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輕核原子核結(jié)構(gòu)的探究論文
輕核原子核結(jié)構(gòu)的探究論文【1】
[摘 要]原子核由質(zhì)子和中子組成。
對(duì)于核子數(shù)大于4的輕核原子核，原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，然后再相互或與剩余的質(zhì)子和中子組成原子核;更確切地說(shuō)輕核原子核由中子、質(zhì)子和α粒子核組成。
α粒子以整體和周圍的質(zhì)子、中子、α粒子發(fā)生作用。
根據(jù)輕核原子核質(zhì)子-中子-α粒子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、性質(zhì)變化規(guī)律。
輕核原子核的性質(zhì)周期性是原子核結(jié)構(gòu)周期性的外在表現(xiàn)。
各個(gè)原子核結(jié)構(gòu)不同決定了原子核的性質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)相似的輕核性質(zhì)相似。
[關(guān)鍵詞]原子核、結(jié)構(gòu)、周期表、α粒子
1 引言
1932年查德維克發(fā)現(xiàn)中子。
此后海森伯和伊凡寧柯創(chuàng)立了原子核的質(zhì)子-中子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，利用原子核的質(zhì)子-中子結(jié)構(gòu)理論能夠解釋同位素的存在、能夠進(jìn)行核子的比結(jié)核能計(jì)算，從而得出裂變和聚變是兩種利用原子核結(jié)合能的方法。
1949年邁耶爾和簡(jiǎn)森提出了著名的核殼層模型， 核的殼層模型可以相當(dāng)好地解釋大多數(shù)原子核的基態(tài)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(duì)核內(nèi)的集體運(yùn)動(dòng)作了唯象的描述。
核的集體模型能夠很好的解釋核的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)[1]。
但以上理論都不能解釋輕核的比結(jié)合能周期性的漲落，更不能解釋個(gè)別原子核比結(jié)合能大，穩(wěn)定性差的原因。
2 原子核輕核的比結(jié)合能周期性的漲落和個(gè)別原子核比結(jié)合能大穩(wěn)定性差的現(xiàn)象
原子核輕核的比結(jié)合能周期性漲落可以從表1和圖1可以看出，輕核的比結(jié)合能在等處達(dá)到一些極大值。
極大值處輕核的質(zhì)子數(shù)是2的倍數(shù)，核子數(shù)是4的倍數(shù)。
是2個(gè)質(zhì)子4個(gè)核子。
是6個(gè)質(zhì)子12個(gè)核子。
是8個(gè)質(zhì)子16個(gè)核子。
輕核的比結(jié)合能周期是核子數(shù)的4倍。
根據(jù)傳統(tǒng)原子核結(jié)合能理論，不同的原子核，其穩(wěn)定程度不一樣，可用每個(gè)核子的平均結(jié)合能來(lái)說(shuō)明，稱為比結(jié)合能。
核子的比結(jié)合能愈大，原子核就愈穩(wěn)定[2]。
的比結(jié)合能為7.3，而相鄰的比結(jié)合能為5.60，比結(jié)合能為6.45。
但、比更穩(wěn)定，僅用0.07fs就衰變?yōu)?alpha;粒子。
可見比結(jié)合能愈大，原子核就愈穩(wěn)定并不成立。
傳統(tǒng)核理論并不能說(shuō)明核的穩(wěn)定性。
3 原子核結(jié)構(gòu)的猜想
從輕核的比結(jié)合能周期性的漲落可以看出，比結(jié)合能較大的輕核多數(shù)是核子數(shù)4的倍數(shù)，輕核的核子在結(jié)合成時(shí)結(jié)合能較大。
正是由于結(jié)合能較大，即α粒子能夠在原子核內(nèi)部?jī)?yōu)先生成并獨(dú)立存在。
不難猜想對(duì)于核子數(shù)大于4的輕核原子核，原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，然后再相互或與剩余的質(zhì)子和中子組成原子核，因此有必要提出輕核原子核的質(zhì)子-中子-α粒子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)。
輕核原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，已經(jīng)經(jīng)過實(shí)踐證明。
近代在英國(guó)的世界一流的探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)備NSF上，通過核碰撞過程研究，證實(shí)在一些輕核中確實(shí)形成了α結(jié)團(tuán)，如可看作是α與31H的兩個(gè)結(jié)團(tuán)。
