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| 原子核 | |
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原子核(atomic nucleus)簡稱"核"。位於原子的核心部分，由質子和中子兩種微粒構成。而質子又是由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子又是由兩個下夸克和一個上夸克組成。
原子核極小，它的直徑在10m~10m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，在這極小的原子核里卻集中了99.96%以上原子的質量。原子核的密度極大，核密度約為10^17kg/m，即1m的體積如裝滿原子核，其質量將達到10^14t，即1百萬億噸。
原子核的能量極大。構成原子核的質子和中子之間存在着巨大的吸引力，能克服質子之間所帶正電荷的斥力而結合成原子核，使原子在化學反應中原子核不發生分裂。當一些原子核發生裂變(原子核分裂為兩個或更多的核)或聚變(輕原子核相遇時結合成為重核)時，會釋放出巨大的原子核能，即原子能(例如核能發電)。利用這一性質，方便人們的生活。整個原子不顯電性是中性。
原子核簡介
原子核是原子的中心部分，由質子和中子組成。原子的質量幾乎全部集中在原子核中。各種元素的原子核中所含的質子和中子數都不相同。原子核有的穩定，有的不穩定，不穩定的原子核能放出射線，並衰變成另一種元素的原子核。
原子核極小，體積只占原子體積的幾千億分之一，但原子核的密度卻極大，在極小的原子核里卻集中了99.96%以上原子的質量。而且原子核的能量極大，構成原子核的質子和中子之間存在着巨大的吸引力，能克服質子之間所帶正電荷的斥力而結合成原子核，使原子在化學反應中原子核不發生分裂。當一些原子核發生裂變或聚變時，會釋放出巨大的原子核能，即原子能。
迄今為止，已發現的穩定原子核265種，60種天然放射性核，人工合成有2400種核，然而在核素圖上，由中子滴落線、質子滴落線及自裂變半衰期大於1μs的限制邊界內所包圍的核素應有8000餘種，這表明有一大半核尚未被人們認識。根據目前的情況，考慮到可能的生成與鑑別方法，估計還可能被生成或鑑別600種左右的新核素，它們是世界各地有關實驗室不惜耗費重金搜索的目標。[1]
原子核的發現
實驗測到的原子核的質量都接近於氫原子核質量的整數倍。1919年，盧瑟福通過反應發現了一種粒子，它帶一個單位正電荷的電量，其質量與氫原子核質量相等，這種粒子被稱為質子。同時，用快速α粒子轟擊其他元素的原子核時也能產生這種粒子。這個發現說明了原子核內是包含質子的。
但是原子核一般不能只由質子組成。就拿最簡單的氘原子核來說.它的電荷等於質子電荷，但質量卻為質子的兩倍。原子核中還應包含什麼成分呢?直到1932年查德威克(Chadwick)發現了中子。人們才搞清了核的基本組成。原子核是由質子與中子組成的。
1930年，玻特(W.Bothe)等人利用反應即用α粒子轟擊鋰、鈹等輕元素時.發現一種貫穿力較強的輻射，它能穿過厚的鉛板被計數管記錄下來。同年，約里奧·居里夫婦重複實驗.用釙α源照射鈹靶，並用所放出的那種穿透性強的「射線」去轟擊石蠟。遺憾的是，玻特和約里奧·居里夫婦都把這種輻射看成γ射線。實際上，根據康普頓散射計算得到的γ射線能量與通過吸收法測得的此「射線」能量相矛盾。可以說，他們走到一個重大發現的邊緣，但沒有想到「中子」的可能。
中子的發現是核物理髮展史上一個重要的里程碑。中子的發現不但說明原子核由質子和中子組成，更重要的是.人們找到了極好的轟擊和分裂原子核的炮彈，開始了一系列重要的核反應研究。大大推動了原子核物理的發展。
不同的原子核所含有的質子和中子數目不同。中子和質子統稱為核子，它們的質量差不多相等，但中子不帶電，質子帶正電.其電量為Ze。因此，電荷數為Z的原子核含有Z個質子。原子核所含有的中子數用N表示，則原子核的質量數A=Z+N。具有一定Z，A的原子核稱為核素。
隨着實驗手段的發展，更高性能的中高能重離子加速器、高能加速器等的投入使用。人們發現核內成分除了質子、中子外還存在非核子自由度。這些非核子自由度包括介子和夸克。[2]
原子核的結構
原子核是物質結構的一個層次，它介於原子與粒子之間，是由質子與中子（統稱核子）組成的非相對論量子多體體系。此量子多體體系的結構圖象是由核內的質子與中子依靠一種短程的強相互作用力來維繫的。這種核子間的強相互作用，稱為核力或者強力。
