一、天然放射現象

1896年，法國物理學家貝克勒爾發現，軸和含軸的礦物能夠發出看不見的射線，它能穿透黑紙使照相底版感光。受到貝克勒爾的發現的鼓舞，波蘭裔法國物理學家瑪麗·居裡和她的丈夫皮埃爾·居裡

對軸和含軸的各種礦石進行了深入研究。他們發現了一種瀝青中的含鈾物質，根據它的含軸量計算發出的射線不會太強，但實際測得的射線要強得多。進一步研究後，發現這種瀝青中還存在着兩種能夠發出更強射線的新元素，居裡夫人把其中一種元素命名為钋（Po），另一種元素命名為鐳（Ra）。

物質發出射線的性質稱為放射性（radioactivity），具有放射性的元素稱為放射性元素。後來發現，放射性并不是少數元素才有的，原子序數大于83的元素，都能自發地發出射線，原子序數小于或等于83的元素，有的也能發出射線。放射性元素自發地發出射線的現象，叫作天然放射現象。

二、射線的本質

發現了天然放射現象之後不久，人們就在想，這些射線到底是什麼呢？

把放射源軸、钋或鐳放入用鉛做成的容器中，射線隻能從容器的小孔射出，成為細細的一束。若在射線經過的空間施加磁場，可以發現射線分裂成三束，其中兩束在磁場中向不同的方向偏轉，這說明它們是帶電粒子流；另一束在磁場中不偏轉，說明它不帶電（圖）。

于是，人們把這三種射線分别叫作α射線、射線和y射線。

☞[what]如果α射線、β射線都是帶電粒子流，按照圖中标出的徑迹判斷，它們分别帶什麼電荷？

如果不用磁場而用電場判斷它們帶電的性質，兩個電極怎樣放置可以使三種射線大緻沿圖示的方向偏轉？

物理學家們經過多方面的研究後确認α射線、β射線和γ射線具有以下特征。

α射線 是高速粒子流，粒子帶正電，電荷量是電子的2倍，質量是氫原子的4倍，其組成與氦原子核相同。α粒子的速度可以達到光速的1/10。由于α粒子帶電，質量又比較大，通過氣體時很容易把氣體分子中的電子剝離，使氣體電離。由于與物質中的微粒作用時會損失自己的能量，α粒子穿透能力較弱，在空氣中隻能前進幾厘米，用一張紙就能把它擋住。

β射線 是高速電子流，它的速度更大，可達光速的99％。它的電離作用較弱，穿透能力較強，很容易穿透黑紙，也能穿透幾毫米厚的鋁闆。

γ射線 是能量很高的電磁波，波長很短，在10⁻¹⁰m以下。它的電離作用更弱，穿透能力更強，甚至能穿透幾厘米厚的鉛闆和幾十厘米厚的混凝土。實驗發現，如果一種元素具有放射性，那麼，無論它是以單質存在的，還是以化合物形式存在的，都具有放射性。放射性的強度也不受溫度、外界壓強的影響。由于元素的化學性質決定于原子核外的電子，這就說明射線與這些電子無關，也就是說，射線來自原子核。這說明原子核内部是有結構的。

α射線、β射線都是高速運動的粒子，能量很高，γ射線是波長很短的光子，能量也很高。

☞從原子内部能夠射出這樣高能的粒子，這使人們意識到原子核是一個能量的寶庫。

☞射線使原子中的電子脫離核的束縛成為自由電子，這樣的過程叫作電離。射線的上述作用叫作電離作用。

三、原子核的組成

1919年，盧瑟福用鐳放射出的α粒子轟擊氮原子核，從氮原子核中打出了一種新的粒子（圖）。

根據這種粒子在電場和磁場中的偏轉，測出了它的質量和電荷量，原來它就是氫原子核，叫作質子（proton），用p表示。以後，人們用同樣的方法從氟、鈉、鋁等原子核中都打出了質子，由此斷定，質子是原子核的組成部分。

質子帶正電荷，電荷量與一個電子的電荷量相等。質子的質量為

mp＝1.672621898×10⁻²⁷kg

☞[what]原子核是隻由質子組成的嗎？如果原子核中隻有質子，那麼，任何一種原子核的質量與電荷量之比，都應該等于質子的質量與電荷量之比。但事實是這樣的嗎？

實際情況并非如此。絕大多數原子核的質量與電荷量之比都大于質子的相應比值。盧瑟福猜想，原子核内可能還存在着另一種粒子，它的質量與質子相同，但是不帶電，他把這種粒子叫作中子（neutron）。1932年，盧瑟福的學生查德威克通過實驗證實了這個猜想（圖）。

中子不帶電，用n表示。中子的質量是

mn＝1.674927471×10⁻²⁷kg

它與質子的質量非常接近，隻比質子質量約大千分之一。質子和中子除了是否帶電的差異以及質量上的微小差别外，其餘性質十分相似，而且，都是原子核的組成成分，所以統稱為核子（nucleon）。

由于中子不帶電，原子核所帶的電荷等于核内質子電荷的總和。所以，原子核所帶的電荷總是質子電荷的整數倍，通常用這個整數表示原子核的電荷量，叫作原子核的電荷數，用Z表示。原子核的質量等于核内質子和中子的質量的總和，而質子與中子的質量幾乎相等，所以原子核的質量幾乎等于單個核子質量的整數倍，這個倍數叫作原子核的質量數，用A表示。

原子核的電荷數就是核内的質子數，也就是這種元素的原子序數，而原子核的質量數就是核内的核子數。原子核常用符号ᴬᴢX表示（圖），

X為元素符号，A表示核的質量數，Z表示核的電荷數（即原子序數）。

☞原子核的電荷數不是它所帶的電荷量，質量數也不是它的質量。

例如，氫原子核可以表示為¹₁H，有時也用它表示質子。

氦原子核可以表示為⁴₂He，它有2個質子和2個中子，所以電荷數是2，質量數是4。又如，²³⁸₉₂U代表一種軸核，它的質量數為238，電荷數為92，即核内有92個質子、146個中子。

元素的性質與原子核外的電子有密切的關系。同種元素的原子，質子數相同，核外電子數也相同，它們就會具有相同的化學性質。但是，它們的中子數可能不同。這些具有相同質子數而中子數不同的原子核組成的元素，在元素周期表中處于同一位置，因而互稱同位素（isotope）。

氫有三種同位素，分别叫作氕（也就是通常說的氫）、氘（也叫重氫）、氚（也叫超重氫），符号分别是¹₁H、²₁H、³₁H（圖）。

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