高中物理 第三章 原子核与放射性近代物理初步

高中物理 第三章 原子核与放射性近代物理初步

近代物理初步 ‎ ‎19世纪后期，经典物理在理论上建立了完整的体系，在应用上也取得了巨大的成就．尽管当时还有几个问题难以用经典的理论解释清楚，但是人们却普遍认为物理学的整体已经相当完善，只是需要小修小补的问题了．然而，正是这几个在当时难以回答的问题，引发了物理学急风暴雨式的变革，产生了崭新的物理学理论．这就是在20世纪初建立起来的相对论、量子力学两大基本理论，以及以这些理论为基础的核物理、粒子物理、半导体、天体物理等近代物理内容．‎ 近代物理的内容很广，这里我们只学习原子和原子核的结构．前面“光的本性”一章中的许多内容，也属于近代物理学．‎ 电子课文·原子和原子核 ‎100多年前，化学家从实验中知道，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的．直到19世纪下半叶，人们还一直认为原子是不可再分的．随着物理学研究的深入，19世纪末，人们发现了一些新的事实，表明原子是由更基本的微粒组成的．从此以后，原子内部结构的研究成为物理学的一个重要分支．到目前为止，人们对原子和原子核的认识已经相当深入，并在这些认识的基础上开发出新的能源——核能．这一章我们就来学习关于原子和原子核的初步知识．‎ 电子课文·原子的核式结构　 原子核 ‎　‎ 原子的核式结构模型　 1897年，汤姆孙(1856－1940)发现了电子．不久，人们又发现，在气体电离和光电效应等现象中，都可以从物质中击出电子．电子的质量比最轻的氢原子的质量小得多，因而认为电子是原子的组成部分．‎ 电子带负电，而原子是电中性的，可见，原子内还有带正电的物质．这些带正电的物质和带负电的电子如何构成原子呢？‎ ‎1909年到1911年，英国物理学家卢瑟福(1871—1937)和他的助手们进行了α粒子散射的实验．图20－1是实验装置的示意图．用α射线照射金箔，由于金原子中的带电微粒对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子穿过金箔后会改变原来的运动方向，这个现象叫做α粒子的散射．卢瑟福希望通过对散射的分析来了解原子内部电荷与质量的分布情形．‎ 在初中物理中已经学过．α粒子由2个质子和2个中子组成，带正电．‎ 实验的结果是，绝大多数α粒子穿过金属箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转．‎ 对于看不见摸不着的研究对象，人们常常根据一定的事实．提出一种“模型”来代表它．然后根据新的实验事实和理论分析，对模型加以修正，从而逐步加深对研究对象的认识．‎ 电子的质量很小，它不会影响α粒子的运动，就像一粒尘埃不能影响子弹的飞行一样．因此，α粒子的散射一定是由于原子内的正电荷对它的斥力产生的．实验中观察到的大角度散射使卢瑟福感到惊奇，因为只有当α粒子受到很强的斥力时它的运动方向才能发生这样大的改变．原子中的正电荷与原子的质量一定集中在一个很小的核上，否则大角度的散射是不可能的．‎ 卢瑟福精确统计了向各个方向散射的α粒子的数目，在此基础上提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里；带负电的电子在核外的空间运动．‎ 按照这个模型，由于原子核很小，大部分α粒子穿过金属箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有极少数α粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑斥力而发生大角度的偏转(图20－2)．‎ 按照卢瑟福的核式结构模型，原子内部是十分“空旷”的．近年来的研究表明，原子直径的数量级(实际就是电子运动范围的数量级)为10‎-10m，而原子核直径的数量级为10‎-15m，两者相差十万倍！‎ 原子核的组成　‎ ‎ 科学家经过研究，认识到小小的原子核也具有复杂的结构．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，从中产生了一种粒子并测定了它的电荷与质量，把它叫做质子．以后人们又用类似的方法从氟、钠、铝等核中打出了质子，因此认为质子是原子核的组成部分．‎ 一开始，人们以为原子核只是由质子组成的．但是，这不能正确地解释原子核的质量和原子核所带的电荷量．研究微观粒子时经常用到粒子的电荷与其质量的比值，如果原子核只是由质子组成的，那么所有原子核的电荷一质量比值都会是相同的，都会跟质子的电荷—质量比值相等．但是实际上，多数核的电荷—质量之比都小于质子的电荷—质量之比．卢瑟福猜想原子核内可能还存在着另一种粒子，质量跟质子相等，但是不带电．他把这种粒子称为中子．卢瑟福的这一猜想被他的学生查德威克用实验证实．精确的测量表明，中子的质量非常接近于质子的质量，只比后者大千分之一．‎ 中子的质量为1.674 929×10‎-27kg，质子的质量为1.672 623×10‎-27kg．‎ 发现中子以后，人们看到，如果认为原子核是由质子和中子组成的，以前在核结构理论中遇到的问题都可以解决，于是这一看法很快得到了公认．‎ 质子和中子统称核子．中子不带电，原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总和．由于原子核所带的电荷都是质子电荷的整数倍，所以通常用这个整数代表原子核的电荷量，用Z表示，叫做原子核的电荷数．