原子物理学认为，原子是宏观到微观的第一个层次，原子的结构和性质直接决定了宏观物质的属性；原子是由带正电荷的原子核和核外带等量负电荷的电子构成，呈电中性；各种原子的半径都在10-10m级，原子核的线度约为10-15～10-14m，不足原子半径的万分之一；原子质量极小，且99。9%集中在原子核。
随着人们对强核力电荷无关性的逐步认识，这对基于正负电概念构建起来的原子物理学提出了挑战，要求我们建立一套电荷无关性的原子理论。这正是本章所讨论的主要内容。
第一节原子核模型。
1.1近代的原子核模型
从20世纪30年代认识到原子核由质子和中子组成后，已经提出多种核结构模型，如费米气体模型、液滴模型、壳层模型、综合模型、超导模型、相互作用玻色子模型等等。这些模型都能解释一定的实验事实，但不能说明另外一些事实，还没有一种结构模型能够统一说明各种事实。综合各种模型可以获得比较全面的原子核结构的图像。比较基本而影响颇大的核结构模型有：
1.1.1液滴模型
液滴模型主要的实验事实依据是核的密度为很大的常数，显示核基本上是不可压缩的；原子核的比结合能近乎为常数，核的结合能正比于核子数，表明核力具有饱和性，核子只与邻近的几个核子相互作用。这与宏观的液滴甚为相似。
据此，20世纪30年代中期N。玻尔等人提出液滴模型，把原子核看成一个带电的不可压缩液滴，根据液滴的经典运动规律对原子核作动力学描述，并适当加入量子效应引起的修正；以后又逐步增加一些新的自由度，如将质子、中子分别看成两类流体，甚至将自旋取向不同也看成不同流体，并引入可压缩性、粘滞性等性质。
根据液滴模型可得出准确度相当高的原子核质量半经验公式，在一定程度上可说明原子核的表面振动，相当成功地说明原子核裂变的机制。其不足是不能说明原子核性质的周期性变化现象。
1.1.2核壳层模型
核壳层模型是从研究幻数而提出的核模型。大量实验事实显示随着核内质子和中子数增大，核的性质呈现某种周期性变化，当质子数Z或中子数为2，8，20，28，50，82以及中子数为126时，原子核显得特别稳定，在自然界的含量也比邻近的核素更丰富。这些数称为幻数，具有幻数的核称为幻核。
这与核外电子填满壳层时的惰性元素化学性质特别稳定有类似性。因此考虑核子在其余A-1个核子的联合作用下的球对称中心势场中的运动，并考虑核子的自旋轨道强耦合作用，可以得出核子由低到高的能级结构。这些能级构成一些壳层。核子遵从泡利不相容原理，不可能有两个质子或两个中子处于完全相同的状态，由此可说明核子填充各能级（壳层）显示的核性质周期性变化现象，并得出与实验符合的全部幻数。
核壳层模型还能很好地说明核基态的自旋和宇称；其不足在于对核的电四极矩、磁矩的定量说明同实验结果有较大的偏离，确定远离满壳层的核自旋也有些偏差。
1。1。3综合模型
综合模型又称集体运动模型。它是在壳层模型和液滴模型的基础上发展起来的，一方面考虑核作为集体的转动和振动，另一方面考虑每个核子又在一个变动的非球对称的平均势场中作独立运动，这两种运动还有相互影响。根据综合模型可很好说明核的转动能级和振动能级，关于核的电四极矩、磁矩以及γ跃迁率的计算和实验值的符合程度也都有明显改善。
综上所述，原子核模型理论还是一个发展中的理论，已提出的各种模型均存在这样或那样的一些问题。系统相对论认为，这些模型都是电荷相关性的模型，而问题的根源就在于没有摆脱电荷相关性上。下面根据系统相对论的电子模型和质子模型，讨论原子核的梭状模型和已知部分原子核的结构模型。
1.2原子核的梭状模型
通常物理学上将质子和中子称作核子，即原子核由质子和中子构成。从系统相对论的中子模型可知，中子是由质子和电子构成的复合粒子，因此将原子核理解为由质子和电子构成更为恰当。
1.2.1两个质子的凝聚
系统相对论认为，原子核中的质子之间和质子与电子之间是通过场的耦合而凝聚在一起的。质子与电子之间的耦合原理详见第二章的中子模型。根据系统相对论的质子模型可知，质子端面的中性场是相较斜面和侧面更强的场，因此两个质子是端面相对凝聚在一起的。
