原子核（atomic nucleus）是由質(zhì)子和中子等核子組成的量子多體系統(tǒng)，其半徑只有原子的萬分之一，但其質(zhì)量卻占比原子質(zhì)量的99.9%以上。對絕大多數(shù)原子核來說，原子核的質(zhì)量越大，速度越慢。對任何分子來說，組成該分子中單個原子核的運動速度都是影響該分子整體震蕩幅度以及震蕩頻率的重要因素。原子核大多數(shù)是橢球體，其長軸和短軸比不大于5/4，與球體偏離不大，可近似看成球體，質(zhì)量與半徑R的三次方成正比。原子核之間存在一種極強的相互作用力，稱為核力，以將質(zhì)子與質(zhì)子、質(zhì)子與中子束縛在一起形成原子核。
原子核反應(yīng)過程和最終結(jié)果取決于原子核的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及所處場所與環(huán)境條件。如果原子核X的比結(jié)合能比原子核Y的比結(jié)合能小，反應(yīng)將釋放能量，即外界獲得能量，如原子核裂變。此外，原子核也存在衰變，如α衰變和β衰變，以及核裂變和核聚變。
1911年歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)等人用放射性核素發(fā)射的α粒子轟擊金箔，觀測到α粒子轟擊金箔，提出了原子核的概念和原子結(jié)構(gòu)的行星模型，為原子結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。1932年，盧瑟福的學(xué)生查威克(James Chadwick)用α粒子轟擊鈹，再用鈹產(chǎn)生的射線轟擊氫、氦、氮，打出了氫核和氮核，他測量了被打出的氫核和氮核的速度，推算出了產(chǎn)生新粒子的質(zhì)量，這種粒子不帶電， 稱為中子。中子的發(fā)現(xiàn)，使人們了解原子核由中子和質(zhì)子組成。1936年，根據(jù)原子核和液滴在一些性質(zhì)上的相似性，奧格·玻爾(David Bohr)等人首先提出了原子核的液滴模型。1949年，路德維希·畢希納和簡森根據(jù)實驗上的一些特別現(xiàn)象，提出了原子核的殼層模型。
歷史
1911年歐內(nèi)斯特·盧瑟福等人利用放射性核素發(fā)射的α粒子轟擊金箔，觀測到α粒子的大角度散射，從而確定了原子的核結(jié)構(gòu)，提出了原子核的概念和原子結(jié)構(gòu)的行星模型，這一成就為原子結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。1913年奧格·玻爾提出了關(guān)于原子殼層結(jié)構(gòu)和電子運動規(guī)律的玻爾原子模型，此后，描述微觀世界物質(zhì)運動規(guī)律的量子力學(xué)孕育誕生。1919年，盧瑟福等人又用α粒子轟擊氮核，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)子發(fā)出。此乃首次用人工手段實現(xiàn)的核蛻變，同時也發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。此后用射線轟擊原子核來引起核反應(yīng)的方法成為研究原子核的主要手段。
但在實驗中存在著一些無法解釋的現(xiàn)象，原子的質(zhì)子質(zhì)量的整數(shù)倍，因此，根據(jù)原子核的電荷量能推斷出原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，用這個概念解釋氫原子核很合適，但對氦原子就不好解釋。氦原子有兩個電子，按說核內(nèi)應(yīng)該有兩個質(zhì)子，質(zhì)子與電子的正負(fù)電荷才能正好抵消。但氦原子核比氫原子核重4倍，如果氦原子由4個質(zhì)子構(gòu)成，那多余的兩個正電荷難以抵消。為解釋實驗中存在的矛盾，歐內(nèi)斯特·盧瑟福想到原子核中可能并非只有質(zhì)子這唯一的基本成分，1920年，盧瑟福提到原子核里中性子的概念。他在皇家學(xué)會貝克里安講座的演講中提出：也許在原子核這樣微小的范圍內(nèi)，多余的質(zhì)子吸引了核外電子，形成了一種質(zhì)量與質(zhì)子相近的中性粒子。
