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為什么大多數原子核的中子比質子多呢?

中科院半導體所 ? 來源:萬象經驗 ? 2023-03-22 09:25 ? 次閱讀

核物理學是物理學的一個分支,它主要研究原子核的結構和行為。核物理學家試圖回答的一個基本問題是,為什么大多數原子核的中子比質子多?其中一個答案在于兩種相互競爭的力之間的平衡:強核力和電磁力。

強核力是將質子和中子結合在原子核中的短程吸引力。電磁力是一種遠距離排斥力,它把質子分開,因為它們帶著相同的正電荷。在本文中,我們將探討這兩種力對原子核穩定性的影響,以及它們如何確定每種元素的中子與質子的最佳比例。

強核力是宇宙中的四大基本力之一,它負責將夸克(構成質子和中子的基本粒子)和核子(質子和中子)結合在原子核中。強核力有兩個主要特點:它的強度非常強但作用范圍非常近。它的強度大約是電磁力的100倍,但它只在大約10^-15米(原子核大小)的距離上起作用。超過這個范圍,它會迅速下降到零。強核力的強度取決于幾個因素,如涉及的核子的類型和數量、它們彼此之間的距離、它們的自旋方向和它們的相對運動。

電磁力也是宇宙中的四種基本力之一。它負責帶電粒子之間的相互作用,比如電子和質子,它還能調節光和其他形式的電磁輻射。電磁力有兩個主要特征:它相對較弱但作用范圍較廣。它大約比強核力弱100倍,但它在無限距離上起作用,并且隨著距離的平方反比而減小。

在較小的原子核中(如氫或氦),強核力支配著電磁力,因此不需要額外的中子來穩定它們。事實上,一些小原子核的中子比質子少,如氫只有一個質子,氦-3有兩個質子和一個中子。

然而,隨著原子核越來越大,質子和中子越來越多,電磁力變得越來越重要。這是因為質子之間的斥力隨著質子數量的增加而增加,而強核力的范圍有限,只能作用于相鄰的核子。因此,為了克服這種斥力并保持原子核穩定,更大的原子核需要更多的中子。中子在質子之間起緩沖作用,減少質子的有效距離和電荷。中子在不增加電磁力的情況下也對強核力有貢獻。這樣,更大的原子核可以通過擁有更多的中子而獲得更低的能態。

在穩定的原子核中,中子與質子的比例(N/Z)一般隨著原子序數(Z)的增加而增加,例如碳-12有6個質子和6個中子(N/Z=1),而鉛-208有82個質子和126個中子(N/Z=1.54)。然而,在原子核變得不穩定之前,能加入多少中子是有限制的。這是因為過多的中子會稀釋強核力的作用,從而削弱每個核子的結合能。此外,多余的中子會發生β衰變,變成質子和電子。

因此,存在一個核穩定或接近穩定的N/Z值范圍,這個范圍在核素圖上形成了一個稱為“穩定谷”狹窄的能帶。這個穩定性能帶隨著Z的增加而向上彎曲,因為穩定需要更多的中子。

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總之,大多數原子核的中子比質子多,因為這有助于它們對抗質子之間的排斥電磁力而獲得穩定。然而,每種元素的中子和質子之間都有一個最佳平衡,添加太多或太少的核子都會使原子核不穩定。






審核編輯:劉清

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原文標題:為什么大多數原子核的中子比質子多

文章出處:【微信號:bdtdsj,微信公眾號:中科院半導體所】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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