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第2章原子核的发现

放射发现的新世界

随着19世纪接近尾声，许多科学家觉得所有重要的科学问题都已经得到解答了，然而这只是一厢情愿的想法。科学家甚至不能在物质是由原子构成的这件事上达成一致，更不用说解释像铜为什么是红色这样基本的问题了！大多数人单纯地觉得铜里有“红色”，今天这样的说法是不能被接受的，铜的颜色应由更具说服力的证据来解释，这需要我们对原子结构更透彻的理解。但我们是如何研究原子结构的呢？原子是如此之小，许多人都怀疑它的存在。

我们能研究原子完全是因为一个科学惊喜。1895年，威廉·伦琴以X射线的发现震惊世界。他一直在实验室里研究是什么让一些照相底版起雾。这些底版一直被小心翼翼地包裹着，以防止光线照射到上面。伦琴最终发现雾化来自气体放电管发出的一些不可见射线。X射线的发现震惊了世界：这就是神秘的新射线，它可以穿透固体材料，使照相底版起雾。不久以后，世人又对用X射线拍成的手骨照片赞叹不已。

X射线

X射线的发现引发了世界各地的科学家投入研究。这也同样引起了公众的极大兴趣，这个热潮在几十年后仍未减退。

手骨照片

X射线在第一次世界大战期间开始发挥自己的作用。这张图是一只带有炮弹碎片的手，取自居里夫人的《战争中的放射学》一书，出版于1921年。（居里与约里奥-居里档案馆）

神秘的X射线似乎是从一根管子在黑暗中发光的部分“流”出来的，它发着荧光。这一特性引起了巴黎的亨利·贝克勒耳的注意。贝克勒耳当时正研究一种铀化合物，他知道这种化合物也会发出这样“阴森”的光。他发现，这种来自铀的辐射光就像X射线一样，可以穿透保护照相底版不受光线影响的黑纸，并在未冲洗的底版上留下痕迹（见图“新射线留下的痕迹”）。与X射线不同的是，关闭X射线管后X射线就会消失，而铀化合物的辐射是持续的。贝克勒耳很快就发现，任何含铀的化合物，甚至是纯金属铀都有同样的能力。

一时间，X射线成为人们的兴奋点，却很少有人意识到贝克勒耳的发现意义之重大，人们过了很久才认可这一发现。毕竟，X射线在医学和工业方面有非常直观的应用，同时引出了许多科学问题。X射线也让人浮想联翩，当年流行的卡通片拿它开起了玩笑，说新射线（指X射线）将如何穿透维多利亚时代的衬裙。

放射性元素的猎取

住在巴黎的居里夫人是当时为数不多的受到贝克勒耳的研究启发，从而继续研究这个方向的科学家之一，毕竟当时只发现了铀和铀化合物可以发射X射线。居里夫人有着伟大科学家的本能，她发现了一个了解自然的全新窗口。很快她就发现，另一种元素钍有着和铀相同的性质。在19世纪90年代之前，钍的氧化物只是拿来让煤气灯变亮，而铀化合物自罗马时代以来就一直被用作玻璃中的黄色染色剂。这些曾经令人乏味的元素即将站在科学舞台的中央，提供独特线索，让我们更好地研究物质结构。

新射线留下的痕迹

照片上有一个浅淡的十字形状图案，这表明一个十字形状的金属吸收了一些辐射，并映射到了底版上。底版是用纸包好、挡住了光线的。这张图由亨利·贝克勒耳制作。

和铀元素一样，钍存在于什么样的化合物中并不重要。所有形态的钍——金属单质钍、氧化钍等，都和含铀元素的物质一样，会放射出相同的射线。这些射线在没有任何外部能量来源的情况下依然能稳定地放射出来。居里夫人首先用“放射性”一词来描述铀和钍所发出的辐射。居里夫人原名玛丽·斯克洛多夫斯卡，那时她刚从波兰来到巴黎，与皮埃尔·居里结婚，当时皮埃尔·居里本人已在物理学上有一些重要发现了（见图“居里夫妇”）。居里夫人随后又发现了一种新的放射性元素——钋元素，这是一种存在于铀矿中的微量元素，之后又发现了镭——一种比铀的放射性强得多且非常罕见的元素。这些发现新元素的故事一直鼓舞、启发着人们。

