轻核原子核结构的研究

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[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

中图分类号：O571.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0119-02

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。如图2

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.