同位素导论第1讲---原子核介绍-0926

1、邢 娜 杨伟锋 张 润 ,原子核物理学 辐射探测与测量,课程简介,Processes and isotopes focused,30余种放射/稳定同位素,九 龙 江 台 湾 海 峡 渤、黄、东海 南 海、南 沙 太 平 洋 印 度 洋 大 西 洋 南 、 北 极,采样足迹遍布全球各大洋,当前主要研究领域,Research Scope,以同位素为手段，示踪海洋学过程,原子核物理学 辐射探测与测量,课程简介,同位素基本概念 放射性核素衰变动力学 同位素测量原理（测量仪器及方法） 放射性测量误差计算,课程主要内容,授课方式：课堂讲授与专题报告 成绩构成: 平时成绩20% 期末考试或学期论文80%,授

2、课方式与成绩考核,原子核介绍,厦门大学海洋与地球学院 邢 娜,同位素导论第1讲,一、物质结构：原子结构、原子核结构等 二、核素 三、原子核的结合能 四、原子核的液滴模型,一、物质结构-原子结构,元素种类 目前已发现的元素高达100多种，其中自然界中存在92种 原子 构成某一元素的最基本的单位叫做该元素的原子 直径：10-8cm左右 质量：微小，最轻的元素氢1H的质量为1.67310-24 克， 一个铀原子 238U的质量为3.95110-22 克。,I. 原子结构,原子结构,原子结构 原子是由更微小的粒子组成的，这些粒子称为基本粒子，它们是质子(P)、中子（n）和电子（e）等。,一、物质结构-

3、原子结构,原子结构 基本粒子质量：微小 质子的质量为1.672510-24克； 中子的质量为1.674710-24克； 电子的质量为9.108910-28克。 基本粒子带电： 质子带有个单位的正电荷，电子带有个单位的负电荷，而中子不带电荷 e为电子的电荷量 1e=(1.6021890.0000046) 10-19库仑 核外电子总带电量为Ze,一、物质结构-原子结构,原子直径 10-8cm左右，而原子核的直径在10-13 10-12cm之间，一张纸的厚度相当于10000个原子的厚度 原子核和它的绕行电子之间，有很大一部分空间是空虚的，而核仅占有整个原子的极小的一部分空间 电子轨道 原子核周围的电

4、子都有一定的轨道，这些轨道分成好几层，每一层中都有几个轨道，每个轨道上最多只能有一个电子。最靠近核的是K壳层，往外依次是L、M、N、O、P等壳层。越往外面，每个壳层可以容纳的电子就越多。,一、物质结构-原子结构,电子轨道 壳层里可以容纳的最大电子数目可用2n2来表示，但是，原子核外最外面的壳层却最多只能容纳8个电子 在某一轨道上的电子具有一定的能量。K壳层轨道上的电子能量最低，越往外层轨道上的电子能量越高。,锌（Zn）原子的结构,一、物质结构-原子结构,能量改变 激发电子可以吸收外来的能量而从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，这种现象叫做激发。 电离如果外来的能量较大，使得轨道上的电子脱离原

5、子核的吸引力而自由运动，则叫做电离。 特征X射线当电子从能量较高的外层轨道跃迁到能量较低的内层轨道时，电子将多余的能量以X射线（光子）的形式发射出来。,一、物质结构-原子结构,原子核的结构,1. 原子核的组成,核子,2. 原子核的性质,原子核直径原子核的直径在10-13 10-12cm之间，将原子放大成直径上百米的足球场，在其中央有一颗称为原子核的小米粒，其直径不到原子直径的万分之一。 原子核结构内含有更小的粒子质子和中子，统称为核子。除了最简单的氢原子核内只有一个质子之外，其余元素的原子核都由多个质子和中子组成的。 元素的原子序数科学家将元素原子核内的质子数定义为原子序数，符号Z（也称为原子