居里夫妇

皮埃尔·居里，1859—1906；居里夫人，1867—1934。1989年，他们在实验室里。（居里与约里奥-居里档案馆）

和铀不同，单质镭会在黑暗中发光，同时辐射出热量。即使是居里夫人提取的极少量镭，也能辐射出不少的热量。镭作为强大辐射源，可以在实验中被进一步利用，因此很快变得非常珍贵。在早期人们就研究用它治疗癌症的可能性，这就是放射疗法的开始。

卢瑟福加入了探索行列

与此同时，一名新西兰年轻人欧内斯特·卢瑟福来到英国剑桥大学，与当时最伟大的实验物理学家之一约瑟夫·汤姆孙一起工作。汤姆孙对X射线使空气导电的原理颇为在意。我们把塑料尺子放在羊毛衫上摩擦，塑料尺就能吸起小纸片，这是因为它得到了电子，多带了一些电荷。而在X射线仪器附近，带电的尺子很快就会失去得到的电荷，因为周围的空气可以导电，尺子上多的电荷就能“流”到空气中。而空气具有导电性是X射线从原子中释放出一些电荷与空气中的中性分子碰撞，（电子）从而使中性分子电离所致。

印有欧内斯特·卢瑟福（1871—1937）人像的钞票

卢瑟福在放射性领域有许多发现。1931年，他成为纳尔逊的卢瑟福勋爵，为了庆祝他封勋，新西兰政府把他印在了当地的百元大钞上。

最早是汤姆孙和卢瑟福着手探索了X射线的电离。除此以外，贝克勒耳发现的X射线也能电离空气中的中性分子，探索这种新现象很快点燃了卢瑟福的热情。大约也是这个时候，汤姆孙暂停了X射线方面的研究，他有了一个重大的发现：电荷存在于一个“封装包”或者说一个粒子中，现在人们称这种粒子为电子（见图“电子的发现”），因为这一发现，他获得了诺贝尔物理学奖。现在关于电子的一些知识已经是众所周知的了，比如电线中的电流是电子的流动，电子是每个原子的关键组成部分。

电子的发现

汤姆孙用这个仪器发现了电子，这是阴极射线管的前身，在平面屏幕出现之前，计算机显示器和电视机中都有它。图中，从阴极C发出的电子撞击射线管远端的荧光屏，留下一个光点。汤姆孙的天才之处在于对带电体，即后来的电子射线路径的解释。电极A和B带正电，吸引电子通过狭缝，随后它们的路径被电场和磁场弯曲，电场来自电极D和E，磁场则来自外部线圈。

撼动科学的根基

在汤姆孙研究电荷性质时，卢瑟福取得了他的第一个重大进展：他发现了两种不同的放射性。在没有现代仪器的时代，这可不是一个微不足道的发现。这一发现彰显了卢瑟福过人的洞察力和独创性，正是这些特质让卢瑟福声名远扬。

他发现一种射线高度电离且易被吸收，甚至薄薄的纸片也能吸收它。他命名这种射线为α射线。另一种辐射穿透力则强得多，被命名为β射线。最终，γ射线也被发现。（见图“3种射线”）

3种射线

α射线会被一张薄纸阻挡，但β射线和γ射线能通过纸张。β射线会被薄铝箔阻挡，但γ射线能轻松通过薄铝箔，甚至是几厘米厚的铅板。

此后不久，卢瑟福确立了放射性最令人费解的特征之一：无论有多少放射性物质，在经过一个半衰期的时间后，其一半会消失，也就是说经过两个半衰期后，就只剩下开始的1/4了，以此类推。这一性质被称为指数式衰减，这一概念与第3章中要说的原子的量子力学性质息息相关。在这些发现之后，他又有了另一个重要发现，并凭借这一发现，获得了1908年的诺贝尔化学奖，这让他很高兴。