原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和．而中子和质子的质量几乎相等，所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍．通常用这个整数代表原子核的质量，用A表示，叫做原子核的质量数．‎ 原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．原子核的质量数就是核内的核子数．例如氦核的电荷数是2，表示氦核内有2个质子；氦核的质量数是4，表示氦核内有4个核子，其中2个是中子．‎ 在谈到某种元素时，如果需要强调它的电荷数和质量数，可以在元 原子核的质子数决定了核外电子的数目，也决定了电子在核外的分布情况，进而决定了这种元素的化学性质．同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质；但是它们的中子数可以不同．这些具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素．‎ Z为原子核的电荷数．‎ 练习一 ‎(1)在卢瑟福的α粒子散射实验中观察到的主要现象是什么？原子中的电荷与质量怎样分布才会产生这样的散射？‎ ‎(2)为什么说原子核不可能只是由质子组成的？查看元素周期表，举例说明．‎ ‎(3)碳14核内有多少个质子？多少个中子？‎ 电子课文·原子的能级　 电子云 ‎　‎ 原子的能级　 卢瑟福的核式原子结构学说很好地解释了α粒子的散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但是和经典的电磁理论发生了矛盾：既然核外的电子没有被库仑力吸引到核上，它一定以很大的速度绕核运动，这样电子会不停地辐射能量，自身的能量不断减少，最后“跌落”在原子核上．但是这样的事情并没有发生．‎ ‎19世纪末以前建立的物理学通常称为经典物理学．按照经典物理学的理论，如果带电粒子做变速运动，包括圆周运动，粒子一定向外辐射能量．学过更多的物理知识和高等数学以后，同学们就会明白这一点．‎ 上述矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁学理论不适用于微观粒子．1913年，丹麦物理学家玻尔(1885—1962)突破了经典物理学的局限，提出了他的原子理论，其主要内容为：‎ ‎1．原子只能处于一系列不连续的能量状态，在每个状态中，原子的能量值都是确定的，这些能量值叫做能级．‎ ‎2．原子可以从一个能级跃迁到另一个能级．原子在由高能级向低能级跃迁时，放出一个光子；在吸收一个光子或通过其他途径获得能量时，则由低能级向高能级跃迁．‎ 在通常状态下，原子处于最低的能级，这时原子的状态叫做基态．给物体加热或者有光照射物体时，物体中的某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中吸收能量，从基态跃迁到较高的能级，这时原子的状态叫做激发态．由于原子的能级是不连续的，所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不会是任意的(图20－3)，这个能量等于原子跃迁时始、末两个能级间的能量差．‎ 我们已经知道，频率为ν的光子的能量为hν，所以如果分别以E2和E1代表原子跃迁前后的能量，就可以写出以下的关系式：‎ hν=E2－E1‎ 以氢原子为例，如果它的基态能量E1算是零，那么它的激发态的能量E2、E3、E4……分别为10.2eV、12.1eV、12.8eV……当它从第一激发态跃迁到基态时，辐射的能量为10.2eV－0，由此可以求出光子的频率和波长．原子能级可以用图20－3那样的能级图来形象地表示．‎ 玻尔理论成功地解释了氢原子的光谱(见下面的阅读材料)，但在解释复杂原子的光谱时却遇到了很大困难．到20世纪20年代，大约在玻尔理论建立10年之后，建立了量子力学，它是一种彻底的量子理论，不但成功地解释了玻尔理论所能解释的现象，而且能解释玻尔理论不能解释的现象，成为物理学中的重要理论．尽管如此，玻尔理论中的能级概念仍然是微观世界中十分重要的概念．‎ ‎1eV=1.60×10-19J，参见53页习题(8)．‎ 我们说氢原子的状态是不连续的，就是说，它的能量只能是0、10.2eV、12.1eV、12.8eV……不可能是其他值，例如不可能是11.0eV．‎ 电子云　 前面已经谈到，对于原子中的电子，不能用确定的坐标描述它们的位置，因此也无法用轨迹描述它们的运动，但是它们在空间各处出现的概率是有一定规律的．如果在图中用圆点表示原子中的电子在某个位置附近出现的概率，概率大的地方点子密一些，概率小的地方点子稀一些，那么氢原子处于基态时电子在各处的概率分布图就如图20－4所示．‎ 可以看出，原子中电子在各处出现的概率可以用云雾状的图示来形象地描述，因此我们常把图20－4这样的概率分布图称做电子云．‎ 练习二 ‎(1)什么是能级？如何用玻尔理论解释原子的发光现象？‎ ‎(2)氢原子从第一激发态跃迁到基态时，辐射的光子的频率是多大？‎ ‎(3)如图20－3，大量氢原子处于n=1、2、3、4的四个状态，处于较高能级的原子可以向任意一个较低能级跃迁．这时我们可以观测到几种波长的光(包括不可见光)？最短的波长是多少？‎ ‎(4)宣传画中常把原子的模型画成图20－5的样子．学过本课以后再看这幅图画．它的主要错误是什么？‎ ‎　‎ 氢原子的光谱 ‎　‎ 稀薄的气体通电后能够发光．