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轻核原子核结构的探究论文
轻核原子核结构的探究论文【1】
[摘 要]原子核由质子和中子组成。
对于核子数大于4的轻核原子核，原子核中的质子与中子优先组成α粒子，然后再相互或与剩余的质子和中子组成原子核;更确切地说轻核原子核由中子、质子和α粒子核组成。
α粒子以整体和周围的质子、中子、α粒子发生作用。
根据轻核原子核质子-中子-α粒子结构可以绘制轻核原子核周期表，轻核原子核周期表揭示了轻核原子核的结构、性质变化规律。
轻核原子核的性质周期性是原子核结构周期性的外在表现。
各个原子核结构不同决定了原子核的性质不同，结构相似的轻核性质相似。
[关键词]原子核、结构、周期表、α粒子
1 引言
1932年查德维克发现中子。
此后海森伯和伊凡宁柯创立了原子核的质子-中子结构学说，利用原子核的质子-中子结构理论能够解释同位素的存在、能够进行核子的比结核能计算，从而得出裂变和聚变是两种利用原子核结合能的方法。
1949年迈耶尔和简森提出了著名的核壳层模型， 核的壳层模型可以相当好地解释大多数原子核的基态自旋和宇称。
1952年奥格.玻尔和莫特尔逊提出了核的集体模型，对核内的集体运动作了唯象的描述。
核的集体模型能够很好的解释核的转动和振动[1]。
但以上理论都不能解释轻核的比结合能周期性的涨落，更不能解释个别原子核比结合能大，稳定性差的原因。
2 原子核轻核的比结合能周期性的涨落和个别原子核比结合能大稳定性差的现象
原子核轻核的比结合能周期性涨落可以从表1和图1可以看出，轻核的比结合能在等处达到一些极大值。
极大值处轻核的质子数是2的倍数，核子数是4的倍数。
是2个质子4个核子。
是6个质子12个核子。
是8个质子16个核子。
轻核的比结合能周期是核子数的4倍。
根据传统原子核结合能理论，不同的原子核，其稳定程度不一样，可用每个核子的平均结合能来说明，称为比结合能。
核子的比结合能愈大，原子核就愈稳定[2]。
的比结合能为7.3，而相邻的比结合能为5.60，比结合能为6.45。
但、比更稳定，仅用0.07fs就衰变为α粒子。
可见比结合能愈大，原子核就愈稳定并不成立。
传统核理论并不能说明核的稳定性。
3 原子核结构的猜想
从轻核的比结合能周期性的涨落可以看出，比结合能较大的轻核多数是核子数4的倍数，轻核的核子在结合成时结合能较大。
正是由于结合能较大，即α粒子能够在原子核内部优先生成并独立存在。
不难猜想对于核子数大于4的轻核原子核，原子核中的质子与中子优先组成α粒子，然后再相互或与剩余的质子和中子组成原子核，因此有必要提出轻核原子核的质子-中子-α粒子结构学说。
轻核原子核中的质子与中子优先组成α粒子，已经经过实践证明。
近代在英国的世界一流的探测物质结构的设备NSF上，通过核碰撞过程研究，证实在一些轻核中确实形成了α结团，如可看作是α与31H的两个结团。
我们可以将原子核组成写成N+E+M。
N为原子核中α粒子的个数，M为原子核中不参与组成α粒子的中子数，E为原子核中不参与组成α粒子的质子数。
由于轻核原子核中优先组成α粒子，所以轻核E的数值应为1或0。
核子总数A=4N+E+M。
如果我们将轻核原子核按照其中α粒子的个数、质子个数、中子个数排列成表。
表中相同α粒子的个数排成一列，相同质子数、中子数排成一行。
一些具有相同质子数、中子数的轻核具有相同或相似的性质。
体现了原子核的结构决定原子核的性质。
根据轻核原子核的结构和轻核原子核周期表我们可以解释很多原子核的性质。
4 根据轻核原子核的结构能够解释的问题
4.1 能够解释轻核的比结合能周期性的涨落
表中第一行原子核，核组成为n个a粒子，轻核的比结合能周期性的涨落主要原因是、、、核子数是的倍数。
