輕核原子核結構的探究論文
輕核原子核結構的探究論文【1】
[摘 要]原子核由質(zhì)子和中子組成。
對于核子數大于4的輕核原子核，原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，然后再相互或與剩余的質(zhì)子和中子組成原子核;更確切地說(shuō)輕核原子核由中子、質(zhì)子和α粒子核組成。
α粒子以整體和周?chē)馁|(zhì)子、中子、α粒子發(fā)生作用。
根據輕核原子核質(zhì)子-中子-α粒子結構可以繪制輕核原子核周期表，輕核原子核周期表揭示了輕核原子核的結構、性質(zhì)變化規律。
輕核原子核的性質(zhì)周期性是原子核結構周期性的外在表現。
各個(gè)原子核結構不同決定了原子核的性質(zhì)不同，結構相似的輕核性質(zhì)相似。
[關(guān)鍵詞]原子核、結構、周期表、α粒子
1 引言
1932年查德維克發(fā)現中子。
此后海森伯和伊凡寧柯創(chuàng )立了原子核的質(zhì)子-中子結構學(xué)說(shuō)，利用原子核的質(zhì)子-中子結構理論能夠解釋同位素的存在、能夠進(jìn)行核子的比結核能計算，從而得出裂變和聚變是兩種利用原子核結合能的方法。
1949年邁耶爾和簡(jiǎn)森提出了著(zhù)名的核殼層模型， 核的殼層模型可以相當好地解釋大多數原子核的基態(tài)自旋和宇稱(chēng)。
1952年奧格.玻爾和莫特爾遜提出了核的集體模型，對核內的集體運動(dòng)作了唯象的描述。
核的集體模型能夠很好的解釋核的轉動(dòng)和振動(dòng)[1]。
但以上理論都不能解釋輕核的比結合能周期性的漲落，更不能解釋個(gè)別原子核比結合能大，穩定性差的原因。
2 原子核輕核的比結合能周期性的漲落和個(gè)別原子核比結合能大穩定性差的現象
原子核輕核的比結合能周期性漲落可以從表1和圖1可以看出，輕核的比結合能在等處達到一些極大值。
極大值處輕核的質(zhì)子數是2的倍數，核子數是4的倍數。
是2個(gè)質(zhì)子4個(gè)核子。
是6個(gè)質(zhì)子12個(gè)核子。
是8個(gè)質(zhì)子16個(gè)核子。
輕核的比結合能周期是核子數的4倍。
根據傳統原子核結合能理論，不同的原子核，其穩定程度不一樣，可用每個(gè)核子的平均結合能來(lái)說(shuō)明，稱(chēng)為比結合能。
核子的比結合能愈大，原子核就愈穩定[2]。
的比結合能為7.3，而相鄰的比結合能為5.60，比結合能為6.45。
但、比更穩定，僅用0.07fs就衰變?yōu)?alpha;粒子。
可見(jiàn)比結合能愈大，原子核就愈穩定并不成立。
傳統核理論并不能說(shuō)明核的穩定性。
3 原子核結構的猜想
從輕核的比結合能周期性的漲落可以看出，比結合能較大的輕核多數是核子數4的倍數，輕核的核子在結合成時(shí)結合能較大。
正是由于結合能較大，即α粒子能夠在原子核內部?jì)?yōu)先生成并獨立存在。
不難猜想對于核子數大于4的輕核原子核，原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，然后再相互或與剩余的質(zhì)子和中子組成原子核，因此有必要提出輕核原子核的質(zhì)子-中子-α粒子結構學(xué)說(shuō)。
輕核原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明。
近代在英國的世界一流的探測物質(zhì)結構的設備N(xiāo)SF上，通過(guò)核碰撞過(guò)程研究，證實(shí)在一些輕核中確實(shí)形成了α結團，如可看作是α與31H的兩個(gè)結團。
我們可以將原子核組成寫(xiě)成N+E+M。
N為原子核中α粒子的個(gè)數，M為原子核中不參與組成α粒子的中子數，E為原子核中不參與組成α粒子的質(zhì)子數。
由于輕核原子核中優(yōu)先組成α粒子，所以輕核E的數值應為1或0。
核子總數A=4N+E+M。
如果我們將輕核原子核按照其中α粒子的個(gè)數、質(zhì)子個(gè)數、中子個(gè)數排列成表。
表中相同α粒子的個(gè)數排成一列，相同質(zhì)子數、中子數排成一行。
一些具有相同質(zhì)子數、中子數的輕核具有相同或相似的性質(zhì)。
體現了原子核的結構決定原子核的性質(zhì)。
根據輕核原子核的結構和輕核原子核周期表我們可以解釋很多原子核的性質(zhì)。
4 根據輕核原子核的結構能夠解釋的問(wèn)題
4.1 能夠解釋輕核的比結合能周期性的漲落
表中第一行原子核，核組成為n個(gè)a粒子，輕核的比結合能周期性的漲落主要原因是、、、核子數是的倍數。
