第十章-原子核1.ppt

10 1原子核的基本性质 10 2原子核的放射性衰变 10 3射线同实物的相互作用和放射性的应用 10 4核力 10 5原子核结构模型 10 6原子核反应 10 7原子核的裂变和原子能 10 8原子核的聚变和原子能利用展望 第十章原子核 1 原子核的电荷 2 原子核的质量 10 1原子核的基本性质 原子的质量MA 原子核的质量mA 核外电子的电子的质量Zme 电子的结合能 原子质量单位u 原子核的质量数A以u为单位后 原子核的质量接近于某一整数A 核素 凡具有相同的原子序数Z 中子数N及能量状态的原子核称为一种核素 元素 Z一定的原子 同位素 Z相同 N不同的核素 同中子素 N相同 Z不同的核素 同质异能素 N Z相同 而能量状态不同的核素 同量异位素 A相同 Z不同的核 核素图 超重原子的核素图 ZZ的方向偏移 所有稳定核都在稳定线上或紧靠稳定线的两侧 这个区域称为核素稳定区 中子和质子靠核力组成原子核 库仑力是长程力 正比于Z Z 1 核力是短程力 正比于A 稳定岛 稳定的海洋 超重元素稳定岛 Z 114 稳定洲 3 原子核的成分 海森堡和伊凡宁柯提出 原子核由质子和中子组成 质子带一个单位正电荷 中子不带电 1932年 查德威克发现了中子 质子和中子质量相差很小 A N Z 4 原子核的大小 原子核的密度为一常数 而且核的密度非常大 数量级 核中每个核子所占的体积为一常数 增加核子就要增大体积 二者除带电不同外 其余性质十分相似 统称为核子 并把中子和质子看成核子的两个不同的状态 5 原子核自旋 原子核的自旋是所有核子的自旋和轨道角动量的矢量和 I 核自旋量子数 它可以是整数 也可以是半整数 A为奇数的核 奇A核 I为半整数 原子核角动量在空间某一选定方向的投影 在外场方向上的投影的最大值为 习惯上用它表示核的自旋 原子核的角动量称为核自旋 核自旋磁量子数 Z N都是偶数的核 偶 偶核 I为0 Z N都是奇数的核 奇 奇核 I为整数 6 原子核磁矩 7 原子核的电四极矩 mp 质子的质量 核磁子 g因子不能通过公式计算 只能由实验测得 其数值有正有负 球对称分布时的电势 非球对称分布时的电势 第一项 单电荷的电势 第二项 偶极子的电势 第三项 四极子的电势 实验证明原子核有电四极矩 说明原子核的电荷分布是椭球式的 8 原子核的统计性 A为奇数的核 奇A核 是费米子 A为偶数的核为玻色子 旋转椭球式分布时的电势 等效于一个单电荷和一个四极子的叠加 两个粒子的位置和自旋互换 费米子 玻色子 9 原子核的宇称 坐标反映对称性 原子核的质量亏损 平均结合能 原子核的结合能 表示核子结合为原子核时一个核子平均释放的能量 或把一个核子从原子核中取出所需的能量 的大小表示核子之间结合的紧密程度 大 表示核子结合紧密 10 原子核的结合能 宇称守恒 孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性 或作相反的改变 1 A 30的轻核 平均结合能表现出周期性的变化 凡A等于4的倍数的核 有最大值 2 中等核 A 30 120 的 结合能较大 轻核和重核的 较小 3 质量数在30以上的核 的变化不大 显示了核力的饱和性 即一个核子只同附近的几个核子有作用力 而不是同所有的核子都有作用 获得核能的途径有两个 重核裂变和轻核聚变 一 放射性衰变的基本规律 1 放射性衰变 核素自发地放射出某种射线而变成另一种核素 或从激发态过渡到基态的现象 放射性物质放出的射线主要有三种 射线 即氦原子核 贯穿本领很小 电离作用很强 射线 即电子流 有较大的贯穿本领和较小的电离作用其贯穿本领大约是 射线的100倍 射线 即光子流 波长很短的电磁波 