一、原子结构

人们对微观世界的探索由来已久，原子结构理论的形成却经历了一个漫长的过程。远古时代的哲学家对物质的结构提出了许多设想，有人认为物质是由简单的、不可分割的基本单元即“原子”构成，这就是原始的原子学说。建立在科学基础上的原子学到了近二三百年内才发展起来。1666年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643—1727）发现了光谱，在后来著成的《光学》一书中，他认为光是由非常微小的微粒组成的，普通物质是由较粗微粒组成的。1803年，约翰·道尔顿（John Dalton，1766—1844）提出了原子论，认为化学元素是由原子构成的，而原子是微小的不能再分的实心球体。1897年，约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson，1856—1940）发现了电子，由此否定了道尔顿的“实心球”模型。1911年，汤姆逊的学生欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）根据α粒子的散射实验提出了原子的核式模型假设，即原子是由原子核和核外电子所组成。从此以后，原子就被分成两部分处理：核外电子的运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核则成了另一门学科——原子核物理学的主要研究对象。原子和原子核是物质结构的两个层次，但也是相互关联又泾渭分明的两个层次。

电子是人类发现的第一个微观粒子。电子带负电荷，电子电荷值为

e＝1.602 177 33×10－19 C

电子电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。电子的质量为

me＝9.109 389 7×10－31 kg

原子核带正电荷，原子核的电荷集中了原子的全部正电荷。

原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征的，原子可以设想为电子以原子核为中心的、在距核非常远的若干轨道上运行。原子的大小即半径约为10－8 cm的量级。以铝原子为例，其半径约为1.6×10－8 cm，铝金属的密度ρ＝2.7 g／cm3。

根据原子的核式模型，原子由原子核和核外电子组成。原子核核外电子又常称为轨道电子，把电子看成沿一定的轨道运动，不过是一种近似的模型，但它能很好地解释元素周期表及一系列光谱的特性。实际上，电子在核外各轨道呈一定的概率分布，但在一定的“轨道”上的概率分布较大而已。

原子的轨道电子离核的距离是不能取任意值的，这也是微观世界的量子特性的一种表现。电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层。

最靠近核的一个壳层称为K层，在它外面依次为L壳层、M壳层、N壳层、O壳层等，依次类推。通常用量子数n（n＝1，2，3，…）代表壳层，并分别对应K壳层，L壳层，M壳层……壳层。每个壳层最多可容纳2n2个电子，以K壳层而言，最多可容纳2个电子；L壳层最多可容纳8个电子；M壳层为18个电子……

处于不同壳层的电子具有不同的位能，通常用能级图来表示其大小。由于核带正电，电子带负电，当电子由无穷远处移动到靠近原子核的位置时是电场力做功，K壳层的能级最低，或者说负得最多。

能级的能量大小就等于该壳层电子的结合能。假如要使该壳层电子脱离核的束缚成为自由电子就需外界做功。结合能是负值，通常以keV为单位，K壳层电子的结合能的绝对值最大。

二、X线

在正常状态下，电子先充满较低的能级，但当原子受到内在原因或外来因素的作用时，处在低能级的电子有可能被激发到较高的能级上（称为激发过程）；或电子被电离到原子的壳层之外（称为电离过程）。在这种情况下，在原来的低能级上会留下一个空位，更高能级上的电子就跃迁到这个空位，相应放出此两能级之差的能量，一般这部分能量主要以电磁辐射的形式释放一个光子。当发生内壳层电子跃迁（如K层出现一个空位，L层电子跃迁到K层）时，光子能量较高，或者说其电磁辐射的频率比较高，而且不同元素的原子均有不同、特定的能量，所以，通常又称作特征X线。

X线广泛用于医疗、工业和科研部门，一般由X线机产生。最常见的X线机是工作电压低于400 kV的各种医用诊断机、深部治疗机、工业探伤机和X线衍射仪。至于能量高达2 MeV～30 MeV的高能X线都由电子加速器产生。

