【正文】 1 第十章 原子核物理概論 167。 原子核的基本性質(zhì) 167。 核模型 167。 放射性衰變及其規(guī)律 167。 核力 167。 核反應(yīng) 167。 重核裂變 167。 輕核聚變 2 167。 原子核的基本性質(zhì) 把原子核作為一個整體所顯示出來的整體 靜態(tài)性質(zhì)。 例如：原子核的 電荷、質(zhì)量、結(jié)合能、大 小、自旋、磁矩、電四極矩以及宇稱、統(tǒng) 計性 等性質(zhì)。 它們是學(xué)習(xí)原子核物理學(xué)的基礎(chǔ)。 3 一、原子核的電荷： α粒子散射實驗證明原子核是帶正電的，帶有 一定數(shù)量的正電荷是原子核的一個重要特征。 原子核的電荷為 ｑ＝＋Ｚｅ Ｚ是整數(shù)，稱為 原子序數(shù) 。ｅ是電子的電量， 是目前能從實驗上找到的最小電量。任何物體 所帶的電量都是ｅ的整數(shù)倍。 用 α粒子散射實驗可測定原子的Ｚ值，但比較 準(zhǔn)確而又被廣泛應(yīng)用方法是利用莫塞萊定律。 4 二、原子核的質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)： 原子核的質(zhì)量等于原子的質(zhì)量減去核外電子質(zhì) 量之和 Ｍ 核 ＝Ｍ 原 －Ｚｍ ｅ 被國際公認的量度原子質(zhì)量的單位是碳單位ｕ 以ｕ做單位各種原子核的質(zhì)量都接近于整數(shù)， 這個整數(shù)稱為原子核的 質(zhì)量數(shù) Ａ，其實質(zhì)是核 內(nèi)質(zhì)子數(shù)Ｚ和中子數(shù)Ｎ之和。 Ａ＝Ｚ＋Ｎ 5 常用術(shù)語： 核素： 各種原子核（原子）的統(tǒng)稱。 具有相同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的一類原子核（原子） 稱為一種 核素 ，表示為 ，Ｘ是元素符號。 XAZ同位素： 具有相同Ｚ、不同Ａ的核素。 同量異位素： 具有相同Ａ、不同Ｚ的核素。 同中子素： 具有相同Ｎ、不同Ｚ（Ａ）的核素。 6 三、原子核的大小： 兩種理解：（１ ） 核力的作用范圍； （２）核物質(zhì)或核電荷的分布范圍。 實驗表明：大部分原子核接近于球體，習(xí)慣上 用核半徑表示其大小。 核半徑與質(zhì)量數(shù)間關(guān)系： )( 1503/10 mrArR ????原子核的質(zhì)量密度大約是水的密度的 1014倍。 7 四、原子核的組成： 原子核可放出電子（ β衰變），自然使人們推測核是由電子和質(zhì)子組成的，但這引起許多矛盾。 1932年查德威克發(fā)現(xiàn) 中子 后，才知原子核是由帶 一個單位正電荷的質(zhì)子和不帶電的中子組成。 u0 0 8 6 6 ?nm ?pm質(zhì)量數(shù)為Ａ、電荷數(shù)Ｚ的原子核由Ｚ個質(zhì)子和 （Ａ－Ｚ）個中子組成。 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為 核子 ，質(zhì)量數(shù)表示原子核的質(zhì) 子數(shù)和中子數(shù)之和，即原子核中核子的數(shù)目。 8 四、原子核的結(jié)合能： 通過對原子核質(zhì)量的測量發(fā)現(xiàn)，原子核的質(zhì)量并 不等于組成它的全部核子的靜止質(zhì)量的總和，而是比這個總和小。這表示由核子組成原子核時質(zhì)量會減小。？？？？？？？？ 反過來，將原子核分解成自由靜止的核子時需要 提供同樣數(shù)量的能量。 根據(jù)相對論的質(zhì)能關(guān)系Ｅ＝ＭＣ ２ 可知，質(zhì)量的 減小說明由自由的靜止核子組合成原子核時將有 能量的釋放，這個能量稱為 原子核的結(jié)合能 。 9 根據(jù)結(jié)合能Ｂ的定義有計算公式 Ｂ＝（Ｚｍ ｐ ＋Ｎｍ ｎ －Ｍ Ｎ ）Ｃ ２ 在核物理中，能量常以ＭｅＶ為單位 １ｕｃ ２ ＝９３１．