原子核的基本性质
第九章原子核和基本粒子简介
9.4 原子核反应
放射性核衰变是不稳定核的自发转变，核反应是用具有 一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而 转变为新原子核的过程 。研究核反应的重要目的之一是 获取核能（裂变能，聚变能）。 一、 核反应的一般规律
1. 几个著名的核反应
历史上第一个人工核反应
14 7 4 1 N2 He 1 H 17 8O
、 、
0
质量介于质子和电子间，称为
介子。
1947年，在宇宙射线中发现了
介子，质量为273 me.
1949年，汤川秀树获得诺贝尔物理学奖。
0 1950年，又发现了 介子，质量为264 m
e
C.F.鲍威尔（英国人）开发了用以研究核破坏过程 的照相乳胶记录法并发现各种介子，获得诺贝尔物理学奖。
M X MY
原子核内一个质子转化为中子，同时放出一个正电子和一个 中微子。只在人工放射物中出现。
A Z
X
A Z 1
Y e e
0 1
衰变能
Ed (mX mY me )c2 (M X MY 2me )c2
4.K电子俘获 原子核俘获一个核外K层上的电子，核内一个质子变为中子，同 时放出一个中微子的过程。
1u 1 12 12 1 C原子质量 12 N 0 12
1.66055 10 27 Kg
原子核的基本性质
1871～1937 1908年诺贝尔化学奖
其他主要贡献： 14 1 17 1919年， N H O
1920年，预言中子存在。
培养了12位诺贝尔奖获奖者。
卢瑟福散射实验结论：
• 正电荷集中在原子的中心，即原子核； • 线度为10–12cm量级，为原子的10–4量级； • 质量为整个原子的99.9%以上； 从此建立了原子的有核模型。
原子核的半径,根据测量方法： 核力半径和电荷分布半径。 它们结果相近，均与 A1/3 成正比。 R r0 A1 3 13 R 1 . 20 0 . 30 A fm 电荷半径：
核力半径： R 1.40 0.10A1 3 fm 重要结论： 原子核半径近似正比于A1/3，原子核体积近似正比于A。
I gI I N
gI 核朗德因子或核的回旋磁比率，与组成原 子核的核子的磁矩，核子在核中的相对运动 磁矩都有关系，因此包含了核结构的信息。
核磁矩在 z 方向的投影为:
I ,z g I mI N
mI取值为I,I-1,I-2…,-I+1,-I。共2I+1个。
通常所说的核磁矩是 mI=I 时的取值，也就是磁 矩在z方向上投影的最大值来表征磁矩的大小，
19.2
原子核的量子性质 (自旋、磁矩和电四极矩) 1、原子核外电子的状态量子数
主量子数
角动量量子数 磁量子数 自旋量子数
第1章 原子核的基本性质(9P1.4S)
第一章原子核的基本性质
原子核的基本性质通常是指原子核作为整体所具有的静态性质。它包括原子核的电荷、质量、半径、自旋、磁矩、电四极矩、宇称、统计性质和同位旋等。这些性质和原子核结构及其变化有密切关系。本章的讨论，不仅使我们对原子核的静态性质有个概括了解，而且为讨论以后各章准备必要的知识。
§1.1 原子核的电荷、质量和半径
1．核的电荷
1911年，卢瑟福(E.Rutherford)做了如下实验：用一束α粒子去轰击金属薄膜，发现有大角度的α粒子散射。分析实验结果得出：原子中存在一个带正电的核心，叫做原子核。它的大小是10－12cm的数量级，只有原子大小的万分之一，但其质量却占整个原子质量的99.9％以上。从此建立了有核心的原子模型。由于原子是电中性的，因而原子核带的电量必定等于核外电子的总电量，但两者符号相反。任何原子的核外电子数就是该原子的原子序数Z，因此原子序数为Z的原子核的电量是Ze，此处e是元电荷，即一个电子电量的绝对值。当用e作电荷单位时，原子核的电荷是Z，所以Z也叫做核的电荷数。
