原子核结构

原子核结构

2019-04-07

原子核是比原子深一级的物质结构。核物理是研究自然界的性

质、内部结构、内部运动、内部激发态、衰变过程、裂变过程

以及它们之间的反应过程的学科。

在原子核被发现后，科学家们曾以为原子核是由质子和电子组

成的。年英国 发现了中子，这才使人

1932 james chadwick

们认识到原子核可能具有更复杂的结构。

质子和中子统称为

「核子」，中子不带电，质子带正电荷，因此质子间存在着静

电排斥力

。万有引力虽然使各核子相互吸引，但在两个质子之

间的静电排斥力，比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。

所以，一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们

的提高，理论概括的范围随之扩大。接着，我们就以诺贝尔物

理学奖授予特殊贡献的物理学家的理论内容来逐一说明。例

如，年授予提出气体模型理论的，

1938 enrico fermi1963

年授予和

eugene paul wigner、maria goeppert-mayer j.

hans d. jenn1975 aage niels bohr、ben r.

，年则授予

mottelsonl. james rainwater

和 。

气体模型（gas model），e. fermi，1932 年——用

来证明质子数和中子数相等的原子核最稳定。

fermi

的气体模型把核子（中子和质子）看成是几乎没有相互

作用的气体分子，把原子核简化为一个球体，核子在其中运

动，遵守「泡利不相容原理（

pauli exclusion

principle每个核子受其余核子形成的总势场作用，就

）」。

好像是在一势阱中。由于核子是费米子，原子核就可看成是费

米气体，所以，对核内核子运动起约束作用的主要因素就是

「泡利不相容原理」

。但由于中子和质子有电荷差异，它们的

核势阱的形状和深度都各不相同。气体模型成功之处，在于它

可以证明质子数和中子数相等的原子核最稳定。这一结论与事

实相符。再有，用气体模型计算出的核势阱深度约为

-

50mev

，与其它方法得到的结果接近。不过这一模型没有考虑

核子之间的强相互作用，过于简单，难以解释后来发现的许多

新事实。

费米能级。

液滴模型（liquid model），n. h. d. bohr 和

яков ильич френкель，1935 年

——用来解释核分裂的现象。

「液滴模型」是根据如下事实：

一是原子核每个核子的平均结

合能几乎是一常数，即总结合能正比于核子数，显示了核力的

饱和性另一是原子核的体积正比于核子数，即核物质的密度

；

也近似于一常数，显示了原子核的不可压缩性

。这些性质都与

液滴相似，所以把原子核看成是带电荷的理想液滴，且原子核

内的中子与质子均匀混合。年用这个模型计算核

1936 bohr

反应截面，由此说明了一些核现象。年 和

1939 bohr j. a.

wheeler

还用液滴模型成功地解释了核裂变。但是早期的液滴

模型没有考虑核子运动，所以不能说明核的「自旋」等重要性

质，后来加进某些新的自由度，液滴模型又有新的发展。

液滴模型。

壳层模型（shell model），m. g. mayer 和 j. h.

d. jenn，1949 年——用来解释自旋和宇称的现

象。

他们根据自然界中存在一系列幻数核的事实，即当质子数z和

中子数分别等于下列数（称作幻数）之一：

n 2、8、20、

28、50、82、126

时，原子核特别稳定。这跟元素的周期性非

常相似，因此启发了他们仿照原子的壳层结构理论提出原子核

的「壳层模型」。

壳层模型可以相当好地解释大多数核基态的

「自旋（spin）」和「宇称（parity）」，对核的基态磁矩也

可得到与实验大致相符的结果

；但对电四极矩的预计与实验值

相差甚大，对核能级之间的跃迁速率的计算也大大低于实验

值，这些不足导致了核的集体模型的诞生。

壳层模型。

集体模型（corrective model），aage niels bohr

和 ben r. mottelson，1953 年——解决了独立粒子

核壳层模型的困难，成功地解决了球形核的振动、突

型核转动和大四级矩实验事实。

集体模型也叫「综合模型」，在他们提出之前，

l. j.

rainwater 1950

在 年就曾指出：具有大的电四极矩的核素，

其核不会是球形的，而是被价核子永久地变形了。因为原子核

内大部分核子都在核心，核心也就占有大部分电荷，因此即使

出现小的形变，也会导致产生相当大的四极矩。在这一思想的

基础上，和提出了集体模型。他们指出，不

bohr mottelson

仅要考虑核子的单个运动，还要考虑到核子的集体运动。

集体

模型（综合模型）实际上是对原子核中单粒子运动和集体运动

进行统一描写的一种唯象理论。壳层模型和集体模型各有成功

之处，把两种模型综合起来，可以更全面地解释各种原子核的

实验事实

。

集体模型。

回头再来回答一些提问：

中子和质子是什么形状？

质子或中子的内部结构，可看成由三个称为「夸克

() 」的更小单元被束缚在一起所组成，而以此建构出来

quark

「球状」对称的质子与中子模型也是普遍被接受。但在最新的

研究中却发现，质子内部的电荷分布其实是成「椭球形」而非

球形，而中子虽然也是由三个夸克所组成，但中子目前还是较

两者是否产生运动？

当质子和中子紧靠在一起，其距离小于力的作用范围（ 10^{-

15}m ）时，它们就能相互連接而形成原子核，并在这一过程

中释放一个光子。年日本汤川秀树提出了核子之间的强

1935

力来自“介子场”的交换。根据强力的作用范围，他推断出介

子没有质量，像光子一样服从 frac{1}{r^2} 的无穷大的作

用范围。年介子被发现，其测量的质量与汤川秀树所测

1941

的十分接近。

质子和中子通过介子交换。

有没有各自的轨道？