第一章第一章原子核的基本性原子核的基本性质上世纪初的原子模型发现原子上世纪初的原子模型发现原子核之前）核之前）J.J.J.J.汤姆生的原子模型：汤姆生的原子模型：正电荷均匀分布在一个球体内，正电荷均匀分布在一个球体内，电子镶嵌在其中某些平衡位置上，电子镶嵌在其中某些平衡位置上，并作简谐振动。并作简谐振动。1. 1. 核的电荷核的电荷185618561940194019061906年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖1.1 1.1 原子核的的电荷、质量和半径原子核的的电荷、质量和半径1 1 1 1原子的核式模型原子的核式模型原子的核式模型原子的核式模型187118711937193719081908年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖其他主要贡献：其他主要贡献：其他主要贡献：其他主要贡献：19191919年，年，19201920年，预言中子存在年，预言中子存在培养了培养了1212位诺贝尔位诺贝尔奖获奖者奖获奖者1909190919091909年卢瑟福年卢瑟福年卢瑟福年卢瑟福散射试验，散射试验，散射试验，散射试验，1911191119111911年提出原子的核式模型。年提出原子的核式模型。年提出原子的核式模型。年提出原子的核式模型。卢瑟福散射实验结论：卢瑟福散射实验结论：正电荷集中在原子的中心，即原子核；正电荷集中在原子的中心，即原子核；线度为线度为101012cm12cm量级，为原子的量级，为原子的10104 4量级；量级；质量为整个原子的质量为整个原子的99.9%99.9%以上；以上；从此建立了原子的有核模型。从此建立了原子的有核模型。 原子的电中性，要求：原子的电中性，要求： 原子核所带电量与核外电子电量相等，原子核所带电量与核外电子电量相等， 核电荷与核外电子电荷符号相反。核电荷与核外电子电荷符号相反。即：核电荷即：核电荷ZeZe，核外电子电荷，核外电子电荷ZeZe。2 2 2 2中子的发现与原子核的组成中子的发现与原子核的组成中子的发现与原子核的组成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发现中子之前，人们猜测原子核是由质子和电子发现中子之前，人们猜测原子核是由质子和电子发现中子之前，人们猜测原子核是由质子和电子组成的。组成的。组成的。组成的。这个假设可以解释原子核的质量和电荷。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。但也遇到了不可克服的困难。与实验和理论不符。与实验和理论不符。* *小论文：用三种不同方法证明原子核中不含电子？小论文：用三种不同方法证明原子核中不含电子？19321932年年查查德威克德威克(J.Chadwick)(J.Chadwick)发现发现中子。中子。( (据此据此获获19351935年年诺贝尔诺贝尔物理学物理学奖奖) )1891189119741974 用用 粒子轰击铍，铍放射出穿透粒子轰击铍，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的质子击出，并证明其有与质子相近的质量。质量。实验中放出的不是高能实验中放出的不是高能 ，而是中子。，而是中子。核电荷数核电荷数Z同时表示：同时表示：核内质子数，核的电荷数，核外电子数，原子序数。核内质子数，核的电荷数，核外电子数，原子序数。原子核由质子和中子组成，原子核由质子和中子组成， 中子和质子统称为核子。中子和质子统称为核子。中子不带电。质子带正电，电量为中子不带电。质子带正电，电量为e e。 电荷数为电荷数为Z Z的原子核含有的原子核含有Z Z个质子。个质子。中子发现后，海森堡中子发现后，海森堡中子发现后，海森堡中子发现后，海森堡(W.Heisenberg)(W.Heisenberg)(W.Heisenberg)(W.Heisenberg)很很很很快提出，原子核由质子和中子组成，并快提出，原子核由质子和中子组成，并快提出，原子核由质子和中子组成，并快提出，原子核由质子和中子组成，并得到实验支持。得到实验支持。得到实验支持。得到实验支持。1901190119761976因量子力学因量子力学因量子力学因量子力学方面贡献，方面贡献，方面贡献，方面贡献，获获获获1932193219321932年诺年诺年诺年诺贝尔物理奖贝尔物理奖贝尔物理奖贝尔物理奖3测量原子核电荷数方法测量原子核电荷数方法-莫塞莱方法莫塞莱方法2 2原子核物理常用术语及意义原子核物理常用术语及意义A.A.核素核素nuclidenuclide）具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原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。子核或原子称为核素。核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同，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。就是不同的核素。 两种核素，两种核素，A同，同，Z、N不同。不同。两种核素，两种核素，N同，同，A、Z不同。不同。两种核素，两种核素，Z同，同，A、N不同。不同。两种核素，两种核素，A、Z、N同，能态不同。同，能态不同。2. 2. 核的质量核的质量质量质量(u)电荷电荷(e)中子中子0质子质子1电子电子1 原原子子核核由由中中子子和和质质子子组组成成，中中子子不不带带电电，质质子子带带单单位位正正电电荷荷。中中子子和和质质子子质质量量相相当当，分分别别约约等等于于一一个个原原子子质质量量单单位位。