不同的原子核由不同数目的中子和质子所组成。中子和质子统称为核子，它们的质量差不多相等，但中子不带电，质子带正电，其电量为e。因此，电荷数为Z的原子核含有Z个质子。可见，原子序数Z同时表示了核外电子数、核内质子数以及核的电荷数。
测量原子核电荷的方法有多种。比较精确的方法是在1913年由莫塞莱(H.G.J.Moseley)提出的。他发现元素所放出的特征X射线的频率ν与原子序数Z之间有下列关系：
AZ B
=-(1.1-1)
第一章 原子核的基本性质
mI I , I 1,..., I 1, I
e I z g I 2m mI P ' 其最大投影（记作 I ）为
（1.3-7）
e gI 2m I g I N I P
' I
（1.3-8）
e 27 =5.0508×10 A· ㎡，称之为核磁子。因为 式中 N 2m P
e e l Pl gl P l 2me 2me
（1.3-2）
s g s B Ps
（1.3-3）
和
l g l B Pl
（1.3-4）
e 式中 B 9.2740 10 24 A · m 2,称之为玻尔磁子。 2me
（2）当I≥j时，F取2j+1个值，则能级分裂为2j+1个， 则无法利用子能级数目来确定I。 从量子力学知道， PI 和 Pj的相互作用能量E正比 于 PI Pj ，即
A是常量。将（1.2-4）式两边平方：
E API Pj
2 F 2 I 2 j
（1.2-6）
P P P 2PI Pj
称为共振吸收；此时的频率称为共振频率。
h E g I N B
(1.3 12)
h gI N B
(1.3 13)
用途： 1. 测核的磁矩 2. 测磁场
2.核物理与粒子物理讲义-第一章原子核的基本性质1
M = M + M e −We N A
12 C原子质量 = 1 = 1.6605402 ×10−27 kg 1u = N 12 A = 931.49423 MeV/c2
特征能量单位：keV、MeV、GeV、TeV 103 106 109 1012 eV 1eV=1.60217733 x 10-19 J 测质量的质谱仪方法（电磁方法）：
140 150 School 160 170 190 180 Neutron number
-2
70 100 110 2004 120 130
-6
从1969至1974，美国Berkeley和俄罗斯Dubna，重离子诱发的“热熔合”，合成 了104、105和106三种元素的几个同位素。中子跑走太多，融合截面小。 1973年，Dubna小组利用40Ar+208Pb反应证实了他们提出的以双幻核为靶以减 少复合核的激发能，降低复合核裂变的竞争，提高重余核产额的想法 -“冷熔 合” 。德国GSI在1975年建成了重离子强流直线加速器、研制了重余核分离设备 SHIP和单个原子的α衰变关联测量技术，使得他们可以分离寿命短至几个微秒的 蒸发余核并测量其α衰变。从1981-1996年，GSI小组利用强流54Cr，58Fe， 62Ni，64Ni和70Zn束流轰击208Pb和209Bi靶，先后合成了Z=107－112的6种新 元素的一系列同位素。在“冷熔合”反应中，所要合成元素的生成截面随其原子序 数的增加而呈指数下降，合成Z＝112的元素已经达到目前GSI技术条件的极限。 2004年，日本的RIKEN小组利用极强的70Zn束流轰击209Bi靶合成了113号元 素。近几年来，Dubna小组考虑到“冷熔合”反应截面的减小，选择了双幻核 48Ca轰击丰中子锕系靶，通过所谓的“温熔合”来产生接近理论预言的球形超重 稳定岛的长寿命核。该实验室经过一系列艰苦的设备改造后，于1998年底开始了 Z≥114号元素的合成探索。基于单个原子的α衰变关联测量技术，先后获得了1个 289114、2个288114、2个287114、2个 292116、3个288115、1个287115和2个294118 衰变事件。尽管目前报道的实验结果已经合成到了118号元素（117号未见报 道），但被确认的结果只到112号元素，113－116和118号元素的确认需待进一 步的验证实验。