1932年，盧瑟福的學(xué)生查徳威克用α粒子轟擊鈹，再用鈹產(chǎn)生的射線轟擊氫、氮，打出了氫核和氮核，他測量了被打出的氫核與氮核的速度，推算出了這種新粒子的質(zhì)量。他認(rèn)為，只有假定從鈹中放出的射線是一種質(zhì)量跟質(zhì)子差不多的中性粒子才能解釋，這種粒子不帶電，稱為“中子”。中子的發(fā)現(xiàn)，使人們了解原子核是由中子與質(zhì)子組成的。
詞源
1762年，核表示其他星團(tuán)或物質(zhì)聚集的中心質(zhì)量或物體。在生物學(xué)中，1831年核表示細(xì)胞中膜為界的致密、典型的圓形結(jié)構(gòu)，后來發(fā)現(xiàn)它含有遺傳物質(zhì)。在物理學(xué)中，帶正電的原子中心核的現(xiàn)代含義來自1912年，作者是歐內(nèi)斯特·盧瑟福，盡管“原子中心點”的理論用法來自1844年的邁克爾·法拉第(Faraday)。
1945年可表示從核反應(yīng)中獲得破壞力的武器，如核能、核物理、核武器、核戰(zhàn)爭。核冬天理論是由美國大氣科學(xué)家理查德·特科(Richard Turco)創(chuàng)造的，卡爾·薩根(Carl Sagan)在1983年10月30日《游行》雜志上的文章首次證明了這一點。核心家庭，最初是社會學(xué)家的術(shù)語，1949年由美國人類學(xué)家默多克(Murdock)在《社會結(jié)構(gòu)》中首次證明。
原子核的性質(zhì)
組成
原子核由帶單位正電荷的質(zhì)子和不帶電的中子等核子組成的量子多體系統(tǒng)，其半徑只有原子的萬分之一，但其質(zhì)量卻占比原子質(zhì)量的99.9%以上。不同的原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的數(shù)目不同。原子核中質(zhì)子數(shù)即為該元素原子核的電荷數(shù)，也即化學(xué)元素的原子序數(shù)。原子核的質(zhì)量同原子的質(zhì)量相差極小，若以“原子質(zhì)量單位”計算原子的質(zhì)量，結(jié)果都近似等于一整數(shù)，稱為原子的質(zhì)量數(shù)。電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)是表征原子核特征的兩個重要物理量。在原子核物理中，具有相同質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的原子核稱為同位素；各元素的同位素統(tǒng)稱核素；質(zhì)量數(shù)A相同而質(zhì)子數(shù)Z不同的原子核稱為同量異位素。
大小與質(zhì)量
對絕大數(shù)原子核來說，其質(zhì)量與速度成反比。對任何分子來說，組成該分子的單個原子核的運動速度都是影響該分子整體震蕩幅度以及震蕩頻率的重要因素。原子核的大小可以用實驗來測定，實驗表明，核的體積總是與質(zhì)量數(shù)A成正比。如果將原子核看作球體，則其半徑R的三次方與質(zhì)量數(shù)A成正比，可寫成。
式中r0為比例系數(shù)，試驗測得r0=1.2×10-15m。這一結(jié)論意味著核物質(zhì)基本上是均勻分布的。自然界最輕的原子核只由一個質(zhì)子組成，它是氫的原子核；最重的原子核由94個質(zhì)子和150個中子組成，它是-244的原子核。人工合成的原子核的質(zhì)子數(shù)已達(dá)到116。
