第一章 原子核的基本性质(2016-2)_824805321
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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 167 56 53 9
偶偶核最稳定,稳定核最多; 为什么偶偶核最稳 其次是奇偶核和偶奇核;而奇 定? 奇核最不稳定,稳定核素最少。 稳定 实验表明,当质子、中子数目取某些数值的时候, 原子核特别稳定,这些数称为幻数: 壳层 Z = 2,8,20,28,50,82 模型 N = 2,8,20,28,50,82,126
1901~1976
因量子力学方面 贡献,获1932年 诺贝尔物理奖。
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个质子和A-Z个中子。 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
mn 1.00866492u 2 中子 939.565MeV / c mp 1.00727646u 2 质子 938.272MeV / c m0 (1 / 1836)u 电子 0.511MeV / c 2
C
C
C
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 86 90 38 60
Tl Sr Co 60 Co
Pb Y Co 60m Co
208 82 91 39 58
两种核素,A同,Z、N不同。 两种核素,N同,A、Z不同。 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
具有相同质子数但质量数不同的核素所对应的原子 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
H0 U143
2 1
H1
238 92
3 1
H2 氢的三种同位素;
铀的两种同位素。
U146
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。
偶数个费米子组成玻色子,奇数个费米子组成费米子
• 原子核的磁矩远远小于电子的磁矩?
原子核的磁矩为10-27J/T量级 vs 电子的磁矩为10-24J/T量级 如果电子在原子核中,为什么整个核的磁矩这样小?起码对A-Z为 奇的情况下,核的磁矩应该和玻尔磁子的量级相当?
结论:原子核不能由质子和电子组成。
原子核的密度:
A A 3 38 3 n ~ 10 / cm 3 3 V ( 4 / 3) R 4 r0
代入: mN 1.66 10 得:
N
24
g
8 3
nm N ~ 1.66 10 t / cm
结论:原子核密度为常数,且非常大。 远大于自然界中~10g/cm3的密度
1.1 原子核的组成、质量和半径
核辐射物理及探测学
第一章 原子核的基本性质
上节课重点: 核辐射物理中常用的物理量和单位 波粒二象性 不确定度关系
本节课请关注:
原子核的构成?中子的发现和中子的属性?核子的概念 如何用符号和数字来表示原子核? 核素、同位素、同位素丰度、同中异荷素等概念 原子核半径(体积)与核子数A的关系 核素图、β稳定线、丰中子/缺中子核素以及他们的衰变形式 原子核的结合能,定义及计算 质量亏损和质量过剩 原子核最后一个核子的结合能 两个原子核结合成一个原子核的结合能
1.2 原子核稳定性及核素图
1.3 原子核的结合能
1.4 核力及核势垒
1.5 原子核的矩(自旋、磁矩和电四极矩)
1.6 原子核的统计性 1.7 原子核的宇称
1.8 原子核的能态和核的壳层模型
核素图
质子数Z和中子数 N 为横纵坐标的两 维图。横纵坐标相 交位置代表相应核 素,可在该位置标 示出核素以及其稳 定性、衰变性质等 (颜色、符号、数 据等)。
40 18
来自百度文库
Ar
40 19
K
7 3
Li
7 4
Be
(5)、同质异能素(isomer) 能态处于半衰期较长的激发态的核素称为 基态核素的同质异能素或同核异能素。 它的质子数 Z 和中子数 N 均与基态核素 相同。不是所有核素都有同质异能素,同质 异能素的出现有一定的规律性。
87 38
Sr
87 m 38
Sr
同质异能态:
87m
同质异能素所处的能态,是半衰期比较长的激发态。
Sr
激发态半衰期为2.81hr。
(6)、
偶偶核(e-e核)
均为偶数的核素。
4 2
奇奇核(o-o核)
质子数Z、中子数N 均为奇数的核素。
6 3
偶A核:质子数Z、中子数N
He 2
46 20
Ca 26
35 17
Li 3
32 15
P17
奇A核:偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。
• 1930年,德国科学家Bothe 与 Becker • 1932年,居里夫人的女儿Irè ne 与Fré dé ric JoliotCurie夫妇
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 = 质子 + 中子 中子和质子统称为核子
A Z
XN
已知元素符号X和质子数Z具有唯一、 确定的关系,而N = A - Z,所以用 符号 A 足以表示一个特定组成 的核素。
X
3、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
X
http://www.nndc.bnl.gov/chart/reColor.jsp?newColor=t12
稳定线
稳定线:
A较小时,N/Z~1; A较大时,N/Z>1。
经验公式
A Z 1.98 0.0155 A2 3
例如: Z为中等数值时,
N/Z ~ 1.4,
Z~90时, N/Z ~ 1.6。
208Pb
:Z=82,
N/Z=1.54
β稳定线
经验公式
ZN
A Z 1.98 0.0155 A 2 3
同位素
A较小时,N/Z~1; A较大时,N/Z>1。
例如:
Z~50时,N/Z ~ 1.4, Z~90时,N/Z~1.6, 208Pb:Z=82,N/Z=1.54
同中异荷素
核素图及稳定线的特点:
电荷(e)
0 +1 -1
19
1u 1.66053873 10 g
1e 1.602176462 10 C
24
2、原子核的表示
原子核由中子和质子组成,中子不带电,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:
2 2
m( Z , A) M ( Z , A) Z m0 Be / c
5、原子核的半径
实验表明,原子核的线度比原子的线度10–10m 小得多,为10–14 ~ –15m量级。 原子核的形状作为一级近似可以看作球形。 由于原子核有角动量,略呈旋转椭球形。
原子核的半径。
根据测量方法:
(N,Z)不同→半衰期不同,为什么?