6、核的电荷数）。核外电子的数量同质子一样多，且围绕原子核旋转。代表元素在周期系中的位置，而且代表原子的某种特征，是原子的基本参数：原子序数（Z） 质子数,原子核的电荷 中子顾名思义是中性的，它不带电荷，而质子是带正电荷的粒子，电子是带负电荷的粒子。一个质子和一个电子的电量相同，电性相反。原子核的电荷为+Ze，e为电子的电荷量1e=(1.6021890.0000046) 10-19库仑,3. 原子核的电荷,核电荷数的测定方法特征X射线、卢瑟福散射方法 特征X射线法是一种间接测定核电荷数的方法，特征X射线的频率和核电荷数存在一定的定量关系。1913年英国物理学家莫斯莱（Moseley)总结的公式（莫

7、斯莱定律）为 卢瑟福散射是测定核电荷数的直接方法。 电荷数不同的原子核其原子性质的差异很大。Z从194的元素是天然存在的，95109的元素是人工方法得到。,3. 原子核的电荷,亨利莫斯莱1913年，采用亨利布拉格的X光射线光谱拍摄了一系列元素的标识谱线（特征谱线），发现其规律性与玻尔理论预期一致。他用实验证明了元素的主要特性由其原子序数决定，而不是由原子量决定,4. 原子核的半径,原子半径由核中心至密度降为0 的0.5倍的距离 原子半径的计算原子核近似看作球体，半径R为： r0是常数， A为质量数。 原子核半径的数量级各种元素皆为10-1510-14m (实验测得)。,原子核的质量密度分布,设

8、原子核的体积为V，质量为mN，原子核内物质的平均密度为 A/mN=NA（阿伏加德罗常数），1014gcm-3 原子核内核物质的平均密度是非常高的。,4. 原子核的半径,1. 核力的作用半径 核力原子核的半径很小，核内质子间有很强的静电斥力，然而核很稳定（例如铀-238，有92个质子和146个中子，彼此居然能挤成一团，在核内排列得如此紧密，造成极大的核密度）。表明核子间存在一种比静电斥力更强的相互作用力（相当于最小结合能约2.2兆电子伏），将核子束缚在一起，保持核的动力学平衡。这种与核子电荷无关的特殊力称为核力（核力）,4. 原子核的半径,核力作用半径公式在核力范围内，有中子散射、质子散射、或其

9、它粒子等实验。研究粒子被原子核散射的情况，可拟合原子核的半径经验公式。 测量核力作用范围得到的r0 (1.4-1.5) 10-15 m= (1.4-1.5) 费米（Fm）；,4. 原子核的半径,2. 关于原子核库仑能的方法 由原子核结合能中质子的库仑能计算原子核的大小， r0 1.28 10-15 m 3. 电荷分布半径 高能电子在原子核上的散射，散射电子的角分布于核内电荷分布有关，推知电荷密度分布范围，拟合电荷分布半径公式 r0 (1.1-1.3) 10-15 m,4. 原子核的半径,原子的质量,1. 原子质量单位,原子质量单位u一个碳-12原子质量的1/12作为原子质量单位，又称碳单位,2

10、. 原子的质量,原子质量等于原子核的质量加上核外全部电子的质量，再减去与电子在原子中的结合能相当的质量。 电子的质量很小，约为5.485810-4u，分别为质子和中子质量的1/1839和1/ 1837倍。 质子和中子的质量（通称为核子）二者重量和占整个原子质量的99.94%以上。质子和中子的质量很相近，都近似等于1个原子质量单位（u）。,原子核的质量 式中，m，mN和me分别表示原子、原子核和电子的质量； c为光速， 为第n个电子的结合能。,2. 原子的质量,忽略电子的结合能，原子核的质量近似 原子核的质量数 等于组成核的质子和中子的总的质量数，即核子数。电荷数为、质量数为的原子核，记为 (