輕核的核子在結合成即α粒子時(shí)比結合能較大。
但為什么不穩定能夠衰變?yōu)?alpha;粒子，如果我們引入原子核的質(zhì)子-中子-α粒子結構學(xué)說(shuō)，重新計算比結合能就可以看出，因為原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，中的8個(gè)核子組成2個(gè)α粒子，而兩個(gè)α粒子之間的結合能如公式(1)-2*=56.51-2*28.3=-0.053 (1)
由于兩個(gè)α粒子之間的結合能為負數，所以84Be僅用0.07fs就衰變?yōu)?alpha;粒子。
而84Be的比結合能為7.3相比臨近輕核比較大，所以說(shuō)比結合能大并不代表原子核更穩定。
原子核的穩定性取決于個(gè)別核子。
核子在原子核中并不平等。
原子核的比結合能大小，與原子核的穩定性沒(méi)有必然的聯(lián)系。
不但由2個(gè)α粒子組成的原子核不存在，而且1個(gè)α粒子加1個(gè)核子的原子核自然界也不能存在，更加證明了原子核中質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，α粒子以整體和周?chē)馁|(zhì)子、中子發(fā)生作用。
4.2 能夠解釋很多核反應現象
按照原子核組成N+M+E原理，我們可以解釋很多核反應現象。
表中第二行原子核，核組成為n個(gè)a粒子加一個(gè)質(zhì)子。
該行原子核多不穩定。
能夠產(chǎn)生放射性反應生成正電子或者吸收軌道電子。
生成正電子或者吸收軌道電子，核中的質(zhì)子均轉變?yōu)橹凶�，從而形成穩定的核。
表中第四行原子核，核組成為n個(gè)a粒子加一個(gè)質(zhì)子加一個(gè)中子。
該行隨著(zhù)a粒子增多原子核變得不再穩定。
體現由穩定到衰變到不再存在過(guò)程。
該行不穩定的原子核也是能夠產(chǎn)生放射性反應生成正電子或者吸收軌道電子，核中的質(zhì)子轉變?yōu)橹凶�，從而形成穩定的核。
表中第五行原子核核組成為n個(gè)a粒子加二個(gè)中子。
該行隨著(zhù)a粒子增多原子核變得穩定。
體現由不存在到衰變到穩定的過(guò)程。
即為n個(gè)α粒子加上2個(gè)核子組成。
其中、為n個(gè)α粒子加2個(gè)中子組成，、在自然狀態(tài)衰變其中的一個(gè)中子衰變時(shí)釋放出電子。
1919年，盧瑟福用a粒子作為高速“炮彈”來(lái)轟擊氮原子核，首先實(shí)現了原子核的人工破裂。
用a粒子轟擊氮原子核，能釋放氫核。
事實(shí)上并不是每一個(gè)原子核都能打出氫核，能夠打出輕核恰恰是有獨立質(zhì)子的原子核。
如反應式(2)
(2)1930年伯特(Bothe)和貝克(Becker )用氦核轟擊�核時(shí)，發(fā)現有一種不帶電的粒子射線(xiàn)放出來(lái)，這粒子就是后來(lái)命名的中子。
按照原子核組成N+M+E原理，�核為2個(gè)α粒子加一個(gè)中子，射入氦核擊中了�核，未組成α粒子的中子才產(chǎn)生中子流。
如反應式(3)
(3)4.3 能夠解釋核物質(zhì)的分布曲線(xiàn)
氧原子核的核物質(zhì)的分布曲線(xiàn)如圖3：
為什么氧原子核的核物質(zhì)的分布曲線(xiàn)如圖3，我們引進(jìn)輕核原子核的質(zhì)子-中子-α粒子結構學(xué)說(shuō)，氧原子核由4個(gè)α粒子組成，它的形狀如圖4：
從它的形狀可以看出氧原子核中間是空的，由于原子核的量子效應無(wú)明顯邊界，所以出現原子核核物質(zhì)分布在中心位置偏少。
5 結論
原子核由質(zhì)子和中子組成。
對于核子數大于4的輕核原子核，原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成42He即α粒子。
輕核原子核的結構為質(zhì)子-中子-α粒子結構。
原子核性質(zhì)的周期性是原子核結構周期性的外在表現。
各個(gè)原子核結構不同決定了原子核的性質(zhì)不同。
對于輕核原子核隨著(zhù)核子數的增加原子核的比結合能、穩定性以及核反應出現周期性的變化。
事實(shí)證明原子核的穩定程度取決于個(gè)別中子、質(zhì)子、α粒子的結合能。
個(gè)別中子、質(zhì)子、α粒子之間的結合能決定了原子核的放射性。
輕核中有獨立存在4α粒子，α粒子是輕核基本組成單元。
輕核原子核的結構，對于重核原子核結構的研究具有重要意義。
參考文獻
[1] 楊福家、王炎森、陸福全2006原子核物理(第二版)(上海：復旦大學(xué)出版社)第2頁(yè).