利用146页那样的分光镜可以得到气体发光的光谱，它只有分立的几条亮线(彩图10)．也就是说，稀薄气体通电时只发出几种确定频率的光．不同气体光谱的亮线位置不同，这表明不同气体发光的频率是不一样的．图20－6给出了氢的几条谱线．‎ 人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱，不过那时候无法解释为什么气体光谱只有分立的几条特定谱线．‎ 玻尔理论很好地解释了氢原子的光谱．当原子从能量较高的状态跃迁到能量较低的状态时，它以光子的形式把能量辐射出去，光子的能量等于前后两个状态的能量差．原子的能级是不连续的，只能取某些分立的值，光子的能量也是不连续的．‎ 一种原子的能级结构是一定的，因此它辐射的光谱也是一定的．根据这个道理，可以对光谱进行分析，从而判断样品中所含的元素．光谱分析的技术在科学研究中有广泛的应用．一种元素在样品中的含量即使很少，也能观察到它的光谱．利用光谱分析还能确定遥远星球上的物质成分．‎ 电子课文·天然放射现象　 衰变 ‎　‎ 原子核不仅具有复杂的结构，而且能够发生变化．天然放射现象就是原子核的一种自发变化．‎ 天然放射现象　 1896年，法国物理学家贝可勒尔(1852—1908)发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光．物质发射射线的性质称为放射性．具有放射性的元素称为放射性元素．‎ 放射性并不是少数几种元素才有的．研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发地放出射线．原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．‎ 我们在初中已经学过，放射性物质放出的射线有三种：α射线、β射线和γ射线．α射线是高速α粒子流．α粒子的电荷数是2，质量数是4，实际上就是氦原子核．β射线是高速电子流．γ射线不带电，它是能量很高的电磁波，波长很短，在10‎-10m以下．‎ 如果将三种射线射入磁场，它们的运动发生不同的改变，如图20－7．根据前面学过的洛伦兹力的知识，你应该能够判断哪束是α射线，哪束是β射线，哪束是γ射线．‎ 研究表明，如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响．也就是说，放射性与元素的化学状态无关．我们已经知道，元素的化学性质决定于原子核外的电子，因此可以断定，射线于原子核，也就是说，原子核是有内部结构的．实际上，人们认识原子核的结构就是从天然放射性开始的．‎ 铅玻璃含有较多的铅元素，可以较多地吸收射线，但仍是透明的．‎ 放射性有许多重要的应用．γ射线的贯穿本领很强，可以用来检查金属内部，看看有没有砂眼或裂纹．γ射线对生物体有很强的作用，通过γ射线的照射可以使种子发生变异，培育出新的优良品种，也可以杀死食物中的细菌，使其长期保鲜．在医疗卫生上，可以应用放射性钻60的γ射线杀灭癌细胞，治疗肿瘤．‎ 过量的射线照射对人体有伤害．在使用放射性物质时要用铅板、铅玻璃板等把放射性物质与人体隔开．还要防止放射性物质泄漏．以避免对水源、空气的污染．‎ 衰变　 原子核放出α粒子或β粒子后，就变成新的原子核．我们把这种变化称为原子核的衰变．‎ 铀238核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，成为新核．这个新核就是针234核．这种衰变叫做α衰变．这个过程可以用下面的方程表示：‎ 在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和．大量观察表明，原子核衰变时电荷数和质量数守恒．‎ 后，质量数不变．因此，我们可以认为电子的质量数为零，电荷数为－1．电 这个方程两边的质量数和电荷数也是守恒的．这种放出β粒子的衰变叫做β衰变．‎ 在放射性元素的原子核中，两个质子和两个中子结合在一起从核里发射出来，这就是α衰变．原子核里虽然没有电子，但是核内的中子可以转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是β衰变．‎ 原子核的能量也只能取一系列不连续的数值，因此也存在着能级，而且能级越低越稳定．放射性的原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于高能级，这时它要向低能级跃迁，辐射γ光子．因此，γ射线是伴随α射线和β射线产生的．当放射性物质连续发生衰变时，各原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．这时射线中就会同时具有α、β和γ三种射线．‎ 练习三 ‎(1)α、β、γ三种射线的本质各是什么？‎ ‎(2)为什么说放射性表明原子核是有内部结构的？‎ ‎(3)钍230是放射性的，查一查元素周期表，它放出一个α粒子后变成了什么元素？写出衰变方程．‎ ‎　‎ 半衰期 ‎　‎ 放射性元素衰变的快慢有一定的规律．例如，氡222经过α衰变变为钋218，如果隔一段时间测量一次剩余氡的数量就会发现，大约每过3.8天就有一半的氡发生了衰变．也就是说，经过第一个3.8天，剩有一 ‎(图20－8)．因此，我们可以用半衰期来表示放射性元素衰变的快慢．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期．不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大．