如图7-1所示，凝聚在一起的两个质子，它们内部的光子一一对应且极性相反，端面中性场之间、斜面中性场之间以及侧面极性场之间的场线相互耦合（图7-1中下方的斜面之间和侧面之间的场线省略未画，与上方的相同），其中斜面和侧面上的场线耦合各有4组。包括端面的9组耦合场的耦合力，就是所谓的强核力。
图7-1质子之间的场线耦合原理图1.2.2原子核的梭状模型
以氮原子核为例，如图7-2所示（另见彩图6），氮原子核存在上下、左右和前后三种结构对称。原子核中心最长的一串质子和电子称作原子核的中轴，用R0/L0表示，L0对应的面又称原子核的主面；图7-2a中上下两侧的两串质子和电子对应的轴记为R+1和R-1，相应地，前后两侧的两串质子和电子对应的轴记为L+1和L-1（见图7-2b）。氮14和氮15的原子核中各轴上的质子和电子的数量见图7-2c和7-2d。不同轴上相邻的两个质子，在轴上的位置相差半个质子占位。
图7-2氮14原子核结构示意图从氮原子核模型可以看出，原子核是由质子和电子凝聚成的梭状体。核内质子同向规则排列，相邻轴上质子相互咬合而不存在间隙，原子核的剖面图呈肺泡结构，可见原子核的物质密度是极高的；所有相邻的质子间，它们间相对的光子均极性相反而紧密耦合在一起（参见图7-1），这就形成了核力的强力性质；电子如同毛发一样附着在核表面的质子上，电子和它所附着的质子一起，我们称作了中子，这就是实验观测到中子都分布在核表面的原因。
从上述核结构模型可以看出，核力是由核子间多个中性场间的耦合力和极性场间的耦合力共同构成的，其中中性场间的耦合力起主导作用。可见核力和引力是性质相同的力，二者显得如此不同的原因见第三章6.2节。关于核力的短程性，这是由原子核费米级的场强衰减步长（即核半径）所决定的。
1.3部分原子的核结构模型
根据原子核的梭状模型原理，参考元素丰度和元素周期理论，建立元素周期表的前两个周期元素的核结构模型和原子核中核子排列分别见图7-3（另见彩图7）和下表。其中氢和氦的原子核结构模型见下一节，氧和碳的的原子核结构模型见第二章6.3节。
图7-3部分元素的核结构示意图轴线。
元素L+1L0L-1R+1R0R+2R+1R0R-1R-2R0合计元素丰度1H〖6〗1p〖10〗1p99。985%2H〖6〗2p1e〖10〗2p1e0。015%3He〖6〗3p1e〖10〗3p1e0。00014%4He〖6〗4p2e〖10〗4p2e99。99986%6Li〖5〗1p1e〖6〗5p2e〖10〗6p3e7。5%7Li〖5〗2p2e〖6〗5p2e〖10〗7p4e92。5%9Be〖5〗2p1e〖6〗5p2e〖7〗2p2e〖10〗9p5e100%10B〖3〗1p1e〖5〗2p1e〖6〗5p2e〖7〗2p1e〖10〗10p5e19。6%11B〖3〗1p1e〖5〗2p1e〖6〗5p2e〖7〗2p1e〖9〗1p1e〖10〗11p6e80。1%12C〖5〗3p2e〖6〗6p2e〖7〗3p2e〖10〗12p6e98。89%13C〖3〗1p1e〖5〗3p2e〖6〗6p2e〖7〗3p2e〖10〗13p7e1。11%14N〖3〗1p〖5〗3p2e〖6〗6p2e〖7〗3p2e〖9〗1p1e〖10〗14p7e99。634%15N〖3〗2p1e〖5〗3p2e〖6〗6p2e〖7〗3p2e〖9〗1p1e〖10〗15p8e0。366%16O〖3〗3p2e〖5〗3p2e〖6〗6p2e〖7〗3p2e〖9〗1p〖10〗16p8e99。762%17O〖3〗3p2e〖5〗3p2e〖6〗6p2e〖7〗3p2e〖9〗2p1e〖10〗17p9e0。038%18O〖3〗3p2e〖5〗3p2e〖6〗6p2e〖7〗3p2e〖9〗3p2e〖10〗18p10e0。200%19F〖3〗2p2e〖5〗4p2e〖6〗7p2e〖7〗4p2e〖9〗2p2e〖10〗19p10e100%20Ne1p〖3〗2p2e〖5〗4p2e〖6〗7p2e〖7〗4p2e〖9〗2p2e〖10〗20p10e90。48%21Ne1p〖3〗2p2e〖4〗1p1e〖5〗4p2e〖6〗7p2e〖7〗4p2e〖9〗2p2e〖10〗21p11e0。27%22Ne1p〖3〗2p2e〖4〗1p1e〖5〗4p2e〖6〗7p2e〖7〗4p2e〖8〗1p1e〖9〗2p2e〖10〗22p12e9。25%从上面图表可以看出，丰度为100%的元素，其核结构具有3个方向上的对称性；丰度非常低的元素，其核结构的对称性也较差；同一种元素的不同同位素之间，核结构对称性较好的，其丰度也相对较高。系统相对论推测，所谓幻核就是核结构对称性较好的原子核。
