原子核模型PPT课件

1 学习与思考 什么叫模型 模型就是奥地利的火车时刻表 奥地利的火车经常晚点 乘客问列车员 你们干吗还要时刻表 列车员回答 有了时刻表才知道火车的晚点呀 韦斯科夫 2 原子核的结构 核力费米气体模型原子核的壳层模型原子核的集体模型 3 核力 核力的主要性质 核力的主要性质原子核的密度1014g cm3 核力是强相互作用 核力约比库仑力大100倍核力的短程性 核力的力程为fm量级核力的饱和性 核力具有饱和性核力的电荷无关性 Fpp Fnn Fnp 4 核力 核力的主要性质 同位旋 把中子和质子看成是核子的两个不同状态 用同位旋t描述核子处于中子或质子状态 质子 t3 1 2 中子 t3 1 2核子的总同位旋 同位旋第三分量 5 核力 核力的主要性质 同位旋同位旋量子数满足 核基态同位旋 5 2 1 2 1 2 5 2 3 2 3 2 3 2 0 87 5 38 3 85 4 55 5 08 3 08 0 50 3 10 3 86 4 69 5 10 5 52 5 2 1 2 1 2 5 2 3 2 3 2 3 2 6 核力 核力的主要性质 核力与自旋有关D核 I 1 3S1 3D1 S l 状态 0 1 1 0 1 2 1P1 3S1 3P1 3D1 7 核力 核力的主要性质 核力的非中心成分 d 3S1 0 87981 N dexp 0 8574376 N d 3D1 0 310 N d 96 d 3S1 4 d 3D1 中心力场 方阱势 高斯势 指数势 汤川势 8 核力 核力的主要性质 核力的非中心成分非中心力 9 核力 核力的主要性质 核力的自旋 轨道耦合力成分n p散射 出射的中子部分极化 说明存在非中心力场 但计算表明 仅非中心力场不能给出与实验相符的极化度 自旋 轨道耦合力 自旋 轨道耦合作用只存在于自旋三重态中 10 核力 核力的主要性质 核力的排斥力芯核子相距0 8 2 0fm时 表现为吸引力核子相距小于0 8fm时 表现为排斥力核子相距大于10fm时 核力几乎完全消失 Vpp Vnp Vnn r r 11 核力 核力的介子理论 电磁力现代物理学认为 电磁相互作用是带电粒子间交换 虚光子 而产生的交换力 虚粒子用于传递相互作用 因而总是限定在一定时空范围内 由于测不准原理 虚粒子可以不满足能量 动量守恒 e e e e A B 12 核力 核力的介子理论 媒介粒子的质量估计最大能量转移 虚粒子质量 电磁力 m 0 x t x t 13 核力 核力的介子理论 核力介子介子质量估计 1947年发现 介子 p p p p p p p p n n n n 0 14 费米气体模型 费米气体模型 B EF n V0 Ec 质子阱 中子阱 EF p 15 费米气体模型 费米能级费米半径状态数 16 费米气体模型 中子数费米能量 17 费米气体模型 核子的最大动能 18 费米气体模型 核子的平均动能原子核的平均动能 19 费米气体模型 对称能设Z N 则原子核平均动能 20 原子核的壳层模型 核素丰度在自然界中 4He 16O 40Ca 60Ni 88Sr 90Zr 120Ba 140Ce 208Pb的含量明显比其附近核素的含量多 在稳定核素中 中子数N 20 28 50 82的中子素最多 21 原子核的壳层模型 质子数Z 20 28 50 82的稳定同位素的数目比紧邻的元素多结合能的变化中子结合能为幻数时极小基于液滴模型的总结合能在中子数或质子数为幻数时 与实验值偏离最大 22 原子核的壳层模型 第一激发态 N120A202 128210 124206 126208 122204 130212 0 96 0 90 0 80 2 61 0 80 0 81 MeV Pb 23 原子核的壳层模型 自旋 轨道耦合项1949年 Mayer和Jensen在势阱中加入了自旋 轨道耦合项 