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(gè)數(shù)，M為原子核中不參與組成α粒子的中子數(shù)，E為原子核中不參與組成α粒子的質(zhì)子數(shù)。
由于輕核原子核中優(yōu)先組成α粒子，所以輕核E的數(shù)值應(yīng)為1或0。
核子總數(shù)A=4N+E+M。
如果我們將輕核原子核按照其中α粒子的個(gè)數(shù)、質(zhì)子個(gè)數(shù)、中子個(gè)數(shù)排列成表。
表中相同α粒子的個(gè)數(shù)排成一列，相同質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)排成一行。
一些具有相同質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)的輕核具有相同或相似的性質(zhì)。
體現(xiàn)了原子核的結(jié)構(gòu)決定原子核的性質(zhì)。
根據(jù)輕核原子核的結(jié)構(gòu)和輕核原子核周期表我們可以解釋很多原子核的性質(zhì)。
4 根據(jù)輕核原子核的結(jié)構(gòu)能夠解釋的問題
4.1 能夠解釋輕核的比結(jié)合能周期性的漲落
表中第一行原子核，核組成為n個(gè)a粒子，輕核的比結(jié)合能周期性的漲落主要原因是、、、核子數(shù)是的倍數(shù)。
輕核的核子在結(jié)合成即α粒子時(shí)比結(jié)合能較大。
但為什么不穩(wěn)定能夠衰變?yōu)?alpha;粒子，如果我們引入原子核的質(zhì)子-中子-α粒子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，重新計(jì)算比結(jié)合能就可以看出，因?yàn)樵雍酥械馁|(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，中的8個(gè)核子組成2個(gè)α粒子，而兩個(gè)α粒子之間的結(jié)合能如公式(1)-2*=56.51-2*28.3=-0.053 (1)
由于兩個(gè)α粒子之間的結(jié)合能為負(fù)數(shù)，所以84Be僅用0.07fs就衰變?yōu)?alpha;粒子。
而84Be的比結(jié)合能為7.3相比臨近輕核比較大，所以說(shuō)比結(jié)合能大并不代表原子核更穩(wěn)定。
原子核的穩(wěn)定性取決于個(gè)別核子。
核子在原子核中并不平等。
原子核的比結(jié)合能大小，與原子核的穩(wěn)定性沒有必然的聯(lián)系。
不但由2個(gè)α粒子組成的原子核不存在，而且1個(gè)α粒子加1個(gè)核子的原子核自然界也不能存在，更加證明了原子核中質(zhì)子與中子優(yōu)先組成α粒子，α粒子以整體和周圍的質(zhì)子、中子發(fā)生作用。
4.2 能夠解釋很多核反應(yīng)現(xiàn)象
按照原子核組成N+M+E原理，我們可以解釋很多核反應(yīng)現(xiàn)象。
表中第二行原子核，核組成為n個(gè)a粒子加一個(gè)質(zhì)子。
該行原子核多不穩(wěn)定。
能夠產(chǎn)生放射性反應(yīng)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(zhì)子均轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶�，從而形成穩(wěn)定的核。
表中第四行原子核，核組成為n個(gè)a粒子加一個(gè)質(zhì)子加一個(gè)中子。
該行隨著a粒子增多原子核變得不再穩(wěn)定。
體現(xiàn)由穩(wěn)定到衰變到不再存在過程。
該行不穩(wěn)定的原子核也是能夠產(chǎn)生放射性反應(yīng)生成正電子或者吸收軌道電子，核中的質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶�，從而形成穩(wěn)定的核。
表中第五行原子核核組成為n個(gè)a粒子加二個(gè)中子。
該行隨著a粒子增多原子核變得穩(wěn)定。
體現(xiàn)由不存在到衰變到穩(wěn)定的過程。
即為n個(gè)α粒子加上2個(gè)核子組成。
其中、為n個(gè)α粒子加2個(gè)中子組成，、在自然狀態(tài)衰變其中的一個(gè)中子衰變時(shí)釋放出電子。
1919年，盧瑟福用a粒子作為高速“炮彈”來(lái)轟擊氮原子核，首先實(shí)現(xiàn)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(shí)上并不是每一個(gè)原子核都能打出氫核，能夠打出輕核恰恰是有獨(dú)立質(zhì)子的原子核。
如反應(yīng)式(2)
(2)1930年伯特(Bothe)和貝克(Becker )用氦核轟擊�核時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一種不帶電的粒子射線放出來(lái)，這粒子就是后來(lái)命名的中子。
按照原子核組成N+M+E原理，�核為2個(gè)α粒子加一個(gè)中子，射入氦核擊中了�核，未組成α粒子的中子才產(chǎn)生中子流。
如反應(yīng)式(3)
(3)4.3 能夠解釋核物質(zhì)的分布曲線