原子核的基本性质
2.结合能
（1）质量亏损：
M ( Z , A) ZM ( 1H ) ( A Z )mn M (Z , A) 0
（2）结合能：
上式说明核子结合成原子核时要放出能量，或者说把原子核打碎成自由 核子要给予能量，此即结合能 B(Z,A)
B(Z , A) M ( Z , A)c2
（3）比结合能：
R 1.1 A1/ 3 fm
高能电子
3.改进公式：
R rp z1/ 3 , rp 1.64 fm
4.实验表明：对中质比大的原子核，中子的分布半径比质子的大， 出现“中子皮”，“中子晕”。
6 2
He, 48 Be
11 3
Li
5.估计核的密度
4 4 V R 3 r03 A A 3 3
（3）
当I j时，能级分裂只有两个？
利用超精细结构谱线的相对强度测定核的自旋
PI与Pj的相互作用能量E
E＝API Pj 1 ＝ A F(F+1)-I(I+1)-j(j+1) 2
2
（PF＝PI Pj）
由于能级分裂就是由于PI与Pj的相互作用能量， 所以分裂F的个数就是E的个数
设F＝I j，I j－1，I j-2， 时的相互作用能量 E分别为E1，E2，E3，
PF Pj PI , F j I , j I 1,
原子核的性质
p x
其中Δx, Δp分别为电子位置和动量的不确定性。
又因为：E 2 p2c2 me2c4
因此我们可以估计核内存在的自由电子能量。
假设忽略电子的静止质量，me=0 核的大小为5fm (1fm=10-13cm)
E
pc
c x
197 MeV 5 fm
1930年，玻特（W.Bothe）等人利用α粒子轰击锂、铍等轻元素， 发现一种贯穿能力较强的辐射，它能穿过厚的铅板被记数管记录下 来，当时认为可能是γ射线。
1930年，I. Joliot-Curie夫妇重做这个实验，用钋α源打到铍靶上， 并用所放出的那种穿透性强的“射线”去轰击石蜡，结果观测到了 反
分的精确质量值。我们知道原子核是由质子和中子组成的，但是 历史上对于原子核的组成的认识并不是一帆风顺的。
1919年，E.Rutherford通过实验：
174N 187O11H
反应发现了一种粒子，它带一个单位正电荷的电量，其质量与氢 原子核质量相等。这种粒子被称为质子。同时，用快速α粒子轰击 其他元素的原子核时也能产生这种粒子。这个发现说明了原子核内 是包括质子的。
第一章 原子核的基本性质
原子核的基本性质通常是指原子核作为整体具有的静态性质。 它包括原子核的电荷、质量、半径、自旋、磁矩、电四极矩、 宇称和统计性等。这些性质和原子核结构及其变化有密切关系。
02原子核的基本性质和结构
原子核物理选讲(孙小军) •原子核的基本性质•
四．原子核的自旋（原子物理相关知识的补充）
（二）确定原子基态光谱项的简易方法
由泡利原理和能量最低原理求原子电子组态的最大总自旋S值；
求出上述情况下的最大总轨道角动量L值； 由半数法则(洪特定则第3条)确定只考虑电子影响下的基态总角动量J值；
mn 1.008665u 939.565330MeV c2
注意：中子质量略大于质子质量
原子核物理选讲(孙小军) •原子核的基本性质•
二．原子核的质量
测量原子质量仪器：质谱仪 核素：具有相同质子数Z和中子数N 的一类原子核，称为一种核素。
A Z
XN
同位素：Z同，N不同 同中子素（同中异位素）：Z不同，N同 同量异位素：A同，Z不同
六．Biblioteka Baidu子核的电四极矩
电四极矩：面积的量纲，与原子核的电荷分布 的形状密切相关。
Q
1 (3z 2 r 2 )d eV
x2 y2 z 2 2 2 1 2 a a c