根据系统相对论的核结构模型，可以得到如下结论：原子核中轴或主面上的质子数最多，距离中轴或主面越远，轴或面上的质子数越少；中轴上质子数不少于4时，其两侧轴上才会有质子存在，依次类推，且二者的质子数相差一般不小于3。
需要指出的是，系统相对论的核结构模型还处于初级阶段。尤其中轴以外各轴上的质子和电子的排列，存在多种可能性。只有通过实验观测，可以从多个可能性中确定唯一的排列，或确认同位素存在进一步的细分。
第二节原子模型。
2.1早期的原子理论
古希腊时期就已有人提出关于原子的想法。他们认为，元素是由原子所组成；不同元素的原子有不同的物理性质。但到19世纪之前，原子的理论都没有实验证据。约翰·；道尔顿是第一个提出建立在实验基础上的原子理论的人。根据研究结果，他提出了原子理论，要点如下：
1）所有元素都是由很小的个别的颗粒所组成。这些小颗粒称为原子。
2）每种元素都有自己的原子种类；同种元素的原子的重量和性质相同，不同元素的则不同。
3）原子可以结合组成化合物，不同原子之间只能按整数之比而结合。
4）在进行化学或物理的过程中，原子既不能产生也不能消灭。
道尔顿对原子理论的特别贡献是定出了元素的原子量。不过，道尔顿还是把原子看成是物质最基本的，一个整体不可分的结构单元。因此，在道尔顿的原子理论中，原子没有结构。
2.2近代原子模型
2.2.1汤姆孙模型
1897年约瑟夫·；约翰·；汤姆孙发现，阴极射线管内发出的阴极射线，在电场作用下偏向正电极。他据此断定，这些是由阴极射线管内的原子分裂出来的带负电的粒子，称它为电子。电子的重量只有最轻的氢原子的1/2000。汤姆孙第一次提出了原子是可以分裂的。
为了解释原子带中性电的性质，1904年汤姆孙修改了道尔顿的原子整体模型。他提议：原子是由N个带正电的颗粒和N个带负电的电子所组成，它们相互均匀地分布。如果把电子看成葡萄干，而原子的其余部分为蛋糕，则可把汤姆孙所提的原子模型看为葡萄干蛋糕模型。
2.2.2卢瑟福模型
1911年，卢瑟福用带正电的α粒子穿透金箔时，大部分α粒子穿过金箔后，仍沿原方向运动；少数α粒子穿过金箔后，发生了一定角度的偏折；而极少数α粒子散射方向与入射方向的夹角超过90度，有的α粒子偏转方向甚至接近180°；。
为了解释这个现象，他修改了汤姆森的原子模型。他认为，原子的正电荷一定是集中在原子中心一个很小的体积内，称为原子核。而原子中的电子带负电，占了很大的空间，但是却只有很少的质量。原子所属的电子绕原子核作轨道运动，如同行星围绕太阳运动，又称原子的行星模型。
2.2.3玻尔模型
当时已经知道，当原子受热时，它会辐射出固定值的能量，但没有人能解释这种现象。1914年，丹麦物理学家尼尔斯·；玻尔为了解释这种现象而修改了卢瑟福的原子模型。
图7-4玻尔原子模型玻尔原子模型的要点是：原子核位于原子的中心；电子不停地绕原子核作轨道运动；电子处于稳定状态时，不辐射也不吸收能量；当电子从一种状态变到另一状态时，电子就会损失或获得能量，它就会发射或吸收能量；光谱中的每一根谱线都与一个电子从某一稳定状态变到另一个状态有联系。玻尔原子模型被称为量子化原子模型，至今还通用，如图7-4所示。
玻尔模型以其定态、离散能级、角动量量子化等新概念取得了巨大成功。尽管如此，玻尔模型至多不过是一个不完备的理论，它只适用于单电子原子，也无法解释谱线的双重或多重性质，还缺乏计算原子其他性质的理论方法。