从而成功地解释了幻数的存在 Vs p C r s l 0 5C r j2 l2 s2 24 原子核的壳层模型 附加能量能级分裂原子核内的自旋 轨道耦合相当强 所引起的能级分裂相当大 25 原子核的壳层模型 核子的自由运动任何一个核子在其它核子形成的平均势场中运动 由于泡利不相容原理 相邻的能级均已经被占满 核子一般不能进行能导致改变状态的碰撞 所以 核子在核内相当自由地运动 始终保持在一个特定的能态上 26 原子核的壳层模型 壳层模型的改进 剩余 相互作用 除了自旋 轨道耦合以外 还应考虑核子间存在的 剩余 相互作用 即除了平均场以外的部分 对关联 实验表明 两个同类核子间可以存在重要的相互作用 即对关联 类似于超导理论的Cooper对 对关联只对除了磁量子数相反 而其它状态完全相同的核子起作用 组态混合 类似于原子结构中的电子组态混合 变形核修正 取变形单粒子势 27 原子核的壳层模型 对核基态的自旋和宇称的解释闭壳层内的核子对角动量的贡献为0 所以闭壳层外有一个核子 或层内有一个空穴 的原子核的基态自旋和宇称就取决于这个核子 或空穴 偶数中子或偶数质子对角动量没有贡献 偶偶核的基态自旋一定为0 宇称为正 奇奇核的自旋则取决于最后一个中子和最后一个质子之间的耦合 而且自旋一定是整数 28 原子核的壳层模型 29 原子核的壳层模型 30 原子核的壳层模型 对核的基态磁矩的预告偶偶核的基态自旋为零 所以磁矩为0 奇A核 磁矩由最后一个核子的角动量决定 单粒子模型 即I j 因为 31 原子核的壳层模型 因为 32 原子核的壳层模型 对于奇质子的奇A核 gl 1 gs 5 58对于奇中子的奇A核 gl 1 gs 3 82 33 原子核的壳层模型 奇Z核的磁矩随自旋的变化 Schmidt线 Schmidt线 34 原子核的壳层模型 奇N核的磁矩随自旋的变化 Schmidt线 Schmidt线 35 原子核的壳层模型 壳层理论的单粒子模型不能正确预言奇A核的基态磁矩 但给出了与实验一致的趋势 在已知奇A核的自旋时 通过磁矩的测量 可以根据Schmidt线确定此原子核最外面一个核子的轨道角动量和原子核的宇称 36 原子核的壳层模型 对原子核的基态电四极距的预测单粒子壳层模型 奇A核电四极距完全由最外一个核子所决定 奇中子不带电 所以不会产生电四极距 奇质子的电四极距 37 原子核的壳层模型 38 原子核的壳层模型 双幻 1质子 双幻 1质子Q 0 双幻 1质子Q 0 39 原子核的壳层模型 原子核壳层模型的其他应用原子核 衰变的跃迁级次原子核的 跃迁概率的定性说明核反应同核异能素岛的解释对原子核低激发态自旋和宇称的解释核内存在一平均场 核子在平均场中独立运动 存在很强的自旋 轨道耦合 壳层模型对幻数附近的应用较好 对远离幻数的原子核的应用有一定困难 40 原子核的集体模型 偶偶核的低激发能级规律双幻数核附近 粒子能级壳层模型可以解释离双幻数核稍远 振动能级具有谐振子能级的特点远离双幻数核 转动能级具有双原子分子的转动能级的特点 E0 E2 E4 E6 0 2 4 6 0 1h 2h 41 原子核的集体模型 集体模型 以壳层模型为基础 即认为核子在平均场中独立运动并形成壳层结构 同时 原子核可以发生形变并产生转动和振动等集体运动 原子核产生形变的原因 外壳层核子的概率分布不是球对称的 从而导致原子核出现非球形变化 但变化较小 外壳层核子的运动使满壳层上的核子受到一定的力的作用 极化作用 从而使核心变化导致形变 42 原子核的集体模型 原子核的势能与形变的关系 q c a 稳定球形 不稳定球形 稳定形变 严重形变 43 原子核的集体模型 核的转动 原子核势场的方向在空间发生变化 44 原子核的集体模型 由于I为奇数的球谐函数为奇宇称 不满足无自旋核 偶偶核基态 的要求 所以变形偶偶核的基态上的转动能带所允许的I值只能为偶数 即 4