测原子核电四极矩的方法： （1）实验分析原子光谱超精细 结构的间距法测的偏离程度; （2）测量电四极矩共振吸收; （3）原子核本身能级间的跃迁。
测量原子核电荷的方法：莫塞莱定律(H.G.J. Moseley)，利用元素放出X 射线的频率与原子序数Z的关系: A≈5.2×107s-1/2； B≈1.5×108s-1/2
原子核结构和核反应的物理性质
原子核结构和核反应的物理性质
在物理学领域中，原子核结构和核反应是两个重要的研究对象。原子核是构成原子的基本组成部分，它包含了质子和中子这两种粒子。了解原子核的结构和核反应的物理性质对于我们理解宇宙的形成和发展过程具有重要意义。
一、原子核结构
原子核结构是指原子核内部的组织和排列方式。根据现代物理学的研究成果，我们知道原子核是由质子和中子组成的。质子带正电荷，中子不带电荷。原子核的直径约为10^-15米，相比于整个原子的大小来说，原子核非常小。
原子核结构的研究发现，原子核内部存在着一种强相互作用力，这种力可以使质子和中子相互吸引，维持原子核的稳定。而质子之间的电荷相互作用力则使得原子核内的粒子排列成特定的方式。根据质子和中子的数量和排列方式，不同的原子核具有不同的质量数和原子序数。
二、核反应的物理性质
核反应是指原子核之间发生的相互作用过程。核反应具有以下几个重要的物理性质：
1. 反应类型
核反应可以分为两种类型：裂变和聚变。裂变是指重原子核分裂成两个或多个轻原子核的过程，聚变则是指轻原子核融合成一个重原子核的过程。裂变和聚变都会释放出巨大的能量，这也是核能的来源之一。
2. 能量释放
核反应释放的能量是巨大的。这是因为原子核内部的结合能是非常大的，当核反应发生时，一部分结合能会转化为能量释放出来。根据爱因斯坦的质能方程
E=mc^2，质量和能量之间存在着等价关系，所以即使是微小的质量差异也会释放
出巨大的能量。
3. 反应速率
核反应的速率是由原子核之间的相互作用力和碰撞频率决定的。在核反应中，
原子核之间需要克服相互之间的静电斥力才能接近，当碰撞的能量足够大时，核反应才能发生。因此，核反应的速率与原子核的能量和温度有关。
原子核的基本性质
当 ≥ j时 能 分 只 两 ？ I ， 级 裂 有 个
利用超精细结构谱线的相对强度测定核的自旋
r r P与 j的 互 用 量 P 相 作 能 E I
r r E＝ P ⋅ Pj AI 1 ＝ A[ F(F+1)-I(I+1)-j(j+1)] h2 2
r r r （ F＝ I + Pj） P P
B(Z, A) = M(Z, A)c2
（3）比结合能：
ε＝ / A B
1.当A<30时，曲线的趋势是上升的，但有明显的起伏，峰的位置是偶偶核。 2.当A>30时，比结合能大约等于8MeV，说明原子核的结合能与核子数成正比。 3.曲线的形状是中间高，两边低。中等质量的核结合的比较紧，轻核核重核结合 的比较松，核能的利用。例如：
一 标 煤 5×106 cal 吨 准
1kg U 4×10 吨 准 标 煤
235 6
3.液滴模型
由于核子之间的作用还不清楚，所以常用一种唯象的方法。 模型法： 以实验为根据，提出原子核结构或者反应机制的某种模型， 通过理论和更多实验结果比较，以检验模型的正确性，并确定其适用 范围。
（1）液滴模型的实验根据。
第一章
原子核的基本性质
主要指原子核作为整体所具有的静态性质
一： 电荷、质量、大小、 二： 自旋、 三：磁矩、 四：电四极矩、 五：宇称、统计性、 六：同位旋
第7章 原子核的基本性质
I
1
µ ´I（核磁矩）
+0.40365
1/2
0 3/2 3/2 4 3/2
- 0.28299
0 +2.21711 +0.309 -1.291 +0.215
30
四 原子核的电四极矩
实验表明：原子核的电荷分布不是 完全球形对称的，而非球形对称分布的 电荷所产生的电势一般为：
(r ) a1R a2 R a3 R ........
