【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)
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。】
§9-2放射性射线的性质
【01】我们已经知道，天然放射性射线是由 α、β 和 γ 等三种性质不同的射线组成的。α 射线是带正电的高速粒子流，β 射线是带负电的高速粒子流，而 γ 射线是一种光子流。现在我们进一步来研究它们的性质。
【02】根据 α 射线在电场和磁场中的偏转情况，我们可以确定：α 粒子的荷质比约为电子荷质比的 1/3600。同时利用盖革计数器可以测出 1 克纯镭每秒钟放出 ×10¹º 个 α 粒子，再测出这些粒子所带的总电量后，就可以算出 α 粒子所带的电荷 q＝＋2e，它的质量 M＝4 原子质量单位【原子质量单位就是化学里的原子量，1 个原子质量单位约等于 ×10⁻²⁴ 克】。由此可知 α 粒子就是失去 2 个电子的氦原子，即氦原子核。为了验证这一点，卢瑟福早在1909年就做过一个实验，图9·5就是这个实验装置的示意图。图中 A 是一个薄玻璃管，它的厚度以 α 粒子可以穿透为准。A 管安置在一个上端比较狭细的厚玻璃管 B 里，B 管的上端还封有两个电极。实验时先把 B 管内的空气抽空，并封以水银；然后在 A 管里放入少许镭盐，作为 α 粒子源。几天以后，A 管里的 α 粒子就穿过玻璃壁而进入 B 管，这时我们提高 B 管内的水银面以把其中含有 α 粒子的稀薄气体压入 B 管狭细部分，同时在两极上加上高电压，则 B 管上端就会有放电现象产生，从而发生强烈的光芒，经过光谱分析可知，其中有氦气存在。这说明 α 粒子在放电过程中获得了 2 个电子而变成了氦原子。
【03】此外，在所有能放出 α 粒子的放射性物质的矿穴中，总可以发现有氦气存在；而在所有没有放射性物质的矿穴中又都没有氦气存在。这些事实也充分说明 α 粒子是氢原子核。
【04】关于 α 粒子的速度，实验表明：不同的放射性物质所放射的 α 粒子的速度是各不相同的，但同一种放射性物质所放射的 α 粒子速度几乎是一定的。α 粒子的速度最高可达 2×10⁷米/秒，用这样的速度只要 2 秒钟就可以绕地球一周。
【05】α 射线很容易被其他物质所吸收，一片很薄的云母片，或者一片只有 毫米厚的铝片就可以把 α 射线全部吸收掉。这是因为 α 粒子带有 2 个单位正电荷，对电子的电磁作用很大，所以当它经过物质时，很容易使物质电离，而在它的径迹上产生许多离子对【失去了电子的原子（即离子）和它所失去的电子合称为离子对】。由于 α 粒子每产生一对离子，都要消耗它本身一定的动能，因此它们在经过其他物质时，总是愈走愈慢，最后就和物质中的某 2 个电子结合成氦原子。所以在物质中电离作用愈强的射线，就愈容易被物质吸收。
【06】为了描述 α 粒子或者其他带电粒子被物质吸收的情况，通常我们把带电粒子在物质中所走过路程的长短叫做射程，带电粒子的种类不同，能量不同，或者在不同的物质中，它的射程就不同。下表所列的就是具有不同能量的 α 粒子在几种物质中的射程。我们可以根据 α 粒子在威耳逊云室里的径迹来确定它在一定物质中的射程，从而来测量 α 粒子的能量。
【07】β 射线是一种贯穿能力较大的放射性射线，大多数 β 粒子都能够穿过几毫米厚的铝片。根据 β 射线在磁场中的偏转情况，可以测出它的能量和速度，由于 β 粒子的荷质比远大于 α 粒子的荷质比，因此测量时不需要很强的磁场。β 射线有很多性质跟阴极射线相似，但是 β 粒子所具有的能量却比通常观测到的阴极射线能量高得多。后来才知道，β 射线原来是一种高速电子流；β 粒子就是电子。β 粒子的速度很大，例如由放射性镭放出的 β 粒子，速度几乎接近光速。
【08】β 粒子所带的电量 q＝－e，只有 α 粒子所带电量的一半；它的质量 M＝ 原子质量单位，约为 a 粒子质量的1/7200，因此 β 粒子在经过物质时，电离作用较弱，不象 α 粒子那样容易被物质所吸收；而射程却要比 β 粒子大得多。例如 3 百万电子伏特能量的 α 粒子在 1 个大气压 15°C 的空气中，其射程约为 厘米，在每毫米路程中约产生 4000 个离子对；而能量相同的 β 粒子在同样的空气中射程约为 1000 厘米，在每毫米路程上只能产生 4 个离子对。β 粒子在每毫米路程上产生的离子对数目随着它速度的减低而增加，最后就成了物质中的自由电子，或者与某个离子结合成中性原子。下表所列的是不同能量的 β 粒子在几种物质中的射程。
【09】β 粒子与 α 粒子的性质不同还可以从它们在威耳逊云室里的径迹中表现出来。图9·6就是关于它们的径迹的照片。α 粒子由于电离作用强，而又不易散射，因此它的径迹粗而浓，并且很直；β 粒子由于电离作用较弱，而且容易散射，因此它的径迹细而稀，并且有弯弯曲曲的现象。
【10】γ 射线常伴随着 α 射线或者 β 射线产生。它的性质与一般的可见光、紫外线、伦琴射线很相似，也是由光子组成的。所不同的是 γ 射线的能量很大，一个 γ 光子的能量约在几十万电子伏特以上，而一般可见光的光子只有几个电子伏特。
【11】γ 射线被物质吸收的情况和 α、β 等带电粒子被吸收的情况不同，因为光子的速度是固定不变的。γ 光子在经过物质时，可能把全部能量传给原子中的一个电子而使原子电离；也可能把一部分能量传给原子中的一个电子或者传给自由电子，从而本身变成能量较低的光子，同时改变了运动方向，离开了原来的光子流。所以 γ 射线在经过物质时，速度并不减小，只是光子数目逐渐减少。因此对于 γ 射线来说，研究它的射程意义并不大，通常我们总是用穿过多厚的物质后强度减弱多少来说明 γ 射线被物质吸收的情况。实验表明：γ 射线在空气中飞行了几百米以后，强度并没有显著的减弱。下表列出了使不同能量的 γ 射线强度减弱一半所需要的物质的厚度。
【12】从原子核能够发射 γ 射线的事实，可以知道原子核中也存在着能级，原子核中能量的分布也是一级级的，或者说原子核能够处在各种激发状态中。当原子核从能级较高的激发状态跃迁到能级较低的状态时，就发出 γ 射线来。这个现象和原子中的电子从能级较高的激发状态跃迁到能级较低的状态时发射可见光或者伦琴射线十分相似。由于原子核中能级间的能量差很大，一般说来，要比电子壳层间的能量差大得多，因此发射出来的 γ 射线的能量比可见光也大得多。
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