系统相对论认为，近一个世纪以来，我们之所以没有建立起一个相对完善的原子模型，是因为缺乏一个有效的原子核模型。下面讨论系统相对论的原子模型。
2.3原子核的场结构与核外电子的运动轨道
图7-5硼11原子核场结构与核外电子轨道首先让我们先回顾一下氢原子的场结构与核外电子的运动轨道，参见图2-10和图3-6。现在我们以硼11为例进行讨论。
图7-3c的中心纵向剖视图如图7-5所示（另见彩图9）。从图中可以看出，硼11原子核的极性场分列四个象限中，且相邻象限的极性场相互垂直。每个象限的极性场由核表面两个质子侧面上的极性场组成，且它们具有相同方向。这四个方向上的极性场，在原子核物理中称作原子核的四极矩。
当核外电子进入原子核的极性场中时，电子受到极性耦合引力的作用而改变运动方向，于是绕核运动的电子轨道呈正八边形，核的每个极性场对电子产生平均45°；的偏转作用。
所有原子核都具有四极矩的性质，所不同的是每极的极性场个数，最少的是1个，如氢核、氦核；原子核越大，每极的极性场个数越多。但每个极都对核外电子产生90度的偏转作用，每个极上的极性场个数越多，电子轨道越接近于圆形。
2.4原子核的轴向对称结构与核外电子的分布
以碳12原子为例，如图7-6所示（中性场线未画出，另见彩图8）。从图中可以看出，核外电子轨道沿原子核中轴线呈左右对称分布，这就是电子壳层上电子的数量均为2的倍数的原因；从外到内依次为1s、2s、2p轨道，且轨道半径依次增大。
图7-6碳12原子核外电子轨道分布示意图当分别从两端观察1s轨道两个电子的运动方向时，我们会看到两个电子的运动方向正好相反，即一个顺时针运动，另一个逆时针运动。如果从同一端观察，在轨道上所有核外电子沿相同的方向运动。从图3-6可以看出，电子的自转方向与轨道运动方向是一致的，因此1s轨道上的两个电子的自转方向相反。这就是泡利不相容原理的本质。
第三节对原子光谱与电子轨道跃迁的考查。
3.1原子核产生光子的机制
在原子核的外场中，除了以原子核为涡核的涡管（场线）外，还存在许多分布期间的无源的自由涡，这些无源自由涡是在原子核场线的诱导下产生的，它们与原子核的场线共同构成原子核的外场。需要强调的是，这种自由涡并非原子核外场专属，而是所有场中都普遍存在。
3.1.1原子核长毛原理
我们知道，原子核主要由质子构成，而质子由光子凝聚而成。原子核的场线就是从其表面质子中光子的N极射出、S极射入的。如图7-7所示，在射入光子S极场线中间的自由涡，图7-7原子核长毛原理示意图随场线协同运动；场线越靠近S极它的涡运动越强，相应的自由涡中心的涡强度越大。如第一章2。3节所述，随着自由涡强度的不断增大，最终其中心的“爽子”跃变为“cn粒子”，并吸附在原子核的表面，多个“cn粒子”叠加在一起如同原子核长出的“毛发”，系统相对论称之为静止光子。
如图7-8b所示，静止光子外端极性相同而彼此排斥，从原子核表面向外发散开来，并随核的振动及核外电子的运动而来回摆动，如同原子核长出的毛发。故而我们将原子核表面生成光子的过程称作原子核长毛。
随着静止光子的生长，其外端所处场强不断降低，当场强降到Bc时，自由涡的中心涡运动强度不足以产生单“爽子”涡环，于是“爽子”不再跃变为“cn粒子”，这时静止光子停止生长。
处于稳态的原子核是全身长满“毛发”的毛茸茸的椭球体，如图7-8c所示。在显微镜下，随着原子核的不断转动，即观察的角度不断变化，看到原子核如同悬浮的液滴一样形状不断变化。正如弗兰克·；维尔切克所描述，原子核就像一团软胶。
图7-8原子核长毛与形态示意图3.1.2真空涨落与真空凝聚。
按照量子场论，在真空中各量子场可以发生相互作用，从而导致：一方面，真空中可不断地有各种虚粒子的产生、消失和相互转化，即可出现“真空涨落”；另一方面，会出现某种粒子束缚态和集体激发态的相干凝聚，即所谓“真空凝聚”。
从原子核长毛原理可知，原子核表面可以不断产生“cn粒子”、“cn粒子”一旦产生立刻凝聚到核表面而“消失”。如果将这个过程理解为真空涨落，那么这种真空涨落产生的是“cn粒子”而不是虚粒子；所谓消失也只是自由态“cn粒子”转化为束缚态罢了而并非真正消失；所谓相互转化也只是“爽子”转化为“cn粒子”的单向转化而已。