在原子核中，核物質(zhì)的密度是一個常數(shù)，。原子核中質(zhì)子帶電，而原子核中電荷大多是旋轉(zhuǎn)橢球形狀分布，核物質(zhì)分布與電荷分布有相似情況。因此，原子核大多是橢球體。但長軸和短軸比不大于5/4，與球體偏離不大，所以可把這些原子核近似看作球體，還有些原子核本時就是球?qū)ΨQ，如 和。
核力
原子核中質(zhì)子之間存在較強的庫侖斥力，中子不帶電，因而中子與質(zhì)子、中子和中子之間無庫侖力作用，而核子之間的萬有引力比電磁力還小1039倍，顯然不能將質(zhì)子與質(zhì)子、質(zhì)子與中子束縛在一起形成原子核。核的穩(wěn)定性說明，核子之間一定存在一種極強的相互作用力，這種力稱為核力。核力具有以下重要性質(zhì)。
（1）核力是一種強相互作用力。在作用范圍內(nèi)它比電磁力強得多，主要是吸引力；（2）核力是短程力，只有當(dāng)核子間的距離小于10-15m時才顯現(xiàn)出來，在大于原子核范圍以外觀察不到核力的存在；（3）核力具有飽和性。一個核子只能和它領(lǐng)近的有限個數(shù)目的核子有核力作用，而不能與核內(nèi)所有核子都有核力作用；（4）核力和核子帶電情況無關(guān)。大量實驗事實表明，無論中子和中子之間，還是質(zhì)子和質(zhì)子或者質(zhì)子和中子之間，核力作用都大致相同。
自旋和磁矩
設(shè)原子的質(zhì)量數(shù)為A，Z為核電荷數(shù)，也等于原子序數(shù)，如果原子核的自旋用核自旋量子數(shù)I來表示，那么核自旋量子數(shù)符合下面三條基本規(guī)律：（1）當(dāng)A、Z都是偶數(shù)時，核自旋量子數(shù)I=0；（2）當(dāng)A是奇數(shù)，Z是偶數(shù)或奇數(shù)時，核自旋量子數(shù)I=半整數(shù)；（3）當(dāng)A是偶數(shù)，Z是奇數(shù)時，核自旋量子數(shù)I=整數(shù)。自旋量子數(shù)≠0的核具有角動量和磁矩。
自旋量子數(shù)I≠0的核具有角動量和磁矩。I為核自旋角動量，其大小為：
式中：h為普朗克常數(shù)，h=h/(2π)，核磁矩μ和核角動量之間存在如下關(guān)系：
是核旋磁比，不同的核具有不同的旋磁比
式中g(shù)稱為g因子，因核而異，mp是質(zhì)子質(zhì)量，c是光速，β=eh/2mpc=5.05038×10-24erg·Gs-1，β被稱為核磁子。因為質(zhì)子質(zhì)量是電子質(zhì)量的1836倍，即mp=1836mc，所以核磁子是玻爾磁子的1/1836。
核自旋角動量在外磁場中是空間量子化的，以磁場方向為z軸，核自旋角動量在z方向上的投影為
其中m稱為核的磁量子數(shù)，m=I，I-1，···，-I+1，-I。核磁矩在z方向上的投影為μz，有
由此，核磁矩也是空間量子化的。因為m=I，I-1，···，-I+1，-I共有2I+1個取值，所以在外磁場中核磁矩將有2I+1個不同的空間取向，如I=2的核在外磁場中磁矩的5種不用取向。
結(jié)合能
核子與核子結(jié)合成原子核的過程中，由于強大的核力作用，將釋放一定的能量。反之，將原子核分離為核子的過程中將吸收等量的能量，這個能量成為原子核的結(jié)合能，結(jié)合能的大小由質(zhì)能方程來計算：
用核子數(shù)去除核的結(jié)合能稱為平均結(jié)合能：平均結(jié)合能。核子的平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，所以中等質(zhì)量的核最穩(wěn)定。
原子核反應(yīng)
