輕核原子核結構的探究論文
輕核原子核結構的探究論文【1】
[摘 要]原子核由質子和中子組成。
對于核子數大于4的輕核原子核，原子核中的質子與中子優先組成α粒子，然后再相互或與剩余的質子和中子組成原子核;更確切地說輕核原子核由中子、質子和α粒子核組成。
α粒子以整體和周圍的質子、中子、α粒子發生作用。
根據輕核原子核質子-中子-α粒子結構可以繪制輕核原子核周期表，輕核原子核周期表揭示了輕核原子核的結構、性質變化規律。
輕核原子核的性質周期性是原子核結構周期性的外在表現。
各個原子核結構不同決定了原子核的性質不同，結構相似的輕核性質相似。
[關鍵詞]原子核、結構、周期表、α粒子
1 引言
1932年查德維克發現中子。
此后海森伯和伊凡寧柯創立了原子核的質子-中子結構學說，利用原子核的質子-中子結構理論能夠解釋同位素的存在、能夠進行核子的比結核能計算，從而得出裂變和聚變是兩種利用原子核結合能的方法。
1949年邁耶爾和簡森提出了著名的核殼層模型， 核的殼層模型可以相當好地解釋大多數原子核的基態自旋和宇稱。
1952年奧格.玻爾和莫特爾遜提出了核的集體模型，對核內的集體運動作了唯象的描述。
核的集體模型能夠很好的解釋核的轉動和振動[1]。
但以上理論都不能解釋輕核的比結合能周期性的漲落，更不能解釋個別原子核比結合能大，穩定性差的原因。
2 原子核輕核的比結合能周期性的漲落和個別原子核比結合能大穩定性差的現象
原子核輕核的比結合能周期性漲落可以從表1和圖1可以看出，輕核的比結合能在等處達到一些極大值。
極大值處輕核的質子數是2的倍數，核子數是4的倍數。
是2個質子4個核子。
是6個質子12個核子。
是8個質子16個核子。
輕核的比結合能周期是核子數的4倍。
根據傳統原子核結合能理論，不同的原子核，其穩定程度不一樣，可用每個核子的平均結合能來說明，稱為比結合能。
核子的比結合能愈大，原子核就愈穩定[2]。
的比結合能為7.3，而相鄰的比結合能為5.60，比結合能為6.45。
但、比更穩定，僅用0.07fs就衰變為α粒子。
可見比結合能愈大，原子核就愈穩定并不成立。
傳統核理論并不能說明核的穩定性。
3 原子核結構的猜想
從輕核的比結合能周期性的漲落可以看出，比結合能較大的輕核多數是核子數4的倍數，輕核的核子在結合成時結合能較大。
正是由于結合能較大，即α粒子能夠在原子核內部優先生成并獨立存在。
不難猜想對于核子數大于4的輕核原子核，原子核中的質子與中子優先組成α粒子，然后再相互或與剩余的質子和中子組成原子核，因此有必要提出輕核原子核的質子-中子-α粒子結構學說。
輕核原子核中的質子與中子優先組成α粒子，已經經過實踐證明。
近代在英國的世界一流的探測物質結構的設備NSF上，通過核碰撞過程研究，證實在一些輕核中確實形成了α結團，如可看作是α與31H的兩個結團。
我們可以將原子核組成寫成N+E+M。
N為原子核中α粒子的個數，M為原子核中不參與組成α粒子的中子數，E為原子核中不參與組成α粒子的質子數。
由于輕核原子核中優先組成α粒子，所以輕核E的數值應為1或0。
核子總數A=4N+E+M。
如果我們將輕核原子核按照其中α粒子的個數、質子個數、中子個數排列成表。
表中相同α粒子的個數排成一列，相同質子數、中子數排成一行。
一些具有相同質子數、中子數的輕核具有相同或相似的性質。
體現了原子核的結構決定原子核的性質。
根據輕核原子核的結構和輕核原子核周期表我們可以解釋很多原子核的性質。
4 根據輕核原子核的結構能夠解釋的問題
4.1 能夠解釋輕核的比結合能周期性的漲落
表中第一行原子核，核組成為n個a粒子，輕核的比結合能周期性的漲落主要原因是、、、核子數是的倍數。