11、X 代表某元素)。,2. 原子的质量,小结：原子特点,原子的大部分质量集中于原子核内 核的体积很小，约占整个原子体积的10-15大小，原子内原子核外有较大的空间 原子核的密度非常大，约为金属铀的密度（19.07g/cm3)的5万亿倍。 原子是中性的，原子核的电量等于核外电子的总电量，并且二者的电性符号相反。,二、核素,1. 元素,元素 原子核里质子数（即核电荷数）相同的一类原子的总称 本质：以核电荷数为标准，对原子进行分类，即原子的核电荷是决定元素内在联系的关键,2. 核素和核素图,核素具有相同质子数Z、中子数N的一类原子(或原子核)，符号 核素图横向代表元素即Z值，纵向表示同中子数的系列核素

12、。“核素图”由一系列子图组成。,2. 核素和核素图,2. 核素和核素图,（1）元素的同位素 任何元素的原子，原子核里的质子数是一定的，但可能含有不同的中子数，具有不同中子数的相同元素称为同位素。 如一个氢原子可能含0、1、2个中子。分别称为氕、氘、氚。 同位素在元素周期表中占据同一个位置，原子量是不同的，元素周期表的排列是根据原子序数而不是原子量。,3. 几个重要概念,3. 几个重要概念,同位素的分类,3. 几个重要概念,三大天然衰变系,同位素性质：用化学方法无法区分，但其核特性完全不同，物理性质差别较大（特别是轻同位素） 天然存在的同位素大多是以同位素混合物状态出现，比如，目前在核能利用中最

13、重要的元素是铀（），天然铀是三种铀同位素的混合物，这三种铀的天然同位素是234U、235U和238U,3. 几个重要概念,(2) 同位素的天然丰度 自然界中有许多元素含有多种核素，如16O、17O、18O；40Ca、42Ca、43Ca、44Ca、46Ca、48Ca等 相对丰度：一种核素在它所属的天然元素中所占的原子百分数 234U、235U和238U 在天然铀中的含量百分比分别为0.006、0.712和99.282 绝对丰度：某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额，常以该同位素与1H或28Si的比值表示。,3. 几个重要概念,(3) 同中子数 中子数相同，质子数不同的核素，如 和 (4

14、) 同量异位素 原子核的质量数相同，而电荷数不同的核素：如 和,3. 几个重要概念,(5) 同质异能素： 原子核可以处于不同的能级状态，能量最低的状态称为原子核的基态，能量较高的状态称为原子核的激发态。 处于激发态的核，寿命一般很短。某些状态下，激发态的寿命比较长，称之为亚稳态。 即：原子核的质子数、中子数均相同，而能量状态不同的核素 表示方法：在质量数后面加一个m，表示核处在能量较高的状态：99mMo和99Mo 、85mKr和85Kr,3. 几个重要概念,三、原子核的结合能,1. 能量单位,电子伏特 eV： 一个电子在真空中通过电位差为1V（伏特）的电场所获得的能量。 1 eV=1.6022

15、10-19C 1V(焦耳) 1 keV=103eV 1 MeV=103keV =106eV 1 GeV=103MeV= 109eV,2. 质量与能量的相互关系,质量、能量质量守恒定律和能量守恒定律。在很长的时间里，人们都没有把物质的质量与能量两个概念联系在一起。后来，爱因斯坦提出了一个全新的观点： 质量，只是物质存在的形式之一；物质存在的另一种形式就是能量。 能量和质量都是物质的一种属性。能量守恒定律和质量守恒定律获得了新的意义。,著名的爱因斯坦质能关系式(质能方程)： E是能量，m是动质量，c是真空中光速。 在物质的质量和能量之间，存在着严格的正比关系。 运动物体质量的大小是随其运动速度变化

16、的： m0：物体静止时具有的质量；v：物体的运动速度；,2. 质量与能量的相互关系,静质量能：物体静止时具有的能量，由物体的内部运动决定，即任何一定质量的物体都具有相应的能量，运动速度为零，总能量也不为零。 根据质能关系式，1g物质的静质量能： E=0.0010kg(2.9979108ms-1)2=8.8974J 任何一克质量的物体都有相当于2500万千瓦小时的电能。 1u物质相应的静质量能:,2. 质量与能量的相互关系,几种粒子的静质量和静质量能,2. 质量与能量的相互关系,光子没有静止质量，没有静止质量能，但是有动质量：,2. 质量与能量的相互关系,现在科学还无法将任何物质的全部质量变成能

