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揭开原子核中的衰变之谜

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本文目录

  1. 原子核怎样带上负电荷
  2. 原子内部,电子为什么不会掉入原子核怎么解释β衰变
  3. 哪位物理学家能详细介绍原子核至少比百科详细
  4. 核能知识科普

原子核怎样带上负电荷

中学知识介绍了,原子是由原子核和核外电子组成的。原子核带正电,而电子带负电,原子核所带的正电与电子所带的负电相等,因此原子表现中性。既然原子是中性,电子又带负电,一个中性的原子加上一个电子后,不就带负电了。原子核得到电子后就带负电荷了。

原子内部,电子为什么不会掉入原子核怎么解释β衰变

电子其实是可以掉进原子核里的,只是在我们的日常生活中难以发生。为什么一般情况下,电子不会掉进原子核里?先从传统经典认知说起

我们一般理解的原子模型,就像行星围绕恒星旋转一样,这是,卢瑟福于1911年提出来的“原子行星模型”。

在卢瑟福看来,电子与原子核之间的电磁力,替代了行星与恒星之间的万有引力,电子与原子核之间的吸引力,作为向心力维持电子做圆周运动。

但电子带电荷,电子运动就势必会产生电磁辐射,而电磁辐射就意味着能量损失。一旦失去能量电子减少动能,最后势必落到原子核上。这就好比我们用一根绳子拴着一个石头做圆周运动,一旦我们不用力,石头就会掉下来。

但事实并非如此,所以经典电磁理论无法解释,电子绕原子核运动问题。

量子理论的解释

而后来,普朗克发现能量只能以一份一份的形式释放,也就是能量的释放,具有一个最小量,这就是量子理论的由来。

这个最小的能量单位被称为普朗克常数,小于这个单位能量的电磁辐射是无法产生的。因此电子运动释放的能量,如果不是确定的能量差,就无法释放电磁波。

这一限定,让电子能稳定地绕原子核运动。

卢瑟福的学生玻尔以此,提出了原子模型的“能级”概念,玻尔认为电子会在固定的能级轨道上运动。

而且电子的最小能级轨道并不是最靠近原子核的,反而是距离原子核外50皮米,这也是氢原子的原子半径,称为玻尔半径。

电子在同一轨道上运动不会吸收或释放能量,但在不同轨道之间进行跃迁时,会吸收或释放普朗克常数整数倍的能量。

随着量子理论的发展,“电子云模型”的提出,再一次颠覆了人们对原子的认知。原来电子的轨道,并不是经典意义的圆周运动轨道,而是在不同的能级上围绕原子核做无规则运动。

还有一种解释认为,原子能量守恒,电子势能与动能相互转换。当电子靠近原子核势能减少,也就意味着动能增加。也就是说,当电子越靠近原子核速度就会变得越快,以至于让他摆脱原子核,产生离心运动。

电子就在势能与动能的拉锯战之间,不停跃迁,电子的势能与动能只会相互转化,而不会消失。

而且根据海森堡不确定原理,电子的动量与位置无法同时确定,且动量越确定,位置越不确定,而位置越确定,动量越不确定。它们总是此消彼长,这是一种自然规则,而不是人为定义。