11
12
核素
1H
2H 3H 12C 13C
质量数
核素质量
14N
15N
1 2 3 12 13 14 15
1.0078252 2.0141022 3.0160497 12.000000 13.003354 14.0030744 15.000108
13
二、原子核的结合能
1、质量亏损： 原子核的质量总是小于组成它的所有核子 的质量和，两者质量之差称为质量亏损。
（2J+1）个子能级——原子的超精细结构。
25
例 已知
59
Co
的基态
4
F
9 2
的原子光谱
59
超精细结构分裂成 8 个成分，试确定 核的动量矩。
Co
26
3、原子核的磁矩：就是质子的轨道磁矩，质子、
原子核的基本性质和结构
原子核的基本性质和结构
原子核是原子的中心部分，它由质子和中子组成，它们被称为核子。在原子核中，质子和中子被强相互作用力所约束，并保持着基本稳定的结构。
质子是带有正电荷的粒子，它们的质量约为1.67×10^-27千克。中子是没有电荷的粒子，它们的质量与质子相近。原子核的质量可以通过质子和中子的质量之和来计算。
原子核的直径约为1到10费米，而整个原子的直径则约为0.1到1纳米，因此原子核相对于整个原子来说非常小。原子核的密度非常大，约为10^17千克/立方米，比普通物质的密度高了几个数量级。
原子核中质子和中子的数目决定了元素的化学性质和同位素的存在。质子数目决定了元素的原子序数，即元素在周期表中的位置。原子核中的中子数目可以有所不同，这就导致了同一元素的不同同位素。
质子和中子是由夸克组成的。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子由一个上夸克和两个下夸克组成。夸克是一种基本粒子，它们具有分数的电荷。夸克通过强相互作用力相互绑在一起，形成质子和中子。
原子核内部的夸克之间通过交换胶子来保持稳定。胶子是一种传递强相互作用力的粒子。这种相互作用力非常强大，能够克服质子和中子之间的静电排斥力，使原子核保持相对稳定。
原子核的能级结构与电子的能级结构有所不同。原子核中的质子和中子也具有能级，但是这些能级非常密集，因此它们表现为连续的能带而不是离散的能级。原子核的能级结构对于核反应和放射性衰变等核物理过程非常重要。
原子核的稳定性受到核力和库伦排斥力的竞争影响。核力是一种短程强相互作用力，它能够克服库伦排斥力，使原子核保持相对稳定。当原子核中的质子数目太多时，库伦排斥力开始支配，原子核变得不稳定，这导致了放射性衰变的发生。
原子核的组成和性质
原子核的组成和性质
1. 引言
原子核是物质的基本组成部分，它决定了元素的化学和物理性质。本文将详细
介绍原子核的组成和性质，帮助读者深入理解这一微观世界的奥秘。
2. 原子核的组成
原子核是由质子和中子组成的，它们是核子。在原子核中，质子带正电，中子
不带电。原子核的质量远大于电子，占据了原子的大部分质量。
2.1 质子
质子是原子核中的正电荷粒子，其质量约为1.67 × 10^-27 kg。质子的数量决
定了元素的种类，即原子序数。例如，氢原子核中只有一个质子，而铀原子核中有92个质子。
2.2 中子
中子是原子核中的中性粒子，其质量约为1.67 × 10^-27 kg。中子的数量可以
变化，从而形成不同的同位素。同位素是指具有相同原子序数但质量数不同的元素。例如，氢的同位素有氢-1（只有一个质子和一个中子）、氢-2（一个质子和两个中子）和氢-3（一个质子和三个中子）。
3. 原子核的性质
原子核具有几个重要的性质，包括核力、核自旋、核磁矩和核能级。
3.1 核力
核力是一种强相互作用力，它负责将质子和中子束缚在原子核中。核力是一种
短程力，作用范围在1.5 × 10^-15 m以内。核力远大于电磁力，这是为什么原子
核能够稳定存在的原因。
3.2 核自旋
核自旋是原子核的一种量子力学性质，类似于电子的自旋。核自旋可以是整数
或半整数，如1/2、1、3/2等。核自旋导致原子核在磁场中产生磁矩。
3.3 核磁矩
核磁矩是由核自旋产生的磁矩，它使原子核在磁场中受到力的作用。核磁矩的
大小与核自旋、电荷数和质量数有关。核磁矩的测量对于核物理学和固体物理学的研究具有重要意义。
17原子核和基本粒子讲解
质子、中子、电子 夸克
17-1 原子核的基本性质
一、原子核电荷、质量和密度
1、原子核的质量数和电荷数 原子核由质子和中子组成。
质子（P）： e mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱp 1.007276u
中子（n）：电中性 mn 1.008665u 1u 1.66056551027 kg
核子
原子核符号
A Z
X
A(质量数) Z N Z 电荷数(质子数,原子序数)
14 7
N
186O
X 与Z相应的元素符号
核素:具有相同质子数Z和相同中子数N的核素。
同位素:具有相同的质子数而中子数不同的核素。
186O 187O 188O
1 1
H
12H
13H
同中子异荷数:具有相同中子数N 、不同质子数Z的核素。
i
原子核由Z个质子和N个中子结合而成，
mi Zmp Nmn
i
Eb (Zmp Nmn )c2 Mc 2
平均结合能(比结合能)： 原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。
Eb
Eb A
平均结合能越大， 原子核越稳定。
* 17-2 原子核的放射性衰变
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。 一、放射性衰变的一般规律 1.指数衰减规律
17-1 原子核的基本性质
第17章
原子核物理和粒子物理简介
17–1
原子核的基本性质
3
二、核自旋和磁矩 实验和理论都说明原子核也有自旋.原子核的自旋角动 量为
h PI I ( I 1) 2
(17.2)
式中I称为核自旋角动量量子数，简称核自旋.不同的 原子核其自旋的取值可以是整数，也可以是半整数. 1 质子和中子的自旋都是 I .当原子核的质子数和中 2 子数都是偶数(偶—偶核)时，其自旋为零.