[2] 程守洙、江之永1980普通物理學(xué)(第三冊 第3版)(上海：人民教育出版社)第374頁(yè).
來(lái)自原子核的新啟示【2】
在自然界中存在一些不穩定的原子核，它們有時(shí)會(huì )自發(fā)地“放射”出一些粒子，從而轉變?yōu)榱硗庖环N原子核，這種原子核被稱(chēng)為“放射性原子核”。
法國科學(xué)家亨利?貝克萊(Henri Becquerel)在1896年就發(fā)現了放射性現象，人類(lèi)對于這種現象已經(jīng)研究了上百年，早就不感到陌生了。
在微觀(guān)的原子核領(lǐng)域，由于受測不準原理的支配，人們不可能準確地預測某一個(gè)放射性原子核在什么時(shí)候進(jìn)行衰變，放射出某種粒子(比如一個(gè)氦原子核或是一個(gè)電子)，從而轉變?yōu)榱硗庖环N原子核。
但是放射性元素總體的衰變速度是恒定的，每一種放射性元素都有其特定的衰變時(shí)間，比如考古學(xué)中常用到的碳-14測年法，就是利用碳-14原子核的半衰期大約為5730年，考古學(xué)家們可以通過(guò)檢測物體中碳-14原子核的殘留量來(lái)大致判斷物體的年份，放射性原子核的衰變時(shí)間(半衰期)長(cháng)久以來(lái)都被認為是自然界中最值得信賴(lài)的一組常數。
1930年，有“原子核物理學(xué)之父”稱(chēng)號的科學(xué)家歐內斯特?盧瑟福(Ernest Rutherford)在與詹姆斯?查德維克(James Chadwick)和查爾斯?艾利斯(Charles Ellis)合著(zhù)的里程碑式的著(zhù)作《放射性物質(zhì)的輻射》中就寫(xiě)道：“放射性原子核轉變的速度，在任何狀態(tài)下都是恒定的。”這已經(jīng)成為原子核物理學(xué)的教條之一，在幾十年間，幾乎從來(lái)沒(méi)有人懷疑過(guò)。
實(shí)驗證明，在各種環(huán)境下，無(wú)論壓力、溫度或是濕度等等各種條件如何改變，放射性原子核衰變的速度總是保持恒定。
近來(lái)一對美國科學(xué)家則開(kāi)始挑戰這個(gè)觀(guān)點(diǎn)，他們孜孜不倦地分析來(lái)自世界各地的關(guān)于原子核衰變實(shí)驗的資料，試圖找到其中細微變化的規律。
他們經(jīng)過(guò)分析之后得出結論：放射性原子核衰變的速度與地球和太陽(yáng)的距離有關(guān)。
這種“離奇”的結論在同行中的回應自然是不相信和排斥，但是這對孜孜不倦的科學(xué)家幾年來(lái)堅持搜尋各種資料來(lái)證明自己的觀(guān)點(diǎn)，從而也吸引了更多的注意力。
如果他們的觀(guān)點(diǎn)得到證實(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)，一扇通往新物理學(xué)的大門(mén)又將被開(kāi)啟，但是在此之前，這個(gè)觀(guān)點(diǎn)將會(huì )經(jīng)受更多、更嚴格的考驗。
來(lái)自美國普渡大學(xué)(Purdue Uni-versity)的物理學(xué)家以法蓮?費施巴赫(Ephraim Fischbach)和杰雷?詹金斯(Jere Jenkins)自從2006年起一直研究放射性原子核衰變速度的變化。
他們分析了美國布魯克海文國家實(shí)驗室(Brookhaven Nantional Laboratory)在1982至1988年間測量硅-32原子核衰變的數據，得到了一個(gè)令人吃驚的結論：硅-32原子核衰變的速度隨著(zhù)季節的變化，大概有0.1%波動(dòng)。
在排除了實(shí)驗環(huán)境對于測量結果的影響后，他們認為，正是地球與太陽(yáng)之間距離的變化造成了這種波動(dòng)。
換句話(huà)說(shuō)，太陽(yáng)可以影響放射性原子核的衰變!