氧原子核的核物質(zhì)的分布曲線如圖3：
為什么氧原子核的核物質(zhì)的分布曲線如圖3，我們引進(jìn)輕核原子核的質(zhì)子-中子-α粒子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，氧原子核由4個(gè)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(yīng)無(wú)明顯邊界，所以出現(xiàn)原子核核物質(zhì)分布在中心位置偏少。
5 結(jié)論
原子核由質(zhì)子和中子組成。
對(duì)于核子數(shù)大于4的輕核原子核，原子核中的質(zhì)子與中子優(yōu)先組成42He即α粒子。
輕核原子核的結(jié)構(gòu)為質(zhì)子-中子-α粒子結(jié)構(gòu)。
原子核性質(zhì)的周期性是原子核結(jié)構(gòu)周期性的外在表現(xiàn)。
各個(gè)原子核結(jié)構(gòu)不同決定了原子核的性質(zhì)不同。
對(duì)于輕核原子核隨著核子數(shù)的增加原子核的比結(jié)合能、穩(wěn)定性以及核反應(yīng)出現(xiàn)周期性的變化。
事實(shí)證明原子核的穩(wěn)定程度取決于個(gè)別中子、質(zhì)子、α粒子的結(jié)合能。
個(gè)別中子、質(zhì)子、α粒子之間的結(jié)合能決定了原子核的放射性。
輕核中有獨(dú)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(jié)構(gòu)，對(duì)于重核原子核結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊福家、王炎森、陸福全2006原子核物理(第二版)(上海：復(fù)旦大學(xué)出版社)第2頁(yè).
[2] 程守洙、江之永1980普通物理學(xué)(第三冊(cè) 第3版)(上海：人民教育出版社)第374頁(yè).
來(lái)自原子核的新啟示【2】
在自然界中存在一些不穩(wěn)定的原子核，它們有時(shí)會(huì)自發(fā)地“放射”出一些粒子，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N原子核，這種原子核被稱為“放射性原子核”。
法國(guó)科學(xué)家亨利?貝克萊(Henri Becquerel)在1896年就發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象，人類對(duì)于這種現(xiàn)象已經(jīng)研究了上百年，早就不感到陌生了。
在微觀的原子核領(lǐng)域，由于受測(cè)不準(zhǔn)原理的支配，人們不可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)某一個(gè)放射性原子核在什么時(shí)候進(jìn)行衰變，放射出某種粒子(比如一個(gè)氦原子核或是一個(gè)電子)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N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(shí)間，比如考古學(xué)中常用到的碳-14測(cè)年法，就是利用碳-14原子核的半衰期大約為5730年，考古學(xué)家們可以通過檢測(cè)物體中碳-14原子核的殘留量來(lái)大致判斷物體的年份，放射性原子核的衰變時(shí)間(半衰期)長(zhǎng)久以來(lái)都被認(rèn)為是自然界中最值得信賴的一組常數(shù)。
1930年，有“原子核物理學(xué)之父”稱號(hào)的科學(xué)家歐內(nèi)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(zhì)的輻射》中就寫道：“放射性原子核轉(zhuǎn)變的速度，在任何狀態(tài)下都是恒定的。”這已經(jīng)成為原子核物理學(xué)的教條之一，在幾十年間，幾乎從來(lái)沒有人懷疑過。
實(shí)驗(yàn)證明，在各種環(huán)境下，無(wú)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(lái)一對(duì)美國(guó)科學(xué)家則開始挑戰(zhàn)這個(gè)觀點(diǎn)，他們孜孜不倦地分析來(lái)自世界各地的關(guān)于原子核衰變實(shí)驗(yàn)的資料，試圖找到其中細(xì)微變化的規(guī)律。
他們經(jīng)過分析之后得出結(jié)論：放射性原子核衰變的速度與地球和太陽(yáng)的距離有關(guān)。
這種“離奇”的結(jié)論在同行中的回應(yīng)自然是不相信和排斥，但是這對(duì)孜孜不倦的科學(xué)家?guī)啄陙?lái)堅(jiān)持搜尋各種資料來(lái)證明自己的觀點(diǎn)，從而也吸引了更多的注意力。
如果他們的觀點(diǎn)得到證實(shí)，毫無(wú)疑問，一扇通往新物理學(xué)的大門又將被開啟，但是在此之前，這個(gè)觀點(diǎn)將會(huì)經(jīng)受更多、更嚴(yán)格的考驗(yàn)。
