核科学基础知识讲义

核科学基础知识讲义

概述

核科学是研究原子核的结构、特性和相互作用的科学。普通物质的质量几乎全部都集中

在原子核。了解核物质在常态和极端状态下的表现非常不易。极端状态存在于早期的宇宙中、

存在于当今星球的内核，也可在实验室中通过原子核的相互碰撞实现。

核子科学家藉由测量弹止时和碰撞状态下核子的性能、形状和衰退来进行研究。他们要

解决的问题有：核子为什么停留在核心中？质子与中子有哪些可能的组合方式？当核被挤压

的时候什么发生？地球上的核子起源于何外？核子科学家使用以下方法进行理论和实验研

究：高能粒子加速器、创新的检测仪器和最前沿的计算设备。

原子

在20世纪早期，已经有极具说服力的证据表明物质可以由原子理论加以描述，也就是

说，物质是由一些种类不多的、我们称为原子的建筑模块组成。这一理论为当时已知的化学

反应提供了一致的、统一的解释。然而，这个原子理论无法解释一些神秘现象。1896年，

A.H.Becqucrci（贝克勒尔）发现了具有穿透力的放射线。在1897年，J.J.Thomson（汤

姆逊）指出电子带有负电荷，并且来自于普通物质之中。物质要呈电中性，必定在某处有正

电荷潜藏。那么正电荷究竟在哪里，被什么携带呢？

1911年出现了一次里程碑的突破。当时，ErnestRutherford（卢瑟福）和他的同事想

要通过实验找到一束阿尔法粒子（氮核）的穿过薄的金箔后的散射角度。

Indivisible'Plum-pudding1Rutherford

AtomAtomAtom

(hardsphere)

原子的模型

在Rutherford模型中，原子中心的点是原子核。核的大小被扩大以便在图像中可以看

到。

Rutherford实验的预期结果本来是什么？它取决于原子的组织结构。当时流行的

Thomson模型（或称为"葡萄干一布丁”原子）认为带负电荷的电子（葡萄干）与四

处填满的、带正电荷的质子（布丁）混合在•起。这个模型能够解释海量物质的电中性，而

且能够解释电荷的流动。按照这一模型，一个阿尔法粒子发生散射时，散射角几乎不可能大

于零点几度，而绝大部分几乎不会发生散射。

Rutherford实验的结果是令人惊讶的：绝大多数的阿尔法粒子正如所期望的那样，几乎

不会散射。但也有阿尔法对子发生了大于90度的散射，这对“葡萄干布丁”模型来说是不

可思议的。主要就是由于这一类型的实验，导致了原子有一个核心的模型的提出。与

Rutherford试验唯一兼容的模型是：一个很小的位于中心的核（原子核）带有正电荷，并具

有原子质量的绝大多数，而原子的绝大多数体积却是由绕原子核转动的、分散的电子占据。

按照经典电磁理论，一个以圆形轨迹运行的电荷会丢失能量。在Rutherford模型，电

子绕原子核的运行类似于行星绕太阳运行。然而，在这一模型下，没有任何东西阻止电子由

于丢失能量而在库伦引力为作用下坠入原子核。这一稳定性的问题在1913年被NielsBohr

用一个新模型解决。这个模型中电子以特定的轨道绕核旋转，而不会因为丢失能量以螺旋抗

道坠入核子里。这个模型是量子力学的开始，量子力学成功地揭示了原子的许多特性。Bohr

的原子模型能够很方便地解释氢原子能级。

原子核

原子核是由核子构成，核子有质子和中子。质子和中子由夸克组成，并被夸克之间胶子

交换而产生的强作用力结合在•起。在由多个核子构成的原子核中，强作用力可以用介子（由

夸克-反夸克粒子对组成）交换来描述。一个质子由两个上夸克和一个下夸克及寿命很短

的强作用域组成。中子与质子相似，但它有两个下夸克和一个上夸克。虽然科学家确信核子

由夸克组成，但还从未在实验中成功分离出一个单一夸克。往核子内部加入能量以图分离夸

克将增加它们之间的结合力。而在能量足够高时，能源的增加将产生新的粒子而非释放夸克。

放射能

Radioactivity

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如果原子核内中子和质子以一种不稳定的方式组合，那么原子就具有放射性。对于质