例如，氡222衰变为钋218的半衰期是3.8天，镭226衰变为氡222的半衰期是1620年，铀238衰变为钍234的半衰期竟长达4.5×109年．‎ 放射性元素衰变的快慢是由原子核本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学状态无关．例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是和其他元素形成化合物，或者对它施加压力，或者增高它的温度，都不能改变它的半衰期．这是因为衰变发生在原子核的内部，压力、温度以及与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构．‎ ‎　‎ 如何确定古木的年代 ‎　‎ 考古学家确定古木年代的一种方法是用放射性同位素作为“时钟”，来测量漫长的时间，这叫作放射性同位素鉴年法．‎ 自然界中的碳主要是‎12C，也有少量‎14C，它是高层大气中的原子核在太阳射来的高能粒子流的作用下产生的．‎14C是具有放射性的碳同位素，能够自发地进行β衰变，变成氮，半衰期为5730年．‎14C原子不断产生又不断衰变，达到动态平衡，它在大气中的含量是稳定的，大约在1012个碳原子中有一个‎14C．活的植物通过光合作用和呼吸作用与环境交换碳元素，体内‎14C的比例与大气中的相同．植物死后，遗体内的‎14C仍在进行衰变，不断减少，但是不再得到补充．因此，根据放射性强度减小的情况就可以算出植物死亡的时间．‎ 例如，要推断一块古木的年代，可以先把古木加温，制取‎1g碳的样品，再用粒子计数器进行测量．如果测得样品每分钟衰变的次数正好是现代植物所制样品的一半，表明这块古木经过了‎14C的一个半衰期，即5730年．如果测得每分钟衰变的次数是其他值，也可以根据半衰期计算出古木的年代．‎ 我国考古工作者用放射性同位素鉴年法对马王堆一号汉墓外椁盖板杉木进行测量，结果表明该墓距今(2130±95)年．通过历史文献考证，该古墓的年代为西汉早期，约在2100年前，两者符合得很好．‎ 电子课文·核反应　 核能 ‎　‎ 核反应　 衰变是原子核的自发变化，能不能用人工方法使原子核发生变化呢？1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子，第一次实现了原子核的人工转变：‎ 质子最初就是这样发现的．‎ 用α粒子轰击原子核，不一定发射质子，也可能发射中子．实验发现，用α粒子轰击被原子核，实现了下面的原子核的人工转变，并且发现了中子：‎ 在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．原子核的人工转变就是一种核反应．和衰变过程一样，在核反应中，质量数和电荷数守恒．‎ 从上文已经看出，核反应可以用核反应方程来表示．‎ 核能　 我们知道，化学反应往往要吸热或放热，类似地，核反应也伴随着能量的变化．例如，一个中子和一个质子结合成氘核时，要放出2.2MeV的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应中放出的能量称为核能．核能是从哪里来的？‎ 物理学家研究过质子、中子和氘核之间的关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的，它的质量却不等于一个中子和一个质子的质量之和．精确的计算表明，氘核的质量比中子和质子的质量和要小一些．这种现象叫做质量亏损．‎ 爱因斯坦的相对论指出，物体的能量E和质量m之间存在着密切的联系，它们的关系是 E= mc2‎ 这就是著名的爱因斯坦质能方程．这个方程告诉我们，物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系．物体的能量增大了，质量也增大；能量减小了，质量也减小．‎ 核子在结合成原子核时出现质量亏损，所以要放出能量，大小为 ‎△E=△mc2‎ 中子和质子结合成氘核时，质量亏损△m=0.0039×10‎-27kg，根据爱因斯坦的质能方程，放出的能量为 通过这个例子可以看到，核反应涉及的能量十分巨大．我们知道，1mol的碳完全燃烧放出的能量为393.5kJ．每个碳原子在燃烧过程中释放出的能量不过为4eV，跟这个例子中每个核子释放的能量相比，两者相差数十万倍．‎ 中子的质量：mn=1.6749×10‎‎-27kg 质子的质量：mp=1.6726×10‎‎-27kg 中子和质子的质量和：mn＋mp=3.3475×10‎‎-27kg 氘核的质量：mD=3.3436×10‎‎-27kg 质量亏损：△m=0.0039×10‎‎-27kg 练习四 ‎(1)用α粒子轰击氩40核，产生一个中子和一个新核．这个新核是什么？写出核反应方程．‎ ‎(2)用α粒子轰击硼10核，产生一个中子和一个具有放射性的核．它是什么核？写出核反应方程．‎ ‎(3)原子物理中常用一个特殊的质量单位，即“原子质量单位”，符号为u，1u=1.6606×10‎-27kg．试证明，1u相当于931.5MeV的能量．已知光速c=2.9979×‎108m/s，元电荷e=1.6022×10‎-19C．‎ ‎(4)碳12原子的质量是12.000 000u，可以看做是由6个氢原子(每个氢原子的质量是1.007 825 u)和6个中子(每个中子的质量是1.008 665u)组成的．求核子结合成碳原子核时释放的能量．‎ 计算中可以用原子的质量代替原子核的质量，因为电子的质量可以在相减的过程中消去．