第10章 原子核物理和粒子物理简介

H H
C
2 1
3 1
N
H
15 7
N
O
3 2
4 2
He
He
16 8
17 8 19 9
O F
6 3
Li
7 3
9 4
Li
Be
B
7.016005 9.012186 10.12939 11.009305 12.00000
23 11 63 29
Na Cu
Sn
22.989773 62.929594 119.902198 183.951025 238.04861
M I = I , I − 1,L , −( I − 1), − I
µ I′ = g I I µ N
三、 核磁共振
原子核在磁场中时： 原子核在磁场中时：
∆E = − µ I B cos θ
= −µIz B = − g I M I µN B
接高频电源
交变磁场
N
样品 v B
S 电磁铁
原子核在磁场中有2I+1个可能的能量 个可能的能量 原子核在磁场中有 调节磁铁的励磁电流， 调节磁铁的励磁电流，使 hν = ∆E 样品的原子核从磁场吸收能量，发生能级跃迁。 样品的原子核从磁场吸收能量，发生能级跃迁。
三、核力和介子
原子核是由核子组成的， 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。 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， 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。 有很强的吸引力存在，这就是核力。
由于
粒子的能量比较小， 粒子的能量比较小，粒子很难真正
到达原子核，因此， 到达原子核，因此，所获得的原子核的信息是 不准确的。为了获得原子核的进一步信息， 不准确的。为了获得原子核的进一步信息，可 以采用其它一些方法。 以采用其它一些方法。人们利用加速器获得高 能电子或质子， 能电子或质子，把高能电子或质子作为核探针 轰击原子核。 轰击原子核。由于电子与原子核间的作用主要 是电磁作用， 是电磁作用，高能电子不仅能测定原子核的半 径，还能提供原子核中电荷的分布情况。 还能提供原子核中电荷的分布情况。
24.2 原子核的量子性质 一、原子核的自旋
原子核有自旋， 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） 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。 核自旋可以是整数，也可以是半整数。
核自旋的确定： 核自旋的确定： 1. 质子和中子的自旋
例如，对于氢原子，我们有 例如，对于氢原子，
2
Be ( Z ) = 13.6eV
mH c + 13.6eV = mp c + me c
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 = 2R 2 4πε 0
对于 粒子的入射动能 5.3MeV， 粒子和金原子 核的最小距离约为42.9fm。由此，我们可以通过实 核的最小距离约为 。由此， 粒子轰击的原子核的大小。 验数据估算出被 粒子轰击的原子核的大小。
我们也可以用中子作为核探针。 我们也可以用中子作为核探针。由于中子不带 电，它能更容易接近或进入原子核。当入射中子的能 它能更容易接近或进入原子核。 其德布罗意波长大于原子核的大小， 量 E < 10MeV 时，其德布罗意波长大于原子核的大小， 无法测出原子核半径， 无法测出原子核半径，而 的高能中子又 E > 40MeV 的中 由于穿过原子核的时间很短，结果不容易测量。所以， 由于穿过原子核的时间很短，结果不容易测量。所以， 人们通常用能量为
人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了 实际用途， 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， 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， 分子结构。随着时间的推移，核磁共振谱技术不 断发展， 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 谱等高级谱图， 力也越来越强。进入1990年代以后， 力也越来越强。进入1990年代以后，人们甚至发 1990年代以后 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， 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。 定成为可能。
113 49
原子核磁矩与核自旋角动量的关系 e e h µI = g I PI = g I I ( I + 1) 2mp 2mp 2π
= g I I ( I + 1) µ N
gI－原子核的 因子 原子核的g因子 原子核磁矩在某一特殊方向的投影
µI = g I M I µN
z
MI－核磁量子数
投影最大值
关于原子核的壳层模型思想， 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， 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， 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“ 原子核就异常稳定，人们将这些特殊数值称为“幻 数”。迄今已经发现的幻数有２、８、２０、２８、 迄今已经发现的幻数有２ ２０、２８、 ５０、８２和１２６。自然界广泛存在的氦、 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 铝的质子和中子都符合幻数条件， 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。 能级” 因此这些元素异常稳定。
历史上， 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 主要有液滴模型、 模型。液滴模型把原子核看成一个带电的液滴， 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 由核子组成。 大，维持其密度不变。费米气体模型把核子看成 维持其密度不变。 几乎没有相互作用的气体分子， 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。 原子核就可视作费米气体。
6
按照爱因斯坦质能关系表示成如下形式
1u = 931.49432MeV / c
原子核符号
A Z
2
X
A－质量数＝Z＋N －质量数＝ ＋ Z－电荷数 X－与Z相应的元素符合 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。 具有相同的质子数而中子数不同的原子核称为同位素。 相同的质子数 的原子核称为同位素
24.1 原子核的基本性质 一、 原子核的组成
原子核由质子和中子组成。 原子核由质子和中子组成。 质子（P）： +e mp = 1.007276u 质子（ ）： 中子（ ）： 中子（n）： 电中性 mn = 1.008665u
核子
1u = m12 C /12 = 1.6605402 ×10−27 kg
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： 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 可以定性解释一些核现象， 自然界的基本相互作用力。 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 按照夸克理论， 之间， 之间，夸克通过交换胶子实现夸克间的强相 互作用。 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， 力在核子层次上的综合体现，因此核力的表 现很复杂。 现很复杂。
6 3 7 3
自旋量 子数
1 1 3/2 1
磁矩
+0.8565µ p
自旋量 原子核 子数
16 8
磁矩
——
+1.16 µ p
H
O
0 3/2 3/2 9/2
Li Li N
−0.8213µ p
+3.2532 µ p
+ 0 .403 µ p
23
Na
K In
39 19
+1.136µP
+1.16 µ p
14 7
10 5
120 50
11 5 12 6
B
184 74
W
C
238 92
U
要说明的是， 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。 是不同的。主要是相差了核外的电子质量以及与 对应的质量， 原子结合能 Be ( Z ) 对应的质量，即
M ( Z , A) = m( Z , A) + Zme − Be ( Z ) / c
核磁量子数的选择定则 ∆M I = 0, ±1 核能量改变 δ(∆E ) = g I µ N B 当 hν = g I µ N B 原子核从磁场中强烈吸收能量，称为核磁共振。 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： 实验中，通常有两种办法实现核磁共振： 不变， （1）保持外磁场B不变，而连续改变人射电 保持外磁场 不变 磁波的频率； 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， 强弱。核磁共振时，样品吸收电磁波的能量， 被接收器接收， 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。 录纸上，成为核磁共振谱。
核力的特征： 核力的特征： 1. 核力是比电磁力强得多的强相互作用力， 核力是比电磁力强得多的强相互作用力， 主要是吸引力。 主要是吸引力。 2. 核力是短程力，核子间距离小于 -15m 核力是短程力，核子间距离小于10 时才明显。 时才明显。 3. 核力与核子带电状况无关。 核力与核子带电状况无关。 4. 核力具有饱和性。 核力具有饱和性。 1935年，汤川秀树(H. Yukawa)提出了关 年 汤川秀树 提出了关 子核力的模型， 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， 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。 换力，核子之间通过交换介子实现核力作用。