第十六章 原子核物理和粒子物理简介.ppt

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1、*第十六章原子核物理和粒子物理简介§16-1原子核的基本性质§16-2原子核的放射性衰变§16-3粒子物理简介1§16-1原子核的基本性质16.1.1原子核的质子——中子模型原子核是由质子和中子组成的.质子(p)就是氢核，带有正电荷＋e，质量mp＝1.007276u(u为原子质量单位，1u＝1.6605655×10－27kg).中子(n)不带电，其质量mn＝1.008665u.质子和中子统称为核子.具有相同的质子数Z而中子数N不同的原子核称为同位素.2实验发现原子核的体积总是正比于它的质量数A.如果把原子核看成球体，其半径R与质

2、量数A的关系为式中R0是常数，由实验测定为R0＝1.20×10－15m.这表明原子核的体积与核质量数成正比，由此得到的结论是：在一切原子核中，核物质的密度是一个常数，可以算出核物质密度ρ＝2.29×1017kg·m－3.316.1.2核自旋和磁矩实验和理论都说明原子核也有自旋.原子核的自旋角动量为式中I称为核自旋角动量量子数，简称核自旋.不同的原子核其自旋的取值可以是整数，也可以是半整数.质子和中子的自旋都是.当原子核的质子数和中子数都是偶数(偶—偶核)时，其自旋为零.4原子核带有电荷且有自旋运动，故原子核也有磁矩.核磁矩用和电

3、子磁矩类似的方法来表示.原子核磁矩通常以核磁子为单位，即核磁子形式上与玻尔磁子相似，只是这里是质子的质量mp代替了玻尔磁子中的电子质量me.因为mp＝1836.5me，所以式中μB是玻尔磁子.5原子核的磁矩μI与核自旋角动量PI的关系(仿电子自旋假设)，可以写成式中gI称为原子核的g因子.μI在某一特殊方向的投影为式中MI称为核磁量子数，它的取值为6通常是测μI在特定方向的最大投影如图16.1所示，将待测样品P放在电磁铁二极之间，于是由样品中核磁矩μI和磁场B的相互作用，应有附加能量图16.1由于空间量子化，由式(16.4)，则

4、式(16.6)为7因为核磁量子数的选择定则为所以核的能量只改变所以当时，样品中的原子核将从交变磁场中强烈吸收能量，这个现象称为核磁共振吸收，这时的频率ν称为共振频率.将式(16.7)写成816.1.3核力组成原子核的质子之间存在着较强的库仑斥力，力图使原子核解体，而万有引力比电磁力小1037倍，远不能抵消静电力的作用而把核子束缚在一起.由此推测，核子之间必定存在着另一种相互作用力，称为核力.核力具有以下特性：核力是一种比电磁力强得多的强相互作用力，主要是吸引力.核力是短程力，只有当核子间距离小于10－15m时才显示出来，在大于1

5、0－15m时核力远小于库仑力.9核力与核子的带电状况无关.大量实验表明，质子之间，中子之间，质子和中子之间所表现的核力作用大致相同.核力具有饱和性.即一个核子只能与附近的有限个数的核子发生核力作用，而不能与原子核内所有核子发生这种作用.1016.1.4原子核的结合能实验发现，任何一个原子核的质量总是小于组成该原子核的核子质量之和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损.设原子核的质量为Mx，质子的质量为mp，中子的质量为mn，在这一原子核中共有Z个质子和(A－Z)个中子，质量亏损为11由于质子质量mp等于氢原子质量mH减去1个核外电

6、子的质量me，即mp＝mH－me；原子序数为Z的原子核的质量Mx等于这种原子的质量M减去Z个核外电子的质量，即Mx＝M－Zme造成质量亏损的原因是核子在结合成原子核时，由于它们之间核力的强烈作用，使体系能量降低，从而释放出一定的能量，相应的质量也减少了.12根据相对论质能关系ΔE＝Δmc2，如果质量亏损Δm＝1u，则对应的能量改变为因此，由Z个质子和(A－Z)个中子结合成核时，释放出的能量为式中质量以u为单位.这种由质子和中子形成原子核时所放出的能量叫做原子核的结合能.13不同的原子核平均结合能不相同，核子的平均结合能大小反映了

7、原子核的稳定程度.核子的平均结合能越大，原子核就越稳定.原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数A的比值称为平均结合能(或比结合能)，用表示，即14§16-2原子核的放射性衰变16.2.1原子核的稳定性原子核的稳定性，是指原子核不会自发地改变其质子数、中子数和它的基本性质.按原子核的稳定性可分为稳定原子核和不稳定(或放射性)原子核两类.预测核的稳定性的经验规则：1.原子核中的质子数等于和大于84的原子核是不稳定的.152.具有少于84个质子的原子核，质子数和中子数均为偶数时，其核稳定.3.质子数或中子数等于2,8,20,28,5

8、0,82,126的原子核特别稳定.这些数称为幻数.4.中子数和质子数之比n/p，在Z＜20时，原子核稳定.随着原子序数增加，值增大.Z在中等数值时约为1.4；Z在90左右约为1.6，比值越大，稳定性越差.1616.2.2原子核衰变不稳定的原子核都会自发地转变成另