核物理基础

第一章核物理基础

第一节基本概念

一、原子结构

原子是构成物体的微小单位，其大小为10－10m数量级，原子的中心是带正电的原子核，其大小是原子的万分之一，为10－14m数量级；核的周围是带负电的电子在绕核运动，每个电子所带电荷量为e＝1.60219×10－19C。原子核由不同数目的质子和中子组成，质子带正电荷e，中子不带电，质子和中子统称为核子。

原子序数：任何原子的核外电子数，统称为原子的原子序数。由于原子是电中性，核内质子数必然等于核外电子数，因此原子序数同时表示了核外电子数、核内质子数和核电荷数。

核素：具有确定质子数和中子数的原子总体称为核素。目前已知的核素有2000多种。

元素：具有相同原子序数（质子数）的原子总体称为元素。到目前为止，天然和人工合成的元素有109种，组成元素周期表。

同位素：质子数相同而中子数不同的核素，在元素周期表中处于同一位置，故互称同位素。

原子的符号表示：A

Z

X，X是元素符号，Z是原子序数，A是原子的质量数（原子量），也是原子核内的核子数。

例：1

1H、2

1

H、3

1

H、226

88

Ra、99

43

Tc

量子力学揭示：核外电子的运动状态由主量子数n，轨道角动量量子数l，轨道方向量子数m l 和自旋量子数m s决定。根据泡利不相容原理，在原子中不能有两个电子处于同一状态，即不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。在一个原子中具有相同n量子数的电子构成一个壳层，n＝1、2、3、4、5、6、7的各层分别被称为K、L、M、N、O、P、Q层；在一个壳层内，具有相同l量子数的电子构成一个次壳层，l＝0、1、2、3、4、5、6的各次壳层分别用符号s、p、d、f、g、h、i 表示。

二、原子、原子核能级

电子在原子核的库仑场中所具有的势能主要由主量子数n和轨道角动量量子数l决定，并随n、l的增大而升高。

零势能规定：习惯上规定当电子与核相距无穷远时，电子所具有的势能为零。因此，当电子填充核外某一个壳层时，其势能为负值。

基态：电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序进行，以保证原子处于最低能量状态。由于内层电子对外层电子具有屏蔽效应，所以实际电子填充壳层时，会出现能级交错，而不是按壳层顺序逐个填充。

结合能：当一个自由电子填充壳层时，会以发射一个光子的形式释放能量，能量的大小等于壳层能级能量的绝对值，这些能量称为相应壳层的结合能。结合能随n、l的增大而减小，对于同一个能级，结合能随原子序数增大而增加。

激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而使低能级出现空位时，称原子处于激发态。

辐射称为特征辐射：处于激发态的原子很不稳定，高能级的电子会自发跃迁到低能级空位上，从而使原子回到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种辐射称为特征辐射，当特征辐射的能量足够高，进入X射线能量范围时，又称为特征X射线；另一种可能是传递给外层电子，使之脱离原子束缚成为自由电子，这种电子称为俄歇电子，它的能量等于相应跃迁的X 射线能量减去该电子的结合能。

K系特征辐射：如果空位出现在K层，L和M及更外层的电子就会跃迁到K层，同时产生K 系特征辐射。类似，有L系特征辐射、M系特征辐射等。

原子核内部也存在类似原子的壳层结构和能级。每个壳层只能容纳一定数目的中子和质子。核子填充壳层的顺序也是从低能级到高能级。当核获得能量，可以从基态跃迁到某个激发态，当它再跃迁到基态时，以γ射线的形式辐射能量，能量值等于能级能量之差。回到基态的过程可以一步完成，也可以先跃迁到其它较低能级，再经数步回到基态。

微观粒子的能量单位：eV 、keV 、MeV 。1eV 是一个电子在真空中通过1V 电位差所获得的动能。

换算关系：

1eV ＝1.0×10－3keV ＝1.0×10－6MeV ＝1.6×10－

19J

三、原子、原子核的质量

原子质量单位定义：1u ＝

12

6112

C 原子质量 相对原子质量：原子的质量以u 为单位时测量得数。

阿伏加德罗定律：1摩尔任何元素的物质包含有N A （6.022×1023）个原子。

摩尔质量：1摩尔物质的质量，其数值等于相对原子质量，单位为（g/mol ）。126C 的摩尔质量为12g/mol 。

四、基本粒子的种类和物理特性

基本粒子：质子、中子、电子、光子、π介子和其他一些粒子被认为是构成物质结构的基本单元。比较稳定的、寿命比较长的基本粒子共有30多种。

表1－2 重要基本粒子的特性

第二节 放射性

一、原子核的稳定性

实验上已发现的核素约有2000种，其中只有近300种是稳定的，不稳定核素都会自发地放出射线，最终变为稳定核素。影响核素稳定的因素如下：

1、中子数与质子数之间的比例关系

对于轻核，中子数和质子数相等的核素比较稳定。对于重核，由于核内质子数增多，相互间的库仑斥力增大，为了保持核稳定，必须有更多的中子来增加相互间的核吸引力。但中子数也不是越多越好，而是要与质子数保持合理的比例关系。图1－4，核的稳定性与质子数、中子数的关系。

狭长区域为稳定核素的位置。其中心线，可以用一个经验公式表示：

2/3

1.980.0155A

Z A =

+

2、核子数的奇偶性

对近300中稳定核素进行奇偶分类，偶偶核占大多数，奇偶核和偶奇核各占40％，奇奇核占不

到2％。表明，质子数和中子数各自成对时，原子核比较稳定。

3、重核的不稳定性

原子序数小于82的元素至少存在一种稳定核素，而原子序数大于82的元素都不稳定，会自发的放射出α粒子或自发裂变而成为铅（Z ＝82）的同位素。

二、衰变类型

不稳定核素自发的放出射线，而变成为另一种核素，这种现象称为放射性，这个过程称为放射性衰变，这些核素称为放射性核素。衰变前的核称为母核，衰变后的核称为子核。衰变过程中释放的能量称为衰变能。反应过程可以用反应式表示，也可以用衰变纲图来表示。

（一）α衰变

原子核自发地放射出α粒子的转变过程称为α衰变，衰变后质量数减少4，电荷数减少2。反应式为

44

22A A Z

Z X Y He Q --→++（衰变能）

前提条件：只有母核与子核的静止质量之差大于α粒子的静止质量时，衰变能大于零，衰变才可能发生。

重核易发生α衰变。图1－5 从镭到氡的衰变纲图。

（二）β衰变

原子核自发的放射出电子（β-

粒子）或正电子（β+

粒子）或俘获一个轨道电子的转变过程称为β衰变。反应式为：