在这原理下,如果电子无限接近原子核,就意味着电子的速度与位置都趋于确定了,这是不允许的。

另外根据泡利不相容原理,原子内任意两个电子不会同时处在同一种量子态下。而所有电子除了有两种相反的“自旋”状态,其它都一样,所以同一能级轨道上最多只能有两个电子。

也正是这一原理,让原子变得坚硬。这种坚硬度在物理学上就称为“电子简并压力”。

他到底有多硬呢?只有质量大于太阳1.4倍的恒星核心产生的巨大重力,才能突破电子简并压力。这也是中子星形成的原因。

而电子掉进原子核,与质子合并生成中子,称为“轨道电子俘获”,这一过程也称为β衰变。

β衰变还有两种形式。

β+衰变,是一个质子,在变成中子的过程中,释放出一个正电子和一个中微子。

β-衰变,是一个中子,在变成质子的过程中,释放出一个负电子和一个反中微子。

所以说,β衰变可以看成是质子和中子的相互转换过程。

一个原子核能发生β衰变,意味着这个原子核的不稳定,也就是我们常说的具有放射性。而β衰变是在弱相互作用下产生的。

而放射性衰变的本质,其实是原子核内也具有类似电子一样的“能级”概念,从激发态到基态,就发生了衰变。

因为原子核空间比电子的运行空间小得多,按量子力学来说,核子动量的不确定性更大,所以核外电子一般是几电子伏特,而原子核衰变一般是百万电子伏特。所以放射性衰变的杀伤力才这么大。

总结

电子不会轻易地掉进原子核里,才能保证物质的稳定,也是生命能够存在的前提。

而像β衰变这些放射性现象,意味着元素会主动从高能的不稳定态向低能的稳定态转换。

所以,物质只会越变越衰!

然而,凡事总有例外。无数的例外,又共同组成一个必然的秩序。

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我不算是物理学家,但是我可以稍微详细的讲一些关于原子核的知识。

物理学在发现原子和电子之后就一直在试图找一种原子模型,比如汤姆孙的西瓜模型,他设想电子均匀分布在一个带正电的背景中。但是这种模型是错误的。1911年,欧内斯特·卢瑟福通过金箔散射实验才发现了原子核。

原子核的组成

众所周知,原子是由原子核和核外电子组成的。几乎所有的原子质量都集中在原子核身上。对于最简单的氢原子来讲,它的原子核就是一个质子,电子的质量仅仅相当于质子质量的1/1836。一般的原子核是由什么构成的呢?在1932年发现中子之后,DmitriIvanenko和WernerHeisenberg经过研究提出了原子核的核子模型,即原子核是由质子和中子组成的。更基本地,现在我们可以意识到,质子和中子是由夸克组成的。

图1.原子核的核子模型,其中红色代表质子,蓝色代表中子

原子核的形状

我们会想当然地把原子核想象成是球状,但是具体的形状需要用实验来证实。组成原子核的质子和中子都是费米子,具有不同的同位旋,所以两个质子和两个中子可以共享相同的空间波函数,因为它们不是相同的量子实体。原子核的形状可以是球形,也可以是橄榄球形、铁饼形、三轴形或者梨形。

图2.一种梨形原子核模型

强相互作用

有人会想,多质子核的各个质子都带正电不应该相互排斥吗,是如何聚集到一起形成原子核的?事实上,原子核内部的核子之间存在一种比电磁相互作用强的多的作用,即强相互作用。强核力在核子即将分离的距离处的吸引力是足够强的,这足以压到由于电磁力引起的质子之间的排斥,从而允许原子核的存在。然而,这种强核力只能在一定范围内存在,超过这个范围,核力的大小就会迅速衰减,因此只有小于一定尺寸的核才能稳定存在。目前已知最大的完全稳定的原子核是铅-208,它包含了208个核子(126个中子和82个质子)。大于这个值的核在不稳定的,并且随着核子数量的增加,核的寿命会越来越短。

图3.质子和中子之间核力相互作用的动画演示(来源于wiki:Stronginteraction)

核能知识科普

1、原子和原子核

原子是组成一般物质的最基本单位。原子由原子核及绕核高速旋转的电子组成。原子核由中子和质子组成,一个质子带一个正电荷,一个电子带一个负电荷,中子不带电。

质子和中子间存在强大的核力,才能紧密结合成稳定的原子核,当原子核发生变化时,将释放出巨大的能量。

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2、核裂变

以铀235为例,铀235原子核在中子轰击下裂变成两个(或三个)较轻的原子核,同时产生2~3个中子和β、γ等射线,并释放出约200兆电子伏特的能量。

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图为氦原子的原子及其原子核构想图 原子核图片

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