17、量来得于利用，否则人类的能量将用之不完。 现在利用的核能正是来自质量到能量的转换， 虽然只是某些物质的一点点质量转换，已经让人类受益匪浅。,2. 质量与能量的相互关系,3. 质量亏损,质量数为A，电荷数为Z的原子核，含有Z个质子和A-Z个中子，其质量应为 mp为质子质量，mn为中子质量。 质量亏损组成原子核的Z个质子和A-Z个中子的质量和实验测定的原子核的质量m之差，其差额,4. 结合能,结合能与质量亏损相对应的能量改变为 结合能与原子核稳定性的关系由质子和中子形成某种原子核时所放出的能量，称为结合能，相反，如果要使原子核分裂为单个的质子和中子时，外界就必须供给与结合能等值的能量或作同样多的功

18、。因此，原子核是稳定的，结合能越大，核越稳定。结合能的大小反映了核的稳定程度。,结合能的物理意义 任何两互相吸引的物体，当它们的相对位置靠近时，总是要放出能量，核子之间的作用力时一种短程力，其作用范围约为210-15m。当两核子之间的距离达到这个数值时，就发生强吸引，并放出很大的能量。 实验证明 能量为0.025eV的中子数被H2O分子中的1H原子吸收时，生成2H，并放出2.224MeV的能量。与计算得到的2H核的结合能相等。反之，若用能量为2.224MeV的光子照射2H核，它就可能被拆开，生成一个质子和中子。,4. 结合能,5. 平均结合能,核的总结合能 由核子结合成原子核时放出的能量。核子

19、数越多，原子核越大，总结合能也越大。 平均结合能定义 原子核的结合能除以质量数A所得的商，即 物理意义 原子核拆散成核子时，外界对每个核子所做功的最小平均值，或核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。原子核的平均结合能越高说明核子在核内结合得越紧。,例如氦原子核是由2个质子和2个中子组成，它的质量亏损如图。按照爱因斯坦的质能公式计算，氦核放出的结合能：,氦核的质量亏损,5. 平均结合能,4He的平均结合能是28.30/4=7.085兆电子伏，2H核的平均结合能为2.224/2=1.112MeV。2H核中只有一个p-n作用，在4He核中有一对p-p、一对n-n和四对p-n作用，每一个核子均

20、与其他核子作用,p,n,p,n,p,n,5. 平均结合能,核的比结合能曲线,5. 平均结合能,5. 平均结合能,平均结合能曲线： 轻核区平均结合能数值有周期性的变化， 核的平均结合能极大； 等核的平均结合能极小。平均结合能极大的核素，其质量数A为4的整数倍，Z=N，均为偶数。质子数和中子数均为偶数的核称为偶偶核。平均结合能为极小的核素，Z=N，奇数，奇奇核。 轻核区，若将平均结合能小的核聚变成平均结合能大的核，会释放出很大的能量。,5. 平均结合能,质量数A=40120的中等核的平均结合能量高，而且几乎接近一个常数( 8.6MeV) 重核的平均结合能比中等核低，重核裂变时释放出很大的能量。,5

21、. 平均结合能,要利用核子的结合能（即核能），有两种途径。一是将某个重核分裂，变成中等质量核，中等质量核的结合能要比重核大，因此这个重核的每个核子就要继续发生质量亏损而放出能量，即核裂变法。另一种方法是使几个轻核相互结合起来变成中等质量核，同样该过程中的核子将继续发生一部分质量亏损，变成能量放出，即核聚合法。 核能就有两种可能的方式：一种利用重核分裂成中等质量核过程中释放出的核能，即裂变能；而另一种利用轻核聚合成中等质量核过程中释放出的核能，即聚变能。裂变与聚变是大规模核能之源。,5. 平均结合能,人类可利用的结合能 中等质量的元素结合得最紧密，因此形成它时的结合能放出最多。 重核通过裂变形成