如上所述，“cn粒子”一旦在原子核表面生成，就立刻被吸附在原子核表面成为静止光子的一部分，即自由态“cn粒子”转化为束缚态。换言之，若干自由态（激发态）“cn粒子”通过相干（相邻“cn粒子”N极与S极相对）凝聚形成了静止光子。如果将这个过程理解为“真空凝聚”，那么真空凝聚就是描述“cn粒子”凝聚成光子的过程，与真空并没有直接关系，当然“cn粒子”是由“爽子”（构成真空的基本单元）转化而来的。
3.2原子特征光谱
现代物理学认为，原子光谱是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列波长的光所组成的光谱。原子吸收光源中部分波长的光形成吸收光谱，为暗淡条纹；发射光子时则形成发射光谱，为明亮彩色条纹。两种光谱都不是连续的，且吸收光谱条纹可与发射光谱一一对应。每一种原子的光谱都不同，称为特征光谱。
原子中的电子运动状态发生变化时发射或吸收的有特定频率的电磁频谱。不同原子的光谱各不相同，氢原子光谱最为简单，其他原子光谱较为复杂，最复杂的是铁原子光谱。用色散率和分辨率较大的摄谱仪拍摄的原子光谱还显示光谱线有精细结构和超精细结构，所有这些原子光谱的特征，反映了原子内部电子运动的规律性。
阐明原子光谱的基本理论是量子力学。量子力学认为，原子按其内部运动状态的不同，可以处于不同的定态。每一定态具有一定的能量，它主要包括原子体系内部运动的动能、核与电子间的相互作用能以及电子间的相互作用能。能量最低的态叫做基态，能量高于基态的叫做激发态，它们构成原子的各能级。高能量激发态可以跃迁到较低能态而发射光子，反之，较低能态可以吸收光子跃迁到较高激发态，发射或吸收光子的各频率构成发射谱或吸收谱。量子力学理论可以计算出原子能级跃迁时发射或吸收的光谱线位置和光谱线的强度。
根据系统相对论原子核长毛原理，一种原子核只能生成特定“规格”系列的光子，也就是说它具有自己的频谱结构（原子核生成的光子的最高频率称作原子核的频宽）。不同原子核生成的光子“规格”存在差异，这就形成了原子的特征谱线；原子量越大的金属体，能够生成越高能量的光子，因此重金属较轻金属更具放射性，亦即重金属较轻金属具有更大的频宽。
由此可知，每个原子核都是一台“光子加工厂”，它源源不断地将“爽子”转化为“cn粒子”，并组装成特定“规格”系列的光子。
3.3电子能级跃迁
在物体内部，由于原子核与核外电子及周围粒子的相互作用，容易导致“毛发”脱落而成为一个自由态光子，这就是我们通常观察到的运动光子。从原子核脱落的光子，通常和核外电子一样围绕原子核运动，称作束缚态光子。
通常束缚态光子的涡通量较电子小得多，而以更大偏心率和较高速度围绕原子核运动，因此束缚态光子实际在多个电子轨道间穿梭。光子频繁穿越电子与原子核间的耦合域，使电子与原子核间耦合涡量发生扰动，造成轨道电子不断地能级跃迁。
束缚态光子对轨道电子运动的影响如图7-9所示。当光子进入电子与原子核的耦合域后，原子核在该方向上的部分涡通量与光子耦合，使电子与原子核间的耦合涡通量减小，根据公式（3-11），这时电子受到原子核的耦合引力减小，根据复合力原理，电子受到合力为斥力的作用而远离原子核，即电子从较低能级跃迁到了较高能级；当光子离开电子与原子核的耦合域后，电子与原子核间的耦合涡通量增大、电子受到原子核的耦合引力增大、电子受到合力为引力的作用而靠近原子核，即电子从较高能级跃迁到了较低能级。
图7-9电子能级跃迁原理示意图游离态（即自由态，见第八章3。1节）的光子进入电子与原子核的耦合域后，同样会造成电子能级的跃迁。由于光子停留在电子与原子核的耦合域的时间极为短暂，因此电子的能级跃迁都极为短暂。当然，光子的涡通量越高，电子能级跃迁的幅度越大。
根据原子谱线的分裂数据，可以推测出束缚态光子的轨道信息和能量分布等。
第四节对原子核放射性的考查。
4.1对放射性的认识过程
