物理学
核物理学
粒子物理学
原子物理

原子核的结构是什么样的?

请看清题,不是原子结构,是原子核的结构。 中子和质子在核内有着怎样几何拓扑结构?他们之间的距离有多远?是否会运动?是否有各自的轨道?
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直接看图会比较好

这是几种元素的核子分布函数(NLFs)模拟结果,左侧都是中子分布,右侧是质子分布。质子/中子在核内有明显的球对称壳层结构,和想象的小球堆叠完全不一样是吧~

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编辑于 2019-04-11 21:23

2019-04-07

原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质、内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间反应过程的学科。

在原子核被发现后,科学家们曾以为原子核是由质子和电子组成的。1932 年英国 James Chadwick 发现了中子,这才使人们认识到原子核可能具有更复杂的结构。质子和中子统称为「核子」,中子不带电,质子带正电荷,因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子相互吸引,但在两个质子之间的静电排斥力,比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以,一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为「核力」。核力来源于强相互作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计,核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。原子核主要由强相互作用力将核子结合而成,当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时,要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如铀原子核)在吸收一个中子以后,会裂变成两个较轻的原子核,同时放出 20-30 个中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合的过程叫做「聚变」。

原子核的组成。

自从发现质子和中子以来,物理界先后提出了好几种核模型,这些核模型各具特色,从不同侧面反映原子核的某些现象和某些性质,每种模型都只能解释一定范围内的实验事实。这是因为原子核内部的运动规律太复杂了,以致于人们还没有办法用现有的概念和数学,来包揽有关原子核的一切属性,何况迄今为止,人们对原子核的知识还在不断增加,随着人们认识水平的提高,理论概括的范围随之扩大。接着,我们就以诺贝尔物理学奖授予特殊贡献的物理学家的理论内容来逐一说明。例如,1938 年授予提出气体模型理论的 Enrico Fermi1963 年授予 Eugene Paul Wigner、Maria Goeppert-Mayer J. Hans D. Jensen1975 年则授予 Aage Niels Bohr、Ben R. MottelsonL. James Rainwater

气体模型(gas model),E. Fermi,1932 年——用来证明质子数和中子数相等的原子核最稳定。

Fermi 的气体模型把核子(中子和质子)看成是几乎没有相互作用的气体分子,把原子核简化为一个球体,核子在其中运动,遵守「泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)」。每个核子受其余核子形成的总势场作用,就好像是在一势阱中。由于核子是费米子,原子核就可看成是费米气体,所以,对核内核子运动起约束作用的主要因素就是「泡利不相容原理」。但由于中子和质子有电荷差异,它们的核势阱的形状和深度都各不相同。气体模型成功之处,在于它可以证明质子数和中子数相等的原子核最稳定。这一结论与事实相符。再有,用气体模型计算出的核势阱深度约为 -50MeV,与其它方法得到的结果接近。不过这一模型没有考虑核子之间的强相互作用,过于简单,难以解释后来发现的许多新事实。

费米能级。
液滴模型(liquid model),N. H. D. Bohr 和 Яков Ильич Френкель,1935 年——用来解释核分裂的现象。

「液滴模型」是根据如下事实:一是原子核每个核子的平均结合能几乎是一常数,即总结合能正比于核子数,显示了核力的饱和性另一是原子核的体积正比于核子数,即核物质的密度也近似于一常数,显示了原子核的不可压缩性。这些性质都与液滴相似,所以把原子核看成是带电荷的理想液滴,且原子核内的中子与质子均匀混合。1936 Bohr 用这个模型计算核反应截面,由此说明了一些核现象。1939 Bohr J. A. Wheeler 还用液滴模型成功地解释了核裂变。但是早期的液滴模型没有考虑核子运动,所以不能说明核的「自旋」等重要性质,后来加进某些新的自由度,液滴模型又有新的发展。

液滴模型。
壳层模型(shell model),M. G. Mayer 和 J. H. D. Jensen,1949 年——用来解释自旋和宇称的现象。

他们根据自然界中存在一系列幻数核的事实,即当质子数Z和中子数 N 分别等于下列数(称作幻数)之一:2、8、20、28、50、82、126 时,原子核特别稳定。这跟元素的周期性非常相似,因此启发了他们仿照原子的壳层结构理论提出原子核的「壳层模型」。壳层模型可以相当好地解释大多数核基态的「自旋(spin)」和「宇称(parity)」,对核的基态磁矩也可得到与实验大致相符的结果;但对电四极矩的预计与实验值相差甚大,对核能级之间的跃迁速率的计算也大大低于实验值,这些不足导致了核的集体模型的诞生。

壳层模型。
集体模型(corrective model),Aage Niels Bohr 和 Ben R. Mottelson,1953 年——解决了独立粒子核壳层模型的困难,成功地解决了球形核的振动、突型核转动和大四级矩实验事实。

集体模型也叫「综合模型」,在他们提出之前,L. J. Rainwater 1950 年就曾指出:具有大的电四极矩的核素,其核不会是球形的,而是被价核子永久地变形了。因为原子核内大部分核子都在核心,核心也就占有大部分电荷,因此即使出现小的形变,也会导致产生相当大的四极矩。在这一思想的基础上,Bohr Mottelson 提出了集体模型。他们指出,不仅要考虑核子的单个运动,还要考虑到核子的集体运动。集体模型(综合模型)实际上是对原子核中单粒子运动和集体运动进行统一描写的一种唯象理论。壳层模型和集体模型各有成功之处,把两种模型综合起来,可以更全面地解释各种原子核的实验事实

集体模型。

回头再来回答一些提问:

中子和质子是什么形状?