轻核的核子在结合成即α粒子时比结合能较大。
但为什么不稳定能够衰变为α粒子，如果我们引入原子核的质子-中子-α粒子结构学说，重新计算比结合能就可以看出，因为原子核中的质子与中子优先组成α粒子，中的8个核子组成2个α粒子，而两个α粒子之间的结合能如公式(1)-2*=56.51-2*28.3=-0.053 (1)
由于两个α粒子之间的结合能为负数，所以84Be仅用0.07fs就衰变为α粒子。
而84Be的比结合能为7.3相比临近轻核比较大，所以说比结合能大并不代表原子核更稳定。
原子核的稳定性取决于个别核子。
核子在原子核中并不平等。
原子核的比结合能大小，与原子核的稳定性没有必然的联系。
不但由2个α粒子组成的原子核不存在，而且1个α粒子加1个核子的原子核自然界也不能存在，更加证明了原子核中质子与中子优先组成α粒子，α粒子以整体和周围的质子、中子发生作用。
4.2 能够解释很多核反应现象
按照原子核组成N+M+E原理，我们可以解释很多核反应现象。
表中第二行原子核，核组成为n个a粒子加一个质子。
该行原子核多不稳定。
能够产生放射性反应生成正电子或者吸收轨道电子。
生成正电子或者吸收轨道电子，核中的质子均转变为中子，从而形成稳定的核。
表中第四行原子核，核组成为n个a粒子加一个质子加一个中子。
该行随着a粒子增多原子核变得不再稳定。
体现由稳定到衰变到不再存在过程。
该行不稳定的原子核也是能够产生放射性反应生成正电子或者吸收轨道电子，核中的质子转变为中子，从而形成稳定的核。
表中第五行原子核核组成为n个a粒子加二个中子。
该行随着a粒子增多原子核变得稳定。
体现由不存在到衰变到稳定的过程。
即为n个α粒子加上2个核子组成。
其中、为n个α粒子加2个中子组成，、在自然状态衰变其中的一个中子衰变时释放出电子。
1919年，卢瑟福用a粒子作为高速“炮弹”来轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。
用a粒子轰击氮原子核，能释放氢核。
事实上并不是每一个原子核都能打出氢核，能够打出轻核恰恰是有独立质子的原子核。
如反应式(2)
(2)1930年伯特(Bothe)和贝克(Becker )用氦核轰击�核时，发现有一种不带电的粒子射线放出来，这粒子就是后来命名的中子。
按照原子核组成N+M+E原理，�核为2个α粒子加一个中子，射入氦核击中了�核，未组成α粒子的中子才产生中子流。
如反应式(3)
(3)4.3 能够解释核物质的分布曲线
氧原子核的核物质的分布曲线如图3：
为什么氧原子核的核物质的分布曲线如图3，我们引进轻核原子核的质子-中子-α粒子结构学说，氧原子核由4个α粒子组成，它的形状如图4：
从它的形状可以看出氧原子核中间是空的，由于原子核的量子效应无明显边界，所以出现原子核核物质分布在中心位置偏少。
5 结论
原子核由质子和中子组成。
对于核子数大于4的轻核原子核，原子核中的质子与中子优先组成42He即α粒子。
轻核原子核的结构为质子-中子-α粒子结构。
原子核性质的周期性是原子核结构周期性的外在表现。
各个原子核结构不同决定了原子核的性质不同。
对于轻核原子核随着核子数的增加原子核的比结合能、稳定性以及核反应出现周期性的变化。
事实证明原子核的稳定程度取决于个别中子、质子、α粒子的结合能。
个别中子、质子、α粒子之间的结合能决定了原子核的放射性。
轻核中有独立存在4α粒子，α粒子是轻核基本组成单元。
轻核原子核的结构，对于重核原子核结构的研究具有重要意义。
参考文献
[1] 杨福家、王炎森、陆福全2006原子核物理(第二版)(上海：复旦大学出版社)第2页.
[2] 程守洙、江之永1980普通物理学(第三册 第3版)(上海：人民教育出版社)第374页.
