第24章 原子核物理和粒子物理简介

M (Z , A) m(Z , A) Zme Be (Z ) / c
例如，对于氢原子，我们有
2
Be (Z ) 13.6eV
mHc 13.6eV mpc mec
2 2
2
二、原子核的模型
卢瑟福用粒子轰击金箔的散射实验
1 1 (2 e )(79 e ) 2 mα v 2 4π 0 2R
I I0et
国际单位：贝克勒尔(Bq) 1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。 常用单位：居里( Ci)
1Ci 3.7 10 Bq
10
二、原子核的三种衰变方式
1、 粒子衰变
是不稳定核自发地放出氦核的过程。 射线是粒子流，是带正电的氦核。
一般的过程可以表示为：
A Z
X
A4 Z 2
T1
2
ln 2


0.693

平均寿命
每个原子核衰变前存在的时间的平均值。
原子核的寿命：
L t (dN ) t Ndt t N 0 e
0

t
0
dt
N0

平均寿命：
L 1 N0
平均寿命与半衰期的关系：

T1 2 ln 2
几种放射性同位素的半衰期 同位素 衰变方式 半衰期
原子核的自旋和磁矩
原子核
2 1
6 3 7 3
自旋量 子数
1 1 3/2 1
磁矩
0.8565p
自旋量 原子核 子数
16 8
磁矩
——
1.16p
H
O
0 3/2 3/2 9/2
Li Li
0.8213p
3.2532p
0 .403 p
23
Na
K In
39 19
1.136P
1.16p
24.2 原子核的量子性质 一、原子核的自旋
原子核有自旋，自旋角动量为
h PI I ( I 1) 2π
1 I－核自旋角动量量子数（核自旋） 2
核自旋可以是整数，也可以是半整数。
核自旋的确定： 1. 质子和中子的自旋
1 I 2
2. 原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。 3. 原子核的质子数和中子数都是奇数时， 自旋为非零整数。 4. 原子核的核子数是奇数时，自旋为1/2的奇数倍。
的研究，可以深入了解物质的结构，从而为
新材料的开发提供实验依据。
24.3 原子核的放射性衰变
一、放射性衰变定律
不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时 放出射线，这种变化叫放射性衰变。 三种射线： 射线、 射线、 射线

t 时刻样品中有N个核，在dt 时间内有dN个发生衰变
dN Ndt
原子核符号
A Z
2
X
A－质量数＝Z＋N
Z－电荷数
X－与Z相应的元素符合 如 :
14 7
N
16 8
O
具有相同的质子数而中子数不同的原子核称为同位素。
16 8
O O O
1 1
17 8
18 8
1 1
H H H
1 0
2 1
3 1
质子、电子和中子符号
H( P)
1 1
0 1
e
n
15
原子核的体积总是正比于它的质量数
中子与中子之间和质子与质子之间交换 π 介子
0
中子与质子之间和子质与中子之间交换 π 介子