化学界的坚定信念被终结

元素是化学的基石。我们周围种类繁多的物质是由碳、氧、氢和氮等元素以不同方式组合而成的。在20世纪初，化学界有一个坚定的信念：原子永远不会改变。碳原子永远是碳原子，铁原子一直是铁原子，金原子不可能由铅原子组成，而一个原子一旦是铀原子，那它自然一直是铀原子。卢瑟福和他的同事弗雷德里克·索迪（当时正和他一起在加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学工作）推翻了这种想法。他们发现放射这个过程会把一种元素转化为另一种元素。不知何故，一种原子放射出一种粒子就成了另一种原子。数千年来，多少人想用铅来制造黄金，人们为此经历无数的徒劳尝试总结的原子不可变的经验就这样被卢瑟福推翻了，他的新结论自然得到了不少骂声。一些报道称，卢瑟福说过：“不要把这个过程叫成嬗变，索迪，否则他们会把我们当成炼金术士的！”卢瑟福和索迪的一种原子会转化为另一种原子的想法在最初遇到了阻力，甚至遭到了居里夫妇的反对。然而在几年内，卢瑟福、索迪和许多其他科学家提出了大量压倒性的证据，“嬗变”得以被广泛接受。许多人很快就参与了这项复杂的研究，试图弄清楚一种元素会转化成另一种什么元素。由于知道了α射线和β射线的性质，加上γ射线的发现，这项研究变得容易多了。

辐射的性质

在发现α射线和β射线之后，物理学家们便热衷于研究它们的性质。β粒子相对容易辨别，它的辐射路径很容易因强磁场而发生偏转，这说明它带电，且其质量为原子质量的数千分之一。β粒子很快就被确定为电子，即汤姆孙发现的最小电荷载体。

α粒子的性质则较难确定。它当然是带电的，但它的辐射路径很难因磁场而发生偏移，这意味着它的质量一定比电子大得多。卢瑟福发现α粒子是氦离子，换句话说是失去电子的氦原子，所以带正电。

地球年龄之谜

嬗变的提出和对α射线、β射线的理解为人们利用放射性进行多种测量提供了理论基础。1905年，卢瑟福声称可以知道自己口袋里岩石的年龄，只因为他知道α粒子是氦离子。

岩石中天然含有微量的放射性铀，这些铀元素转化为另一种元素并在此过程中“吐出”氦离子。氦离子很快会再获得丢失的电子，成为中性的氦原子后被“困”于岩石中。人们在实验室中研究这些岩石，以了解它们含有多少氦原子。

知道了岩石中锁住的氦原子数量，卢瑟福就可以确定自岩石成形以来已经过去了多长时间。要确定这个时间，他必须考虑到岩石中的铀元素和其他元素的数量，比如铅，铅是从铀开始的一系列嬗变的最终产物。今天，这样的分析对地质学而言至关重要，通过研究放射性物质的衰变来确定岩石的年龄是一个高速发展的核技术应用，我们在第7章中会详细介绍相关内容。

在推翻了化学界的坚定信念——元素不能从一种转化为另一种——之后，放射性这一性质也开始威胁到物理学的基石：能量守恒定律。能量可以从一种形式转化为另一种形式，但一个系统的总能量始终保持不变。放射性物质怎么能莫名涌出能量？这是一个真正的难题。后来人们发现核粒子的总质量在经过放射性衰变后会变小。阿尔伯特·爱因斯坦首先证明了质量的损失意味着能量的释放。

但在1904年，在爱因斯坦发表相对论之前，核能解决了另一个令人困扰的问题。伟大的物理学家开尔文勋爵曾估计地球的年龄不可能超过1亿岁，否则地核应该有足够的时间冷却下来。地质学家普遍认为地球的年龄要比1亿岁大得多，而生物学家说生命需要比1亿年更多的时间来进化。卢瑟福指出，地下的放射性矿物可以是额外的热源，因此地球的年龄就有可能比1亿岁大了。事实上，他口袋里的石头本身就比开尔文估计的地球年龄大得多。

地球年龄

我们的蓝色星球大约存在了46亿年。如果不是因为地核里的核物质衰变，地球早就冷却成一个实心球了，就不会有板块构造、地震或火山。这将在第7章中进一步讨论。（由美国航天局的玛丽特·亨托夫特-尼尔森、弗里茨·哈斯勒、丹尼斯·切斯特斯，夏威夷大学的戈达德和托本·尼尔森友情提供）