來(lái)自美國(guó)普渡大學(xué)(Purdue Uni-versity)的物理學(xué)家以法蓮?費(fèi)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(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven Nantional Laboratory)在1982至1988年間測(cè)量硅-32原子核衰變的數(shù)據(jù)，得到了一個(gè)令人吃驚的結(jié)論：硅-32原子核衰變的速度隨著季節(jié)的變化，大概有0.1%波動(dòng)。
在排除了實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響后，他們認(rèn)為，正是地球與太陽(yáng)之間距離的變化造成了這種波動(dòng)。
換句話說(shuō)，太陽(yáng)可以影響放射性原子核的衰變!
這兩位科學(xué)家因此得出的結(jié)論是，在1月份，地球離太陽(yáng)最近，受此影響，硅-32原子核的衰變速度最快;7月份時(shí)，地球離太陽(yáng)最遠(yuǎn)，因此硅-32原子核的衰變速度也就最慢。
他們把這個(gè)觀察結(jié)果寫成論文投稿給物理學(xué)界的權(quán)威雜志《物理評(píng)論快報(bào)》(Physics Review Letters)，但是并沒有被接受。
雜志編輯認(rèn)為并沒有足夠的理論可以解釋這一現(xiàn)象。
但是這兩位科學(xué)家沒有因此喪失信心，他們把這篇論文發(fā)表在網(wǎng)絡(luò)上，并且繼續(xù)尋找新的證據(jù)來(lái)支持自己的觀點(diǎn)。
如此執(zhí)著地尋找證據(jù)來(lái)證明一個(gè)沒有現(xiàn)成理論支持的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，兩位科學(xué)家相信他們正在發(fā)現(xiàn)一種新物理學(xué)。
費(fèi)施巴赫自從20世紀(jì)80年代以來(lái)就因?yàn)橐恢迸ふ?ldquo;第五種相互作用”而聞名物理學(xué)界。
現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為自然界普遍存在四種最基本的相互作用：電磁、引力、強(qiáng)相互作用與弱相互作用，而費(fèi)施巴赫相信應(yīng)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?yàn)槿狈煽康淖C據(jù)而不被科學(xué)界所承認(rèn)。
如果他真的可以證明太陽(yáng)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(jù)，這可能也是他們?nèi)绱藞?zhí)著的原因之一。
這對(duì)科學(xué)家繼續(xù)研究了德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量機(jī)構(gòu)(PTB)在15年間測(cè)量鐳-226原子核衰變的數(shù)據(jù)，而且其中有兩年的時(shí)間與美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)于Si-32的測(cè)量時(shí)間重合，結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)PTB實(shí)驗(yàn)室對(duì)于鐳-226衰變的測(cè)量數(shù)據(jù)證實(shí)了他們之前的結(jié)論，同樣隨著地球與太陽(yáng)距離的變化而產(chǎn)生變化。
2009年8月，他們把這個(gè)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《天體粒子物理學(xué)》(Astroparticle Physics)雜志上。
對(duì)于這種隨著太陽(yáng)而起的變化，作者認(rèn)為有可能是太陽(yáng)附近某種未知場(chǎng)的作用，使得硅-32和鐳-226兩種完全不同的原子核進(jìn)行的不同類型的衰變都受到了影響。
同時(shí)，作者也引用了劍橋大學(xué)科學(xué)家約翰?巴羅(John Barrow)和道格拉斯?肖(Douglas Shaw)2008年在《物理評(píng)論 D》(Physical Review D)雜志上發(fā)表的論文《變化的Alpha：季節(jié)性變化的新規(guī)則》(Varying Alpha：New Constraints from Seasonal Variations)，論述人們之前認(rèn)為一成不變的“精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)”和電子與質(zhì)子的質(zhì)量比有可能會(huì)隨著季節(jié)變化，這可能就是受太陽(yáng)的引力場(chǎng)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(rèn)為最可能的情況，則是從太陽(yáng)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(duì)于這個(gè)解釋，大多數(shù)科學(xué)家并不能認(rèn)同，因?yàn)楦鶕?jù)目前人們對(duì)于中微子的理解，它只參與弱相互作用，與強(qiáng)相互作用則沒有關(guān)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(qiáng)相互作用的結(jié)果，按照現(xiàn)有的理論，中微子對(duì)其不會(huì)產(chǎn)生任何影響。