５ＭｅＶ 原子核的結(jié)合能與核內(nèi)核子數(shù)之比稱 比結(jié)合能 ε ＝Ｂ／Ａ 物理意義： 核子結(jié)合成原子核時平均每個核子 所提供的結(jié)合能，或由該核中取出一個核子平 均所需要的能量。反映原子核的穩(wěn)定程度。 比結(jié)合能特點是 兩頭小，中間大 。因此將輕核聚 變成中等核，或?qū)⒅睾肆炎兂芍械群硕紩尫懦? 核能。核能利用的工作原理。 10 四、原子核的自旋和磁矩： １、核自旋： 由于質(zhì)子、中子是自旋為 1/2的粒子，有自旋運動； 同時它們在核內(nèi)還存在著復(fù)雜的軌道運動。核內(nèi) 所有核子的自旋角動量和軌道角動量之和定義為 核自旋 。核自旋的大小為 ?)1( ?? IIIＩ 稱 核自旋量子數(shù) ，可取整數(shù)和半整數(shù)。 11 ２、奇－奇核（ Z、 N均為奇數(shù)）， I為整數(shù) １、偶－偶核（ Z、 N均為偶數(shù)） ，Ｉ為零 ３、奇 A核（偶 Z、奇 N或相反）， I為半整數(shù) 核自旋在特定方向（ z方向）投影為 個值共 12。1, ????? IIIImmI IIz ??基態(tài)原子核的自旋規(guī)律性： 12 與核自旋 I 對應(yīng)的核磁矩 μI為 分之一的是 1 8 3 622)1(2eBpNNIpIImemeIIgmeg???????μμμIμ核磁矩在某特定 (z)方向投影為 NIIBIII Igmg ZZ μμμμ ?? 39。 , 其最大值為常用 表示原子核的核磁矩。 g只能實驗測定 ZI39。μ２、核磁矩： 13 核磁矩有正有負。其中正代表磁矩與自旋同向； 負代表磁矩與自旋反向。 實驗測量： 質(zhì)子磁矩 μp=, 而中子 μn=－ ， 而根據(jù)理論，質(zhì)子磁矩應(yīng)和電子的磁矩數(shù)值相等 方向相反，中子不帶電，磁矩應(yīng)為零，故上述磁 矩稱作 反常磁矩 。 這說明質(zhì)子、中子都不是簡單的點粒子，是具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非點狀粒子。 14 Na原子光譜的超精細結(jié)構(gòu) 由于原子核磁矩對 Na原子外層電子總磁矩的作用使鈉雙線又超精細地一分裂為二 3P 3S 32P3/2 32P1/2 32S1/2 32P3/2 32P1/2 F=2 F=1 INa=3/2 核磁矩對原子能級的影響： ３Ｐ能級也分裂，但分裂的很小，忽略。 ３Ｓ的價電子離核最近，受影響最大。 15 五、核自旋的電四極矩 原子核的電偶極矩等于零，但電四極矩不為零。這表明原子核并不是球形的，而是旋轉(zhuǎn)橢球體，其對稱軸的半軸一個為 c，另一個半軸為 a。 電四極矩為 )(52 22 acZQ ??Q=0 Q0 Q0 z z z c a c a c a 16 六、原子核的統(tǒng)計性 統(tǒng)計性是指原子核是費米子還是玻色子。 玻色子遵從玻色－愛因斯坦統(tǒng)計律； 費米子遵從費米－狄拉克統(tǒng)計律。 本質(zhì)區(qū)別在于一個量子態(tài)可以存在幾個粒子。 在量子力學(xué)中反映在描述全同粒子體系的波函 數(shù)在交換粒子后如何變化，變號還是不變號。 實驗發(fā)現(xiàn)： 質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)的原子核為玻色子， 質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)的原子核為費米子 ，它們遵從不 同的統(tǒng)計規(guī)律。 17 七、原子核的宇稱 宇稱的實質(zhì)是指物理規(guī)律的左右對稱性。 用數(shù)學(xué)公式表示為描述體系的波函數(shù)在做反演 變