放射性的另一个应用有着里程碑式的意义：研究物质的内部结构。卢瑟福意识到，放射性也许能告诉我们一些比地球年龄更加本质的东西：他发现了原子核。

无形之物的签名

尽管每个α粒子的尺寸小得令人难以想象——其大小大约是跳蚤的十亿分之一，但单个α粒子依然可以被探测到。这一事实让我们能利用放射性来探究所有物质的基本结构。

α粒子撞击硫化锌屏幕会产生微小闪光点（称为闪烁）。我们能看到这些闪烁证明人的眼睛对微小的光也是极其敏感的。可是这样的敏感需要代价——只有在漆黑的房间里花上几小时适应，眼睛才会如此敏感——这是早期放射性探索者们乐意付出的代价。发生闪烁这件事本身也很重要，它是说服一些科学家相信原子存在的关键论据之一。

在20世纪前10年，凭借当时对原子的认识，人们对原子的结构有各种猜想。其中最广为人知的是汤姆孙提出的“葡萄干蛋糕”模型。根据他的猜想，带负电的电子像葡萄干一样点缀在由带正电的物质组成的蛋糕中。尽管他不知道蛋糕里有多少个“葡萄干”，但他知道肯定有足够多的电子来使正负电荷平衡，因为原子是电中性的。这个模型的特点在于正电荷分布在整个原子中，而不是集中在某一点上。汤姆孙和他同时代的科学家从未指望这样的模型能够得到检验，因为在当时，对于看到原子本身这件事，任何显微镜都束手无策，至于要观察原子内部的结构则更是天方夜谭。

细胞核的发现

1907年，卢瑟福来到英国曼彻斯特，在那里他用α粒子做了许多严谨细致的实验（见图“盖格和卢瑟福在曼彻斯特”）。有一件事让他感到非常困惑：当α粒子穿过空气或云母薄片时，它的路径好像以极小的角度偏离了直线。普通人可能耸耸肩就过去了，而他发现了事情的本质——如果α粒子通过的原子的模型是像汤姆孙提出的“葡萄干蛋糕”模型，它的路径就不会发生任何偏转。卢瑟福让欧内斯特·马斯登帮忙，欧内斯特·马斯登是他的同事汉斯·盖格带的本科生。卢瑟福有次说起这件事：“有一天盖革来找我说：‘你不觉得跟我学放射性的小马斯登应该开始做个小研究吗？’我也是这么觉得的，所以我就说：‘那就让他看看是否有α粒子会被大角度地散射吧。’”

在盖革计数器发明之前，为进行这项研究，盖格和马斯登不得不一边用显微镜观察，一边手动记录α粒子撞击硫化锌屏幕时产生的微小闪光点。他们在放射源和屏幕中间放了一片金箔，当α射线穿过金箔时，一些α粒子会被金箔散射。就这样，他们测量了偏转的α粒子的比例。

盖格和卢瑟福在曼彻斯特

汉斯·盖格（左），1882—1945，与欧内斯特·卢瑟福一起，在卢瑟福位于英国曼彻斯特的实验室里。这张照片是在发现原子核前后拍摄的。（科学博物馆、科学与社会图片库提供）

大多数α粒子是直接穿过金箔的，只被轻微偏转，而有一小部分但数量不容忽视的α粒子则被大角度地散射了。通过图“测量结果”可以看到，偏转了20度的粒子数量是偏转了120度的粒子数量的1×103倍。这让卢瑟福感叹道：“这就好比你向一张纸巾发射了一枚15英寸（1英寸=2.54厘米）的炮弹，而它反弹回来击中了你。”卢瑟福知道，葡萄干蛋糕模型中的正电荷过于分散，无法提供α粒子偏转所需的巨大能量，毕竟α粒子几乎是以光速移动的。只有原子的大部分质量和电荷都集中在一个很小的范围内，才可能凝聚足够的能量使α粒子偏转。当然，α粒子不可能被电子反弹回来，因为电子的质量约为α粒子的八千分之一，这就好像用一粒米使保龄球的轨迹发生偏移一样不可能。

测量结果

图中的曲线是卢瑟福的预测，即大部分α粒子会被小角度散射，被大角度散射的α粒子会少得多。图中的叉号是盖格和马斯登的测量结果，与预测曲线非常吻合。要是根据那些没有原子核的原子模型预测，所有的α粒子几乎都不会被散射。

