第20章原子核物理和粒子物理简介第五版.

*第二十章原子核物理和粒子物理简介§20-1原子核的基本性质1.原子核的电荷和质量原子核带有正电荷，原子核中的电荷由质子数Z决定，质子数Z等于核外电子数，它决定了原子在周期表中的位置与次序，因此Z又称为原子序数。原子核所带电量是电子电量的整数倍：q=Ze(1)原子核的电荷卢瑟福12×1011u126.022×10kg273231.6606×10原子核的电荷和质量（2）原子核的质量原子核的质量等于原子的质量减去核外电子的质量，由于核外电子的质量极小，原子核的质量与原子的质量相差极小。原子核的质量等于质子的质量加中子的质量。12量的1/12为一个原子质量单位（u）：同位素原子质量(u)同位素原子质量(u)11H21H31H32He42He1.0078252.0141023.0160503.0160304.002603126C136C2311Na6329Cu23892U12.0000013.00335422.98977362.929594238.04861表20-1几种同位素的原子质量原子核的电荷和质量X原子核的电荷和质量由表20-1可见，以“原子质量单位”(u)计算原子的质量时，原子质量都接近于一个整数，这个整数称为原子核的质量数，或称核子数，以A表示。原子核通常用质量数(A)和电荷数(Z)来表示.若某化学元素符号用X来表示，则该原子核表示为：放射性同位素之分。放射性同位素：自发地衰变为其他元素，同时放出一高能粒子。居里居里夫人原子核的电荷和质量核素：Z和A都相同的原子核称为某种核素。同位素：Z相同而A不同的原子核称为同位素。同位素有稳定同位素和RARA3(R01.2×10m1.2fm)2.原子核的大小和形状(1)原子核的大小原子核的半径大约10-14—10-15m,是原子半径的10-4—10-5倍。实验指出，核的体积正比于质量数A。若把原子核看作球体，则43R3A3113RR0A1513fm为飞米，则上式可写为：根据式(20-1)可以算得C、O、Ag和6C:R8O:R47Ag:R92U:R半径分别为:12161076847U核23892238107112161.2×23837.4fm1.2×107315.7fm1.2×12311.2×1632.7fm3.0fm1原子核的大小和形状(2)原子核的形状以上我们假定原子核是球体。原子核是一个电荷系统，若原子核是球体，它所带的电荷是均匀分布的。事实上，用精密光谱仪分析发现原子光谱中有来源于原子核电四极矩的超精细结构，说明原子核的电荷分布大多应为旋转椭球体，而核物质分布与电荷分布类似。一般椭球的长轴与短轴之比不超过5/4，与球体偏离不大，所以可把这些原子近似地看作球体。但有162388O168原子核的大小和形状U3.2fm6.8fm8.9fmO1681689223892O和238U核的形状原子核的大小和形状OCo0.10.20246781659Sb122Au197核子密度/fm3rfm核物质的分布曲线原子核的大小和形状R(1.2×1015Am)3(1.2×10m)(A)(1.66×10)A(1.2×10)A1343AuV433mm343A×(1.66×1027kg)11533kg/m34153272.3×1017kg/m3为m、R和原子核的大小和形状例：计算原子核物质密度。解:设原子核的质量、半径和密度分别由上式可知：(a)各种原子核应有相同的核物质密度。(b)原子核密度数值是极其巨大的，与“中子星”的密度相当。像一个乒乓球那么大的核物质，其重量约为20亿吨。原子核的大小和形状3.原子核的组成质子和中子统称为核子，原子核个中子构成。由Z个质子和AZ(1)原子核的组成之一：质子mp1.007277u生一个氧核和一个氢核。这说明氮核中确定存在有氢核。于是断定氢核是构成其他原子核的带电的基本粒子，并定名为质子，用符号p表示。质子的质量为：1919年卢瑟福曾用粒子轰击氮核，结果产原子核的组成氢原子核有最小的电荷数和质量数，而其他原子核的电荷恰好是氢核电荷的整数倍。那么，各种原子核是否由氢原子核组成？1930年玻特和贝克用粒子轰击铍核时，发现有一种不带电的粒子射线放出来。这粒子后来命名为中子。中子是一种构成其他原子核的不带电的另一个基本粒子，用符号n表示，其质量与质子相近。mp1.008665u从AZ可见，一个含Z个质子。X的原子核并非仅包AZ原子核的组成(2)原子核的组成之二：中子中子在原子核中是构成核的稳定粒子，但在核外并不稳定，一个核外的自由中子的平均寿命约为15分钟，它将衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子（），因此自由中子是有放射性的。e后来宇宙中还发现了大量由中子聚合而成的中子星。原子核的组成电，1010在391/101415的线度范围内，斥力是很大的。中子又不带电。不可能是电性力使质子与中子聚集成原子核；是万有引力？更不是！万有引力太小，它仅是电磁力的。研究发现，是一种叫作核力的强相互作用力。4.核力和介子原子核由Z个质子和AZ个中子构成。是一种什么力使质子与质子，质子与中子，中子与中子紧紧地束缚在一起？是电磁力？不是！质子带正(d)核力近似地与核子是否带电无关。在质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间，核力的大小和特性都大致相同。核力和介子(c)核力具有“饱和”作用，即一个核子只能和它紧邻的核子有核力相互作用，而不能与核内较远的核子有核力相互作用。fm(约2fm)之内，核力才显示出来。(a)核力比电磁力强100多倍，是强相互作用力。(b)核力是短程力。只有核子间的距离为几个(1)核力的性质π)π)-0中性(带负电(核力和介子(2)核力的π介子理论1935年日本物理学家汤川秀树受到库仑力的作用是由电荷交换光子而产生的启发，提出了核力的π介子，并于1947年得到证实（质量是电子的270倍）。汤川秀树因此获得1949年的诺贝尔物理学奖。