1896年，贝可勒尔在研究铀矿的荧光现象时，发现铀矿物能发射出穿透力很强并能使照相底片感光的不可见的射线。1898年，居里夫妇又发现了放射性更强的钋和镭。在贝可勒尔和居里夫妇等人研究的基础上，后来又陆续发现了其它元素的许多放射性核素。
根据射线在磁场中的偏转不同，认定它由三种成分组成，分别叫做α、β和γ射线。进一步研究证实，α射线由高速运动的氦原子核组成，β射线是高速运动的电子流，γ射线是波长很短的电磁波。
现在知道，有许多天然和人工产生的核素都能自发地发射各种射线。有的发射α射线，有的发射β射线，有的发射α或β射线的同时也发射γ射线，有的三种射线均有。此外，还有发射正电子、质子、中子等其他粒子的。原子核自发地放射各种射线的现象，称为放射性。原子核因放射性而发生的转变，称为原子核的放射性衰变。具有放射性的核素又称不稳定核素。
实验表明，对放射性核素加温、加压或加磁场，都不能抑制或显著地改变射线的发射。现在普遍认为，放射性现象与原子核的衰变密切相关，而与核外电子状态的改变关系很小。
显然，放射性和衰变是对同一个现象的不同侧面的描述，放射性是对放射物的描述，衰变是对放射源和残留物的描述。从上文不难看出，衰变是用放射性来定义的，而放射性又是用衰变来解释的。这里出现了一个循环论证的问题。
那么，造成衰变或放射性的机理到底是什么？原子核物理并没有给出明确的解释，下面给出系统相对论的解释。
4.2放射性（衰变）的产生机理
我们知道，放射性有天然放射性和人工放射性之分。天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放射性，它们大多属于由重元素组成的三个放射系，即钍系、铀系和锕系。
对于天然放射性元素，它们一般都是通过火山喷发或地壳运动，从地下来到地面（地壳）的。从第九章3。1节可知，天然放射性元素是在地下环境中产生的（否则，根据地球的年龄，地球岂不是源于一个强放射性的天体，显然这是站不住脚的）；在地下的高温高压环境中，这些放射性元素处于液态，由于大量自由光子与原子核的相互作用，使原子间相互作用较弱，这时原子处于稳态。换言之，这时的放射性元素并不具有放射性。
当这些元素到地壳后，环境的改变导致放射性元素处于固态，参与相互作用的自由光子减少，相邻原子及核外电子与原子核间相互作用显著增强。由于这种相互作用存在周期性，并与原子核固有的振动频率相吻合，于是原子核发生共振，这种状态称作原子核的“共振态”。
如同沙球振动会导致表面沙粒脱落一样。处于共振态的原子核，由于其剧烈地振动，使其表面粒子以更大振幅在它与核的平衡位置振动。于是，原子核的表面粒子与原子核的结合力显著减弱；或者说，表面粒子的结合能大幅下降。在外界的扰动下，一些表面粒子容易发生脱落而辐射出去，形成原子核的放射性。
不同的放射性元素具有不同的核结构和共振强度。因此它们的衰变周期和放射的粒子也各不相同。根据1.3节原子核梭状模型可知，原子核的表层是电子、质子或中子，这些粒子较容易发射出去；有些原子核最外侧轴上为氦核结构（串联的四个质子两端附着两个电子），这种核素易发生α衰变；由于原子核表面长满“毛发”—光子，因此原子核发生α或β衰变时，一般伴有多种频率的光子发射，其中包括高频率的光子——γ射线。
4.3稳态原子核的边界条件
如上所述可知，天然放射性元素并非生来就不稳定（否则它们何以能够长期存在于地球上呢？）。图7-10原子稳态性与环境的关系可见，原子核的稳定性取决于它的外界环境。这里所说的外界环境是指原子核间的温度压力条件，它直接影响着原子核间的相互作用。
在地表环境中，放射性元素的稳态原理如图7-10所示。图中的真空是指整个宇宙中不含光子的光子真空，即宇宙体的外场（参见图9-11）；物体边界是指光子真空与原子真空的边界，即宇宙体临界场的外边界；物质存在边界的外侧是空间密度为零的非物质区。从图10-4可知，我们的世界中不存在这样的非物质区，换言之，世界是物质的。
从图7-10中可以看出，原子核的稳态环境条件为：
Tdown≤T≤Tup和ρdown≤ρ≤ρup（7-1）。