因此卢瑟福推断，α粒子一定被原子中心一个体积小而密度大且带电的原子核所散射。因为如果正电荷均匀地分布在原子中，那么所有的α粒子都会穿过金箔而几乎不发生偏转。

散射解开谜团

盖格和马斯登用金原子做的第一个简单实验为物质的革命性新蓝图的绘制打下了坚实的基础。我们需要对物质进行更细致的描述，而我们需要的描述在这个实验之后很快就出现了。卢瑟福根据有核原子模型，计算出了不同类型的材料能以什么角度散射多少α粒子。计算的时候，他用了化学界最新的理论，该理论能预测铝、银和金的原子核可能有多少电荷。

盖格和马斯登用α粒子轰击了许多物质。从图“α粒子的散射”中可以了解到大致的实验装置原理。他们在黑暗中用显微镜观测硫化锌微小闪光点的数量，然后煞费苦心地计算了直接穿过各种薄金属箔和被反弹回来的α粒子数量的比例，还有从各种角度被散射的α粒子数量的比例。要让实验结果有意义，就需要进行大量的实验以获得足够数量的被大角度散射的α粒子，而完成这些实验需要极大的耐心。卢瑟福坦率地承认，他没有足够的耐心来完成这些工作。

α粒子的散射

盖格和马斯登用来验证卢瑟福对α粒子散射预测的仪器。R是α粒子发射器，F是金属箔，S是荧光屏，M是用来观察的显微镜。可以四处移动荧光屏和显微镜，以便数清被以不同角度散射的α粒子的数量。右上部分的示意图模拟了对一些被小角度散射的α粒子的观测，右下部分的示意图模拟了对一些被大角度散射的α粒子的观测。

盖格和马斯登的测算结果与卢瑟福的预测几乎完全吻合，你可以在图“测量结果”中看到。凭借自己的慧眼与耐心，这些先驱者有了重大的发现：原子有核。这一发现不仅给物理学带来了变革，也改变了天文学、化学、生物学乃至我们对世界的看法。实验甚至让我们确定氢原子核和氦原子核的直径一定小于4飞米（1飞米= 1×10−15米），而金原子核一定不大于40飞米。形象地说，1飞米之于1微米相当于1微米之于1千米。再形象地说，一个普通原子核的大小相对于1米而言就好比一个针头相对于地球到太阳的距离，见图“类比太阳系”。

这些实验的贡献远不止证明原子核存在这么简单。它们开创了一种研究自然的新方法：散射实验。即使在今天，研究原子和原子核最重要的方法依然是向一个目标发射一束粒子，并观察它们如何被散射。面对半径仅为（2～3）×10−10米的原子和不及原子万分之一的原子核，当时的人们当然想不到能从哪些方面了解它们，可近100年后，我们已经知道了大量关于它们的知识，而这些知识主要来自散射实验。今天，这类散射实验比盖革和马斯登的复杂得多，可它们都基于同一个原理。今天的粒子加速器比起当时的放射源能提供更高的能量和更高强度的粒子，科学家也不用继续坐在黑暗的房间里用肉眼观察和数闪光点。他们可以使用复杂的电子探测器来观察，用阵列式计算机来分类和存储实验产生的几吉字节的数据。随着时间的推移，散射实验所用的仪器变得越来越复杂和精密，而欧洲核子研究中心的大型强子对撞机只是其中较新的一个而已，它也是通过散射能量越来越高的粒子来了解物质结构的。

卢瑟福知道，他的有核原子模型还有许多未解之谜。比如，如果所有的正电荷都在中间这个小小的原子核中，而带负电荷的电子则像行星围绕太阳一样围绕原子核运动，那为什么这些会被正电荷吸引的电子没有贴上原子核并让原子核电中和呢？原子和太阳系之间有一个重要的区别：地球和其他行星都处于围绕太阳的稳定轨道上，而轨道上的电子会在围绕原子核运动时失去能量，因为电子在加速时会放出辐射。在做圆周运动的粒子，即使其速度大小不变，也有一个指向圆心的加速度。通过辐射产生能量损失意味着电子应该迅速地旋近原子核。要解决这个难题，需要科学新人的天才头脑。

类比太阳系

通过原子的α粒子的路径可能被强烈偏转，用太阳系做类比，这个现象就很容易理解了。彗星的轨道在靠近太阳的地方会非常弯曲，这是因为在靠近太阳的地方，彗星受到的太阳引力很大，在离太阳远的地方受到的太阳引力则小得多。如果太阳的质量是分散在整个巨大的太阳系中的，那来自太阳系外的物体的路径就只会被微弱地偏转。同样，如果正电荷不是集中在一个很小的原子核里，α粒子的路径也只会被微弱地偏转。（尤里安·鲍姆）