核子间的相互作用是一个核子放出一个介子，然后被另一个核子吸收而形成的，所以核力是一种交换力。+π介子:质子放出π介子，介子：中子放出介00(a)质子与质子间交换同时被另一质子吸收，每一核子的电荷不变；0π0π(b)中子与中子间交换子，同时被另一中子吸收，每一核子的电荷不变；核力和介子核子交换介子有以下几种形式(d)中子与质子间交换介子被质子吸收，同时中子转化为质子，质子转化为中子。π-介子：中子放出一个π-(c)质子与中子间交换π+介子：质子放出一个π+介子被中子吸收，同时质子转化为中子，中子转化为质子；核力和介子质子与质子间和中子与中子间的相互作用示意图nnnnπ0ppppp0π核力和介子pnnpπ-中子与质子间的相互作用ppnnπ+核力和介子j1、3......(A2k+1）5.核的自旋角动量与磁矩(1)核的自旋角动量质子和中子的自旋量子数都是1/2，因此都服从费米—狄拉克统计规律，其自旋角动量为：12jLj(j+1)h核的自旋角动量也是：1Lj(j+1)h22j0、......(A2k)p5.05×102.79pMp2.79eh2mpMn1.911.91peh2mp127JTeh2mp核的自旋角动量与磁矩(2)核子的磁矩质子的磁矩：中子的磁矩：是核磁矩的单位，称为核磁子。p其中，核自旋量子数磁矩核自旋量子数磁矩21D63Li147N168O11100.86p0.82p0.40p73Li2311Na3919K11349In3/23/23/29/23.25p2.22p1.14p5.49p表20-2原子核的自旋量子数和磁矩核的自旋角动量与磁矩6.核磁共振由于每个原子核都有自旋和磁矩，当有恒定外磁场B作用时，原子核在磁场中产生旋进。如果此时在去后，磁矩又把这部分能量以辐射的形式释放出来，产生共振发射。这一共振吸收和共振发射过程就称为核磁共振。B的频率在射频范围。当交变磁场B的频率与原子的旋进率相等时，产生共振吸收；当射频交变磁场B撤稳恒磁场B的垂直方向再加一交变磁场B，交变磁场氢核在外磁场中的能级MpMpE2E2MpBE1核磁共振核磁矩在磁场B中受到作用，具有能量E，而该能量是量子化的:EMpBB于射频辐射电磁波(其频率为)的能量:hvE2E1MpB(MpB)2MpB核磁共振首先用于精确测量核磁矩，1945年布洛克和泊塞尔分别用核磁共振方法测量了核磁矩，他们因此共同获得1952年诺贝尔物理学奖。核磁共振若用射频电磁波照射，核磁矩吸收的能量等吸收功率BPCH3CH2OH乙醇（C2H5OH)核磁共振谱核磁共振核磁共振的应用之一：研究分子的结构。§20-2原子核的结合能裂变和聚变原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和：1.原子核的结合能根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：mx=Zmp+(A-Z)mn但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量之和，这一差值称为原子核的质量亏损：m=Zmp+(A-Z)mn-mX质子和中子组成核的过程中，有能量E释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收E的能量。氘核吸收E能量后分解为质子和中子E氘质子中子E=(m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c2原子核的结合能爱因斯坦原子结合能的计算一原子质量单位kgu2710660552.11具有能量JcuE102104944968.11MeV10340605.92质子质量ump007277.1中子质量umn008665.1核子平均结合能AcmmZAZmEnp/])([2+原子核的结合能例：Fe5626umAZE922.555626核子平均结合能56/)922.55008665.130007277.126(2uc+2009411.0ucMeV79.8原子核的结合能表20-3原子核的结合能核子的比结合能(MeV)原子核的结合能E(MeV)核H21H31He32He4223.211.147.883.23.2807.772.757.2核子的比结合能(MeV)原子核的结能E(MeV)核C126O168Cu6329U238922.9268.75.12797.755275.8180358.7原子核的结合能核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。Amc2AE原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。每个核子的平均结合能称为比结合能：原子核的结合能a.中等质量原子核的核子平均结合能较大Fe56268.79MeVAs75338.47MeVCu63298.75MeVb.轻核和重核的核子平均结合能都较小H312.83MeVU238927.5MeVPu239947.56MeV原子核的结合能a.最轻和最重的核的比结合能较小。b.大多数中等质量的核，比结合能较大且近似相等(都在8MeV左右)。这说明中等质量的核最稳定。比结合能曲线0123456789020406080100120140160180200220240质量数A比结合能（MeV/核子）U23392Pt19573Kr8223He42Li63H21原子核的结合能第二种方法是轻核聚变。因此，要利用原子核的结合能，必须从自然界中存在的原子核来考虑。方法有二：第一种方法是重核裂变；要利用核能，理论上是把自由状态的Z个质子和(A-Z)中子结合起来组成中等质量的核，这样放出的结合能最多。但实际上，用质子和中子直接组成中等核是不现实的，因为自由中子不易得到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也较短。