22、中等质量核。 轻核通过聚变形成中等质量核。 人类目前可用的核能就是重核裂变或轻核聚变成中等核时放出结合能。,核力性质： 核力与核子是否带电无关，任意两个核子间的核力大致相等； 核力是一种短程力，在距离大于10-15m时，核力远小于库仑力，在小于10-15 m的距离时，核力远大于库仑力，这时核力起主要作用：大于0.4 10-15 m时表现为吸引力，小于0.4 10-15 m 时表现为强斥力。 核力是一种具有饱和性质的交换力。即一个核子只与邻近的几个核子作用，而不是和原子核所有核子作用。 核力是核能的起源。,四、原子核的液滴模型,1. 原子核的液滴模型,原子核1. 核力具有饱和性(核子只与邻近的几

23、个核子作用)； 2. 核的体积V与核质量数A成正比， 任何核的密度是常数，不随核子数而改变 液 体1. 液体中分子间相互作用具有饱和性，只与邻 近的几个分子作用。 2. 液体密度不随数量的多少而改变。 原子核的液滴模型原子核类比为一粒液滴，能够解释、衰变和核裂变的某些实验规律。,基本粒子分类,通常，把目前所认识到的组成物质的最小基本单元，称为基本粒子。长期以来，人们一直在探索着物质的基本单元。迄今为止，基本粒子已发现300多种。通常，根据基本粒子的性质，一般将它们分为四大类： 光子 静止质量为零，自旋量子数等于1 轻子包括中微子、电子及正电子、正负子。这些粒子的静止质量比介子的质量小，自旋量子

24、数为1/2,介子包括带正、负电荷和中性的介子，带正、负电荷和中性的介子以及介子，它们的静止质量介于电子和质子之间，自旋量子数为零。 重子包括核子(中子和质子)以及超子。这些粒子的静止质量等于或大于质子，自旋量子数除超子为3/2外，其他都是1/2。 由于介子和重子参加强相互作用，故又统称为强子。实验表明，强子也有内部结构。当前流行的强子结构模型是夸克(层子)模型,基本粒子分类,原子量：原子核的绝对质量非常小 比如12C原子的质量仅为1.99267810-26 kg，所以国际上定义， 12C质量的1/12为原子质量单位，记为1 u 1.660540210-27 kg，这样，原子的原子量都是一个很接

25、近某一整数的量，通常定义这个整数为该核的质量数，并记为A 。 相应阿伏伽德罗常数 NA=12g/12u =g/u= 6.02213671023/mol,原子结构,氦原子及其原子核构想图,早在1920年，卢瑟福就推测，核内应当存在一种与质子质量大体相等，不带电的粒子。1932年查德维克发现中子后，海森伯等人马上就提出了核的质、中模型。实验表明，质子、中子的质量分别是 质量数均为1，即A=1，前者带一个单位正电荷，后者不带电，两者统称核子。 根据质量数的定义，我们很容易知道，质量数A，质子数Z和中子数N的关系是A=Z+N，所以完整的核素符号是 ,比如 、 等。,原子结构,原子核的密度： 1.2 1

26、017 kg/m3, 不到一粒米的大小的原子核，其质量竟达10万吨！可见核是质量高度集中的地方。根据广义相对论的预言，黑洞的判据是: 核的密度与“黑洞”相比，仍然小得很。太阳若演化成“黑洞”，其半径约为30 km 。,原子核基本情况,原子的性质,原子核（质子+中子）,决定,物理性质（原子质量、密度）,核外电子,决定,物理性质（化合价）,小结,同位素（isotope）定义,两个条件:（1）same number of portons (atomic number) （2）different number of neutron,放射性同位素,自然界同位素可分为：稳定同位素、放射性同位素 质子数和中子数的不平衡导致了不稳定同位素 不稳定同位素通过重排（即核衰变）变成稳定同位素，核衰变以射线的形式释放能量 不稳定同位素被称为放射性同位素或放射性核素,核素图,一共约有2000个核素。其中天然存在的有300多个核素，（