子数（Z）小的原子，维持原子稳定所需的中子数（N）大约与质子数相等。举例来说，

在绝大多数碳原子的原子核中，有6个质子和6个中子。对质子数多的原子核，质子之间

的排斥电荷力致使需要更多的中子才能构成稳定的原子核，一个稳定的铅原子核中包括126

个中子和82个质子。一个放射性的原子，在质子数量和中子数量之间缺乏适当的平衡，就

会经过放射性的衰变而达到一个较稳定的组合。这种衰变在时间上是随机发生的，但是大量

放射性材料可预期寿命。常见的衰变产物依希腊字母的前三个来命名・阿尔法（a）,贝塔

（b）,和伽玛（g）。在阿尔法衰退方面，一个氮核从一个原子核分裂出来。阿尔法放射使

原子核减少两个质子数字和两个中了数。贝塔衰变可以如下任何一种方式进行：发射一个电

子和一个反中微子，或者发射它们的反粒子，即正电子和中微子。贝塔衰变将原子核中的一

个质子变成中子，或将一个中子变成一个质子，从而改变原子核中的质子、中子数量。反贝

塔衰变过程中原子核则获得一个电子。在gamma衰变中，一个高能光子离开核子，从而原

于核形成更稳定的、低能结构。一个大原子核自然分裂生成小质量原子核也是放射的一种形

式。

阿尔法衰变

阿尔法粒子衰变

在图中所示的阿尔法衰变中，原子核发出一个4He核，即一个阿尔法粒子。在质子/

中子比数太大的重原子核中，最常发生阿尔法衰变。一个阿尔法质子带两个质子和两个中子，

是一个非常稳定的粒了,结构。阿尔法放射减小母核中的质子中了•比率，使其成为一个比较稳

定的结构。许多比铅重的原子都按这一方式衰变。

以210Po的阿尔法衰变为例：反应式可以写成2I（）Po?206Pb+4He。Po原子核

有84个质子和126个中子。质子数对中子数的比率是Z/N=84/126,即0.667。一个

Pb核子有82个质子和124个中子,质子数对中子数的比是82/124,即0.661.质子数

对中子数比率的这一小小改变，已足以使原子核处于较稳定的状态，并且如下图所示，使得

子核（衰变产物）位于核素图中稳定的区域。

在阿尔法衰变中，原子序数发生改变，因此，最初的（或用）原子和子原子（衰变产

物）是不同的元素，具有不同的化学性质。

核素图上端

原子发生阿尔法衰变时，结合能转变为阿尔法粒子和子核的动能。由于能量必须在这两

种粒子之间分享，并且阿尔法粒子和子核一定有等量且方向相反的动量，所以衰变之后的阿

尔法粒子和反冲的了•核将会有明确的能量。因为阿尔法粒子质量较小，大部分动能都传给了

它。

Beta粒子是电子或正电子（带正电荷的电子，或称反电子）。一个原子核如果带有

太多质子或中子，而其中的一个质子变成了中子，或一个中子变成了质子时，就发生了Beta

衰变发生。beta负衰变时，一个中子变成一个质子，一个电子和一个反中微子：n?p+e

-+oBeta正衰变时，一个质子变成一个中子，一个正电子和一个中微子：p?n+e++n。

两种反应都可以发生，因为在核素图的不同区域，这两种反应之一将会使衰变产物移到稳定

的区域。按照守恒定律，就会发生某一种反应。按照电荷守恒定律，一个电中性的中子变成

一个质子时，必须生成一个负电荷的粒子（此时为电子）。与此相似，按照轻子数守恒定律,

一个中子（轻子数为0）衰变成一个质子（轻子数为0）和一个电子（轻子数为-1）时,

必须生成一个轻子数为-1的粒子（此时为反中微子）。Beu衰变发射出的轻粒子在衰变

之前并不存在于原子核中，它们是在衰变那一刻生成的。

我们已知，一个隔离的质子，即一个氢核，不论带不带电子，不发生衰变。然而在一个

原子核里，Beta衰变过程可以将一个质子变成一个中子。一个隔离中的中子是不稳定的，

而且将会以10.5分钟的半衰期衰变。原子核内的一个中子，如果能够使原子核生成一个更

稳定的核，将会衰变；半衰期依同位素不同而异。原子核中的一个质子，如果能够使原子核

生成一个更稳定的核，则可从原子捕获一个电子（电子抓取），和生成一个中子和一个中微

子。

质子衰变、中子衰、电子捕获是质子中子互相转变的三种方法。在每种衰变中都发生了

原子序数的改变，因此母原子和子原子是不同元素。在所有三个过程中，核子的A值保持

不变，而质子数和中子数增加或减少10

Beta衰变时，结合能转变为beta粒子的质量能和动能、中微子的能量、和子核反冲的

动能