要说明的是：虽然核力的介子交换理论 可以定性解释一些核现象，但是核力并不是 自然界的基本相互作用力。 按照夸克理论，强相互作用发生在夸克 之间，夸克通过交换胶子实现夸克间的强相 互作用。核力实际上是夸克间的强相互作用 力在核子层次上的综合体现，因此核力的表 现很复杂。
展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结 构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测 定成为可能。
核磁共振效应已经广泛地应用在科学技 术的各个领域里，利用核磁共振效应制成的 各种测试设备，已成为进行物理、化学及其
他科学研究的标准实验方法之一。核磁共振
技术是直接测定原子核磁矩和研究固体结构
的重要方法，通过对固体样品核磁共振谱线
历史上，人们提出了多种关于核结构的模 型。主要有液滴模型、费米气体模型和核的壳层
模型。液滴模型把原子核看成一个带电的液滴，
由核子组成。原子核的半径随着核子数增多而增
大，维持其密度不变。费米气体模型把核子看成
几乎没有相互作用的气体分子，因为核子是费米
子，原子核就可视作费米气体。
关于原子核的壳层模型思想，主要来源于实 验上的一些特别现象。实验表明，如果原子核中质 子或中子为某些特定数值或两者均符合这些数值时， 原子核就异常稳定，人们将这些特殊数值称为“幻
性质。１９４９年，德国的核物理学家迈耶
（M．G．Mayer）等人引入核子的轨道和自 旋耦合作用的概念，圆满解释了这种现象。
三、核力和介子
原子核是由核子组成的，而质子之间有
着很强的库仑排斥力存在。在电磁作用和万
有引力的基础上无法解释为什么自然界存在
着大量稳定的原子核。因此，核子之间必须
有很强的吸引力存在，这就是核力。
Sn
22.989773
62.929594 119.902198 183.951025 238.04861
10 5
10.12939 11.009305 12.00000
120 50
11 5 12 6
B
184 74
W
C
238 92
U
要说明的是，原子质量 M ( Z , A)与原子核质量 m(Z , A) 是不同的。主要是相差了核外的电子质量以及与 原子结合能 Be (Z ) 对应的质量，即
人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了
实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁
场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析 分子结构。随着时间的推移，核磁共振谱技术不 断发展，从最初的一维氢谱发展到二维核磁共振 谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能
力也越来越强。进入1990年代以后，人们甚至发
1 0
n
238 92
U
239 92
U
*
239 92
Uγ
24.4 核裂变和核聚变
一、原子核的结合能 原子核的质量总是小于组成该原子核的核子的质量 之和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损。
m [Zmp ( A Z )mn ] M x
1 0
n 1 P 0 e νe 1 1
+衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个 正电子和一个中微子
1 1
P n e νe
1 0 0 1
3、 衰变
一般情况下，原子核发生、衰变时，原 子核往往处于激发态。处于激发态的原子核向 低激发态或基态跃迁过程中，会放出光子，这 样的衰变过程称为衰变。 例如：
数”。迄今已经发现的幻数有２、８、２０、２８、
５０、８２和１２６。自然界广泛存在的氦、氧、
钙、镍、锡、铝的质子和中子都符合幻数条件，它
们原子核中的质子和中子以集体形式充满了某些
“能级”，因此这些元素异常稳定。
幻数的存在是原子核有“壳层结构”的
反映，表示相同的粒子以集团的形式构成结合
状态，就会出现某种秩序，并且决定原子核的
核磁量子数的选择定则 M I 0, 1 核能量改变 δ(E) gI N B 当 h gI N B 原子核从磁场中强烈吸收能量，称为核磁共振。
实验中，通常有两种办法实现核磁共振： （1）保持外磁场B不变，而连续改变人射电 磁波的频率； 或: （2）用一定频率的电磁波照射而调节磁场的 强弱。核磁共振时，样品吸收电磁波的能量， 被接收器接收，记录在以频率为横坐标的记 录纸上，成为核磁共振谱。
14 7
N
113 49
原子核磁矩与核自旋角动量的关系 e e h I g I PI g I I ( I 1) 2mp 2mp 2π
gI I (I 1)N
gI－原子核的g因子 原子核磁矩在某一特殊方向的投影
I g I M I N
z
MI－核磁量子数
投影最大值
M I I , I 1,, ( I 1), I
核力的特征： 1. 核力是比电磁力强得多的强相互作用力， 主要是吸引力。 2. 核力是短程力，核子间距离小于10-15m 时才明显。 3. 核力与核子带电状况无关。 4. 核力具有饱和性。 1935年，汤川秀树(H. Yukawa)提出了关 子核力的模型，认为如同电磁作用是带电粒子 通过交换光子而实现的一样，核力也是一种交 换力，核子之间通过交换介子实现核力作用。
3
同位素 衰变方式 半衰期
64
H
C
β β β β
12.4a 5568a 12.4h 5.27a
Cu
Ce
β
12.7h
5 1015 a 3 107 s
14
142
212
α α α
42
60
K
Co
Po 238 U
4.51109 a
放射性活度 一个放射源在单位时间内发生的核衰变次数。
dN t I N N 0e dt t=0，N=N0，I=N0
二、原子核的磁矩
原子核有磁矩，以核磁子为单位。
eh N 4πmp
与玻尔磁子间的关系：
1 N B 5.050 1027 A m 2 1836.5
质子的磁矩
p 2.792782N
中子的磁矩
n 1.913165N
说明：
•中子的自旋角动量与磁矩方向相反。 •中子内部有一定的正负电荷分布，但正负电 量相等，因此不显电性。