輕核的核子在結合成即α粒子時比結合能較大。
但為什么不穩定能夠衰變為α粒子，如果我們引入原子核的質子-中子-α粒子結構學說，重新計算比結合能就可以看出，因為原子核中的質子與中子優先組成α粒子，中的8個核子組成2個α粒子，而兩個α粒子之間的結合能如公式(1)-2*=56.51-2*28.3=-0.053 (1)
由于兩個α粒子之間的結合能為負數，所以84Be僅用0.07fs就衰變為α粒子。
而84Be的比結合能為7.3相比臨近輕核比較大，所以說比結合能大并不代表原子核更穩定。
原子核的穩定性取決于個別核子。
核子在原子核中并不平等。
原子核的比結合能大小，與原子核的穩定性沒有必然的聯系。
不但由2個α粒子組成的原子核不存在，而且1個α粒子加1個核子的原子核自然界也不能存在，更加證明了原子核中質子與中子優先組成α粒子，α粒子以整體和周圍的質子、中子發生作用。
4.2 能夠解釋很多核反應現象
按照原子核組成N+M+E原理，我們可以解釋很多核反應現象。
表中第二行原子核，核組成為n個a粒子加一個質子。
該行原子核多不穩定。
能夠產生放射性反應生成正電子或者吸收軌道電子。
生成正電子或者吸收軌道電子，核中的質子均轉變為中子，從而形成穩定的核。
表中第四行原子核，核組成為n個a粒子加一個質子加一個中子。
該行隨著a粒子增多原子核變得不再穩定。
體現由穩定到衰變到不再存在過程。
該行不穩定的原子核也是能夠產生放射性反應生成正電子或者吸收軌道電子，核中的質子轉變為中子，從而形成穩定的核。
表中第五行原子核核組成為n個a粒子加二個中子。
該行隨著a粒子增多原子核變得穩定。
體現由不存在到衰變到穩定的過程。
即為n個α粒子加上2個核子組成。
其中、為n個α粒子加2個中子組成，、在自然狀態衰變其中的一個中子衰變時釋放出電子。
1919年，盧瑟福用a粒子作為高速“炮彈”來轟擊氮原子核，首先實現了原子核的人工破裂。
用a粒子轟擊氮原子核，能釋放氫核。
事實上并不是每一個原子核都能打出氫核，能夠打出輕核恰恰是有獨立質子的原子核。
如反應式(2)
(2)1930年伯特(Bothe)和貝克(Becker )用氦核轟擊�核時，發現有一種不帶電的粒子射線放出來，這粒子就是后來命名的中子。
按照原子核組成N+M+E原理，�核為2個α粒子加一個中子，射入氦核擊中了�核，未組成α粒子的中子才產生中子流。
如反應式(3)
(3)4.3 能夠解釋核物質的分布曲線
氧原子核的核物質的分布曲線如圖3：
為什么氧原子核的核物質的分布曲線如圖3，我們引進輕核原子核的質子-中子-α粒子結構學說，氧原子核由4個α粒子組成，它的形狀如圖4：
從它的形狀可以看出氧原子核中間是空的，由于原子核的量子效應無明顯邊界，所以出現原子核核物質分布在中心位置偏少。
5 結論
原子核由質子和中子組成。
對于核子數大于4的輕核原子核，原子核中的質子與中子優先組成42He即α粒子。
輕核原子核的結構為質子-中子-α粒子結構。
原子核性質的周期性是原子核結構周期性的外在表現。
各個原子核結構不同決定了原子核的性質不同。
對于輕核原子核隨著核子數的增加原子核的比結合能、穩定性以及核反應出現周期性的變化。
事實證明原子核的穩定程度取決于個別中子、質子、α粒子的結合能。
個別中子、質子、α粒子之間的結合能決定了原子核的放射性。
輕核中有獨立存在4α粒子，α粒子是輕核基本組成單元。
輕核原子核的結構，對于重核原子核結構的研究具有重要意義。
參考文獻
[1] 楊福家、王炎森、陸福全2006原子核物理(第二版)(上海：復旦大學出版社)第2頁.
[2] 程守洙、江之永1980普通物理學(第三冊 第3版)(上海：人民教育出版社)第374頁.