数的核子发生核力作用，而不能与原子核内所有核
子发生这种作用.
第17章
原子核物理和粒子物理简介
17–1
原子核的基本性质
10
四、原子核的结合能 实验发现，任何一个原子核的质量总是小于组成该原
子核的核子质量之和，它们之间的差额称为原子核的
质量亏损. 设原子核 ZA X 的质量为Mx，质子的质量为mp，中 子的质量为mn，在这一原子核中共有Z个质子和(A －Z)个中子，质量亏损为
E I B cos (17.6)
由于空间量子化，由式 (17.4)，则式(17.6)为
E I z B gI M I N B
第17章 原子核物理和粒子物理简介
图17.1
17–1
原子核的基本性质
7
因为核磁量子数的选择定则为 所以核的能量只改变
M I 0, 1,
哈尔滨工程大学原子核物理课件01原子核的基本性质
•核力作用半径 由核散射、核反应等确定，近似地 =R2 为核反应截面。 通常： R≈rA1/3, r =(1.4~1.5) fm , 1fm=10-15m
1 fermi = 1.0 x 10−15 metres = 1 femtometre = 0.001 picometre = 1000 attometres
Biblioteka Baidu
例：入射离子带单位电荷，B=0.3580 T，R=0.05 m，加速电压V=672 V时离 子电流出现最大值则离子的质量为多 少？该原子的质量数为多少？
M=3.8110-26 kg A=23 能否判断为何种核素？
http://www.nndc.bnl.gov/
应用
4. 核的半径
原子核近似为球形，可定义半径或平均半径 （10-15~10-14m)。 “虚”表面，半径的定义模型相关。 核的大小的测量：电子、中子、质子散射，反 应截面测量等。
核的磁矩μ ：
磁矩z方向投影的取值有几个？
核磁共振法测磁矩 将被测样品放在一个均匀的强磁场 B中（≈1T） ，由于核具有磁矩μI， 它在磁场中与 B作用获得附加能量：
output 30Hz
塞曼效应
产生的本质区别
核磁共振
2.0 10-19C 5.2 10-19C 8.0 10-19C
2. 核的电荷
– 原子为电中性，所以Q原子=Q核+Q电子=0。 – Q核=Ze，e为元电荷~1.610-19C。Z又称为核电 荷数。
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稳定核素的奇偶分类表：
Z e e o o N e o e o 名 称 偶偶核 偶奇核 奇偶核 奇奇核 稳定核素数目 166 56 53 9
Cl18 奇质子核。
镜像核：中子数N、质子数Z互换的核素。
7 3
Li4
7 4
Be3
•核素图及β 稳 定曲线 核素图
β稳定曲线
核素图及β稳定曲线的特点：
１).核素图包括300多个天然存在的核素 (其中稳定核素280多个，放射性核素30 多个)及3000多个人工放射性核素。
２).稳定同位素几乎全落在一条光滑的 曲线，稳定曲线在轻核靠近 Z＝N 线， 而对重核则 N > Z. 3).偏离稳定曲线上方的核素为丰中子核 素，易发生β－衰变；下方的核素为缺中 子核素，易发生β＋衰变。
2 1
H1
3 2
He1
14 6
C8
16 8
O8
4、同量异位素（isobar） 质量数A相同，质子数Z不同的核素。
40 18
Ar
40 19
K
95 40
Zr
95 41
Nb
5、同质异能素（isomer） 质子数 Z 和中子数 N 均相同，而能态不 同的核素。
87 38
Sr
87 38
Sr
m
同质异能态： 同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。
87 38
Sr
m
激发态半衰期为2.81hr。
6、偶A核： 偶偶核(e-e核)
中子数N、质子数Z 均为偶数的核素。
4 2
奇奇核(o-o核)
中子数N、质子数Z 均为奇数的核素。
6 3
He2
46 20
Ca26
35 17
Li3
32 15 17
P
奇A核：偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。
13 6
C7
奇中子核，
1u 1.66053873 10 g
1e 1.602176462 10 C
19
3. 原子核的表示
原子核由中子和质子组成，中子不带电， 核子数A 元素符号X 质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分 别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子 统称为核子，数目以 A表示， A称为核子数或 质量数，核中质子数记为 Z，中子数记为 N。 常用如下形式表示一个原子核：
