核科学基础知识
5页1、核科学基础知识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静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.Becquerel (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
2、在哪里,被什么携带呢?1911年出现了一次里程碑的突破。当时,Ernest Rutherford (卢瑟福)和他的同事想 要通过实验找到一束阿尔法粒子(氦核)的穿过薄的金箔后的散射角度。IndivisiblePlum-pudding1RutherfordAtomAtomAtom(hard sphere)原子的模型在Rutherford模型中,原子中心的点是原子核。核的大小被扩大以使在图像中可以看 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)混合在一起。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。但也有阿尔法粒子发生了大于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
3、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的作用下坠入原子核。这一稳定性的问题在1913年被Niels Bohr 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轨 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一起。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
4、,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RadioactivityhLntWmZH*虹 ADMcbui by cffM us g difttiw p*n4i m i ph? &印 th. ETUdnM S-kifrF 土 14k nudcuh -Wphd pnidr. In 做 ihr Aibkinijriiltef ciudj W vfin*1 IH4I 血I AlffiMMIWt CM1 f+M- tiwi 血 nmiiixl r ofwwL ckdXMi md OMCI-1 DMiImA |P有gn tl Ow MRU- fofl Ihc *ili|.iEk- T4Ee rlnUoWL AKiMinrr k onfwrJ rf jmi panidth 瑜3 域而 g IRJi dtatyi. diM# ihc面币引 爻&明 HP . IwdflaiW4 jKflkisi-rkflK-. Iti |pimMipfflnjl 千 rwi p W 面F j ipbrn
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