‎ ‎　‎ 放射性同位素的应用 ‎　‎ 有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素．用质子、中子、α粒子轰击原子核，可以用人工方法得到放射性同位素．例如用α粒子轰击铝原子核，可发生下面的核反应 同位素已经在工农业、医疗卫生和科学研究等许多方面得到了广泛的应用．‎ 放射性同位素的应用是沿着以下两个方向展开的．‎ ‎1．利用它的射线 放射性同位素也能放出α射线、β射线和γ射线．γ射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪．α射线的电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电．生物体内的DNA(脱氧核糖核酸)承载着物种的遗传密码，DNA在射线作用下可能发生突变，所以通过射线照射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种．射线辐射还能抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫．人体内的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，因此用射线照射可以治疗恶性肿瘤，这就是医生们说的“放疗”(彩图12)．‎ 和天然放射性物质相比，人造放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状，特别是，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此放射性废料容易处理．由于这些优点，在生产和科研中凡是用到射线时，用的都是人造放射性同位素，不用天然放射性物质．‎ 为什么说，半衰期短，放射性废料就容易处理？‎ ‎2．作为示踪原子 一种放射性同位素的原子核跟这种元素其他同位素的原子核具有相同数量的质子(只是中子的数量不同)，因此核外电子的数量也相同，由此可知，一种元素的各种同位素都有相同的化学性质．这样，我们就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，却带有“放射性标记”，用仪器可以探测出来．这种原子叫做示踪原子．‎ 棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上也能吸收．但是，什么时候的吸收率最高、磷能在作物体内存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究．如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决．‎ 人体甲状腺的工作需要碘．碘被吸收后会聚集在甲状腺内．给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病．‎ 近年来，有关生物大分子的结构及其功能的研究，几乎都要借助于放射性同位素．‎ 发挥你的想像力，还有什么场合能够用到示踪原子？‎ 电子课文·重核的裂变 ‎　‎ 重核的裂变　 物理学家早已了解到原子核中蕴藏的巨大能量，但是在相当长的时间里一直没有找到释放核能的实际方法．‎ ‎1938年12月，两位德国化学家在用中子轰击铀核的产物中发现了钡的同位素．一个月以后证实，铀核在俘获一个中子后发生了裂变，变为两个中等质量的原子核．这一发现为核能的利用开辟了道路．‎ ‎1946—1948年间，我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇及其合作者，首次从实验中观察到铀核的三分裂和四分裂现象，并从理论上进行了精确的分析．‎ 铀核裂变的产物有多种，例如一种典型的反应是裂变为氪和钡，同时放出3个中子，反应方程式是 一般说来，铀核裂变时总要释放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的能量．这就是初中学过的链式反应(图20－9)．‎ 原子弹是利用链式反应制造的一种大规模杀伤武器．‎ 裂变时释放出巨大的能量．在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损△m=0.3578×10‎-27kg，释放的能量△E=△mc2=201MeV．铀核裂变，可能有不同的产物，释放的能量不同．一般说来，铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV．可以估计，如果‎1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量．‎ 核电站　 核电站利用核能发电，它的核心设施是核反应堆．‎ 图20－10是核反应堆的示意图．由于只有铀235易于裂变，而天然铀中99.3％是铀238，所以反应堆里用的是经过处理的浓缩铀，其中铀235占3％～4％．浓缩铀制成铀棒，作为核燃料．‎ 裂变前的质量：mU＝390.3139×10‎‎-27kg mn=1.6749×10‎‎-27kg 裂变后的质量：mBa＝234.0016×10‎‎-27kg mKr=152.6047×10‎‎-27kg ‎3mn=5.0247×10‎‎-27kg 质量亏损：△m=0.3578×10‎‎-27kg 裂变时产生的中子速度很大，不容易被铀235俘获而引起裂变，必须设法使它们的速度降下来．为此在铀棒周围放上减速剂．