19.1 原子核的一般性质
一、原子核的发现与组成
上世纪初的原子模型（发现 原子核之前） J.J.汤姆生的原子模型：
正电荷均匀分布在一个 球体内，电子镶嵌在其中某 些平衡位置上，并作简谐振 动。
1856～1940 1906年诺贝尔物理奖
1、原子的核式模型 1909年卢瑟福散射试验， 1911年提出原子的核式模型。
质子数Z
A ZA
X Z N
XN
中子数N
实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、确定的关 系，所以用符号AX足以表示一个特定的核素。
4. 原子核物理常用术语及意义
1、核素（nuclide）
具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种 原子核或原子称为核素。 A 12 12 12 Z N 6 6 6 核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同， 就是不同的核素。 208 208 两种核素，A同，Z、N不同。 86Tl 82 Pb 90 91 两种核素，N同，A、Z不同。 38 Sr 39Y
H U
2 1
H
238 92
3 1
H
氢的三种同位素； 铀的二种同位素。
U
某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为 同位素丰度。
1 1
H
2 1
H
18
99.985%、0.015%
16
O
17
O
O
99.756%、0.039%、0.205%
3、同中子异荷素（isotone） 中子数N相同，质子数Z不同的核素。 也称为同中子素或同中异位素。
1901～1976
因量子力学方面 贡献，获1932年 诺贝尔物理奖。
核电荷数Z同时表示： 核内质子数，核的电荷数，核外电子数。
中子、质子和电子的质量与电荷
质量(u)
中子
mn 1.00866492 u
电荷(e)
0
质子
电子
m p 1.00727646 u
＋1
－1
24
me (1 / 1836 )u
2 2
2 2
pc
2
得到电子能量为：
E pc 124MeV
对比实验这一结论不存在，所以假设不成立，即核中 无电子。另外从原子核的自旋也可证明核中无电子。
1932年查德威克(J. Chadwick) 发现中子。(据此获1935年诺贝尔 物理学奖) 用 粒子轰击铍，铍放射出穿 透力很强的中性粒子，可以将含 氢物质中的质子击出，并证明其 有与质子相近的质量。
1871～1937 1908年诺贝尔化学奖
其他主要贡献： 14 1 17 1919年， N H O
1920年，预言中子存在。
培养了12位诺贝尔奖获奖者。
卢瑟福散射实验结论：
• 正电荷集中在原子的中心，即原子核； • 线度为10–12cm量级，为原子的10–4量级； • 质量为整个原子的99.9%以上； 从此建立了原子的有核模型。
原子的电中性，要求：
• 原子核所带电量与核外电子电量相等， • 核电荷与核外电子电荷符号相反。
即：核电荷Ze，核外电子电荷–Ze。
2、中子的发现与原子核的组成 发现中子之前，人们猜测原子核是 由质子和电子组成的。
这个假设可以解释原子核的质量和 电荷。
但也遇到了不可克服的困难。 与实验和理论不符。
例子：
氦核(质量数4，电荷数＋2)的大小为：d 5 fm
假设氦核中有电子，那么电子的德布罗意波长 不能大于2d，即 10 fm
hc 1240fm MeV 124 由不确定关系： p c 10 cfm c MeV h
由相对论方程： E pc m 0 c
1891～1974
Be n C
9 12
实验中放出的不是高能，而是中子。
中子发现后，海森堡(W.Heisenberg) 很快提出，原子核由质子和中子组成， 并得到实验支持。
原子核由质子和中子组成， 中子和质子统称为核子。 中子不带电。质子带正电，电量为e。 电荷数为Z的原子核含有Z个质子。
X
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C
C
Co 60 Co
60
Co 60 Co m
58
两种核素，Z同，A、N不同。 两种核素，A、Z、N同，能态不同。
2、同位素（isotope）和同位素丰度
具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素 的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于 同一个位置，具有基本相同化学性质。)
1 1 235 92