因此“原子核由质子和中子构成”就等价于“原子核由质子和电子构成”。

　　例如氢(²₁H)原子核的结构，原子核内含有1个中子和1个质子，由于外围任何两个正负电子都存在引力，因此1个中子和1个质子形成了氚(²₁H)的原子核，由于中子外层接触处的电子转化成两个质子的共用电子，中间的这个电子是两个质子的连接点，因此1个中子和1个质子形成的氚核结构就变成了2个质子和1个电子形成的氚原子核结构(见下图)。

　　3、核子间的相互作用和核能的储存释放

　　对所有的原子核来说，都可以变成原子核是由质子和负电子构成，因此核子之间存在任何两个质子之间的斥力、任何两个负电子之间的斥力和质子与负电子间的引力这三种作用力。这就使得原子核内的粒子间蕴涵了斥力和引力两种电势能。

　　由于所有大原子核内的质子数都大于负电子数而使整个原子核显正电性，不论原子核怎么裂变，形成的新原子核都显正电，每个原子核形成的都是正电场。在原子核分裂的过程中，所有的新原子核相互做正功，因此会释放出巨大的核能。

原子核结构

　　原子核结构的探索：

　　20世纪初，从实验事实已经知道电子是一切原子的组成部分。

　　1897年汤姆逊从放电管中的阴极射线发现了带负电的电子，并测定了荷质比e/m，1910年密立根用油滴实验发现了电子的电量值为e=1.602×10^-19C，从而算出电子质量m_e=9.109×10^-31kg=0.511MeV/c²，差不多是氢原子质量的1/2000，即电子的质量比整个原子的质量要小得多。但物质通常是中性的，足见原子中还有带正电的部分。这些实验结果和当时的经典理论是考虑原子结构模型的基础。

　　汤姆逊Z早提出了一个“葡萄干镶面包”的原子结构模型或称为“西瓜”模型。他根据上述资料，设想原子的带正电部分是一个原子那么大的、具有弹性的、冻胶状的球，正电荷在球中均匀分布着，在这个球内或球上，有负电子嵌着。这些电子能在它们的平衡位置附近做简谐振动。观察到的原子所发光谱的各种频率就相当于这些振动的频率。汤姆逊的原子模型好像能够把当时知道的实验结果和理论考虑都归纳进去。

　　勒纳特从1903年起，直到多年后所做的电子在金属膜上的散射实验显示了汤姆逊模型的困难。他发现较高速度的电子很容易穿透原子，后者不像是具有10^-10m那样半径的实体球。

　　1904年长冈半太郎提出原子的土星模型，认为原予内的正电荷集中于ZX，电子均匀地分布在绕正电荷旋转的圆环上，遗憾的是他没有深入下去。

　　1909年，卢瑟福的a粒子散射实验对汤姆逊模型构成了强有力的挑战。

　　α粒子的散射实验：

　　1909年，卢瑟福的学生盖革和马斯顿在用α粒子轰击铂的薄膜靶子的实验中，观察到一个重要现象，发现α粒子在轰击铂原子时，绝大多数平均只有2～3°的偏转，但有大约1/8000的α粒子偏转角大于90°，其中有的接近180°。实验装置和模拟实验大致如下图所示。

　　上图中R为α放射源;F为散射的铂箔;S为闪烁屏;M为显微镜可以转到不同方向对散射的α粒子进行观察;A为代刻度圆盘;B为圆形金属匣;T为抽空B的管;C为光滑套轴。

　　对这样的事实，卢瑟福感到十分惊奇。因为大角度散射不可能解释为都是偶然性的小角度散射的累积，这种可能性要比1/8000小得多，绝大多数应该是一次碰撞的结果，但这在汤姆逊的原子模型中是不可能发生的。

　　作为初略的估算，如果我们忽略散射的α粒子受到原子中电子的影响，只考虑原子中带正电而质量很大的部分对散射粒子的影响，按照汤姆逊原子模型，原子是半径为R的均匀带正电荷历的球体，所以散射粒子与原子之间的库仑力，当r>R时是2Ze²/(4πε₀r²);当r<R时是2Ze²/(4πε₀R³)。当r=R时，即粒子掠过原子表面时作用力Z大，所以原子对掠过原子边界的α粒子有Z大的偏转。

　　为了估计α粒子由于散射而引起的动量的变化，只要把作用力乘以α粒子在原子核附近掠过的时间(大约为2R/v)，即

　　从而α粒子的Z大偏转角为θ_max，如下图所示。

　　E_α是入射的α粒子动能。

　　对于动能为5MeV的α粒子，每次碰撞的Z大偏转角将小于10^-3rad，要引起1°的偏转，必须经多次碰撞的积累，但因为每次α粒子的偏转方向都是随机而无规律的，所以发生大角度偏转的概率是十分小的，可以估计，要发生偏转90°的散射，概率大约为10^-3500，但实验值确是1/8000。

　　用卢瑟福自己的话说：“这是我一生中从来未有过的Z为难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上，而当我做出计算时看到，除非采用一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，否则是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想法。”

原子核式结构模型

　　经过对α粒子散射实验结果的计算和分析，卢瑟福于1911年提出了原子的核式结构模型。在这个结构模型中，原子有一个带正电的ZX体——原子核，所带正电的数值是原子序数Z乘以单位电荷e值。

　　原子核的半径在10^-15m～10^-14m之间。原子核外散布着Z个带负电的电子围绕它运动。但原子质量的绝大部分是原子核的质量。这样一个原子的核式结构模型在卢瑟福提出后很快被大家接受，认为它代表了原子的真实情况。