而這對(duì)美國(guó)科學(xué)家仍然堅(jiān)信中微子是放射性原子核的衰變時(shí)間改變的原因，他們希望借此打開一扇新物理學(xué)的大門。
費(fèi)施巴赫和詹金斯還繼續(xù)通過其他證據(jù)來(lái)證明自己的觀點(diǎn)——根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，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(yáng)產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)活動(dòng)最活躍的期間，錳-54原子核的衰變速度也相應(yīng)地發(fā)生了變化，這也正是太陽(yáng)(很可能是通過中微子)對(duì)于放射性原子核衰變速度有直接影響的證據(jù)。
但是對(duì)此反對(duì)的聲音在主流科學(xué)界也一直沒有中斷過，有人認(rèn)為，在2006年12月太陽(yáng)出現(xiàn)強(qiáng)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(fèi)施巴赫和詹金斯之前的論述恰好相反，因此無(wú)法成為證據(jù)。
來(lái)自英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的物理學(xué)家大衛(wèi)?華克(David Wark)則說(shuō)：“在你進(jìn)行一些激進(jìn)的解釋之前，你必須首先證明有些現(xiàn)象確實(shí)需要解釋。”費(fèi)施巴赫和詹金斯對(duì)于太陽(yáng)和放射性原子核衰變速度的關(guān)系上，可能顯得有些過于急躁，周圍環(huán)境的改變，比如壓力、溫度，或是濕度的改變，或者是探測(cè)儀器本身對(duì)于放射性原子核衰變速度產(chǎn)生影響可能更大于太陽(yáng)施加的影響。
對(duì)此需要做更長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)才可能得出可信的結(jié)果，比方說(shuō)在溫度幾乎保持不變的地球赤道上做實(shí)驗(yàn)，在地球溫度變化相反的南北半球同時(shí)做一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，或是由人類的太空探測(cè)器在太空中做實(shí)驗(yàn)，只有進(jìn)行艱苦的、長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)才可以證明太陽(yáng)對(duì)于放射性原子核衰變速度的影響。
面對(duì)質(zhì)疑，費(fèi)施巴赫和詹金斯絲毫沒有放慢速度。
2012年8月，他們?cè)凇短祗w粒子物理學(xué)》雜志上發(fā)表論文，在考察了一個(gè)坐落在耶路撒冷的實(shí)驗(yàn)室2007年1月至2010年5月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，他們得出結(jié)論，放射性氣體氡氣的原子核衰變速度不僅隨季節(jié)變化，同時(shí)也隨每天時(shí)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(yáng)。
費(fèi)施巴赫和詹金斯所聲明的新發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)吸引了越來(lái)越多人的注意。
起碼考古學(xué)家們不需要對(duì)此太過擔(dān)心，雖然考古學(xué)中確定物體年代所使用的碳-14測(cè)年法，正是依靠原子核衰變的速度進(jìn)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(huì)影響到考古學(xué)的準(zhǔn)確度。
物理學(xué)則面臨著嚴(yán)峻得多的考驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型日趨完善、最新發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子也表現(xiàn)得“中規(guī)中矩”時(shí)，新物理學(xué)的大門，也許正是由此打開。
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