师：同学们好，今天我们来学习第19章第一节原子核的组成。在上一章的学习中，我们已了解到人类通过对阴极射线的研究，揭示了原子具有复杂的内部结构。随后，汤姆孙通过对阴极射线的定量研究发现了电子，卢瑟福则通过α粒子散射实验证实了原子的核式结构。至此，人类对原子的结构有了较为熟悉的认知。那么，原子核还能不能再分呢？人类又是通过什么现象或实验了解原子核内部结构的呢？事实上，人类对原子核内部结构的认知，是从天然放射现象开始的。
1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀及铀的矿石能放射出一种射线。这种射线可以穿过双层黑纸，使照相底片感光，而且无论是铀的单质还是铀的化合物，都具有这种性质，可见这是铀原子本身的一种性质。随后，在贝克勒尔的建议下，居里夫妇对铀及铀的各种矿石进行了深入研究，并首次提出了放射性的概念。他们发现，铀矿石中铀的放射性只与铀的含量成正比。但后来在对含铀沥青矿石的放射性研究中，他们发现含铀沥青矿石的放射性强度，远大于矿石中铀的放射性强度。由此，他们猜测沥青矿石中可能还存在着放射性比铀更强的其他元素。随后，他们成功地从沥青矿石中提取了两种新元素，并分别命名为钋和镭。
师：随后，我们把物质发出射线的性质称为放射性，把具有放射性的元素称为放射性元素。放射性不是少数元素独有的性质。实验发现，所有原子序数大于等于83的元素，以及部分原子序数小于83的元素，比如氧的同位素，都具有放射性。而我们把放射性元素自发地放出射线的现象，称为天然放射现象。
我们在化学学习中已经了解到，元素以单质还是化合物的形式存在于自然界，区别在于原子核外电子排列的不同。也就是说，元素的化学性质取决于核外电子，并且我们还知道，元素的化学性质会受到温度、压强等外在因素的影响。但是，我们在对放射性现象的研究中发现，元素的放射性与它是单质还是化合物无关，放射性的强弱与温度、压强等外在条件也无关。也就是说，放射性与核外电子无关。那放射性的射线来源于哪里呢？原子核中除了电子就只剩下原子核了。所以，这些射线必然来自原子核，这也就意味着原子核存在内部结构。
师：那原子核存在怎样的内部结构呢？我们又怎样才能观察到它的内部结构呢？在生活中，我们想要观察一个核桃的内部结构很简单，把核桃砸开就能观察。但是，我们能把原子核打开吗？又怎样才能把原子核打开呢？事实上，在天然放射现象中就隐藏着可以打开原子核的“神秘武器”。这个“神秘武器”是什么呢？它就隐藏在天然放射现象所发出的射线当中。
我们想要知道这种射线是什么，就必须先了解天然放射现象所发出的射线是什么，它们除了能使照相底片感光之外，还有没有其他性质？它们带不带电呢？我们想要了解射线的带电情况，在上一章中，我们学习过用磁场来判定阴极射线的带电情况，通过带电粒子在磁场中的偏转来加以判断。那么，我们是不是也可以用同样的方法来分辨天然放射现象所发出射线的带电情况呢？
这是一个放射源，它所发出的射线在未加磁场时不发生偏转。现在我们给它加上垂直纸面向里的匀强磁场，我们发现射线被分为三束。通过左手定则，可以判定向左发生偏转的射线带正电，我们称之为α射线；向右发生偏转的射线带负电，我们称之为β射线；中间不发生偏转的射线不带电，我们称之为γ射线。
师：除了可以通过磁场来判断射线的带电性质之外，我们也可以尝试用电场来加以判断。比如说，我们给射线加上水平向左的匀强电场，那么三种射线又会发生怎样的偏转呢？同学们可以自行思考。
在了解了三种射线的带电性质以后，我们进行了更深入的实验研究。结果发现，α射线的本质是高速的氦原子核，带两个单位的正电荷和四个单位的质量，它的速度可达光速的1/10；β射线是高速的电子流，速度可达光速的99%；γ射线是高能电磁波，速度就是光速。我们知道，光的本质就是电磁波，所以电磁波的速度当然就是光速。
师：在了解了三种射线的本质以后，我们再来看三种射线除了能穿透双层黑纸之外，它们对其他材料的穿透能力如何呢？实验发现，α射线的穿透能力较弱，一张厚纸就能将α射线挡住；β射线可以轻松穿过纸张，甚至能穿过几毫米厚的铝板；而γ射线则可以穿过几厘米厚的铅板，甚至能穿过几十厘米厚的混凝土。所以，穿透能力最强的是γ射线，其次是β射线，α射线穿透能力最弱。
α射线之所以穿透能力最弱，是因为α射线在穿过物质时，最容易与物质中的微观粒子发生相互作用，从而使能量减少。正是因为α射线在穿过物质时，最容易与物质中的微观粒子发生相互作用，所以当α粒子穿过气体时，最容易与气体中的微观粒子发生相互作用，从而使气体发生电离。所以，α射线具有极强的电离能力，而β射线电离能力较弱，γ射线电离能力最弱。
师：在了解了三种射线的带电情况、本质以及它们的相关性质之后，我们来思考，三种射线中哪一种最适合用来作为打开原子核的“武器”呢？没错，就是α射线。因为α射线不仅具有很强的能量，关键在于它在穿过物质时最容易与物质中的微观粒子发生相互作用。那么当α粒子穿过物质时，就极有可能与原子核发生相互碰撞，从而打开原子核。
找到了打开原子核的“武器”之后，原子核的内部结构即将被揭晓。1919年，卢瑟福曾使用α粒子去轰击氮原子。他的实验装置示意图如下：C是一个容器，A是一个放射源，可以放射出α射线；F是一个铝箔，S是荧光屏，M是显微镜。在实验开始之前，我们将容器抽成真空，适当地调节铝箔的厚度，使α粒子不能穿过铝箔，也就是说α粒子无法到达荧光屏，使荧光屏发光。随后，我们向容器中充入氮气，继续实验，发现荧光屏上出现了亮斑。荧光屏出现亮斑，一定是因为有粒子到达了荧光屏。
生：是什么粒子呢？是α粒子吗？
师：显然不是，因为α粒子无法穿过铝箔。那么只有一种可能，就是α粒子在穿过氮气时，与氮气中的微观粒子发生了相互作用，产生了一种穿透能力更强的新粒子。那么这种粒子是什么呢？通过更精密的实验，我们发现这种粒子带正电，它的电荷量与一个电子的电荷量相当，而它的质量约为电子质量的1836倍。也就是说，这种粒子实际上就是氢原子的原子核。但卢瑟福认为，这种粒子不仅是氢原子的原子核，而且还是其他所有原子核的最基本组成部分，所以又把它称之为质子。质子通常我们用符号p来表示，它的质量只有1.67×10?2?千克。