【种花家务·物理】4-09-05中子『数理化自学丛书6677版』

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

(资料图片)

第九章原子核的结构

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】 

§9-5中子

【01】1930年，德国物理学家玻特和白克尔在仔细研究 α 粒子所引起的核反应时，发现一种轻元素铍(Be)在 α 粒子的轰击下并不发射质子，而放出一种穿透能力非常强的射线来；后来又发现轻元素硼(B)在 α 粒子的轰击下也会产生同样的情况。当时他们错误地以为这种射线是一种 γ 射线。根据这种射线在透过铅板后强度减弱的情况，可以肯定它的能量在 10 百万电子伏特左右，即要比任何天然放射性物质所发出的 γ 射线的能量来得大。

【02】到了1932年，伊丽芙·居里和约里奥·居里又进一步发现，这种射线在穿过石蜡或其他含氢物质时会使这些物质放出速度约为 3×10⁷ 米/秒的质子来。如果认为这些质子的产生是由于原子核受到 γ 光子碰撞的结果，那么计算表明，这种 γ 光子的能量至少应该具有 50 百万电子伏特，否则就不可能给质子那么大的速度，然而这跟实际测得的数据 10 百万电子伏特有矛盾。后来恰德维克又对这种射线在经过不同物质时的情况进行了系统的研究，他指出，只有假定铍(Be)、硼(B)等轻元素的原子核在 α 粒子的轰击下，放出的不是 γ 光子，而是一种质量跟质子差不多的中性粒子，才能解决上面的矛盾。恰德维克把这种中性粒子叫做中子。不久，这个假定就被其他许多实验证实了。

【03】图9·10所示的是恰德维克用来表明中子穿过石蜡片时，能使石蜡放出质子来的实验装置。图中左边的容器Ⅰ是用来产生中子的。其中有个金属盘 P，上面涂着一层钋(Po)作为 α 粒子源；B 是铍(Be)片，它在 α 粒子的轰击下就发出中子。图中右边的容器 Ⅱ 是个带有铝箔窗 W 的电离室，即是一个简单的盖革计数器。放在电离室前面的是石蜡片 D  。

【04】实验时，先不放石蜡片 D，我们就会看到，在左右两容器相隔 3 厘米时，计数器上指出每分钟的粒子数是 4。很明显，这并不等于说每分钟只有 4 个中子进入容器 Ⅱ。因为中子不带电，所以它在进入电离室后不能使其中的气体电离，而只有极少数的中子可以在撞击电离室器壁的过程中引起原子核的运动从而产生离子，因而计数器对进入容器 Ⅱ 的中子计数是不精确的。如果在容器间放入一块铅片，计数器上的计数并不会减少，这表明中子的穿透能力是很强的。当我们在容器间放入一块石蜡片 D 时，计数器上的计数就大大地增多了，这说明含氢的石蜡片 D 在中子的轰击下放出了速度很高的质子，这些质子在容器 Ⅱ 内产生了强烈的电离作用。如果取走石蜡片 D，让中子直接进入容器 Ⅱ，则计数器上的计数就又回降到原来的数字。

【05】因为中子是中性粒子，它在磁场或电场中并不发生偏转，所以我们不能利用它在磁场或电场中的径迹来计算它的质量。但是当它穿过物质时，它将与物质中的原子核发生碰撞，从而把能量传给原子核，使原子核运动。这种受到中子碰撞而发生反冲运动的原子核就叫做反冲核。根据这种碰撞情况利用动量、能量守恒定律就可以间接地把中子的质量推算出来。恰德维克就是利用这种方法得出中子质量接近于质子质量的结论。根据最新的数据，中子质量等于 原子质量单位；而质子质量等于 原子质量单位。因此我们可以把中子的符号写作为 ₀n¹；于是前面提到的关于中子产生的核反应方程可以写作 ；  。