來自原子核的新啟示【2】
在自然界中存在一些不穩定的原子核，它們有時會自發地“放射”出一些粒子，從而轉變為另外一種原子核，這種原子核被稱為“放射性原子核”。
法國科學家亨利?貝克萊(Henri Becquerel)在1896年就發現了放射性現象，人類對于這種現象已經研究了上百年，早就不感到陌生了。
在微觀的原子核領域，由于受測不準原理的支配，人們不可能準確地預測某一個放射性原子核在什么時候進行衰變，放射出某種粒子(比如一個氦原子核或是一個電子)，從而轉變為另外一種原子核。
但是放射性元素總體的衰變速度是恒定的，每一種放射性元素都有其特定的衰變時間，比如考古學中常用到的碳-14測年法，就是利用碳-14原子核的半衰期大約為5730年，考古學家們可以通過檢測物體中碳-14原子核的殘留量來大致判斷物體的年份，放射性原子核的衰變時間(半衰期)長久以來都被認為是自然界中最值得信賴的一組常數。
1930年，有“原子核物理學之父”稱號的科學家歐內斯特?盧瑟福(Ernest Rutherford)在與詹姆斯?查德維克(James Chadwick)和查爾斯?艾利斯(Charles Ellis)合著的里程碑式的著作《放射性物質的輻射》中就寫道：“放射性原子核轉變的速度，在任何狀態下都是恒定的。”這已經成為原子核物理學的教條之一，在幾十年間，幾乎從來沒有人懷疑過。
實驗證明，在各種環境下，無論壓力、溫度或是濕度等等各種條件如何改變，放射性原子核衰變的速度總是保持恒定。
近來一對美國科學家則開始挑戰這個觀點，他們孜孜不倦地分析來自世界各地的關于原子核衰變實驗的資料，試圖找到其中細微變化的規律。
他們經過分析之后得出結論：放射性原子核衰變的速度與地球和太陽的距離有關。
這種“離奇”的結論在同行中的回應自然是不相信和排斥，但是這對孜孜不倦的科學家幾年來堅持搜尋各種資料來證明自己的觀點，從而也吸引了更多的注意力。
如果他們的觀點得到證實，毫無疑問，一扇通往新物理學的大門又將被開啟，但是在此之前，這個觀點將會經受更多、更嚴格的考驗。
來自美國普渡大學(Purdue Uni-versity)的物理學家以法蓮?費施巴赫(Ephraim Fischbach)和杰雷?詹金斯(Jere Jenkins)自從2006年起一直研究放射性原子核衰變速度的變化。
他們分析了美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven Nantional Laboratory)在1982至1988年間測量硅-32原子核衰變的數據，得到了一個令人吃驚的結論：硅-32原子核衰變的速度隨著季節的變化，大概有0.1%波動。
在排除了實驗環境對于測量結果的影響后，他們認為，正是地球與太陽之間距離的變化造成了這種波動。
換句話說，太陽可以影響放射性原子核的衰變!
這兩位科學家因此得出的結論是，在1月份，地球離太陽最近，受此影響，硅-32原子核的衰變速度最快;7月份時，地球離太陽最遠，因此硅-32原子核的衰變速度也就最慢。
他們把這個觀察結果寫成論文投稿給物理學界的權威雜志《物理評論快報》(Physics Review Letters)，但是并沒有被接受。
雜志編輯認為并沒有足夠的理論可以解釋這一現象。
但是這兩位科學家沒有因此喪失信心，他們把這篇論文發表在網絡上，并且繼續尋找新的證據來支持自己的觀點。
如此執著地尋找證據來證明一個沒有現成理論支持的實驗結論，兩位科學家相信他們正在發現一種新物理學。
費施巴赫自從20世紀80年代以來就因為一直努力尋找“第五種相互作用”而聞名物理學界。
現代物理學認為自然界普遍存在四種最基本的相互作用：電磁、引力、強相互作用與弱相互作用，而費施巴赫相信應該還存在“第五種相互作用”，這種相互作用或許是一種隨距離變化的斥力，但是始終因為缺乏可靠的證據而不被科學界所承認。
如果他真的可以證明太陽通過某種方式影響了放射性原子核的衰變速度，那么也許真的可以找到“第五種相互作用”的證據，這可能也是他們如此執著的原因之一。