這兩位科學(xué)家因此得出的結論是，在1月份，地球離太陽(yáng)最近，受此影響，硅-32原子核的衰變速度最快;7月份時(shí)，地球離太陽(yáng)最遠，因此硅-32原子核的衰變速度也就最慢。
他們把這個(gè)觀(guān)察結果寫(xiě)成論文投稿給物理學(xué)界的權威雜志《物理評論快報》(Physics Review Letters)，但是并沒(méi)有被接受。
雜志編輯認為并沒(méi)有足夠的理論可以解釋這一現象。
但是這兩位科學(xué)家沒(méi)有因此喪失信心，他們把這篇論文發(fā)表在網(wǎng)絡(luò )上，并且繼續尋找新的證據來(lái)支持自己的觀(guān)點(diǎn)。
如此執著(zhù)地尋找證據來(lái)證明一個(gè)沒(méi)有現成理論支持的實(shí)驗結論，兩位科學(xué)家相信他們正在發(fā)現一種新物理學(xué)。
費施巴赫自從20世紀80年代以來(lái)就因為一直努力尋找“第五種相互作用”而聞名物理學(xué)界。
現代物理學(xué)認為自然界普遍存在四種最基本的相互作用：電磁、引力、強相互作用與弱相互作用，而費施巴赫相信應該還存在“第五種相互作用”，這種相互作用或許是一種隨距離變化的斥力，但是始終因為缺乏可靠的證據而不被科學(xué)界所承認。
如果他真的可以證明太陽(yáng)通過(guò)某種方式影響了放射性原子核的衰變速度，那么也許真的可以找到“第五種相互作用”的證據，這可能也是他們如此執著(zhù)的原因之一。
這對科學(xué)家繼續研究了德國標準計量機構(PTB)在15年間測量鐳-226原子核衰變的數據，而且其中有兩年的時(shí)間與美國布魯克海文國家實(shí)驗室對于Si-32的測量時(shí)間重合，結果他們發(fā)現PTB實(shí)驗室對于鐳-226衰變的測量數據證實(shí)了他們之前的結論，同樣隨著(zhù)地球與太陽(yáng)距離的變化而產(chǎn)生變化。
2009年8月，他們把這個(gè)發(fā)現發(fā)表在《天體粒子物理學(xué)》(Astroparticle Physics)雜志上。
對于這種隨著(zhù)太陽(yáng)而起的變化，作者認為有可能是太陽(yáng)附近某種未知場(chǎng)的作用，使得硅-32和鐳-226兩種完全不同的原子核進(jìn)行的不同類(lèi)型的衰變都受到了影響。
同時(shí)，作者也引用了劍橋大學(xué)科學(xué)家約翰?巴羅(John Barrow)和道格拉斯?肖(Douglas Shaw)2008年在《物理評論 D》(Physical Review D)雜志上發(fā)表的論文《變化的Alpha：季節性變化的新規則》(Varying Alpha：New Constraints from Seasonal Variations)，論述人們之前認為一成不變的“精細結構常數”和電子與質(zhì)子的質(zhì)量比有可能會(huì )隨著(zhù)季節變化，這可能就是受太陽(yáng)的引力場(chǎng)影響。
與之類(lèi)似的情況則同樣有可能改變放射性原子核衰變的速度。
但是作者認為最可能的情況，則是從太陽(yáng)上輻射的中微子(Neutrino)參與了放射性原子核的衰變過(guò)程，因此受到中微子輻射的程度直接影響了原子核的衰變速度。
對于這個(gè)解釋?zhuān)蠖鄶悼茖W(xué)家并不能認同，因為根據目前人們對于中微子的理解，它只參與弱相互作用，與強相互作用則沒(méi)有關(guān)系。
硅-32原子核的衰變有弱相互作用參與，還可能受到中微子的影響，鐳-226原子核的衰變與之不同，是強相互作用的結果，按照現有的理論，中微子對其不會(huì )產(chǎn)生任何影響。
而這對美國科學(xué)家仍然堅信中微子是放射性原子核的衰變時(shí)間改變的原因，他們希望借此打開(kāi)一扇新物理學(xué)的大門(mén)。