【06】此外，我们还发现，除了氧和碳以外，原子序数在 19 以下的轻元素，在 α 粒子的轰击下大都能产生中子。例如 ；  。

【07】通常我们把这种核反应叫做 α-n 型核反应.由此可知，轻元素的原子核在 α 粒子的轰击下不一定放出质子，也可能放出中子。

【08】因为中子是中性粒子，很难使气体电离，所以中子不能使荧光物质发出闪光，也不能使乳胶片“感光”；同时我们也不能利用威耳逊云室来观察它的径迹，或是利用盖革计数器来对它进行计数。因此我们只能用间接的方法来探测它的存在和它的能量值。例如当中子和原子核碰撞而产生反冲核时，这些反冲核在它们的径迹上产生大量的离子，这些离子可以在威耳逊云室中被观察到，这样也就间接地探测到中子的存在。同时我们还可以根据反冲核的射程来确定中子的能量。又例如当中子在穿过乳胶片时，虽然中子本身并不能留下径迹，但是它能使乳胶中轻元素的原子核发射质子，于是我们就可以根据这些质子在乳胶中的射程来推测质子的能量，从而间接地把中子的能量也推算出来。

【09】因为中子是中性粒子，它不象带电粒子那样容易和原子中的电子发生相互作用，所以当中子经过物质时，能量损失很少，这也就是中子具有很强的穿透能力的原因。中子可以穿透几十厘米厚的铅板。

【10】因为中子是中性粒子，所以当它经过物质时，很容易接近原子核而使它发生嬗变。我们知道，用 α 粒子作为“炮弹”来轰击原子核时，命中的可能性是很小的，大约需要 10⁶ 个 α 粒子“炮弹”才能使一个原子核发生嬗变。因为 α 粒子荷正电，要受到原子核的推斥，故不易击中原子核，又因为绝大多数的 α 粒子在跟原子核发生碰撞以前，必须经过很多的原子，结果就把大部分的能量损失在使那些原子电离上，而剩下来的能量已经不足以侵入原子核，所以只有少数 α 粒子才能引起原子核的嬗变。中子的情况就不同，因为中子没有电荷，在经过原子时，不会跟核外电子相互作用而损失能量，所以中子可以自由地通过很多原子，这样命中原子核的机会就多了。因此，在核反应中，中子是一种很好的“炮弹”，中子几乎能使一切元素的原子核发生嬗变。例如卢瑟福曾经利用当时最快的 α 粒子作“炮弹”，也没有能引起氧原子核的嬗变；但是利用中子来轰击氧原子核，就能使它放出 α 粒子而嬗变成碳 13 了。

【11】下面就来介绍几种由中子所引起的核反应。实验表明，不但高能量的中子容易引起核反应，就是低能量的中子也同样容易引起核反应，有时甚至比能量大的中子更为有效。例如有几种轻元素的原子核在低能量的中子的轰击下会放出 α 粒子来。这种核反应通常称为 n-α 型核反应。如；  。

【12】一般用来检查中子是否存在的灵敏探测器就是利用上述核反应的原理制成的。它的构造很简单，就是在一个电离室的内壁上涂一层含硼的化合物，当中子进入室内时，由于碰撞内壁而产生的 α 粒子可以使室内气体电离，这样就可以确定中子的存在。除 n-α 型核反应外，还有 n-p 型、n-2n 型的和 n-γ 型的核反应等。例如；；；  。

【13】核反应的种类很多，我们不仅可以用 α 粒子和中子作“炮弹”，而且还可以用质子、氘核（重氢核 ₁H²）、γ 光子等粒子作为“炮弹”来轰击原子核，使它发生嬗变。实验表明，各种能量不同的粒子都有可能进入原子核，但是进入原子核的可能性的大小却跟粒子所具有的能量有关，粒子所具有的能量越大，那么与原子核碰撞时，进入原子核的机会也就越多。因此为了提高“炮弹”的能量，就可以运用加速器来获得能量高达几十个甚至几百个百万电子伏特的高速粒子。用加速的碳原子核、氮原子核、氧原子核等来做“炮弹”轰击原子核时，可以获得某些罕见的不稳定同位素和新元素。如最近用加速的碳原子核 ₆C¹³ 来轰击锔(Cm)时，发现了电荷数 Z 等于 102 的超铀元素。【加速器是用人工方法来产生高速带电粒子的设备，加速器的种类很多，例如静电加速器是通过一个很高的电压来加速带电粒子的加速器，回旋加速器是通过一个不很高的电压来反复多次地加速带电粒子的加速器，电子加速器是专门用来加速电子的加速器等等】

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