来自原子核的新启示【2】
在自然界中存在一些不稳定的原子核，它们有时会自发地“放射”出一些粒子，从而转变为另外一种原子核，这种原子核被称为“放射性原子核”。
法国科学家亨利?贝克莱(Henri Becquerel)在1896年就发现了放射性现象，人类对于这种现象已经研究了上百年，早就不感到陌生了。
在微观的原子核领域，由于受测不准原理的支配，人们不可能准确地预测某一个放射性原子核在什么时候进行衰变，放射出某种粒子(比如一个氦原子核或是一个电子)，从而转变为另外一种原子核。
但是放射性元素总体的衰变速度是恒定的，每一种放射性元素都有其特定的衰变时间，比如考古学中常用到的碳-14测年法，就是利用碳-14原子核的半衰期大约为5730年，考古学家们可以通过检测物体中碳-14原子核的残留量来大致判断物体的年份，放射性原子核的衰变时间(半衰期)长久以来都被认为是自然界中最值得信赖的一组常数。
1930年，有“原子核物理学之父”称号的科学家欧内斯特?卢瑟福(Ernest Rutherford)在与詹姆斯?查德维克(James Chadwick)和查尔斯?艾利斯(Charles Ellis)合著的里程碑式的著作《放射性物质的辐射》中就写道：“放射性原子核转变的速度，在任何状态下都是恒定的。”这已经成为原子核物理学的教条之一，在几十年间，几乎从来没有人怀疑过。
实验证明，在各种环境下，无论压力、温度或是湿度等等各种条件如何改变，放射性原子核衰变的速度总是保持恒定。
近来一对美国科学家则开始挑战这个观点，他们孜孜不倦地分析来自世界各地的关于原子核衰变实验的资料，试图找到其中细微变化的规律。
他们经过分析之后得出结论：放射性原子核衰变的速度与地球和太阳的距离有关。
这种“离奇”的结论在同行中的回应自然是不相信和排斥，但是这对孜孜不倦的科学家几年来坚持搜寻各种资料来证明自己的观点，从而也吸引了更多的注意力。
如果他们的观点得到证实，毫无疑问，一扇通往新物理学的大门又将被开启，但是在此之前，这个观点将会经受更多、更严格的考验。
来自美国普渡大学(Purdue Uni-versity)的物理学家以法莲?费施巴赫(Ephraim Fischbach)和杰雷?詹金斯(Jere Jenkins)自从2006年起一直研究放射性原子核衰变速度的变化。
他们分析了美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven Nantional Laboratory)在1982至1988年间测量硅-32原子核衰变的数据，得到了一个令人吃惊的结论：硅-32原子核衰变的速度随着季节的变化，大概有0.1%波动。
在排除了实验环境对于测量结果的影响后，他们认为，正是地球与太阳之间距离的变化造成了这种波动。
换句话说，太阳可以影响放射性原子核的衰变!
这两位科学家因此得出的结论是，在1月份，地球离太阳最近，受此影响，硅-32原子核的衰变速度最快;7月份时，地球离太阳最远，因此硅-32原子核的衰变速度也就最慢。
他们把这个观察结果写成论文投稿给物理学界的权威杂志《物理评论快报》(Physics Review Letters)，但是并没有被接受。
杂志编辑认为并没有足够的理论可以解释这一现象。
但是这两位科学家没有因此丧失信心，他们把这篇论文发表在网络上，并且继续寻找新的证据来支持自己的观点。
如此执著地寻找证据来证明一个没有现成理论支持的实验结论，两位科学家相信他们正在发现一种新物理学。
费施巴赫自从20世纪80年代以来就因为一直努力寻找“第五种相互作用”而闻名物理学界。
现代物理学认为自然界普遍存在四种最基本的相互作用：电磁、引力、强相互作用与弱相互作用，而费施巴赫相信应该还存在“第五种相互作用”，这种相互作用或许是一种随距离变化的斥力，但是始终因为缺乏可靠的证据而不被科学界所承认。
如果他真的可以证明太阳通过某种方式影响了放射性原子核的衰变速度，那么也许真的可以找到“第五种相互作用”的证据，这可能也是他们如此执著的原因之一。