在轨道上的电子

在英国曼彻斯特，一个叫尼尔斯·玻尔的丹麦年轻人正在卢瑟福这里长期访学。玻尔回答了卢瑟福提出的问题，该回答也解释了一个令人费解的现象：当有电流通过氢气时，会有光产生。每种元素都会发出特定颜色的光，见图“原子的指纹”。瑞士教师约翰·巴耳末早些时候在分析氢气所发光的颜色时发现了一个意义重大的数学规律。科学家们认为，像巴耳末系这样如此符合数学规律的现象一定有一个明确的解释。从图“原子的指纹”中可以看出其他元素的光谱都比氢这个最简单的元素的光谱复杂得多。

原子的指纹

每种元素都有独特的光“指纹”，也就是光谱。每种元素被加热时会发出特定的不同颜色的光，这些光可以通过棱镜或其他类型的光谱仪来观察，由此产生的图案被称为发射光谱。让由所有颜色的光组成的白光穿过某种特定元素的蒸气，这个元素相应的原子会吸收与元素蒸气相同颜色的光，剩下的光称为吸收光谱，看上去是一系列的黑线。图片上的一系列光谱是诺曼·洛克耶在1874年出版的《天文学初级课程》（Elementary Lessons in Astronomy）一书的封面图案。洛克耶首先发现了太阳上的氦元素，当时氦都还没有在地球上被找到，他也因此成名。也正是因为这个原因，该元素被命名为“Hēlios”，即希腊语的太阳。

巴耳末系

氢原子的可见光谱中有4条线，每条都对应了氢原子会发出的特定能量。该能量由电子跃迁产生，是当氢原子从它的一个能级跃迁到另一个能级时发生的现象。

玻尔对卢瑟福的模型进行了一些高明的改进，提出了自己的模型，从而解释了为什么电子不贴近原子核这一神秘的现象，同时完美解释了巴耳末系产生的原因。模型的基本思路是，电子围绕原子核旋转时是被限制在一系列的固定轨道上的，所以它们不会贴近原子核，当它们在轨道上时就不会辐射出能量，就好像原子核周围有一些看不见的铁轨，电子必须在上面跑，见图“玻尔原子模型”。而当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道则会辐射出能量。这些轨道是由与玻尔同时代的物理学理论决定的，其中一个重要的新理论是马克斯·普朗克和爱因斯坦的量子理论。巴耳末系的4条光谱线正好对应电子在氢原子的轨道之间进行的不同跃迁。电子并不是持续地旋转着靠近原子核，而是从一个轨道跃迁到另一个轨道，直到跃迁到能量最低的轨道。每一次跃迁，原子都会发射出特定频率的光，光带走能量。当电子跃迁到能量最低的轨道时，原子将不再产生辐射。此时的氢原子处于基态，任何孤立的氢原子都会达到这个状态。

普朗克和爱因斯坦曾用革命性的概念解释了辐射和热的一些令人困惑的性质，他们解释说能量是由一份一份的“量子”组成的。1913年，玻尔将这些概念应用于原子结构，并首次解释了为什么电子不会贴近原子核。他提出的模型使许多人相信了卢瑟福提出的原子核模型，这是让物理学走向量子理论的关键一步，而量子理论也成了解释原子尺度上各种现象的基本理论。

玻尔原子模型

玻尔的氢原子模型（左上）。之后他进一步提出了氦原子模型（右上）和氖原子模型（下）。

到此为止，我们对原子结构的探索还远远没有结束。虽然已经有很多人相信玻尔原子模型是有点儿东西的，可它除了氢原子没办法说明其他任何原子的属性。直到20世纪20年代量子力学兴起，原子结构的全貌才浮出水面。

制作元素的原料

尽管玻尔原子模型有它的局限性，但它广义的基础概念在今天仍然有自身的意义。玻尔原子模型提供了一种理解化学元素的框架，以及用来描述原子和原子核的语言。一个电中性原子总电荷数为零，因为所有电子携带的负电荷数与原子核携带的正电荷数一致，正负电荷平衡了。原子核携带的正电荷数在数值上等于原子序数，原子序数用字母Z表示。知道一个原子的Z值就能知道它是哪种元素。比如最简单的氢元素，它的Z值等于1，而次简单的氦元素，其Z值等于2。由此可知氦原子的结构：两个电子在轨道上围绕着一个含有两个正电荷的原子核。