在电磁波谱上排在x射线之后 有最大的贯穿本领和最小的电离作用 10 2原子核的放射性衰变 凡能发生放射性衰变的核素叫放射性核素 2 放射性衰变的基本规律 指数衰变规律 衰变常数 一个原子核在单位时间内发生衰变的几率 半衰期 放射性物质的原子核的数目衰变到原来数目的一半时所经过的时间 平均寿命 一个原子核在衰变前存在的时间叫做它的寿命 所有原子核寿命的平均值称为平均寿命 由一种天然放射性核素开始 而产生一代一代的核素 直到形成稳定的核素为止 构成了一个放射系 不动 二 放射系 位移 发生衰变后 原子在周期表中位置的变化 衰变中 向前移两位 衰变中 向后退一位 衰变中 向前移一位 衰变中 K俘获中 向前移一位 1 铀 系 衰变次数 衰变次数 2 钍 系 衰变次数 衰变次数 3 锕 系 衰变次数 衰变次数 4 镎 系 衰变次数 衰变次数 其中半衰期最长的为 故称为镎系 三 衰变 衰变能 原子核在衰变过程中释放的能量 用Q表示 在 衰变中表示为Q 衰变条件 衰变能的释放形式 衰变式 原子核自发地放射出 粒子而发生的衰变 衰变前 母核静止 总动量为0 衰变后 1 衰变条件和衰变能 2 能谱和原子核能级 实验发现 在 衰变中 大多数核素将放射出几组不同动能的 粒子 例如 测得 粒子的动能有六种 还有能量不同五种 射线 粒子能谱具有分立特性 原子核具有分立的能量状态 原子核内部的能量是量子化的 原子核也具有间隔的能级 四 衰变 1 衰变的三种类型及衰变条件 衰变是核电荷数改变而核子数不变的衰变 有三种类型 1 衰变 反中微子 右旋中微子 自旋方向和运动方向相同 能量守恒 衰变能 衰变条件 2 衰变 3 K俘获 原子核俘获一个核外轨道上的电子而转变为另一个原子核的过程 中微子 左旋中微子 自旋方向和运动方向相反 能量守恒 衰变能 衰变条件 能量守恒 Wi为在俘获第i层电子时所消耗的能量 称为电子的结合能 衰变能 衰变条件 由于 所以能发生 衰变的核 一定能发生轨道电子俘获 发射X标识谱 产生俄歇电子 电离能 2 粒子能谱 1 粒子能量连续分布 2 具有确定的最大值Em 3 曲线有一极大值 粒子能谱引发的困境 粒子能谱是连续的 而原子核具有分立能级 能量不守恒 角动量不守恒 泡利认为 当放射性物质发生 衰变时 除了放出 粒子外 还要放出一个中性粒子 其静止质量几乎为0 故称为中微子 中微子分为两种 中微子和反中微子 它们的质量完全相同 都不带电荷 但自旋方向不同 由于三者之间的分配是任意的 所以 粒子的能量是连续的 形成了连续谱 假设中微子的自旋和电子一样为 则衰变前后的角动量守恒 1956年 从实验上发现了中微子 3 中微子假设 由于 衰变能主要在电子和中微子之间分配 当 其余情况 五 衰变 原子核通过发射 光子从激发态跃迁到较低能态的过程 1 衰变的能量 2 内转换 原子核从激发态向较低能量状态跃迁时 将核的激发能直接交给核外电子 使这个电子发射出来 这种现象称为内转换 释放的电子称为内转换电子 内转换过程有两个伴随过程 发射特征X射线和俄歇电子 一 示踪原子的应用 由于放射性原子的放射作用 容易用仪器探测它的踪迹 可以利用它为显示踪迹的工具 农业上用32P研究磷肥对植物的作用工业上可用来研究磨损量可用来研究半导体中杂质的扩散 10 3放射性的应用 二 放射性在地质上的应用 设岩石形成之初含有N0个U原子 现在含有N个U原子 以及N 个Pb原子 还有个中间衰变产物 三 放射性在考古上的应用 在考古工作中 14C可以用来推算年代 植物吸收空气中的CO2 动物吃植物 所以有生命的生物体由于新陈代谢 体内14C和12C的含量与大气中相同 空气中14C和稳定同位素12C之比为1 2 1012 14C具有放射性 半衰期为5600年 生物体死后 新陈代谢