費施巴赫和詹金斯還繼續通過(guò)其他證據來(lái)證明自己的觀(guān)點(diǎn)——根據實(shí)驗觀(guān)測，錳-54原子核的衰變速度一直保持恒定，但是在2006年12月13日太陽(yáng)產(chǎn)生了一次明亮的耀斑，之后在12月15日和17日又各有一次。
他們發(fā)現，在太陽(yáng)活動(dòng)最活躍的期間，錳-54原子核的衰變速度也相應地發(fā)生了變化，這也正是太陽(yáng)(很可能是通過(guò)中微子)對于放射性原子核衰變速度有直接影響的證據。
但是對此反對的聲音在主流科學(xué)界也一直沒(méi)有中斷過(guò)，有人認為，在2006年12月太陽(yáng)出現強烈耀斑期間，錳-54原子核的衰變速度是變慢而不是變快，這與費施巴赫和詹金斯之前的論述恰好相反，因此無(wú)法成為證據。
來(lái)自英國帝國理工學(xué)院的物理學(xué)家大衛?華克(David Wark)則說(shuō)：“在你進(jìn)行一些激進(jìn)的解釋之前，你必須首先證明有些現象確實(shí)需要解釋。”費施巴赫和詹金斯對于太陽(yáng)和放射性原子核衰變速度的關(guān)系上，可能顯得有些過(guò)于急躁，周?chē)h(huán)境的改變，比如壓力、溫度，或是濕度的改變，或者是探測儀器本身對于放射性原子核衰變速度產(chǎn)生影響可能更大于太陽(yáng)施加的影響。
對此需要做更長(cháng)時(shí)間的對比實(shí)驗才可能得出可信的結果，比方說(shuō)在溫度幾乎保持不變的地球赤道上做實(shí)驗，在地球溫度變化相反的南北半球同時(shí)做一組對比實(shí)驗，或是由人類(lèi)的太空探測器在太空中做實(shí)驗，只有進(jìn)行艱苦的、長(cháng)時(shí)間的對比實(shí)驗才可以證明太陽(yáng)對于放射性原子核衰變速度的影響。
面對質(zhì)疑，費施巴赫和詹金斯絲毫沒(méi)有放慢速度。
2012年8月，他們在《天體粒子物理學(xué)》雜志上發(fā)表論文，在考察了一個(gè)坐落在耶路撒冷的實(shí)驗室2007年1月至2010年5月的實(shí)驗數據之后，他們得出結論，放射性氣體氡氣的原子核衰變速度不僅隨季節變化，同時(shí)也隨每天時(shí)間的變化而改變：白天比夜晚的衰變速度更快，這似乎更有可能證明其中變化的原因在于太陽(yáng)。
費施巴赫和詹金斯所聲明的新發(fā)現，已經(jīng)吸引了越來(lái)越多人的注意。
起碼考古學(xué)家們不需要對此太過(guò)擔心，雖然考古學(xué)中確定物體年代所使用的碳-14測年法，正是依靠原子核衰變的速度進(jìn)行鑒定，但是即使放射性原子核的衰變速度真的受外界影響，也必定只是微乎其微，不會(huì )影響到考古學(xué)的準確度。
物理學(xué)則面臨著(zhù)嚴峻得多的考驗，在標準粒子模型日趨完善、最新發(fā)現的希格斯玻色子也表現得“中規中矩”時(shí)，新物理學(xué)的大門(mén)，也許正是由此打開(kāi)。
【輕核原子核結構的探究論文】相關(guān)文章：
初中化學(xué)的自主探究教學(xué)策略的系統化探究論文06-06
企業(yè)安全文化建設探究論文10-05
小學(xué)數學(xué)自主探究活動(dòng)策略的探索的論文09-12
《棗核》教案11-25
關(guān)于對房地產(chǎn)企業(yè)實(shí)行成本管理的探究論文09-24
對部隊信息網(wǎng)絡(luò )安全管制探究論文08-21
在化學(xué)教學(xué)中積極開(kāi)展探究式教學(xué)論文04-07
初中數學(xué)自主探究式教學(xué)模式探討論文09-26
第三方物流的探究論文范文11-20