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核科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)
（作者未知） 2009/7/30
概述
核科學(xué)是研究原子核的結(jié)構(gòu)、特性和相互作用的科學(xué)。普通物質(zhì)的質(zhì)量幾乎全部都集中在原子核。了解核物質(zhì)在常態(tài)和極端狀態(tài)下的表現(xiàn)非常不易。極端狀態(tài)存在于早期的宇宙中、存在于當(dāng)今星球的內(nèi)核，也可在實(shí)驗(yàn)室中通過原子核的相互碰撞實(shí)現(xiàn)。
核子科學(xué)家藉由測量靜止時(shí)和碰撞狀態(tài)下核子的性能、形狀和衰退來進(jìn)行研究。他們要解決的問題有：核子為什么停留在核心中？質(zhì)子與中子有哪些可能的組合方式？當(dāng)核被擠壓的時(shí)候什么發(fā)生？地球上的核子起源于何外？核子科學(xué)家使用以下方法進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究：高能粒子加速器、創(chuàng)新的檢測儀器和最前沿的計(jì)算設(shè)備。
原子
在 20 世紀(jì)早期，已經(jīng)有極具說服力的證據(jù)表明物質(zhì)可以由原子理論加以描述，也就是說，物質(zhì)是由一些種類不多的、我們稱為原子的建筑模塊組成。這一理論為當(dāng)時(shí)已知的化學(xué)反應(yīng)提供了一致的、統(tǒng)一的解釋。然而，這個(gè)原子理論無法解釋一些神秘現(xiàn)象。 1896 年， A.H.Becquerel （貝克勒爾）發(fā)現(xiàn)了具有穿透力的放射線。在 1897 年， J.J.Thomson （湯姆遜）指出電子帶有負(fù)電荷，并且來自于普通物質(zhì)之中。物質(zhì)要呈電中性，必定在某處有正電荷潛藏。那么正電荷究竟在哪里，被什么攜帶呢？
1911 年出現(xiàn)了一次里程碑的突破。當(dāng)時(shí)， Ernest Rutherford （盧瑟福）和他的同事想要通過實(shí)驗(yàn)找到一束阿爾法粒子（氦核）的穿過薄的金箔后的散射角度。
原子的模型
在 Rutherford 模型中，原子中心的點(diǎn)是原子核。核的大小被擴(kuò)大以使在圖像中可以看到。
Rutherford 實(shí)驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果本來是什么？它取決于原子的組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)流行的 Thomson 模型（或稱為 ” 葡萄干—布丁 ” 原子）認(rèn)為帶負(fù)電荷的電子（葡萄干）與四處填滿的、帶正電荷的質(zhì)子（布�。┗旌显谝黄�。這個(gè)模型能夠解釋海量物質(zhì)的電中性，而且能夠解釋電荷的流動(dòng)。按照這一模型，一個(gè)阿爾法粒子發(fā)生散射時(shí)，散射角幾乎不可能大于零點(diǎn)幾度，而絕大部分幾乎不會(huì)發(fā)生散射。
Rutherford 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是令人驚訝的：絕大多數(shù)的阿爾法粒子正如所期望的那樣，幾乎不會(huì)散射。但也有阿爾法粒子發(fā)生了大于 90 度的散射，這對“葡萄干布丁”模型來說是不可思議的。主要就是由于這一類型的實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致了原子有一個(gè)核心的模型的提出。與 Rutherford 試驗(yàn)唯一兼容的模型是：一個(gè)很小的位于中心的核（原子核）帶有正電荷，并具有原子質(zhì)量的絕大多數(shù)，而原子的絕大多數(shù)體積卻是由繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的、分散的電子占據(jù)。
按照經(jīng)典電磁理論，一個(gè)以圓形軌跡運(yùn)行的電荷會(huì)丟失能量。在 Rutherford 模型，電子繞原子核的運(yùn)行類似于行星繞太陽運(yùn)行。然而，在這一模型下，沒有任何東西阻止電子由于丟失能量而在庫倫引力的作用下墜入原子核。這一穩(wěn)定性的問題在 1913 年被 Niels Bohr 用一個(gè)新模型解決。這個(gè)模型中電子以特定的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，而不會(huì)因?yàn)閬G失能量以螺旋軌道墜入核子里。這個(gè)模型是量子力學(xué)的開始，量子力學(xué)成功地揭示了原子的許多特性。 Bohr 的原子模型能夠很方便地解釋氫原子能級(jí)。
原子核
原子核是由核子構(gòu)成，核子有質(zhì)子和中子。質(zhì)子和中子由夸克組成，并被夸克之間膠子交換而產(chǎn)生的強(qiáng)作用力結(jié)合在一起。在由多個(gè)核子構(gòu)成的原子核中，強(qiáng)作用力可以用介子（由夸克 - 反夸克粒子對組成）交換來描述。一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克及壽命很短的強(qiáng)作用域組成。中子與質(zhì)子相似，但它有兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克。雖然科學(xué)家確信核子由夸克組成，但還從未在實(shí)驗(yàn)中成功分離出一個(gè)單一夸克。往核子內(nèi)部加入能量以圖分離夸克將增加它們之間的結(jié)合力。而在能量足夠高時(shí)，能源的增加將產(chǎn)生新的粒子而非釋放夸克。
放射能
如果原子核內(nèi)中子和質(zhì)子以一種不穩(wěn)定的方式組合，那么原子就具有放射性。對于質(zhì)子數(shù)（ Z ）小的原子，維持原子穩(wěn)定所需的中子數(shù)（ N ）大約與質(zhì)子數(shù)相等。舉例來說，在絕大多數(shù)碳原子的原子核中，有 6 個(gè)質(zhì)子和 6 個(gè)中子。對質(zhì)子數(shù)多的原子核，質(zhì)子之間的排斥電荷力致使需要更多的中子才能構(gòu)成穩(wěn)定的原子核，一個(gè)穩(wěn)定的鉛原子核中包括 126 個(gè)中子和 82 個(gè)質(zhì)子。一個(gè)放射性的原子，在質(zhì)子數(shù)量和中子數(shù)量之間缺乏適當(dāng)?shù)钠胶�，就�?huì)經(jīng)過放射性的衰變而達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的組合。這種衰變在時(shí)間上是隨機(jī)發(fā)生的，但是大量放射性材料可預(yù)期壽命。常見的衰變產(chǎn)物依希臘字母的前三個(gè)來命名 - 阿爾法 ( a ), 貝塔 ( b ), 和伽瑪 ( g ) 。在阿爾法衰退方面，一個(gè)氦核從一個(gè)原子核分裂出來。阿爾法放射使原子核減少兩個(gè)質(zhì)子數(shù)字和兩個(gè)中子數(shù)。貝塔衰變可以如下任（未完，下一頁）
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