氢元素和氦元素是宇宙中含量最丰富的两种元素。宇宙中约有3/4的物质是氢，剩下的1/4的绝大部分是氦，氢元素和氦元素之外的100多种元素只占了2%。当然在有些地方，这100多种元素里的一些元素更为常见，比如碳元素、氧元素和铁元素，地球就是这样一个地方。除了氢元素、氦元素和锂元素，其他的化学元素都是在恒星中产生的，比如金元素是在一颗巨大的恒星发生超新星爆发时产生的，而铅元素主要是在红巨星中产生后被抛到太空中的，也许最后就会出现在像我们这样的行星系统中。第9章里会有更多关于元素是如何在恒星中产生的内容。

质子、中子和同位素

卢瑟福把氢原子核命名为质子。一个质子携带的电荷与一个电子携带的电荷数量相等，电位相反，它的质量大约是电子的2 000倍，原子的大部分质量集中在位于原子中心的原子核中，这一点和卢瑟福提出的模型一致。

氦原子核有两个质子，理论上它的质量应该是只有一个质子的氢原子核质量的两倍，可它的质量却是氢原子核质量的4倍，因为它还包含两个不带电的粒子：中子。而质子和中子的质量相当。其实，也不是所有的氢原子核都仅仅由一个质子构成，有一些氢原子核还会包含一个或两个中子。同样，也并非所有的氦原子核都由两个质子和两个中子构成，有一些氦原子核会由两个质子和一个中子构成。一种元素的原子核会有特定数量的质子，但是可以有不同数量的中子。因此借以识别元素种类的是该元素原子的质子数，而不是中子数。质子数相同而中子数不同的电中性原子（电子数与质子数相同）是一种元素的几个同位素。而一个原子的质子数就是这种元素的原子序数Z，所以我们说，正是原子序数Z决定了一种元素所特有的化学性质。一般来说，核子这个词被用来指代质子和中子，因此我们说氦原子核含有4个核子。

大多数元素都有多个同位素，所以一个原子核会用第三个数字来描述，以便精确定义它，这个数是质量数A，它指原子核内质子数与中子数的总和。例如，世界上大多数的碳原子都有6个质子和6个中子，因此普通的碳原子质量数A就是12，这种质量数为12的碳同位素可以写成碳-12。根据核物理学惯例，本书之后会把它写成12C（见图“原子核标示法”），C表示碳的元素符号。一种具有8个中子的碳同位素也少量存在，这种更罕见的14C具有放射性，可以用来确定古代遗迹的建造日期，这种技术被称为“碳定年法”。

原子核标示法

一个原子核由它代表的化学元素的符号（质子数决定元素种类）和质量数A（质子数与中子数的和，即核子数）表示。因此，12C（读作碳12）原子核由6个质子（碳元素的质子数量）和6个中子构成。碳同位素14C的原子核中也有6个质子，但比12C多2个中子。原子或原子核的质量通常以原子质量单位的方式给出，其中原子质量单位就是电中性12C原子质量的1/12（约为1.66× 10−27 千克）。核子的总数就是原子质量数，简称质量数。

自然界存在的放射性（也就是不稳定）同位素比稳定同位素多得多。拥有最多的稳定同位素的元素是锡（Sn），其原子序数Z为50，其稳定同位素的质量数A为112、114、115、116、117、118、119、120、122和124，可以写成112Sn等。你可能会注意到两个规律：一是所有锡的稳定同位素的中子数都比质子数多（质量数A为112的锡原子有62个中子，即112-50 = 62），二是上述数据中没有质量数A为奇数113、121和123的情况。研究发现，所有的原子核里中子数都大于等于质子数，并且一个原子里质子和中子的数量都更偏向于偶数。这些现象都需要解释，在第6章就会看到了。

我们现在可以准确地说出α粒子究竟是什么了，它是最常见的氦同位素4He的原子核。为什么一些较重的原子核会选择放射出α粒子呢？相关内容会在我们继续深入物质核心的过程中渐渐展开。下表为一些重要的同位素的介绍。

一些重要的同位素

第2章 原子核的发现