图1-3 X线管及X线产生的示意图

X线机主要由X线管和高压电源组成。X线管由安装在真空玻璃壳中的阴极和阳极组成，如图1-3所示。阴极是钨制灯丝，它装在聚焦杯中。当灯丝通电加热时，电子就“蒸发”出来。聚焦杯的作用是使这些电子聚焦成束，直接向嵌在铜阳极中的靶体射出。高压加在X线管两极之间，使电子在射到靶体之前被加速达到很高的速度。靶体一般用高原子序数的难熔金属如钨、铂等制成。当电子达到靶原子核附近时，在原子核库仑场的作用下，运动突然受阻，其能量以电磁波（X线）的形式放出。假如一个电子的全部动能E变成一个光子，就可获得最大能量的X线，也就是最短波长的X线。由X线管产生的X线的波长分布，以最短波长为起点，形成如图1-4所示的连续谱，称为轫致X线（或连续X线），简称为X线。

图1-4 能量为65、100、150、200 keV电子轰击厚钨靶时产生的连续X线谱和特征X线

三、核素和原子核衰变

1896年，安东尼·亨利·贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel，1852—1908）发现了铀的放射现象，这是人类第一次在实验室里观察到原子核现象。他发现用黑纸包得很好的铀盐仍可以使照相底片感光，实验结果说明铀盐可以放射出能透过黑纸的射线。通常人们把这一重大发现看成是核物理学的开端。随后，1897年皮埃尔·居里（Pierre Curie，1859—1906）和玛丽·居里（Marie Curie，1867—1934）夫妇发现放射性元素钋和镭。1903年，卢瑟福证实了α射线是正电荷的氦原子核，β射线是电子。1911年进而提出原子的核式模型。1932年，詹姆斯·査德威克（James Chadwick，1891—1974）发现中子。沃纳·卡尔·海森堡（Wemer Karl Heisenberg 1901—1976）则提出原子核由质子和中子组成的假设。

（一）原子核的组成及其表示

在发现中子之前，当时人们知道的“基本”粒子只有两种：电子和质子。因此，把原子核假定是由质子和电子组成的想法就非常自然了，但从其一开始就遇到了不可克服的困难。

在查德威克发现中子之后，海森堡很快就提出原子核由质子和中子所组成的假说。上述困难就不再存在，而且有一系列的实验事实支持这一假说。

中子和质子的质量相差甚微，它们的质量分别为：

这里，u为原子质量单位。1960年国际上规定把12 C原子质量的1／12定义为原子质量单位，用u表示：

1u＝1.6605402±0.0000010×10－27kg

1u＝1.6605402±0.0000010×10－24g

1u＝931.494012MeV／c2

原子核的质量远远超过核外电子的总质量，因此，原子的质量和原子核的质量非常接近。原子核的线度只有几十飞米（1fm＝10－15m＝10－13cm），而密度高达1011kg／cm3。物质的许多化学及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关，而放射现象则主要归因于原子核。

中子为中性粒子，质子为带有单位正电荷的粒子。在提出原子核由中子和质子组成之后，任何一个原子核都可由符号X来表示。左下标Z表示质子数或正电荷数，左上标A（A＝N＋Z）为核内的核子数，又称质量数。核素符号X与质子数Z具有唯一、确定的关系，如HeOU等。Z在原子核中为质子数，在原子中则为原子序数。只要元素符号X相同，不同质量数的元素在周期表中的位置相同，就具有基本相同的化学性质。例如和都是铀元素，两者只相差3个中子，它们的化学性质及一般物理性质几乎完全相同；但是，它们是两个完全不同的核素，它们的核性质完全不同。

（二）核素（nuclide）

核素是指在其核内具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子。例如iPb是独立的两种核素，它们有相同的质量数而原子核内含有不同的质子数SrY是原子核内含有不同的质子数和相同的中子数的独立的两种核素Co和Co是独立的两种核素，它们的原子核内含有相同的质子数和中子数，而核所处的能态是不同的。

（三）原子核衰变

已经发现的天然存在的和人工产生的核素约2000个，其中天然存在的核素约有332个，其余皆为人工制造的。天然存在的核素可分为两大类：一类是稳定的核素，如Ca、Bi等，自然存在的稳定核素约有270个；另一类是不稳定的核素。不稳定核素是指其原子核会自发地转变成另一种原子核或另一种状态并伴随一些粒子或碎片的发射，它又称为放射性原子核，如Po（发射α粒子）Ra（发射α粒子、β粒子）、Au（发射β粒子）。

在无外界影响下，原子核自发地发生转变的现象称为原子核的衰变。核衰变有多种形式，如α衰变、β衰变、γ衰变，还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。