粒子(或原子核)a與原子核X相互作用產(chǎn)生原子核Y及新粒子(或原子核)b的核反應(yīng)過程常寫為a+X→Y+b或簡寫為X(a,b)Y。核反應(yīng)過程和最終結(jié)果取決于原子核的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及所處場所與環(huán)境條件。如果原子核X的比結(jié)合能比原子核Y的比結(jié)合能小，反應(yīng)將釋放能量，即外界獲得能量。如質(zhì)量數(shù)A在56以下的原子核，發(fā)生輕核燃燒生成較重核的聚合過程，反應(yīng)釋放能量。這實際上是通過輕核聚變獲得能源的理論基礎(chǔ)。
一個重原子核分裂成兩個較輕的原子核，對應(yīng)著發(fā)生原子核X的比結(jié)合能比原子核Y的比結(jié)合能小的核反應(yīng)過程時，反應(yīng)將釋放能量。一個重原子核分裂成較輕的原子核的過程可以是自發(fā)的，也可以是人為激發(fā)的。前者稱為自發(fā)裂變，后者稱為誘發(fā)裂變。
原子核衰變
α衰變
α衰變會放出一個α粒子，新核比原核質(zhì)量數(shù)減少4個，核電荷數(shù)(質(zhì)子數(shù))減少2個，衰變方程為：
如的α衰變生成新核()，衰變方程為：
α衰變的實質(zhì)就是核內(nèi)兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合的比較緊密，有時會作為一個整體從較大的原子核中射出，其反應(yīng)方程為：
β衰變
β衰變會放出一個β粒子，新核相比原核質(zhì)量數(shù)不變，核電荷數(shù)增加一個，其衰變方程為:
如α衰變后的新核又會發(fā)生β衰變生成新核()，衰變方程為：
β衰變的實質(zhì)是核內(nèi)的中子可以轉(zhuǎn)化為一個質(zhì)子和一個電子，產(chǎn)生的電子從核中發(fā)射出來，就是β射線，其反應(yīng)方程為：
放射性元素在發(fā)生α衰變和β衰變后產(chǎn)生的新核往往處于較高能級，會自發(fā)地向低能級躍遷輻射光子即射線，因此射線通常伴隨著α衰變和β衰變產(chǎn)生的。
原子核裂變
把重核分裂成幾個中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象叫核裂變，如
重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件是鈾塊的體積大于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，其次有足夠數(shù)量慢中子。核電子的工作原理就是利用核燃料裂變釋放能量，使反應(yīng)去溫度升高。再利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電。
原子核聚變
把較輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng)稱為核聚變反應(yīng)，也稱熱核反應(yīng)。如
聚變反應(yīng)必須使輕核接近核力發(fā)生作用距離10-15m，這要克服電荷間強大的庫侖斥力的作用，要求輕核具有足夠大的動能。要使輕核具有足夠大的動能，有一種方法就是給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到108K以上的高溫。
結(jié)構(gòu)模型
為獲得原子核的信息，人們利用加速器獲得高能電子或質(zhì)子，把高能電子或質(zhì)子作為核探針轟擊原子核，也可以用中子作為核探針，由于中子不帶電，它能更容易接近或進(jìn)入原子核，通常用能量為E=10~40MeV的中子束轟擊原子核，中子與原子核的散射實驗可以提供原子核中核物質(zhì)分布的信息。
從原子核物質(zhì)分布圖可以看出：（1）核的密度幾乎是均勻的；（2）其密度幾乎與原子核的質(zhì)量無關(guān)。大部分原子核是旋轉(zhuǎn)橢球形狀，但其長軸和短軸的比一般不大于5/4，與球形差別不大，可以把這些原子核近似地看作球形。有一些原子核本身就具有球?qū)ΨQ性。
