原子核的构成及稳定性   衰变裂变原理及核能量来源

晏成和

最近被邀请参加某学术会议，最好提交论文。觉得上篇博客内容有0到1的创新，可以略加补充作为论文。在整理过程中发现《核内研发历程》中有些瑕疵，准备删除……看到有1898的点击，有16位博友推荐到博客首页。不敢辜负大家的抬举，于是原文保留，再发一篇内容丰富一点的会议论文。因为文章有点长，分三篇博客发表。谢谢！

本文记述人类对原子核钻研的艰辛历程、疏忽与失误，思考的逻辑、发现的趣味。

 摘要：原子核是如何构成、有怎样的结构？是科学之谜。本研究对核内辐射的α射线-氦核，以及对幻数元素的原子量全是n4的关注，发现原子核的稳定取决于核内的微结构:氦核的2个电子环绕4个质子高速旋转，构成稳定的氦核四面体，然后组合成最稳定的幻数原子核。原子核的放射性（衰变、裂变），是因为在核中还存在着质中子、双中子，这些不稳定的核内微结构。

本研究建立了核内外关联的原子核结构模型。除氢原子外，所有原子核都是由氦核作为最基本单元组成。在原子核内，以一个四面体为中心，向四个面的空间扩展连接更多的氦核，形成氦核1/4/9…分层环绕结构。一个氦核可关联2个核外电子，这正好与核外电子能级排布2/8/18…内外呼应。为原子核内结构与核外的能级结构关联找到了逻辑依据。

利用以上核模型，还可以合理解释幻数实验结果和放射性实验结果，印证核内外结构模型的合理性和有效性，还能解读各种同位素的半衰期差异巨大的原因；核裂变的巨大能量来源于核内粒子的巨大质量和高速运转动能的能量转换。

关键词：氦核  幻数 微结构 1/4/9 2/8/18 核衰变 核裂变 核能量

一、   人类对原子核内部结构的研发历程。

* 初建核模型

20世纪初，人类已经发现了40几种原子，但是关于原子有没有内部结构、有怎样的内在结构，仍是茫然。原子已经是非常渺小，要探索更小的原子的内部，早年的科研只能是投石问路：卢瑟福用α粒子射向金箔，大多数粒子穿金而过、几乎不发生偏转，但有极少数α粒子会发生大角度散射，甚至有的被反弹回来。

这样的结果表明，物质（极薄的金箔）内在的微观结构不是均匀的：金箔绝大部分区域是空空荡荡、粒子一穿而过，金原子绝大部分的质量和正电荷应该均匀分布在非常微小的点中、即后来被称为原子核上。于是建立了有核式的原子结构模型，即卢瑟福的原子核行星模型。

行星模型：在原子中心有带正电荷的核，电子绕核运转在外围较大的空间。后来测量了原子量准确数据、制定了周期表，原子的99.95%质量集中在原子核的内部，这是对原子结构探索的重大突破。但是，囿于质子、电子的正负电荷理论，不能解释电子为何不坠入核中的问题 [1] ，比较接近事实的行星模型受到学界的质疑，没能发扬光大。

由此，在原子核内部的粒子（质子、电子）是怎样的方式结构、怎样运行？成为了大自然的最高机密，是科学攻关的重大课题。原子核内会是个什么样子？行星模型之后，各种原子核结构学说也应运而生。

液滴模型：依据核裂变、核爆炸的事实，一颗原子核可以裂变、分开成为两个或者多个新的原子核，这有点像水滴或者是水银珠，可以分离成为几个更小的完整的珠体-大原子核能够分裂形成几个小核心体，然后吸引相应的核外电子构成新的原子。

这种核液滴模型依据自然液态物质的分离、重新建立了边界、形成新核心，组合成为新的原子，形象、自然。能够获得学人的理解和认可。但液滴模型只能解释核分裂，对于其他核现象解释无能为力，止步在核裂变。

壳层模型：德国核物理学家麦耶和简森效法核外电子的能级结构，提出了质子中子在原子核中填充不同能级壳层。用轨道和质子自旋作用来解释这种现象，是描述原子核内的质子和中子排列的一个成功的模型，他们由此而获得 1963年诺贝尔奖。

这个模型能够解释原子核的稳定性以及幻数现象，即某些特定数量的质子和中子会使原子核特别稳定。但是他们强调，核内壳层结构并不是粒子空间分布，而是核子的能量分布，以空间概率来表示。如此，解读牵强，核内壳层按结构分、但是又没分开，不伦不类。所以现在的核物理并没有采纳麦耶的壳层结构，还是认可核内质子、中子像图一那样的混合成团的核内结构。

 图一 现代物理教科书的原子核结构（图形来自百度） 

*探讨核内结构的契机和思路

行星模型、液滴模型、壳层模型的多角度、多种猜想描述了原子核的形象，但仅仅是盲人摸象、各自对核现象有肤浅的解释。对放射性、核衰变、半衰期、幻数、稳定性、巨大能量等由内至外的核现象认识茫然、解读无能为力。所以，7年前美国田纳西大学的王令隽教授写下了《致中国物理学界建议书》，说核内是一片未开垦的处女地，建议并引领我们探讨核内物理。（高瞻远瞩！）

 *三种射线泄露了微结构：

得益于对物理第一性的感悟，和对质子、电子及其伴生场（波）的理解，对放射性元素辐射出α、β、γ三种射线的事实进行逻辑剖析；对自然界不存在游离质子的事实，感知核内质子不能单独存在，必须和电子首先结合成微结构，然后分布成呈壳层的原子核构成联想；提出了核内微结构模型——核内微结构与核外电子关联模型。

α射线 由4个质子2个电子组成-氦核。2 个电子以极高速率环绕 4 个质子旋转，稳固、结合能极大。说明原子核内不是质子、中子的大混合，而是电子环绕质子高速运转形成氦核微结构、然后分层动态地存在的生动形象。

β 射线 是辐射的电子流。说明原子核内存在运转着的电子、存在着电子围绕运转的小微结构解体，电子被高速辐射出来。

γ 射线 频率极高的电磁波。由核内电子高频振动发出，说明在核内存在着速率极高的运转电子，结构解体、电子高频振动，辐射出高频γ射线。

三种射线是大自然送来的核内信息，可是早年的研究只是检测到α射线是电子环绕质子的氦核微结构、非常稳固、只能整体辐射；β、γ射线是电子流与高频的电磁波，却没有觉悟到这两种射线与小型微结构的关系。两种射线表明：核内还有电子环绕2个质子的核元或质中子的小微结构（如图二），小微结构的结构没有氦核稳固，在实验粒子撞击下已经解体、成为电子流和高频的电磁波、分别被辐射出来。核元可以看成是比较稳定的双中子，电中性、容易进出原子核。质中子带正电荷，能够关联一个核外电子。

 图二 核内的微结构 质中子（只有一个电子）、核元、氦核

辐射出β、γ射线的核元中心肯定是有质子的，质子去了哪里，之后讨论。