16-1原子核的基本性質(zhì)

一、原子核的質(zhì)子中子模型,原子核是由質(zhì)子和中子組成的.質(zhì)子(p)就是氫核，帶有正電荷e，質(zhì)量mp1.007276u(u為原子質(zhì)量單位，1u1.66056551027kg).中子(n)不帶電，其質(zhì)量mn1.008665u.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子.,具有相同的質(zhì)子數(shù)Z而中子數(shù)N不同的原子核稱為同位素.,實驗發(fā)現(xiàn)原子核的體積總是正比于它的質(zhì)量數(shù)A.如果把原子核看成球體，其半徑R與質(zhì)量數(shù)A的關(guān)系為,式中R0是常數(shù)，由實驗測定為R01.201015m.這表明原子核的體積與核質(zhì)量數(shù)成正比，由此得到的結(jié)論是：在一切原子核中，核物質(zhì)的密度是一個常數(shù)，可以算出核物質(zhì)密度2.291017kgm3.,二、核自旋和磁矩,實驗和理論都說明原子核也有自旋.原子核的自旋角動量為,式中I稱為核自旋角動量量子數(shù)，簡稱核自旋.不同的原子核其自旋的取值可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù).質(zhì)子和中子的自旋都是.當原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)(偶偶核)時，其自旋為零.,原子核帶有電荷且有自旋運動，故原子核也有磁矩.核磁矩用和電子磁矩類似的方法來表示.原子核磁矩通常以核磁子為單位，即核磁子,形式上與玻爾磁子相似，只是這里是質(zhì)子的質(zhì)量mp代替了玻爾磁子中的電子質(zhì)量me.因為mp1836.5me，所以,式中B是玻爾磁子.,原子核的磁矩I與核自旋角動量PI的關(guān)系(仿電子自旋假設)，可以寫成,式中g(shù)I稱為原子核的g因子.I在某一特殊方向的投影為,式中MI稱為核磁量子數(shù)，它的取值為,如圖16.1所示，將待測樣品P放在電磁鐵二極之間，于是由樣品中核磁矩I和磁場B的相互作用，應有附加能量,圖16.1,由于空間量子化，由式(16.4)，則式(16.6)為,因為核磁量子數(shù)的選擇定則為,所以核的能量只改變,所以當,時，樣品中的原子核將從交變磁場中強烈吸收能量，這個現(xiàn)象稱為核磁共振吸收，這時的頻率稱為共振頻率.將式(16.7)寫成,三、核力,組成原子核的質(zhì)子之間存在著較強的庫侖斥力，力圖使原子核解體，而萬有引力比電磁力小1037倍，遠不能抵消靜電力的作用而把核子束縛在一起.由此推測，核子之間必定存在著另一種相互作用力，稱為核力.,核力具有以下特性：,核力是一種比電磁力強得多的強相互作用力，主要是吸引力.,核力是短程力，只有當核子間距離小于1015m時才顯示出來，在大于1015m時核力遠小于庫侖力.,核力與核子的帶電狀況無關(guān).大量實驗表明，質(zhì)子之間，中子之間，質(zhì)子和中子之間所表現(xiàn)的核力作用大致相同.,核力具有飽和性.即一個核子只能與附近的有限個數(shù)的核子發(fā)生核力作用，而不能與原子核內(nèi)所有核子發(fā)生這種作用.,四、原子核的結(jié)合能,實驗發(fā)現(xiàn)，任何一個原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子質(zhì)量之和，它們之間的差額稱為原子核的質(zhì)量虧損.,設原子核的質(zhì)量為Mx，質(zhì)子的質(zhì)量為mp，中子的質(zhì)量為mn，在這一原子核中共有Z個質(zhì)子和(AZ)個中子，質(zhì)量虧損為,由于質(zhì)子質(zhì)量mp等于氫原子質(zhì)量mH減去1個核外電子的質(zhì)量me，即mpmHme；原子序數(shù)為Z的原子核的質(zhì)量Mx等于這種原子的質(zhì)量M減去Z個核外電子的質(zhì)量，即MxMZme,造成質(zhì)量虧損的原因是核子在結(jié)合成原子核時，由于它們之間核力的強烈作用，使體系能量降低，從而釋放出一定的能量，相應的質(zhì)量也減少了.,根據(jù)相對論質(zhì)能關(guān)系Emc2，如果質(zhì)量虧損m1u，則對應的能量改變?yōu)?式中質(zhì)量以u為單位.這種由質(zhì)子和中子形成原子核時所放出的能量叫做原子核的結(jié)合能.,不同的原子核平均結(jié)合能不相同，核子的平均結(jié)合能大小反