原子核並不是那種單純的「核」，而是由質子和中子較均勻地相間排列成鍵，然後首尾相連而構成的核子環，圍繞其自身的軸線高速轉動而形成的殼層結構的帶電液滴球核。由於核子都集中在核子環上，因此核內是空心的，即原子核具有空虛的質心。核環轉動形成的球形核就象乒乓球一樣，形成的橢圓形核就象蛋殼一樣。
核環的成環張力是由核子環上所有質子相互推斥提供的。這樣，原子核外觀表現為質子間的較大庫侖斥力，使核環伸張，內觀則表現為核子間的核力，這種強力使核子一個拉着一個，使核收縮，從而產生核的表面張力，但核的表面張力遠大於質子間的斥力，之所以能維持平衡，是因為核力具有飽和性的緣故。另外，因核的轉動使核子產生離心力。原子核內的斥張力及離心力同核的表面張力的相互抗衡，維持着原子核空間結構的相對穩定存在。 [3]
原子核的大小
原子核極小，它的直徑在10-15m~10-14m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，在這極小的原子核里卻集中了99.96%以上原子的質量。原子核的密度極大，核密度約為1017kg/m3，即1m3的體積如裝滿原子核，其質量將達到1014t，即1百萬億噸。
原子核是由質子和中子組成的。不同核素的原子核可以用三個數來表徵，質量數A，質子數Z，和中子數N。質量數等於質子數加中子數。
原子核的大小可以通過阿爾法粒子散射，高能質子散射，電子，中子散射等實驗測量。散射實驗表明原子核比原子的尺寸要小得多，只有飛米(fm)量級。即比原子的尺寸要小几萬分之一。隨着A的增大，原子核的半徑將越來越大。對氫原子核來說，其直徑為約1.75fm，對比較重的原子核，比如鈾，則可達到15fm。大小差了一個數量級。[4]
性能介紹
原子核衰變
原子核衰變也叫核衰變，是原子核自發射出某種粒子而變為另一種核的過程。認識原子核的重要途徑之一。原子核衰變的類型有α衰變、β衰變和γ衰變三種，分別放出α射線、β射線和γ射線。
1、α衰變
放射性核素放射出α粒子後變成另一種核素。子核的電荷數比母核減少2，質量數比母核減少4。α粒子的特點是電離能力強，射程短，穿透能力較弱。
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2、β衰變：
β衰變又分β-衰變、β+衰變和軌道電子俘獲三種方式。
①β-衰變：放射出β-粒子(高速電子)的衰變。一般地，中子相對豐富的放射性核素常發生β-衰變。這可看作是母核中的一個中子轉變成一個質子的過程。
②β+衰變：放射出β+粒子(正電子)的衰變。一般地，中子相對缺乏的放射性核素常發生β+衰變。這可看作是母核中的一個質子轉變成一個中子的過程。[5]
③軌道電子俘獲：原子核俘獲一個K層或L層電子而衰變成核電荷數減少1，質量數不變的另一種原子核。由於K層最靠近核，所以K俘獲最易發生。在K俘獲發生時，必有外層電子去填補內層上的空位，並放射出具有子體特徵的標識X射線。這一能量也可能傳遞給更外層電子，使它成為自由電子發射出去，這個電子稱作「俄歇電子」。
3、γ衰變
處於激發態的核，通過放射出γ射線而躍遷到基態或較低能態的現象。γ射線的穿透力很強。γ射線在醫學核物理技術等應用領域占有重要地位。
原子核裂變
原子核裂變也叫核裂變，是指由重的原子核(主要是指鈾核或鈈核)分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。
鈾-235和鈾-238是兩種主要的鈾同位素，在自然界，主要以鈾-238的形式存在，大概占99.3%，而鈾-235隻占0.7%。儘管鈾-235含量很低，但卻是主要的核燃料。因此，我們在核電利用之前，需要經過濃縮過程，使氧化鈾的含量處於3%~6%,最好處於5%水平。進一步濃縮，就可用於製造原子彈。
鈾-235在一個中子的轟擊下產生銫-137和銣-96兩個碎片，也可能產生碘-131和釔-102，這個過程叫做「原子核裂變」，同時釋放出能量。1 千克的鈾-235完全裂變可釋放4.1×1011焦耳的能量。
除了鈾-235，可用於大規模核能利用的核素還有鈈-239和鈾-233，不過，這兩種皆屬於人造核素，產生於反應堆。鈾-238在反應堆裡面經過幾次裂變，會變成鈈-239。鈈-239可能存在兩種用途：用作核燃料或作為原子彈基本材料。令人格外擔心的是，鈈-239不僅是放射性物質，本身還具有化學毒性，而且半衰期以萬年計，清除難度非常高。
日本東京電力公司曾計劃在柏崎-刈羽核電廠試用MOX技術，即組合使用鈈-239和鈾-235，據說這樣可以大大提高反應堆的功率。後因2007年的地震而於2010年10月改在福島第一核電站3號機組進行試驗。[6]
相關視頻
1、原子核
2、原子核外電子排布