【极小篇｜第四章：核物理】03 原子核的特性

粉丝福利 

学习课程有问题？没关系

每周四晚上20:13，严伯钧老师在喜马拉雅直播间为你在线答疑。

严伯钧的六极物理交流群来啦，跟着严老师一起了解物理界新动向，第一时间get严老师的活动消息，还有不定期的社群活动福利哦。

入群方式

微信添加yan_bojun，并回复：六极物理，我们将会邀请你入群。

欢迎每一位在听《严伯钧的六极物理课》的你的到来。

温馨提示 

六极物理课的更新时间是每周四19:05

课程直播答疑时间紧随其后，每周四20:13

严老师讲义 

了解了原子核的构造以后，接下来我们要了解原子核有什么独特的性质？以及我们能用什么办法去研究这些性质？

4.3.1 与化学反应类比

先来看看什么是化学反应。化学反应总的来说是不同元素原子之间的反应。在中学里学过的定义是：凡是产生新物质的反应都是化学反应。比如碳和氧结合成为二氧化碳，二氧化碳不是碳也不是氧，产生了反应前不存在的物质，这就是化学反应。

化学反应除了要产生新物质以外，还有一个条件，就是不能产生新的元素。还是以碳和氧的反应举例：碳和氧反应后应该还是只有碳元素和氧元素，不会在反应后出现氢元素、氮元素的情况。也就是说化学对于原子的研究，不会进入原子核层面。

所有在化学层面上产生新物质的反应，其本质是不同原子电子之间的作用。如碳和氧结合，是因为碳原子和氧原子中的外层电子互相渗透到了对方的电子层结构里，形成了在化学上叫做共价键的东西。当我们研究单个碳原子和单个氧原子时，要理解其中电子的运动规律，只需要对一个原子核解薛定谔方程。但碳氧结合以后，它们共有的电子则要同时对碳原子核和氧原子核解薛定谔方程。解出来的这个双核系统的某些波函数，在化学上我们给了它一个统一的称谓——共价键。所以当我们说到某种元素的化学性质时，完全就是在讨论其原子中电子的排布规律，甚至只是最外层电子的排布规律。

类比于化学反应，核反应就是原子核之间的反应了。核反应也可以产生新物质，但这里的新物质指的是产生了反应前不存在的新的元素。比如氢的同位素，氘 ( dāo ) 和氚 ( chuān ) 。氢原子核只有一个质子，没有中子；氘原子核有一个质子，一个中子；氚原子核有一个质子，两个中子。氘和氚可以结合成为一个氦原子并放出一个中子，这就是一种叫做核聚变的核反应。由于原子核的结构比原子的结构要稳定得多，并且也小得多，因此要发生核反应通常需要比较高的能量。

由此可见，点石成金这件事情，在核反应的层面并非不可能。我们要做的就是想办法把硅元素结合成金元素就可以了。但在17世纪想通过炼金术做到是不可能的，因为炼金术充其量是化学反应，还达不到核反应的等级。

4.3.2 α衰变

第一节我们讲到的三种辐射：α辐射、β辐射和γ辐射，都属于核反应。

α辐射，是从原子核中辐射出氦核的核反应，它会辐射出带两个正电的氦原子的原子核。这背后的原因很简单，就是我们之前讲过的隧道效应。首先我们要知道α粒子是非常稳定的。原子核里的结构并非是每个质子和每个中子之间以同样的强度连接在一起，而是以α粒子的双质子加上双中子构成一个最稳定的子单元，这些子单元再相互连接在一起。子单元之间的连接，是没有子单元内的连接强的，所以我们可以把α粒子单元当成一个整体作为研究对象。

根据前面的分析，虽然质子之间存在排斥力，但是被强相互作用力限制住了。打个比方，这个过程就好像α粒子在一个坑里想跳出去一样。α粒子受到电磁排斥力让它有跳出去的趋势，但无奈强力太强，就好像这个坑很深，电磁力作为α粒子的弹跳力，无法克服强力的限制跳出这个坑。但根据量子力学我们可以知道：即便面对一个弹力跳不出去的深坑，粒子在量子系统中也有一定的几率可以跳出去，这就是隧道效应。只不过坑越浅，发生隧道效应的概率越大而已。

α辐射在较重的原子中惯常发生。比较重的原子，强力给它做成的坑反而是比较浅的。我们可以这样理解：因为强力是个作用范围很小的力，因此越重的原子核，大小越大，强力能够束缚住它的范围有限，所以强力的束缚效果就越差。相反，电磁力是个长程力。不管原子核的大小与否，电磁力的排斥效果是差不多的。

综上，当原子核越重、越大时，强力给α粒子单元塑造的坑就越浅，它就越容易发生隧道效应。这就不难理解为什么天然元素重到一定程度，到第92号的铀元素，再往上就没有了。就是因为太重了之后，强力对粒子的约束力甚至已经比电磁排斥力小了，这样的话强力就根本束缚不住α粒子单元，自然就无法保持极重状态的原子核结构了。当然，人造元素可以到114号，也就是114个质子。这就是α辐射的基本原理。

发生α辐射的原子的质子数会减少两个，质量数会减少四个单位。可想而知，发生α辐射的元素就变成了其它元素。

4.3.3 β衰变：弱相互作用力

比α辐射更加神奇的是β辐射，它的核反应过程叫β衰变。β辐射有两种，分别是放出电子和正电子的辐射。β辐射的本质是可以让中子和质子之间互相转化。比如，中子发生β衰变放出一个电子，一个反中微子以及一个质子，这是标准的β辐射。反β衰变则是质子放出一个带正电的正电子，一个中微子以及一个中子。

β衰变的物理原理跟α衰变截然不同：α衰变是强力和电磁力相互博弈的结果；β衰变的发生则是因为一种不同的力，叫做弱相互作用力。弱相互作用力是一个非常弱的力，虽然比引力强一点，但是强度远远不及强力。因此，弱相互作用力无法跟强力和电磁力抗衡。弱力只能在单个质子或中子的内部产生，它的作用范围比强力还小，基本就在单个质子和中子以内。

讲到这里我们还无法说清弱力的本质是什么。必须在下一章【粒子物理】讲到夸克模型时，才能彻底的解释弱力。

4.3.4 γ辐射

γ辐射的机制比α和β辐射更容易解释。γ辐射是原子核里的质子和中子能量状态发生改变时发出的光子。由于强力非常强，所以发出的光子能量极高。γ辐射的过程不涉及原子核中质子数和中子数的变化，不算严格的核反应。

总的来说，核反应的过程中，原子核中的质子数、中子数发生变化，也可能中子和质子之间发生了转变。无论是哪种变化，都会改变元素的种类。质子数的改变，会让一种元素变成另外一种元素，中子数的改变会产生同位素。除此之外，还有各种各样的微观粒子产生，如中微子、反中微子等等。

这些核反应往往伴随着α、β、γ三种辐射。当我们去研究一个反应时，它其实是一个黑箱。研究黑箱系统的主要方法是先通过对系统进行输入，然后看相应的输出是什么。这三种辐射就是原子核这个黑箱的输出信号。

当然，辐射并非只有三种，还有中子辐射等其它辐射。我们用微观粒子轰击原子核或者核反应堆，这些手段都是对原子核进行信号输入。输入以后，看原子核在不同情况下会输出什么。比如辐射的能量、剂量、甚至角度，都可以给出更多关于原子核的信息。因此，对于衰变和核辐射现象的研究，是了解原子核性质的核心手段。

后面两节，我们来讲讲核物理最重要的应用——原子能，你会发现原子核里有巨大的能量可以挖掘。