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子．常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水(有时叫轻水)．‎ 关于核电站的原理，请复习初中物理有关的章节．‎ 为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插入一些控制棒．控制棒由镉做成．镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些．反之则把控制棒向外拔出一些．计算机自动调节控制棒的升降，就能使反应堆保持一定的功率，安全地工作．‎ 核燃料裂变释放出来的能量大部分转化为热，使反应区温度升高．水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电和供热，同时也使反应堆冷却，保证安全．‎ 核反应堆放出的热使水变成水蒸气，推动汽轮发电机发电．这一部分跟火力发电厂大致相同．‎ 核电站消耗的“燃料”很少，一座百万千瓦的核电站，每年只消耗30吨的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗250万吨煤．‎ 目前，核能发电技术已经成熟，在经济效益方面也跟火电不相上下．作为核燃料的铀、钍等，在地球上的可采储量所能提供的能量，比煤、石油等所能提供的能量大15倍左右，对环境的污染比火电站要小．到1994年底，核能发电已经占世界总发电量的17％．我国也具备了发展核电的基本条件．我国已经探明了有相当多的核资源储量，已经有了相当规模的核技术装备和核技术队伍．目前，浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站已经运行发电，几个新的核电站正在积极建设之中．‎ 过量的放射线对人和生物是有害的．因此，建造核电站时一个特别需要注意的问题是防止放射线和放射性物质的泄漏，以避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染．为此，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核反应堆中的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下．‎ 有些裂变产物的半衰期可达几千年，也就是说，它们的放射性要持续成千上万年．目前世界上的核电站越来越多，核废料的处理仍是一个有待解决的问题．‎ 电子课文·轻核的聚变 ‎　‎ 聚变　 某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做聚变．聚变反应释放的能量更多．例如，一个氘核和一个氚核结合成一个氦核(同时放出一个中子)时，释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大好几倍．这时的核反应方程是 使轻核发生聚变，必须使它们十分接近，达到10‎-15m．由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力．这就要使原子核具有很大的动能．用什么办法能使大量原子核获得足够的动能而产生聚变呢？有一种办法，就是把它们加热到很高的温度．当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核已经具有足够的动能，可以克服相互间的库仑斥力，在碰撞时接近到能够发生聚变的程度．因此，聚变反应又叫热核反应．热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．‎ 氢弹是利用热核反应制造的一种大规模杀伤武器．‎ 热核反应在宇宙中是很普遍的．太阳内部和许多恒星内部，温度高达107K以上，热核反应在那里激烈地进行着．太阳每秒钟辐射出来的能量约为3.8×1026J，就是热核反应产生的．地球只接受了其中的二十二亿分之一，就使地面温暖，万物生长．但是目前除了氢弹以外，人们还不能控制聚变反应，所以还无法和平利用聚变时释放的核能．‎ ‎*可控热核反应　 热核反应和裂变反应相比，具有许多优越性．首先，热核反应释放的能量，就相同质量的核燃料来讲，比裂变反应大．再有，裂变时产生放射性物质，处理起来比较困难．热核反应在这方面的问题要简单得多．第三，热核反应所用的燃料——氘，在地球上的储量非常丰富．‎1L海水中大约有‎0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量和燃烧‎300L汽油相当．因此，海水中的氘就是异常丰富的能源．‎ 世界上许多国家都在积极研究可控热核反应的理论和技术．我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流器一号”，于1984年9月顺利启动．具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT—7超导托卡马克”于1994年安装调试成功．这些成果标志着我国在研究可控热核反应方面已经具有一定的实力，并将对人类探求新能源的事业做出自己的贡献．‎ 电子课文·人类对物质结构的认识 ‎　‎ 直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒．后来发现了电子、质子和中子，并且知道了质子和中子组成了原子核，原子核和电子组成了原子．