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原子核

原子核是固体吗？它是自然界的基本结构单元吗？！虽然它非常小，但原子核是由更小的东西组成的。

质子

对像原子和原子核这样小的物体进行实验的唯一方法是让它们相互碰撞并观察会发生什么。也许你认为这是一种野蛮的方式，就像让一辆梅赛德斯和一辆丰田相撞以了解它们引擎盖下有什么一样。但是对于微观粒子，别无他法。

在20世纪20年代初，卢瑟福和其他物理学家进行了许多实验，通过用高能氦核轰击元素来改变一种元素为另一种元素。他们注意到，在这个过程中总是会发射氢核。很明显，氢核在核结构中起着基本作用，并且是所有其他原子核的组成部分。到20世纪20年代后期，物理学家经常将氢核称为质子。质子这个术语似乎是由卢瑟福创造的，并于1920年首次出现在印刷品中。

中子

因此，已经确定原子核由质子组成。原子核中质子的数量决定了它的正电荷。因此，这个数字与门捷列夫元素周期表中元素的原子序数一致。

这听起来很不错，也很合乎逻辑，但仍然存在一些严重的问题。确实，带正电荷的质子如何在原子核中保持在一起？由于电力的排斥，它们应该朝不同的方向飞散。是什么让它们保持在一起？

此外，质子的质量不足以解释核质量。例如，如果质子是原子核中唯一的粒子，那么氦核（原子序数为2）将有两个质子，因此只有氢核的两倍质量。然而，它的质量实际上是氢核的四倍。这表明除了质子之外，原子核内部一定还有其他东西。

这些额外的粒子，它们像是粘合质子并构成核质量的粒子，显然是电中性的。因此，它们被称为中子。卢瑟福在1920年预测了中子的存在。12年后，即1932年，他的助手詹姆斯·查德威克发现了它并测量了它的质量，结果发现它的质量几乎相同，但略大于质子。

同位素

因此，在20世纪30年代初，最终证明了原子核由两种类型的粒子组成，即质子和中子。质子带正电，而中子是电中性的。质子的电荷与电子的电荷大小相等，但符号相反。质子和中子的质量几乎相同，分别约为1836和1839个电子质量。

除了电荷之外，质子和中子几乎具有相同的特性。这就是为什么它们有一个共同的名称：核子。质子和中子都是核子，就像男人和女人都是人类一样。在物理学文献中，质子用字母$p$表示，中子用$n$表示。有时，当它们之间的差异不重要时，会使用字母$N$表示核子（与使用人代替男人或女人相同）。

元素的化学性质由其原子核的电荷决定，即由质子的数量决定。这个数字称为原子序数，用字母$Z$表示。原子的质量取决于其原子核包含多少核子。核子的数量，即质子和中子的总数，称为原子质量数，用字母$A$表示。

标准核符号显示同位素的化学符号、质量数和原子序数。

例如，铁原子核（门捷列夫元素周期表中的第 26 位）具有 26 个质子和 30 个中子，表示为${}_{26}^{56}{\rm {Fe}}\$，其中原子核总电荷为$Z=26$，质量数为$A=56$。中子数只是差值$N=A-Z$（这里使用了相同的字母$N$，就像核子一样，但这不应引起任何混淆）。化学符号与$Z$密不可分。这就是为什么有时会省略下标，您可能会遇到类似${}^{56}{\rm {Fe}}$的简化表示法。

如果我们从原子核中添加或移除一些中子，原子的化学性质保持不变，因为它的电荷相同。这意味着这种原子应该保留在元素周期表中的同一位置。在希腊语中，“同一位置”读作${\acute {\iota }}\sigma o\varsigma$$\tau {\acute {o}}\pi o\varsigma$（isos topos）。因此，具有相同质子数但中子数不同的原子核被称为同位素。

给定元素的不同同位素具有相同的原子序数$Z$，但质量数$A$不同，因为它们的中子数$N$不同。元素的不同同位素的化学性质相同，但它们在核稳定性方面通常会有很大的差异。对于轻元素的稳定同位素，中子数几乎等于质子数，但对于较重的元素，中子数总是大于$Z$，并且当$Z$增加时，中子过量倾向于增长。这是因为中子是一种将排斥的质子粘合在一起的胶水。排斥电荷越大，所需的胶水就越多。