显然，一定温度T或空间密度ρ下，ρ或T并非可以任意取值，而是存在一个具有上下边界的区间，即当温度T为Tdown和Tup间的某个值时，空间密度ρ为介于ρdown和ρup之间一小段连续取值，反之亦然。
物体或粒子的稳态温压边界形成的闭合曲线称作物体的稳态边界函数，该函数的一般表达式可以粗略视为一个以温度T和空间密度ρ为变量的二元二次方程。稳态边界函数一般通过实际测量获得，不同物体或粒子的稳态边界函数存在差异。
“cn粒子”具有最大的且有限的温压边界，也就是说，物质是存在温压边界的，即：
0＜ρ≤ρmax和0≤T≤Tmax（7-2）。
其中ρmax为“cn粒子”表面空间密度。可见，温压趋于无穷大的“奇点”是不存在的；我们之所以检测到质子的衰变周期趋于无穷大，这是因为我们是在质子的稳态区观察的结果。
从图7-10中还可以看出，一般，ρup位于物体内空间密度ρ体（同B体）附近，即物体内粒子边界上的平均空间密度；T是指物体内的光子能量密度（简称光子密度）ργ，它远高于外界。当外界为绝对零度即0K时，物体内的温度是大于0K的。通常我们测量的物体温度，实质是物体表面的温度，而不是物体内部的温度。
工程热力学中提到的绝对温度，都是绝对温度零度以上的正绝对温度。但是，在20世纪50年代以后，在核磁共振和激光效应的研究中，粒子只具有基态和激发态两种能量形态。在正绝对温度条件下，激发态的粒子数多于基态的粒子数。但是，在核自旋系统和激光系统中则相反，基态的粒子数却超过了激发态的粒子数。根据玻尔兹曼的粒子分布函数表示式，如果基态粒子（原子或分子）数大于激发态的粒子数，则绝对温度应该为负值，即能够出现负的绝对温度。
由此可见，光子密度较温度概念具有更大的适用范围。
第五节对核裂变理论的考查。
5.1核裂变液滴模型的壳修正理论
原子核物理认为，原子核裂变的过程比较复杂，理论还不很成熟。目前较为流行的是原子核裂变的液滴模型理论。
5.1.1核裂变的液滴模型理论
关于原子核的液滴模型，在1.2.1节已讨论过。根据液滴模型，一般的原子核在球形时处于势能最低点。小形变时表面能的增加超过了库仑能的减小，即形变势能增大，因而球形核是稳定的。当形变较大时，对于裂变核则有可能向更大的形变发展直至断裂。一个大液滴断裂成两个较小的液滴后，由于库仑斥力，使分成的两个荷电液滴分离飞开。这就是液滴模型中原子核裂变的机制。
对于偶偶核，同一种元素的各种同位素其自发裂变半衰期有较大变化，这时液滴模型不能解释的。根据液滴模型，裂变核的基态是球形，而且主要是对称裂变；然而，锕系核基态不是球形，而且主要是非对称裂变。
实际上，液滴模型没有考虑核内核子的个体效应，得出的结果只是平均结果，因而不能反映核内核子个体运动的特性。
5.1.2液滴模型的壳修正
虽然液滴模型原子核基态质量计算的相对偏差不大（小于1%），但是能量的计算值与实验结果的绝对值差几个MeV，与某些核素的裂变势垒高度比较起来，就是个不容忽视的数值。例如，锕系核的裂变势垒高度只有6MeV。
原子核壳模型能很好地反映原子核能级的壳结构，能由平均场中单粒子运动说明实验上出现的幻数，说明单粒子能级的次序和分壳层的现象。但是，壳模型不能准确计算出核素的势能值，也不能给出核素的能量随核形变的正确变化。
这两种模型各从一个侧面反映了原子核的性质，各具优点，也有各自的局限性，不能圆满地反映原子核的性质。如果将液滴模型和壳模型的优点结合起来，使得既能象液滴模型那样准确地计算原子核的总能量，又可以象壳模型那样反映出单粒子运动的壳效应，就能比较满意了。这就是斯特鲁金斯基提出的壳修正方法。
壳修正方法的核心是用双缝势垒模型取代了液滴模型中的单峰势垒模型。这不仅解释了形状同核异能素，还能成功地说明诱发裂变的中间结构和共振结构。壳修正对非对称裂变也能作出解释，还预言在Z=114，N=184附近可能有稳定的超重核。
5.2稳态超重核存在吗？
5.2.1超重核的理论预言与寻找过程
