-原子核的基本性质

原子核物理基础

概论

原子核是原子的中心体。研究这个中心体的性质、特征、结构和变化等问题的一门学科称为原子核物理学。

一、原子核物理的发展简史

1.1886年 Bequenel发现天然放射性。进一步研究表明，放射性衰变具有统计性质；放射性元素经过衰变（α，β， ）；一种元素会变成另一种元素，从而突破了人们头脑中元素不可改变的观点。

2.1911年 Rutherford α粒子散射实验，由α粒子的大角度散射确定了原子的核式结构模型。

3.1919年α粒子实验首次观察到人工核反应（人工核蜕变）。使人们意识到用原子核轰击另外的原子核可以实现核反应，就象化学反应一样。

4.1932年查德威克中子的发现表明原子核由质子和中子构成，中子不带电荷，易进入原子核引起核反应。

在这件大事中，实际上有我国物理学家的贡献。根据杨振宁先生的一篇文章介绍，我国物理学家赵忠尧在1931年发表了一篇文章，文中预言了中子的存在，但查德威克看了之后未引用，故失去了获得诺贝尔奖的机会。

5.20世纪40年代核物理进入大发展阶段（引用科学史材料）：

（1）1939年Hahn发现核裂变现象；

（2）1942年Fermi建立第一座链式反应堆，这是人类利用原子能的开端；

（3）加速器的发展，为核物理理论和核技术提供了各种各样的粒子流，便于进行各种各样的研究；

（4）射线探测器技术的提高和核电子学的发展，改变了人类获取实验数据的能力；

（5）计算机技术的发展和应用，一方面进一步改进了人们获取数据，处理核数据的能力，另一方面提供了在理论上模拟各种核物理过程的工具。

例如模拟反应堆中中子的减速、慢化过程等物理过程。

二、核物理的主要研究内容

核物理学可以分为理论和应用两个方面。理论方面是对原子核的结构、核力及核反应等问题的研究。同其它基础研究一样，是为了了解自然、掌握自然规律，为更好地改造自然而开辟道路的。另一方面是原子能和各种核技术的应用，包括民用与军用。这两方面的研究相互联系，相互促进，相互推动向前发展。

三、学习中的要求

掌握基本概念、基本规律、基本计算方法，学习思考问题的基本方法等。

四、读物

[美] 弗.卡约里，物理学史，广西师范大学出版社，2002.

［日］片山泰久，量子力学的世界，科学出版社，1983。

［美］Ｉ.阿西莫夫，原子能的故事，科学出版社，1980。

冯端，冯步云，熵，科学出版社，1992。

阅读科普读物掌握一点常识。

第一章原子核的基本性质

概述

原子核的基本性质指原子核作为整体所具有的静态性质。基本性质包括核电荷、质量、核半径、自旋、磁矩、宇称和统计性质等。这些基本性质与核的结构及其变化是有联系的，但在本章中不讨论核的变化及过程。

一、原子的核结构模型

Ｊ.Ｊ.Ｔhomson 1903年的西瓜模型=>1909年Ｅ.Ｒutherford的核式结构模型（大角度粒子散射）

二、核的组成及核物理研究的层次

原子核物理学是研究核的特征、结构及其变化等问题的一门学科。核由质子和中子构成，统称核子。在核物理中，对核也划分出基本的研究对象，而不再追究其内部结构。这些基本对象按质量的大小可分为：

轻子：质量很小或等于零的粒子，如电子，光子，中微子等；

重子：如质子、中子等；

介子：质量介于轻子和重子之间的粒子如π+、π－、μ＋μ－

等。

三、核与原子壳层

(a)核与核外电子通过库仑力结合在一起；

(b)核子与核子(质子、中子)通过核力结合在一起；

(c)核的状态变化影响电子的状态及变化。

§1.原子核的电荷、质量、大小

Rutherford的α粒子散射实验确立了原子的有核模型。原子核这个中心体的电荷、质量、大小又如何?这是本节要讨论的。

1.核的电荷

原子作为整体是电中性的，因而核带的电荷量等于核外电子的电荷量，但两

者的符号相反。通常我们的规定，电子带负电荷，核带正电荷。单个电子带电荷量为－e(e=1.6×10-19C)。核外电子数是该原子的原子序数Z。总核外电子的电荷量为-Ze，因此核带的电荷量为+Ze。用e作为单位时，核的电荷数为Z。

由于中子不带电荷，质子带正电荷，原子序数Z表示了核外电子数、原子序数及原子核的电荷数。

测量核电荷数的一种较精确的方法是1913年

B

AZ

v-

=

式中A，B对一定范围内的元素为常数。

因此，只需要测出特征X射线的频率ν，就可以计算出Z。而ν可用光谱的方法测出。参见褚圣麟《原子物理学》P226。

2.原子核的质量

若忽略核外电子的结合能引起的原子质量的变化，原子核的质量是原子质量与核外电子质量之差。由于原子核的质量不便于直接测量，通常是测量原子质量(实际上是测量离子--部分电离的原子)来推知原子核的质量。（质谱仪）

在一般的计算过程中，只需利用原子的质量因为若核变化过程的前后电子数目不变，电子的质量可以自动相消。

(1)原子质量单位

由于一个原子的质量很小，通常不用宏观的质量单位Kg或者g，而采用原子的质量单位μ，其定义如下:1μ=12C原子静止质量的1/12。

μ与g的单位换算如下: 1μ=1Mol碳原子/N

A ×1/12=12克/ N

A

×1/12=1.6605655

×10-24(g)

式中N

A 是阿伏伽德罗常数。1Mol物质含有N

A

个原子，从计算的角度看， N

A

是宏

观单位g与微观单位μ的比值。 N

A

=1(g)/1(μ)=6.022045×1023个。当用μ作质量单位时，核质量数用A表示。

(2)测量原子质量的方法:用质谱仪测量原子的质量。其原理是带电粒子(原子的离子)在磁场中的偏转。

设离子的初速度为0，则离子经电压为V的加速电场后的速度满足

1/2Mv2=qV

式中M为离子的质量，v为速度，q为电荷量，V为电压。具有速度为v的带