核核中中中中子子和和质质子子统统称称为为核核子子，数数目目以以A A表表示示，A A称称为为核核子子数数或或质质量量数数，核核中中质质子子数数记记为为Z Z，中子数记为，中子数记为N N。常用如下形式表示一个原子核：。常用如下形式表示一个原子核：实际上核素符号实际上核素符号实际上核素符号实际上核素符号X X X X和质子数和质子数和质子数和质子数Z Z Z Z具有唯一、确定的关系，具有唯一、确定的关系，具有唯一、确定的关系，具有唯一、确定的关系，所以用符号所以用符号所以用符号所以用符号AXAXAXAX足以表示一个特定的核素。足以表示一个特定的核素。足以表示一个特定的核素。足以表示一个特定的核素。1 1原子核的表示原子核的表示核子数核子数A A质子数质子数Z Z中子数中子数N N元素符号元素符号X X 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称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。为同位素丰度。 具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。素的同位素。( (即即Z Z相同，相同，N N不同，在元素周期表中处于不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。同一个位置，具有基本相同化学性质。) )B.B.同位素同位素isotopeisotope和同位素丰度和同位素丰度铀的二种同位素。铀的二种同位素。氢的三种同位素；氢的三种同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%C.C.同中子异荷素同中子异荷素isotoneisotone）D.D.同量异位素同量异位素isobarisobar）质量数质量数A A相同，质子数相同，质子数Z Z不同的核素。不同的核素。中子数中子数N N相同，质子数相同，质子数Z Z不同的核素。不同的核素。也称为同中子素或同中异位素。也称为同中子素或同中异位素。E.E.同质异能素同质异能素isomerisomer）（同核异能素）（同核异能素）质子数质子数 Z Z 和中子数和中子数 N N 均相同，而能态不同的核素。均相同，而能态不同的核素。同质异能态：同质异能态： 同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。激发态半衰期为激发态半衰期为2.81hr2.81hr。锶锶F.F.偶偶A A核：核：奇奇A A核：偶奇核核：偶奇核(e-o(e-o核核) )、奇偶核、奇偶核(o-e(o-e核核) )。奇中子核，奇中子核， 奇质子核。奇质子核。镜像核：中子数镜像核：中子数N N、质子数、质子数Z Z互换的核素。互换的核素。中子数中子数N N、质子数、质子数Z Z均为偶数的核素。均为偶数的核素。 偶偶核偶偶核(e-e(e-e核核) )中子数中子数N、质子数、质子数Z均为奇数的核素。均为奇数的核素。 奇奇核奇奇核(o-o(o-o核核) )2) 2) 核素图及核素图及稳稳 定曲线定曲线核素图核素图稳定曲线稳定曲线 核素图及核素图及稳定曲线的特点：稳定曲线的特点：A.A.核素图包括核素图包括300300多个天然存在的核素多个天然存在的核素( (其中稳定核其中稳定核素素280280多个，放射性核素多个，放射性核素3030多个多个) )及及16001600多个人工放多个人工放射性核素。射性核素。B.B.稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定曲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线在轻核靠近 Z ZN N 线，而对重核则线，而对重核则 N Z. N Z.C.C.偏离稳定曲线上方的核素为丰中子核素，易发生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，易发生衰变；下方的核素为缺中子核素，易发生衰变。衰变。稳定核素的奇偶分类表：稳定核素的奇偶分类表：Z N名名 称称稳定核素数目稳定核素数目e e偶偶核偶偶核166166e o偶奇核偶奇核5656o e奇偶核奇偶核5353o o奇奇核奇奇核9 9 偶偶核最稳定，稳定核最多；其次是奇偶核和偶奇偶偶核最稳定，稳定核最多；其次是奇偶核和偶奇核；而奇奇核最不稳定，稳定核素最少。核；而奇奇核最不稳定，稳定核素最少。3 3核的质量测量核的质量测量1.3 1.3 核的半径核的半径实验表明，原子核的线度比原子的线度实验表明，原子核的线度比原子的线度1010m小得多，小得多，为为1014 15m量级。量级。原子核的形状作为一级近似可以看作球形。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。由于原子核有角动量，略呈旋转椭球形。原子核的半径原子核的半径,根据测量方法：根据测量方法：与与 A1/3 A1/3 成正比。成正比。核力半径：核力半径：（a a核力作用半径核力作用半径重要结论：重要结论： 原子核半径近似正比于原子核半径近似正比于A1/3， 原子核体积近似正比于原子核体积近似正比于A。C)C)原子核的密度：原子核的密度：代入：代入：得：得：结论：原子核密度为常数，且非常大。结论：原子核密度为常数，且非常大。补充材料充材料1 1：氦核(质量数4，电荷数2)的大小为：假假设氦核中有氦核中有电子，那么子，那么电子的德布子的德布罗意波意波长不能大于不能大于2r2r，即，即由不确定关系：由不确定关系：由相对论方程：由相对论方程：得到电子能量为：得到电子能量为：对比实验这一结论不存在，所以假设不成立，即核中对比实验这一结论不存在，所以假设不成立，即核中无电子。另外从原子核的自旋也可证明核中无电子。无电子。另外从原子核的自旋也可证明核中无电子。