这对科学家继续研究了德国标准计量机构(PTB)在15年间测量镭-226原子核衰变的数据，而且其中有两年的时间与美国布鲁克海文国家实验室对于Si-32的测量时间重合，结果他们发现PTB实验室对于镭-226衰变的测量数据证实了他们之前的结论，同样随着地球与太阳距离的变化而产生变化。
2009年8月，他们把这个发现发表在《天体粒子物理学》(Astroparticle Physics)杂志上。
对于这种随着太阳而起的变化，作者认为有可能是太阳附近某种未知场的作用，使得硅-32和镭-226两种完全不同的原子核进行的不同类型的衰变都受到了影响。
同时，作者也引用了剑桥大学科学家约翰?巴罗(John Barrow)和道格拉斯?肖(Douglas Shaw)2008年在《物理评论 D》(Physical Review D)杂志上发表的论文《变化的Alpha：季节性变化的新规则》(Varying Alpha：New Constraints from Seasonal Variations)，论述人们之前认为一成不变的“精细结构常数”和电子与质子的质量比有可能会随着季节变化，这可能就是受太阳的引力场影响。
与之类似的情况则同样有可能改变放射性原子核衰变的速度。
但是作者认为最可能的情况，则是从太阳上辐射的中微子(Neutrino)参与了放射性原子核的衰变过程，因此受到中微子辐射的程度直接影响了原子核的衰变速度。
对于这个解释，大多数科学家并不能认同，因为根据目前人们对于中微子的理解，它只参与弱相互作用，与强相互作用则没有关系。
硅-32原子核的衰变有弱相互作用参与，还可能受到中微子的影响，镭-226原子核的衰变与之不同，是强相互作用的结果，按照现有的理论，中微子对其不会产生任何影响。
而这对美国科学家仍然坚信中微子是放射性原子核的衰变时间改变的原因，他们希望借此打开一扇新物理学的大门。
费施巴赫和詹金斯还继续通过其他证据来证明自己的观点——根据实验观测，锰-54原子核的衰变速度一直保持恒定，但是在2006年12月13日太阳产生了一次明亮的耀斑，之后在12月15日和17日又各有一次。
他们发现，在太阳活动最活跃的期间，锰-54原子核的衰变速度也相应地发生了变化，这也正是太阳(很可能是通过中微子)对于放射性原子核衰变速度有直接影响的证据。
但是对此反对的声音在主流科学界也一直没有中断过，有人认为，在2006年12月太阳出现强烈耀斑期间，锰-54原子核的衰变速度是变慢而不是变快，这与费施巴赫和詹金斯之前的论述恰好相反，因此无法成为证据。
来自英国帝国理工学院的物理学家大卫?华克(David Wark)则说：“在你进行一些激进的解释之前，你必须首先证明有些现象确实需要解释。”费施巴赫和詹金斯对于太阳和放射性原子核衰变速度的关系上，可能显得有些过于急躁，周围环境的改变，比如压力、温度，或是湿度的改变，或者是探测仪器本身对于放射性原子核衰变速度产生影响可能更大于太阳施加的影响。
对此需要做更长时间的对比实验才可能得出可信的结果，比方说在温度几乎保持不变的地球赤道上做实验，在地球温度变化相反的南北半球同时做一组对比实验，或是由人类的太空探测器在太空中做实验，只有进行艰苦的、长时间的对比实验才可以证明太阳对于放射性原子核衰变速度的影响。
面对质疑，费施巴赫和詹金斯丝毫没有放慢速度。
2012年8月，他们在《天体粒子物理学》杂志上发表论文，在考察了一个坐落在耶路撒冷的实验室2007年1月至2010年5月的实验数据之后，他们得出结论，放射性气体氡气的原子核衰变速度不仅随季节变化，同时也随每天时间的变化而改变：白天比夜晚的衰变速度更快，这似乎更有可能证明其中变化的原因在于太阳。
费施巴赫和詹金斯所声明的新发现，已经吸引了越来越多人的注意。
起码考古学家们不需要对此太过担心，虽然考古学中确定物体年代所使用的碳-14测年法，正是依靠原子核衰变的速度进行鉴定，但是即使放射性原子核的衰变速度真的受外界影响，也必定只是微乎其微，不会影响到考古学的准确度。
物理学则面临着严峻得多的考验，在标准粒子模型日趋完善、最新发现的希格斯玻色子也表现得“中规中矩”时，新物理学的大门，也许正是由此打开。
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