当时许多人认为电子、质子和中子是组成物质的最基本的粒子，曾经把它们叫做基本粒子．‎ 随着科学技术的发展，从20世纪30年代以来，人们在宇宙线的研究中，陆续发现了一些新的粒子．宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，它们和高层大气中的粒子作用，产生更多的新粒子．1932年发现了正电子，1937年发现了μ子．1947年发现了K介子和π介子，它们的质量介于质子和电子之间，所以叫做介子．后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子[1]．‎ ‎1932年发明了加速器，它能使带电粒子加速到很高的能量，用它可以进行许多核物理实验，于是发现了更多的粒子．实验中发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷等物理量和它相反的粒子，叫做反粒子．例如，电子的反粒子就是正电子，它的电荷量与电子相同，但是正电荷．质子的反粒子就是反质子，它带负电荷．现在已经发现的粒子达到400多种．‎ 按照现代的粒子理论，可以将粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子．‎ 媒介子　 媒介子是传递各种相互作用的粒子，如光子、胶子．光子是传递电磁相互作用的粒子．胶子是传递强相互作用的粒子．强相互作用比电磁相互作用强得多，核子之间的核力就属于强相互作用．‎ 轻子 ‎　 轻子是不参与强相互作用的粒子．最早发现的轻子是电子．后来发现的轻子有电子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子．目前发现的轻子只有这6种，其中τ子的质量比核子的质量还大，但从相互作用的性质上讲它仍然属于轻子．现代实验还没有发现轻子的内部结构．‎ 强子　 强子是参与强相互作用的粒子．质子是最早发现的强子．中子、介子和超子也是强子．‎ 许多实验事实表明，强子是有内部结构的，1964年提出的夸克模型，认为强子是由更基本的粒子组成的，这种粒子叫做夸克．夸克理论经过几十年的完善和发展，已经逐渐被多数粒子物理学家所接受．根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克 们已经从实验中发现了所有6种夸克存在的证据．‎ 从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克这3类粒子是没有内部结构的“点状”粒子，有几百种粒子的粒子世界就是由这3类粒子构成的．这3类粒子可以认为是今日的“基本粒子”．但是，随着人类对粒子世界研究的不断加深，对粒子的认识也在改变，因而当代粒子物理学已不再使用“基本粒子”这个名称了．‎ ‎[1] ①60年代后，又发现了质量比质子大的介子．因此介子、超子这些名词只具有历史上的意义．‎ 本章小结 ‎　‎ 这一章我们学习了原子和原子核的结构、核反应和核能等知识．‎ ‎(1)卢瑟福是怎样发现原子的核式结构的？怎样用卢瑟福的核式结构模型解释α粒子的大角度散射？‎ 中，X、A、Z各代表什么？‎ ‎(3)玻尔理论的核心是关于能级的理论．什么是能级？原子发光与原子能级之间有什么关系？‎ ‎(4)放射线有几种？它们的实质各是什么？在α衰变和β衰变中，原子核的质量与电荷的变化有什么规律？各举一例说明．‎ ‎(5)核反应遵守什么守恒规律？怎样根据核反应前后的质量亏损计算核反应中释放的能量？‎ ‎(6)重核裂变能够释放出巨大的核能．什么是重核的裂变？什么是链式反应？简述核反应堆的构造及各部分的作用．‎ ‎(7)轻核聚变也能释放巨大的核能．什么是轻核的聚变？产生聚变的条件是什么？‎ 本章习题 ‎　‎ ‎(1)下面是4种原子核：‎ 请将X改为元素符号，并说明每个原子核中的中子数．‎ ‎(2)已知氢原子某两个能级分别为0和10.2eV．氢原子在这两个能级之间跃迁时．吸收或放出光子的波长是多少？‎ ‎(3)把铀矿石放在一支玻璃管内，过几天在管内发现了氦气．怎样解释这一现象？‎ ‎(4)钍232经过6次α衰变和4次β衰变后变成一种稳定的元素．这种元素是________，它的质量数是________，原子序数是________．‎ ‎(5)下列4个方程分别表示：A．裂变；B．聚变；C．人工核转变；D．衰变．‎ ‎(6)用中子轰击铝27核，产生钠24核，写出核反应方程．钠24具有放射性，衰变后变成镁24，写出衰变方程．‎ 程中释放的能量．‎ ‎(8)秦山核电站第一期工程装机容量为300 MW．如果‎1g铀235完全裂变时产生的能量为8.2×1010J，并且假定产生的能量都变成了电能，那么每天要消耗多少铀235？(一年按365天计算．)‎ 练习和习题解答 ‎　‎ 练习一 ‎(1)在卢瑟福的α粒子散射实验中观察到的主要现象是什么？原子中的电荷与质量怎样分布才会产生这样的散射？‎ 答：在卢瑟福的α粒子散射实验中观察到的主要现象是：绝大多数α粒子穿过金属箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子发生了较大角度的偏转．当原子中的正电荷和质量集中在一个很小的核上时，才会产生这样的散射．‎ ‎(2)为什么说原子核不可能只是由质子组成的？查看元素周期表，举例说明．‎ ‎11个质子，显然与原子核的质量不符，所以说原子核不可能只是由质子组成的．‎ ‎(3)碳14核内有多少个质子？多少个中子？‎ 答：碳14核内有6个质子，8个中子．