這對科學家繼續研究了德國標準計量機構(PTB)在15年間測量鐳-226原子核衰變的數據，而且其中有兩年的時間與美國布魯克海文國家實驗室對于Si-32的測量時間重合，結果他們發現PTB實驗室對于鐳-226衰變的測量數據證實了他們之前的結論，同樣隨著地球與太陽距離的變化而產生變化。
2009年8月，他們把這個發現發表在《天體粒子物理學》(Astroparticle Physics)雜志上。
對于這種隨著太陽而起的變化，作者認為有可能是太陽附近某種未知場的作用，使得硅-32和鐳-226兩種完全不同的原子核進行的不同類型的衰變都受到了影響。
同時，作者也引用了劍橋大學科學家約翰?巴羅(John Barrow)和道格拉斯?肖(Douglas Shaw)2008年在《物理評論 D》(Physical Review D)雜志上發表的論文《變化的Alpha：季節性變化的新規則》(Varying Alpha：New Constraints from Seasonal Variations)，論述人們之前認為一成不變的“精細結構常數”和電子與質子的質量比有可能會隨著季節變化，這可能就是受太陽的引力場影響。
與之類似的情況則同樣有可能改變放射性原子核衰變的速度。
但是作者認為最可能的情況，則是從太陽上輻射的中微子(Neutrino)參與了放射性原子核的衰變過程，因此受到中微子輻射的程度直接影響了原子核的衰變速度。
對于這個解釋，大多數科學家并不能認同，因為根據目前人們對于中微子的理解，它只參與弱相互作用，與強相互作用則沒有關系。
硅-32原子核的衰變有弱相互作用參與，還可能受到中微子的影響，鐳-226原子核的衰變與之不同，是強相互作用的結果，按照現有的理論，中微子對其不會產生任何影響。
而這對美國科學家仍然堅信中微子是放射性原子核的衰變時間改變的原因，他們希望借此打開一扇新物理學的大門。
費施巴赫和詹金斯還繼續通過其他證據來證明自己的觀點——根據實驗觀測，錳-54原子核的衰變速度一直保持恒定，但是在2006年12月13日太陽產生了一次明亮的耀斑，之后在12月15日和17日又各有一次。
他們發現，在太陽活動最活躍的期間，錳-54原子核的衰變速度也相應地發生了變化，這也正是太陽(很可能是通過中微子)對于放射性原子核衰變速度有直接影響的證據。
但是對此反對的聲音在主流科學界也一直沒有中斷過，有人認為，在2006年12月太陽出現強烈耀斑期間，錳-54原子核的衰變速度是變慢而不是變快，這與費施巴赫和詹金斯之前的論述恰好相反，因此無法成為證據。
來自英國帝國理工學院的物理學家大衛?華克(David Wark)則說：“在你進行一些激進的解釋之前，你必須首先證明有些現象確實需要解釋。”費施巴赫和詹金斯對于太陽和放射性原子核衰變速度的關系上，可能顯得有些過于急躁，周圍環境的改變，比如壓力、溫度，或是濕度的改變，或者是探測儀器本身對于放射性原子核衰變速度產生影響可能更大于太陽施加的影響。
對此需要做更長時間的對比實驗才可能得出可信的結果，比方說在溫度幾乎保持不變的地球赤道上做實驗，在地球溫度變化相反的南北半球同時做一組對比實驗，或是由人類的太空探測器在太空中做實驗，只有進行艱苦的、長時間的對比實驗才可以證明太陽對于放射性原子核衰變速度的影響。
面對質疑，費施巴赫和詹金斯絲毫沒有放慢速度。
2012年8月，他們在《天體粒子物理學》雜志上發表論文，在考察了一個坐落在耶路撒冷的實驗室2007年1月至2010年5月的實驗數據之后，他們得出結論，放射性氣體氡氣的原子核衰變速度不僅隨季節變化，同時也隨每天時間的變化而改變：白天比夜晚的衰變速度更快，這似乎更有可能證明其中變化的原因在于太陽。
費施巴赫和詹金斯所聲明的新發現，已經吸引了越來越多人的注意。
起碼考古學家們不需要對此太過擔心，雖然考古學中確定物體年代所使用的碳-14測年法，正是依靠原子核衰變的速度進行鑒定，但是即使放射性原子核的衰變速度真的受外界影響，也必定只是微乎其微，不會影響到考古學的準確度。
物理學則面臨著嚴峻得多的考驗，在標準粒子模型日趨完善、最新發現的希格斯玻色子也表現得“中規中矩”時，新物理學的大門，也許正是由此打開。
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