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原子与核物理

介绍

在本文中，我们将通过探索原子与核物理来深入了解物质的核心。现代物理学的这些领域涉及物质的最小构建块，带来了巨大的技术进步和对宇宙的深刻洞察。原子与核物理研究原子的结构、性质、行为及其相互作用。

理解原子

原子是我们周围一切事物的基本构建块。一个原子由一个由质子和中子组成的核构成，周围环绕着电子。理解原子是理解物质的关键。

原子结构

一个原子主要由三种类型的粒子组成：

质子：在原子核中发现的带正电的粒子。每种元素都有特定数量的质子。
中子：也是在原子核中发现的中性粒子。它们与质子一起占据了原子大部分的质量。
电子：在特定能量水平上绕原子核轨道运行的带负电的粒子，通常称为电子壳层。

氢原子：
质子数 = 1
中子数 = 0
电子数 = 1

原子的可视化

^- P ⁺

该图显示了一个简单的原子，由一个包含一个质子的核（灰色圆）和一个包含一个电子（红色圆）的轨道组成。

原子模型

多年来，人们提出了各种模型来解释原子的结构。让我们看看一些重要的原子模型：

汤姆逊模型

J.J. 汤姆逊提出了“梅子布丁模型”，其中电子像梅子一样分散在正电荷的“布丁”中。它表明原子是均匀的正电荷物质球，电子嵌入其中。

卢瑟福模型

厄恩斯特·卢瑟福通过用α粒子轰击金箔发现了原子核。这引出了一个模型，其中一个致密的原子核被绕行的电子围绕，就像行星绕太阳公转一样。

玻尔模型

由尼尔斯·玻尔发展出的这一模型引入了量子化的电子壳层，其中电子沿固定路径围绕原子核运行，同时守恒角动量。这一模型帮助解释了氢的稳定性和发射光谱。

玻尔电子轨道公式

r_n = frac{n^2 cdot h^2}{4 cdot pi^2 cdot k cdot m_e cdot Z cdot e^2}

其中：

r_n 是第n轨道的半径
h 是普朗克常数
m_e 是电子质量
Z 是原子序数
e 是元电荷

量子力学模型

现代原子模型使用量子力学来描述电子可能出现的势能区域，称为原子轨道。与先前的模型不同，量子力学不精确描述电子的位置，而是描述电子位置的概率分布。

核物理

我们现在将注意力转向原子的中心，即原子核。核物理研究原子核的力、反应和组成部分。

原子核的组成部分

质子：带正电，定义元素的原子序数。
中子：是中性的，有助于结合原子核，使其更稳定。

结合能

在核物理中，结合能是将原子核分裂为其组成的质子和中子所需的能量。更高的结合能意味着更稳定的原子核。

E_b = [Z m_p + (A-Z) m_n - M] c^2

其中：

E_b 是结合能
Z 是质子数
A 是质量数
m_p 是质子质量
m_n 是中子质量
M 是原子质量
c 是光速

核力

核力，又称强力，是质子与中子之间的力，将原子核结合在一起。强核力将质子和中子绑定成原子核，尽管质子之间存在排斥的电磁力。

放射性

放射性是指不稳定的原子核以辐射的形式释放能量的过程。它在许多元素中自然而然地发生，也可以通过人工诱导。

放射性衰变的类型

阿尔法衰变 (α)：原子序数减少2，质量数减少4，释放一个α粒子（2个质子和2个中子）。
贝塔衰变 (β)：一个贝塔粒子的发射（电子或正电子）将中子转换为质子，或反过来。
伽马衰变 (γ)：释放高能光子，通常在其他类型衰变后释放额外的能量。

半衰期

放射性同位素的半衰期是样本减少一半数量所需的时间。它是同位素稳定性的衡量标准。

N(t) = N_0 cdot left( frac{1}{2} right)^{frac{t}{t_{1/2}}}

其中：

N(t) 是时间t时未衰变核的数量
N_0 是初始核的数量
t_{1/2} 是半衰期

裂变和聚变

核裂变和聚变是通过改变原子结构释放能量的反应。这些反应推动了许多应用，从核反应堆到恒星。

核裂变

裂变是重核裂解为两个或多个更小核的过程，通常生成自由中子和光子。裂变释放大量能量。

铀-235的裂变示例：

^{235}U + n rightarrow ^{141}Ba + ^{92}Kr + 3n + text{energy}

核聚变

聚变是两个较轻的核结合形成较重核的过程。聚变推动恒星并产生比裂变更多的能量，但它需要极高的温度和压力。

氘聚变示例：

^{2}H + ^{3}H rightarrow ^{4}He + n + text{energy}