‎ 练习二 ‎(1)什么是能级？如何用玻尔理论解释原子的发光现象？‎ 答：玻尔理论认为，原子只能处于一系列不连续的能量状态，在每个状态中，原子的能量值都是确定的，这个能量值叫做能级．‎ 原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程中，要放出能量．这个能量是以光子的形式辐射出去的，这就是原子的发光现象．‎ ‎(2)氢原子从第一激发态跃迁到基态时，辐射的光子的频率是多大？‎ 解：由课本知道，基态和第一激发态的能量分别为 E1＝0‎ 和　 E2＝10.2eV＝1.63×10-18J．‎ 根据公式hv＝E2－E1，可得放出光子的频率 ‎(3)如图20－1，大量氢原子处于n＝1、2、3、4的四个状态，处于较高能级的原子可以向任意一个较低能级跃迁．这时我们可以观测到几种波长的光(包括不可见光)？最短的波长是多少？‎ 答：可以观测到6种波长的光．‎ 当原子从n＝4的状态跃迁到基态时，辐射光子的频率最高，波长 计算中要注意，氢原子的能级的单位是电子伏，应该换算成焦耳再代入公式．‎ ‎(4)宣传画中常把原子的模型画成图20－2的样子．学过本课以后再看这幅图画，它的主要错误是什么？‎ 答：图20－2所示为核式原子结构的图景．而根据量子理论，电子不具有确定的位置和轨迹，只能用它在某个位置附近出现的概率来描述，因此图20－2是错误的．‎ 练习三 ‎(1)α、β、γ三种射线的本质各是什么？‎ 答：α射线是高速α粒子流，α粒子实际上就是氦原子核．β射线是高速电子流．γ射线是能量很高的电磁波．‎ ‎(2)为什么说放射性表明原子核是有内部结构的？‎ 答：如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响．也就是说，放射性与元素的化学状态无关．我们已经知道，元素的化学性质决定于原子核外的电子，因此可以断定，射线于原子核，也就是说，原子核是有内部结构的．‎ ‎(3)钍230是放射性的，查一查元素周期表，它放出一个α粒子后变成了什么元素？写出衰变方程．‎ 练习四 ‎(1)用α粒子轰击氩40核，产生一个中子和一个新核．这个新核是什么？写出核反应方程．‎ 答：新核是钙43，核反应方程为 ‎(2)用α粒子轰击硼10核，产生一个中子和一个具有放射性的核．它是什么核？写出核反应方程．‎ 答：放射性的核是氮13，核反应方程为 ‎(3)原子物理中常用一个特殊的质量单位，即“原子质量单位”，符号为u，1u＝1.6606×10‎-27kg．试证明，1u相当于931.5MeV的能量．已知光速c＝2.9979×‎108m／s，元电荷e＝1.6022×10‎-19C．‎ 证明：将题中所给m及c的数值代入公式E＝mc2中，得 E＝mc2‎ ‎＝1.6606×10-27×(2.9979×108)2J ‎＝1.4924×10-10J ‎＝931.5 MeV．‎ ‎(4)碳12原子的质量是12.000 000 u，可以看做是由6个氢原子(每个氢原子的质量是1.007 825 u)和6个中子(每个中子的质量是1.008 665 u)组成的．求核子结合成碳原子核时释放的能量．‎ 计算中可以用原子的质量代替原子核的质量，因为电子的质量可以在相减的过程中消去．‎ 解：6个氢原子和6个中子的质量为 m1＝6×1.007825u＋6×1.008 665u＝12.098 940 u，‎ 一个碳原子的质量为 m2＝12.000 000 u．‎ 核子结合成碳原子核时的质量亏损为 Δm＝12.098 940 u－12．000 000 u＝0.098 940 u．‎ 上题已经得出，1u相当于931.5 MeV的能量，因此核子结合成碳原子核时释放的能量为 E＝0.098 940×931.5 MeV＝92.163 MeV．‎ 习　 题 ‎(1)下面是4种原子核：‎ 请将X改为元素符号，并说明每个原子核中的中子数．‎ 答：它们的元素符号分别是 中子数分别是68，1，28，118．‎ ‎(2)已知氢原子某两个能级分别为0和10.2 eV．氢原子在这两个能级之间跃迁时，吸收或放出光子的波长是多少？‎ ‎(3)把铀矿石放在一支玻璃管内，过几天在管内发现了氦气．怎样解释这一现象？‎ 答：一定是铀发生了α衰变，产生了氦，衰变方程为 ‎(4)钍232经过6次α衰变和4次β衰变后变成一种稳定的元素．这种元素是________，它的质量数是________，原子序数是________．‎ 答： 6次α衰变后，质量数减少6×4，电荷数减少6×2；4次β衰变后，质量数不变，电荷数增加4×1．因此，新核的质量数为A＝232－24＝208，电荷数为Z＝90－12＋4＝82．这种元素是 ‎(5)下列4个方程分别表示：A．裂变；B．聚变；C．人工核转变；D．衰变．‎ ‎(6)用中子轰击铝27核，产生钠24核，写出核反应方程．钠24具有放射性，衰变后变成镁24，写出衰变方程．‎ 答：它们的核反应方程分别为 变过程中释放的能量．‎ 解：衰变方程 衰变后的质量亏损 Δm＝232.0372u－(228.0287u＋4.0026u)‎ ‎＝0.0059u．‎ 释放的能量 ΔE＝Δmc2‎ ‎＝0.0059×931.5 MeV ‎＝5.5 MeV．‎ ‎(8)秦山核电站第一期工程装机容量为300MW．如果‎1g铀235完全裂变时产生的能量为8.2×1010J，并且假定产生的能量都变成了电能，那么每年要消耗多少铀235？(一年按365天计算．)‎ 解：年发电量W＝300×106×365×24×3600J＝9.46×1015J．‎