Z N
1.1 原子核的组成、质量和半径 1.2 原子核稳定性及核素图
1.3 原子核的结合能(第一章重点)
1、原子核的结合能 2、质量亏损与质量过剩 3、比结合能及比结合能曲线
• 1932年查德威克(J. Chadwick)发现中子。
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。 9 12
Be C n
1891~1974
(1935年诺贝尔奖)
实验中放出的是中子,而不是高能。
一些与发现中子的荣誉擦肩而过人
13 6
C7 奇中子核,
Cl18 奇质子核。
(7)、 镜像核:中子数N、质子数Z互换的核素互称 镜像核素。
7 3
Li 4
7 4
Be 3
4、原子核的质量
质子数为Z,中子数为N 的原子核的质 量用 m(Z,A) 表示, 相应的原子的质量用 M(Z,A) 表示。
M ( Z , A) m( Z , A) Z m0 Be / c
2016年9月14日,第二课
(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 5fm
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 10fm
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50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-衰变;下方的核素为缺中子核素, 易发生EC或+衰变。(指纵坐标为N)
由不确定关系:
hc 1240fm MeV 124 p MeV c 10 c fm c h
由相对论方程: E 2 ( pc)2 (m0c 2 )2 ( pc)2 得到电子能量为:
无电子。
E pc 124MeV
对比实验这一结论不存在,所以假设不成立,即核中
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 A
13
13
电荷半径: R 1.20 0.30 A fm 核力半径: R 1.40 0.10 A1 3fm
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。
4 4 3 3 V R r0 A A 3 3
原子核究竟是由质子和 ?组成的。
• 1920年,Rutherford提出:
– 在某些情况下,也许质子和电子结合的很紧密, 构成了中性的粒子,这个假设的粒子被称作 “neutral doublets”。 – 这样的粒子也许有很新颖的特性,除非特别靠近 原子核,它的外场也许实际为零,结果使它可能 自由地穿透物质,它的存在也许很难用光谱仪进 行检测,也许不可能把它禁闭在密封的容器里。 它应该很容易进入原子结构内部,或者与核结合 在一起,或者被核的强场所分解…
同中异位素
同 位 素
同量异位素
• 核素图
Z N
http://www.nndc.bnl.gov/chart/reColor.jsp?newColor=t12
A table with a brief statistics on the Chart of Nuclides : Z
Total number of nuclides Total number of levels Total number of levels with known half-life Total number of levels with known spin and parity Total number of gamma rays Total number of gamma rays with known multipolarity Total number of alpha transitions Total number of Beta- and EC/Beta+ transitions Total number of gamma-gamma coincidences 3339 166921 24024 125927 253280 79885 2029 14756 3337314
• 原子核角动量I的取值与核内粒子数的矛盾?
实验结果:
• A偶,则I为整数; • A奇,则I为半整数
但是依据质子-电子假想:
• Z偶,则I为整数; • Z奇,则I为半整数
• 决定原子核是费米子还是玻色子的是质量数A,还 是原子序数Z? 14N是玻色子,还是费米子?
质子,电子自旋为1/2,均为费米子
1
H
2
H
99.985%、0.015%
18
16
O
17
O
O
99.762%、0.038%、0.200%
(3)、同中异荷素(isotone) 中子数N相同,质子数Z不同的核素互称为 同中异荷素。
也称为同中子素或同中异位素。
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不同的核素互称为 同量异位素。