此外，人們提出了多種原子核結(jié)構(gòu)模型，主要有液滴模型、費米氣體模型和核的殼層模型。液滴模型把原子核看成一個帶電的液滴，由核子組成。原子核的半徑隨著核子數(shù)增多而增大，維持其密度不變。費米氣體模型把原子核看成幾乎沒有相互作用的氣體分子，因為核子是費米子，原子核就可視為費米氣體。
費米氣體模型
該模型由維斯科夫(V.Weisskopf)根據(jù)固體中電子運動的費米氣體模型提出，這個模型將核子看做一群與氣體分子相仿的組合，每一個核子都被限制在球形的體積中運動，每一個核子都受到其他核子的作用，總的效果相當(dāng)于在一個平均勢場中運動，可以簡單地將這個勢場視做三維的方勢阱，勢阱的半徑比原子核的半徑略大，在原子核內(nèi)部，勢阱在各處的深度相等。由于質(zhì)子和中子都是費米子，按照泡利原理，原子核中不能有量子數(shù)完全相等的核子，可以將質(zhì)子和中子分別考慮。在這個模型中，核子處在一系列不同能級上，在不考慮磁相互作用的條件下，從能量最低的能級起，每一個能級上，各有兩個同類核子基態(tài)時，除了最高能級和空位。其他能級應(yīng)當(dāng)是被填滿的。在核子中，因為除了最高能級之外，各個能級都被填滿，因此核子的狀態(tài)不再改變，所以就沒有因為相互碰撞而交換能量的情況發(fā)生。這種說明核子的自由程大于原子核的半徑，也就是說，在原子核內(nèi)部，核子是自由運動。
液滴模型
原子核的液滴模型是由奧格·玻爾等人于1936年首先提出的，提出該模型的根據(jù)是原子核和液滴在一些性質(zhì)上的相似性。原子核與液滴性質(zhì)的比較如下表。
物質(zhì)與液滴有很多相似之處，于是玻爾等人以此提出了原子核的液滴模型。該模型認(rèn)為：原子核是一個不可壓縮的帶電的液滴，而核子相當(dāng)于液滴分子；液滴的蒸發(fā)相應(yīng)于原子核的自發(fā)輻射；原子核激發(fā)相當(dāng)于液滴被加熱；原子核的結(jié)合能相應(yīng)于液滴的液化能等等。原子核液滴模型能對原子核整體靜態(tài)性質(zhì)作部分解釋，對計算核反應(yīng)截面及解釋核裂變過程比較成功，特別是由它可解釋原子核結(jié)合能的半實驗式。
殼層模型
原子核的殼層模型是由邁耶(M·G·Mayer)和簡森(J·H·D·Jensen)在1949年提出的，原子核的殼層模型思想，主要來源于實驗上的一些特別現(xiàn)象。實驗表明，原子核中質(zhì)子或中子為某些特定數(shù)值或兩者均符合這些數(shù)值時，原子核就異常穩(wěn)定，人們將這些特殊數(shù)值稱為“幻數(shù)”。已發(fā)現(xiàn)的幻數(shù)有2，8，20，28，50，82和126。自然界廣泛存在的氦、氧、鈣、、錫、鋁的質(zhì)子和中子都符合幻數(shù)條件，它們原子核的質(zhì)子和中子以集團(tuán)形式充滿了某些“能級”，因此這些元素異常穩(wěn)定?；脭?shù)的存在是原子核有“殼層結(jié)構(gòu)”的反映，表示相同的粒子以集團(tuán)的形式構(gòu)成結(jié)合狀態(tài)，就會出現(xiàn)某種秩序，并且決定原子核的性質(zhì)。1949年，德國的核物理學(xué)家路德維?！ぎ呄＜{等人引入核子的軌道和自旋耦合作用的概念，圓滿解釋了這種現(xiàn)象。
參考資料 >
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子核基態(tài)存在分子型結(jié)構(gòu).中國科學(xué)院.2024-01-10
是誰敲開了那扇神秘的門？.中國科學(xué)院高能物理研究院.2024-01-10
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原子核的大小與質(zhì)量.國家原子能機構(gòu).2024-01-10