A-level 物理/力、场和能量/原子核
直到 19 世纪，人们一直认为原子是构成物质的最小的基本单元，物质无法再被分解成更小的单元。现在我们知道原子是由更小的亚原子粒子组成的。这也帮助我们理解了核过程，例如裂变和聚变。
在 19 世纪末，人们普遍认为原子作为一个整体是中性的，并且在较大的正电结构中包含有浓缩的负电团块。这种原子模型被称为葡萄干布丁模型，其中布丁是正电的，葡萄干是负电的电子。它也被称为巧克力曲奇模型。
1906 年，欧内斯特·卢瑟福研究了 α 粒子穿过金箔的过程。他发现，大多数 α 粒子直线穿过金箔，但有一些 α 粒子发生了超过 90° 的偏转。已知 α 粒子比原子小且带正电荷，由此卢瑟福得出结论，原子大部分是空的空间，并且中心有一个带正电荷的原子核，它排斥 α 粒子。这个实验推翻了葡萄干布丁模型，而新的原子核模型现在被广泛接受。他还计算出原子核的直径约为 。
后来，最初导致葡萄干布丁模型的负电“团块”被发现实际上是电子，它们绕原子核运行，半径约为 ，这也证实了原子大部分是空的空间。
下一步是找出原子核是由什么组成的。质子是由卢瑟福于 1919 年发现的。为了找到质子，他将 α 辐射源放置在装有氮气的圆柱体中。圆柱体的一端有一个开口，开口处覆盖着一层铝箔。在开口外放置一个屏幕，并在屏幕上观察到闪光。闪光是由撞击屏幕的粒子引起的，但由于已知铝箔会阻止 α 粒子穿过，所以另一个更小的粒子一定撞击了屏幕。卢瑟福让他的两位研究助手盖革和马斯登测量了粒子的偏转角，他通过计算发现质子比大多数原子核小，并且带正电荷，其大小与电子的电荷相同。偏转的 α 粒子的分布对于不同的力（例如，磁力、硬球等）是不同的。卢瑟福能够确定原子核带正电荷。
1932 年，詹姆斯·查德威克发现了一种粒子，它的质量略大于质子，并且不带电荷，他称之为中子。他使用了来自钋的 α 辐射，并将其指向一些铍。铍在被 α 辐射轰击时会发射中子，但由于它们不带电荷，因此很难检测到它们。查德威克在中子的路径上放置了一些石蜡，石蜡发射了高能质子（石蜡含有大量的氢）。这表明有粒子撞击了石蜡的原子，没有被原子核的正电荷减速，并且它们与原子发生了弹性碰撞。
可以将一束 X 射线照射到一块晶体材料上，并且在它后面的屏幕上出现的点是一个规则间隔的图案。规则间隔的点是材料中的原子具有晶体结构的证据。如果原子没有晶体结构，则产生的图案将是模糊的环。
使用 X 射线是因为 X 射线的波长与原子之间的间距大致相同，因此衍射最大。电子束也可以用来提供相同的证据。
一束高能电子可用于确定原子核的半径。高能电子是被加速到高速度的电子，因此它们的德布罗意波长可以改变以匹配原子核之间的间距。电子绕着不同的原子核衍射，并根据衍射角进行计算以确定原子核的半径。
从以上实验中确定了各种粒子的尺寸：
- 质子半径 ≈ 中子半径 ≈ m
- 原子核半径 ≈ m 到 m
- 原子半径 ≈ m
- 分子半径 ≈ m 到 m
如果我们看一下氦原子核，我们可以看到它有两个中子和两个质子。它可以这样表示
顶部的 4 代表原子核中的核子数量，因此被称为核子数，有时也称为质量数。它有时用字母 A 表示。
底部的 2 代表质子数，因此被称为质子数或原子序数，有时用字母 Z 表示。然而，更准确地说，质子数代表原子核的电荷，因此电子表示为
在所有核过程中，始终保持平衡。中子和质子的数量在过程前后始终保持一致，因此核子数和质子数必须保持不变。考虑这个反应
这里，两个氢原子核融合形成一个氦原子核。您可以将核子数加在一起，得到 ，您可以将质子数加在一起，得到 。正如您所看到的，等号两边都是平衡的。
原子核分裂成两个大约相等的碎片。
当较小的原子核结合形成较大的稳定原子核时，就会发生核聚变。
同位素具有相同数量的质子，但中子数量不同。
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