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原子核

卢瑟福散射实验图，也称为盖革-马斯登实验

1908 年，欧内斯特·卢瑟福发现放射性物质发射的阿尔法辐射是由高速运动的带正电粒子组成的。在卢瑟福散射实验中，一束阿尔法粒子被送入金箔中，以观察它们的偏转方式。当被阿尔法粒子击中时，荧光屏探测器会发出可见光的闪烁。结果表明，绝大多数阿尔法粒子穿过金箔而不被偏转。一小部分以小于 90 度的角度偏转。每八千个阿尔法粒子中有一个以大于 90 度的角度偏转，这意味着它将有效地“反弹”到它来的方向。

推论

欧内斯特·卢瑟福实验得出以下结论；

• 原子的大部分质量都在原子核内
• 原子核带正电
• 原子核的直径明显小于原子的直径，因此原子主要是空的空间

原子核的直径约为$10^{-14}$mm，而原子的直径约为$10^{-10}$mm。

原子模型

尼尔斯·玻尔提出，电子只能占据某些能级或电子层。后来，卢瑟福提出将原子核中带正电的粒子命名为质子。1932 年，詹姆斯·查德威克发现了中子。

粒子	电荷 / $e$	质量 / u
质子	1	1
中子	0	1
电子	-1	1/1840

原子符号

原子序数是原子核内质子的数量，通常用$Z$表示

核子数，$A$，是原子核中质子和中子的数量。

同位素是同一元素，但中子数不同。

一个原子可以用${}_{Z}^{A}\!X$表示，其中$X$是元素符号，我们可以说质子数 = $Z$，电子数 = $Z$，中子数 = $A-Z$

强核力

核子之间的力

吸引力负责将原子核束缚在一起，但它不可能是万有引力，因为万有引力太小，比静电斥力小约 $10^{36}$ 倍。由于两个质子之间的电磁力是斥力，而万有引力太小，无法将它们束缚在一起，我们知道一定存在另一种作用在质子之间的力，被称为 **强核力**。

强核力的性质

强核力随着距离的增加而迅速减小，并且不会扩展到原子核中相邻的质子和中子之外。这种力必须作用在核子之间，并且与电荷无关。以下是其中一些性质：

• 该力既有斥力也有引力。
• 在距离 $0.5*10^{-15}$ m 之内，核子之间存在斥力。
• 在距离 $3*10^{-15}$ m 和 $0.5*10^{-15}$ m 之间，核子之间存在引力。
• 超过 $3*10^{-15}$ m，强核力接近于 0。

平衡距离

为了使两个中子处于平衡状态，合力必须等于零。中子没有电荷，没有静电荷，而且万有引力可以忽略不计，因此我们需要关注强核力来寻找答案。

当强核力等于零时，它们之间的距离为 $d$。如果 $d$ 增加，则强大的引力将它们拉回来。如果 $d$ 减小，则强大的斥力将它们推回到平衡状态。

核密度

我们知道原子直径大约是原子核直径的 10000 倍。因此，整个原子的密度应该远小于原子核的密度，因为绝大多数质量都集中在原子核内。

核半径

原子核的半径与核子数之间不是线性关系。实验表明，核半径 $R$ 与核子数 $A$ 之间的关系由 $R=r_{0}A^{1 \over \ 3}$ 给出，其中 $r_{0}$ 是一个常数。因此，半径与质量数的立方根成正比。 $r_{0}$ 的值为 $1.4*10^{-15}$ m。

核密度

密度定义为单位体积的质量，核密度表示为$\rho ={m_{n} \over \ V}$，其中$m_{n}$是核子的质量。这导致了：$\rho ={m_{n}A \over \ (4\pi \ {r_{0}}^{3})A/3}$

简化后得到原子核平均密度的公式，由$\rho ={m_{n} \over \ (4\pi \ {r_{0}}^{3})}$给出。公式中的所有值在核子层面上都是常数，与质量数无关。这意味着所有原子核的密度都相同。

基本粒子

粒子的分类

亚原子粒子分为两大类 - **强子** 和 **轻子**

**强子** 由夸克组成。夸克是基本粒子，这意味着它们不能分解成更小的粒子。质子和中子是强子，它们都由三个夸克组成。所有强子都经历强核力。

**轻子** 是基本粒子，例如电子就是轻子。每个轻子都有自己的中微子。所有轻子都经历弱核力，但不经历强核力。

反粒子

每个粒子都有自己的“反粒子”，称为*反粒子*。电子的反粒子是正电子。所有反粒子都与粒子具有相同的质量，但电荷相反。

当粒子与反粒子相互作用时，它们会相互湮灭，它们的总质量转化为能量。

夸克性质

除了具有质量和电荷之外，夸克还具有其他性质，例如奇异性、魅力、重子数和轻子数，以及自旋。每一个都有一个测量它的数字。

最初提出的三个夸克是**上夸克**、**下夸克**和**奇异夸克**。我们可以从表格中看到它们的属性

	夸克			反夸克
类型	上	下	奇异	反上	反下	反奇异
符号	$u$	$d$	$s$	${\bar {u}}$	${\bar {d}}$	${\bar {s}}$
电荷 $Q$	$+{2 \over \ 3}e$	$-{1 \over \ 3}e$	$-{1 \over \ 3}e$	$-{2 \over \ 3}e$	$+{1 \over \ 3}e$	$+{1 \over \ 3}e$
奇异性 $S$	0	0	-1	0	0	+1
重子数 $B$	$1 \over \ 3$	$1 \over \ 3$	$1 \over \ 3$	$-{1 \over \ 3}$	$-{1 \over \ 3}$	$-{1 \over \ 3}$

使用这种夸克和反夸克模型，我们可以看到某些粒子是如何构建的。

• 一个质子，uud，带电荷 (${2 \over \ 3}+{2 \over \ 3}-{1 \over \ 3})e=+e$，重子数 1，奇异性 0
• 一个中子，udd，带电荷 (${2 \over \ 3}-{1 \over \ 3}-{1 \over \ 3})e=0$，重子数 1，奇异性 0

粒子的衰变

核子的夸克性质可以用来解释正负电子发射。许多不稳定的强子由于其组成夸克的弱相互作用而衰变。