为什么除去氢元素以外的原子核中都有中子的存在?

讲科学堂


答:中子能使原子核内质子的结合更稳定。


原子核

在元素周期表中,氢元素的氕核没有中子,只有一个质子,自由质子的寿命几乎是无限(理论半衰期最少为10^35年);氦元素的同位素也存在氦-2,由两个质子组成,但是非常不稳定,半衰期非常短。

除此之外的其他元素,几乎都存在中子,自由中子的寿命不长,半衰期只有十五分钟,甚至在不稳定原子核中,处于束缚态的中子也会发生衰变;而在稳定原子核中,中子充当了稳定原子核的作用,寿命也大大增加。

我们知道质子带正电,所以质子间会因为库伦力而相互排斥,这个排斥力是质子间万有引力的10^36倍,而且库仑力的作用范围是无限的。


强相互作用

之所以在原子核中,质子能结合到一起,是因为在强子(质子和中子的统称)间还存在强相互作用(强力),强力是库仑力的100倍,但是强力是短程力,作用范围在2*10^15米以内。

关于题目疑问,涉及非常艰深的量子电动力学知识,在这我们只做简单的定性分析,试想:

(1)两个质子相互靠近时,首先会受到库仑力的作用而排斥,这个排斥力是非常大的;

(2)只有当质子的动能足够大后发生碰撞,才有一定几率克服库仑力,从而达到强力的作用范围,然后强力才能把质子捆在一起;

(3)如果我们加入一个中子,因为中子不显电荷,所以中子接近质子相对容易很多,更容易达到强力的作用范围;

(4)一个中子与质子结合后,再来一个质子和这个中子结合,于是中子充当媒介把两个质子束缚到了一起,形成了相对稳定的原子核;

当原子核中质子数目增多时,就需要更多的中子来充当媒介;所以在元素周期表中,我们看到,稳定元素的中子数随着质子数的增加而增加,具体组合机制由量子力学描述。


零号元素

强子间的相互作用非常复杂,对于多个中子(不含质子)组成的元素,叫做零号元素;但是都不稳定,具体机制和夸克有关,自由中子半衰期大约为15分钟,两个中子的零号元素,半衰期只有10^-22秒。

目前科学界还没有理论,能够精确描述原子核的中子数目分布问题,算是核子物理中的一大难题。


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氢元素的原子核并不是不含有中子,而是绝大多数氢原子核不含中子,只有少量氢原子核含有1个或两个中子,这就是氢的另外两种同位素:氘(dāo)和氚(chuān),氘大约占全部氢元素的0.02%,氚的自然含量及其微量,而且氚是放射性元素,半衰期为12.5年,但是氚可以通过中子轰击锂大量获得。

【中子】是除氢以外元素能够稳定存在的最主要原因!

我们知道质子都携带正电荷,中子由是电子被压入质子形成的,正负电荷抵消,所以不带电荷。两个以上质子组成的元素,因质子都携带正电荷,所以质子之间是相互排斥的,如果没有中子穿插其中,所有大于两个质子的原子核都会因同电荷斥力土崩瓦解,所以通俗地说,中子在原子核中相当于起到了对正电荷的隔离作用,使质子能够抱成一团形成稳定的原子核。


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除了氢原子,其它原子的原子核都必须含有中子,自然界也不存在全部由质子组成的原子核。



假如原子核中全部都是质子,则原子核根本就无法稳定存在。我们都知道质子是带正电荷的,同种电荷之间会相互排斥,假如没有不带电的中子存在于质子之间作为“调和剂”,原子核就会分崩离析,四散开来。



中子由质子结合电子而成,和质子具有强相互作用。正式这种强核力,才使得质子束缚在原子核内。当初科学家们在研究原子核时也感到十分困惑,不明白为何带正电的质子可以和中子结合在一起,而不是质子之间相互排斥。直到后来强相互作用力的提出和量子色动力的建立,科学家们才对于原子核内的核力有所理解与认识。



所以,科学都不是一蹴而就,而是徐徐渐进慢慢认识的。


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同电相离,中子是连接。


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