1965年以来，原子核理论预言，在已知核半岛的顶端以外，还可能存在一系列相当稳定的超重核稳定岛，第一个岛中心的原子核是中子数和质子数填满闭壳的双幻核（Z=114，N=184)，这个核特别稳定，在其附近的原子核对于自发裂变、α衰变和β衰变也是比较稳定的。估计这个双幻核的自发裂变寿命最长是1019年。除了这个稳定岛外，理论还预言了另外一些可能的更重的超重稳定区，而且还预言了超重核的性质。
许多科学家以各种不同的方法在自然界寻找超重核，包括对地球外样品的分析，但至今还没有得到肯定的结果。核物理学家利用重离子加速器，通过重离子核反应合成超重核，到目前为止，已经选择了包括用铀轰击铀在内的各种反应系统进行实验，但仍然没有成功。
尽管如此，寻找超重核一直是鼓励人们努力探索的一个重要课题。因为超重核是根据原子核理论预言的，它的存在与否是对原子核理论的严格检验。
5.2.2为什么天然放射性元素集中在重元素区
我们知道，天然放射性元素大多属于由重元素组成的三个放射系，即钍系、铀系和锕系。而人工放射性元素却有着更大的范围，但在地球却找不到它的天然存在。这些都说明了什么呢？
根据4.4节原子核稳态边界条件不难推测，大多数人工放射性元素在地球内部是存在的，但相对天然放射性元素，它们具有更小的稳态区间，因此在到达地壳前它们早已经衰变为其他稳定核。由于人类的探索还无法到达地球内部这些元素的存在区域，故得出找不到它们的天然存在的结论。
至于天然放射性元素集中在重元素区的原因，机理较为复杂，简单解释如下：系统相对论认为，原子核的稳定性与它的结构密切相关。构成原子核的核子越少，单个核子的增减对核结构稳定性的影响就越大，对应的稳态结构的种类就越少；换言之，越轻的元素，它的天然同位素种类就越少。反之，构成原子核的核子越多，单个核子的增减对核结构稳定性的影响就越小，对应的稳态结构的种类就越多；换言之，越重的元素，它的天然同位素种类就越多。
可见，对于轻元素，单核子的增减引起的稳定性变化较大；对于重元素，单核子的增减引起的稳定性变化较小。因此，与重元素的放射性同位素比较，轻元素的放射性同位素具有更小的稳态边界，它们在到达地壳前就已经衰变。故而我们发现的天然放射性元素集中在重元素区。
另一方面，核子数越大的原子核，它的半径越大、表面场强越强。换言之，核子数越大的原子核，其场强衰减步长越长。在原子核间距不变的情况下，根据场强公式和相互作用公式，核子数越大的原子核，场域边界场强越强，核间作用就越强。而核间作用主要通过它们表面核子间的作用实现的，因此核子数越大的原子核，表面核子受到相邻原子核更大的作用力，而越容易从核体上分离。这是天然放射性元素集中在重元素区的另一个重要原因。
5.2.3稳态超重核存在的条件
从重核可以衰变为较轻的核容易推得，天然的重核中应有一些是由更重的核衰变而来，因此在地球内部应存在超重核。但由于这些超重核稳态温压区间非常小，故而我们无法在地面找到。至于人工合成超重核，由于我们难以构建超重核产生和存在的温压环境，因此这种努力目前还难以获得预期的结果。
然而，并不是说人类无法感知到自然界中超重核的存在。从第九章可知，宇宙中存在比所谓超重核大得多的巨核（中子星的内核）和超核（即黑洞），我们探测到的高能宇宙线就是它们发出的。
5.3梭状核模型的裂变机制
根据第三章5.2节的系统理论可知，任何固态的物体，其内部相邻微粒间存在周期性的相干作用，它们的运动状态都是合拍的。也就是说，固体内的微粒是处于共振态的。结合前面讨论可知，引起核衰变的主因是核结构的稳定性，稳定性差的原子核处于共振态时，一方面表面核子的结合力下降，另一方面核间相干作用增强，导致表面核子分离而发生衰变。
核裂变是不稳定原子核的一种高强度的衰变过程。在裂变反应堆中，一方面，大量裂变中子对原子核的不断撞击，导致不稳定核表面的核子不断分离，直到转变为高稳定性的原子核，称作残核；另一方面，从不稳定核分离出来核子的不断产生、聚集，导致它们凝聚形成新的原子核，称作合成核。
根据上述核裂变机制容易推得：一般，残核和合成核都存在多种形式，合成核较残核原子量要小一些。