质子或中子的内部结构,可看成由三个称为「夸克 (quark) 」的更小单元被束缚在一起所组成,而以此建构出来「球状」对称的质子与中子模型也是普遍被接受。但在最新的研究中却发现,质子内部的电荷分布其实是成「椭球形」而非球形,而中子虽然也是由三个夸克所组成,但中子目前还是较难去测出结果。

中子和质子的距离有多远?

强核力(strong nuclear force)是原子核内把质子和质子,质子与中子结合在一起的一种力。中子的质量要比质子大,因为一个自由中子会衰变成一个质子加一个电子和反中微子。强力虽然能把核子结合在一起,但是它们的彼此的距离应靠的非常非常地近。实验证明,核子之间强力的「范围」是 10^{-15}M (一根头发丝的直径为 6×10^{-5}M )一旦超过这一范围,强力马上锐减为零

四大交互作用之比较。
两者是否产生运动?

当质子和中子紧靠在一起,其距离小于力的作用范围( 10^{-15}M )时,它们就能相互連接而形成原子核,并在这一过程中释放一个光子。1935 年日本汤川秀树提出了核子之间的强力来自“介子场”的交换。根据强力的作用范围,他推断出介子没有质量,像光子一样服从 \frac{1}{r^2} 的无穷大的作用范围。1941 年介子被发现,其测量的质量与汤川秀树所测的十分接近。

质子和中子通过介子交换。
有没有各自的轨道?

质子和中子受到强核力而束缚在原子核,并不像电子有自己的轨道。


分类科普 >>物理 >>固体

编辑于 2020-09-14 00:00

质子和中子之间用夸克的余力粘合在一起

发布于 2022-12-19 20:12

很有趣的问题。对于不同类型的原子核,其结构是不同的。一般来说都回采取壳模型,即粒子处于单粒子平均场中作完全独立的运动,核子排布类似于电子。中子数/质子数为幻数的,会形成稳定的满壳层,就形成稳定核,如pb-208。还有就是集体模型,侧重核子作为整体的运动,即形变。以及结团结构,如C-12的holye态,由3个α结团组成,在结团阈值附近存在α凝聚,结团间几乎无相互作用。

发布于 2022-12-19 17:14

原子核的结构图文解:

发布于 2020-06-07 17:28

原子核是重子分层互绕运动结构。互绕轨道半径越小速度越快,β衰变就是轨道半径逐渐缩小释放能量的现象。

发布于 2019-04-09 07:51

从不知不觉开始我们的化学就莫名其妙与量子力学扯上了关系,化学界开始用理论和定律来解释原子结构,很明显这些定律具有归纳性和不完全性,不像其他物理定律一样那么的精确且完美,因为化学研究的对象比一些物理模型复杂的多,例如经典力学。

这里我将把涉及量子力学及微积分的计算部分去掉,仅以定律的角度来描述原子结构。

1.slater规则

因为电子与电子电性相同,所以他们之间存在排斥作用,这导致了核对电子的吸引力被抵消,这种现象称为屏蔽效应,而slater规则就是计算原子轨道上的电子对原子核的屏蔽作用的规则。通过研究发现屏蔽作用只发生在内层电子对外层电子或对同层电子之间,外层电子对内层电子没有屏蔽作用。

2.钻穿效应

电子离核越近,受到的屏蔽作用越小,对原子核与电子之间静电力削弱就越小,原子轨道能量越低,这就是钻穿效应。

高中的结构化学并没有解释为什么铜的电子层结构为[Ar]3d104s1而不是[Ar]3d94s2,老师只是认学生去记,而不是去解释,但是通过钻穿效应我们就可以解释这个现象,为什么铜3d的能量比4s低,书上不是告诉我们3d的能量大于4s吗?这是由钻穿效应而导致的能级分裂现象,随核电荷数变化同一轨道的能量在不同的原子中出现差异,有的甚至能量降低到下一能级,导致了一些元素的原子的电子排布出现了例外的情况。


cotton能级图


这里给出3d,4s能量大小变化规律:

原子序数为Z

当Z=1~14,E4s>E3d,当Z=15~20,E4s<E3d,当Z>20,E4s>E3d.

3.自旋

人类对电子自旋的认识其实仅限它是电子的另一种运动形式,所以不要简单地把它类比为地球绕地轴自旋,它只是表示电子自身的两种不同状态,用(

)表示。

4.构造原理

(1)能量最低原理:电子应先充满层数较低和空间伸展方向少的轨道

(2)Pauli不相容原理:同一个原子轨道上,只能容纳自旋相反的两个电子

(3)Hund规则:

规则一:在填充能量相同的各个原子轨道时,电子总是以自旋平行的方式单独占有一个轨道

规则二:能量相同的轨道处于半充满或全充满时,体系能量最低,这两种状态相对比较稳定

发布于 2022-07-09 23:22

问对人了,刚学原子物理学,但是目前还只是刚进入原子的世界,学的还是跃迁, 原子核里面有质子和中子,具体等我学到了再跟你讲,等我

发布于 2019-04-18 09:07

单原子核(质子)是多面体的结构,有点象宝塔。所有的基本粒子都有多面体形的结构。所有的基本粒子的面数都是4基数,4面的倍数,即S=nD,S是面数,D是面的基数等于4个面,这是固定的,n是倍数,n不能小于某个数,只能大于某个数。当面数等于8面的倍数时,即S=n*2D时,原子核处于相对最稳定的形式。

所有的基本粒子的面数都只有以下两种形式:

(1)S=nD

(2)S=n*2D

n为正整数,其中S=n*2D属于各种基本粒子相对最稳定形式。

编辑于 2019-04-11 22:13