放射衛(wèi)生與防護第一章

放射衛(wèi)生(物理)與防護,教學(xué)課件,1.1原子核及核外結(jié)構(gòu)1.2原子能級1.3能量和輻射1.4能量放射,第一章物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì),1.1原子核及核外結(jié)構(gòu),一、原子概念的確立,1、物質(zhì)結(jié)構(gòu)自然界由物質(zhì)構(gòu)成,？,還有結(jié)構(gòu)！,氫(H)元素的序號為1，氦(He)、碳(C)、鉛(Pb)、鈾(U)序號分別為2，6，82，92,（1）不同的原子有不同的質(zhì)量（2）原子質(zhì)量單位：碳單位,12u(u為原子質(zhì)量單位),H：1.078252uHe:4.0026036u,2、原子的質(zhì)量,M：以克為單位時,一摩爾原子的質(zhì)量。N0:阿伏加德羅常數(shù)。(6.022x1023/mol),原子量最接近的整數(shù)，叫質(zhì)量數(shù)：A,將原子的質(zhì)量用“原子質(zhì)量單位”表示，叫原子量：M,氫的原子量MH=mH6.0220451026=1.007825uA=1氧的原子量MO=mO6.0220451026=15.99455uA=16碳的原子量MC=mC6.0220451026=12.000000uA=12,某元素的原子量M，也是該元素的mol質(zhì)量。,因此，m克（g）某種原子的總數(shù)目為：,例如鐵（Fe）的原子量MFe=55.93則1克鐵中含有的鐵原子數(shù)？,NA：阿伏伽德羅常數(shù),3、原子的大小,將原子看作是球體,其體積為,一摩爾原子占體積為,原子的半徑為,例如Li原子A=7，=0.7，rLi=0.11nm；Pb原子A=207，=11.34，rPb=0.16nm；,是原子質(zhì)量密度,表1.1幾種元素原子半徑的大小,4、同位素,99.985%,同種元素、質(zhì)量不同的原子在元素周期表中占有同一位置同位素,9.2%,元素109種，連同位素(包括人造)2700種,同位素分離（分布）質(zhì)譜儀（可測量原子量）,如有同位素、（氘、氚）,有同位素、,90.5%,結(jié)論：原子很小，但有結(jié)構(gòu)！,何以見得？,1895，1896，1897三年有三個重大發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)了科學(xué)家，有了實驗支持！,后來精確測定：me=9.109534510-31kg，e=1.602189210-19C,電子比原子小，原子中包含電子？還有其他什么？,4、原子的組成,1897年湯姆遜從如右圖放電管中的陰極射線發(fā)現(xiàn)了帶負電的電子,并測得了e/m比。1910年密立根用油滴做實驗發(fā)現(xiàn)了電子的電量值為e=1.6021019（c）從而電子質(zhì)量是me=9.1091031kg=0.511MeV/c2=5.487104u原子是由電子和原子核組成的,這是盧瑟福在1911年提出的原子模型。,電子的發(fā)現(xiàn)JosephJohnThomson,1906年獲諾貝爾物理獎,1903年J.J.湯姆孫提出：原子中的正電荷和原子的質(zhì)量均勻地分布在半徑為10-10m的球體內(nèi)，而原子中的電子浸于此球中。,1、原子的葡萄干蛋糕模型,缺點：不能解釋正負電荷不中和；不解釋粒子大角度散射。,2、粒子散射實驗,二、核外結(jié)構(gòu),實驗裝置,金箔,可以記錄散射到不同方向去的粒子數(shù),原子核,內(nèi)有ZnS熒光物質(zhì),整個裝置在真空中（避免空氣分子對散射的影響）,是1909年盧瑟福與他的學(xué)生和同事一起做的,分析：,絕大多數(shù)粒子穿過金箔后偏轉(zhuǎn)角度很小，平均23；竟然發(fā)現(xiàn)有少量偏轉(zhuǎn)角較大，約有1/8000的粒子偏轉(zhuǎn)角大于90，有的幾乎達180。,粒子大角度散射否定了湯姆孫的原子模型。,實驗結(jié)果及其理論分析：,對此，盧瑟福感到很驚訝：“就象一枚15磅的炮彈打在一張紙上又被反彈回來一樣，不可思議”,為何會有如此現(xiàn)象呢？,引力作用(很小,不可能),電力作用,負電荷部分(電子,不可能)正電荷部分,足球,乒乓球,粒子受到原子中帶正電部分的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)！,正電荷在原子中是如何分布的呢？,根據(jù)實驗結(jié)果：,Ze很小,可視為點電荷,受斥力反彈,原子內(nèi)很空曠(大部分粒子幾乎不偏轉(zhuǎn)),原子中正電部分集中在一個很小的體積內(nèi)(極少數(shù)有大角偏轉(zhuǎn)，甚至有反彈的，180),可推出,例如,金Z=79,粒子E0=5.5MeV,60代入得到,注意這個數(shù)量級！,若b=0(瞄準了),則=180,此時粒子與核的最接近距離rmin=？,可以推導(dǎo)：,根據(jù)機械能守恒,rmin(核半徑的數(shù)量級),rmin10-1510-14m,(勢能為0),(v=0),E0(初動能),(勢能),3、盧瑟福的原子有核模型或行星模型,1911年，盧瑟福根據(jù)粒子的散射實驗，提出原子的有核模型或稱行星模型：原子中心是一個幾乎占有全部原子質(zhì)量的帶正電荷的核，電子繞核旋轉(zhuǎn)，核與整個原子相比很小很小。,核：10-1510-14m,原子：10-10m,小，萬分之一或十萬分之一,可見，原子非?？諘?！,ErnestRutherford每一譜線的波數(shù)都可表達為：兩個光譜項之差。,統(tǒng)一公式,表面上如此繁雜的光譜線可以用如此簡單的公式表示，這是一項出色的成果。但是它是憑經(jīng)驗湊出來的，它為什么與實驗符合得如此之好，在公式問世將近三十年內(nèi)，一直是個謎。,2.1光譜-研究原子結(jié)構(gòu)的重要手段,1光譜及其分類,光譜（spectrum）,電磁輻射頻率成分和強度分布的關(guān)系圖,光源,分光器（棱鏡或光柵）,紀錄儀（感光底片或光電紀錄器）,光譜儀將混合光按不同波長成分展開成光譜的儀器。,按光譜結(jié)構(gòu)分類,連續(xù)光譜,固體熱輻射,線光譜,原子發(fā)光,第二節(jié)原子的能級,帶光譜,分子發(fā)光,按光譜機制分類,發(fā)射光譜,吸收光譜,光譜由物質(zhì)內(nèi)部運動決定，包含內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,一、經(jīng)典理論的困難,2.2玻爾氫原子理論,1經(jīng)典理論（行星模型）對原子體系的描述,庫侖力提供電子繞核運動的向心力：,原子體系的能量：,電子軌道運動的頻率：,2經(jīng)典理論的困難,!原子穩(wěn)定性困難:,電子加速運動輻射電磁波，能量不斷損失，電子回轉(zhuǎn)半徑不斷減小，最后落入核內(nèi)，原子塌縮。,原子壽命,!光譜分立性困難:,電子繞核運動頻率,電磁波頻率等于電子回轉(zhuǎn)頻率，發(fā)射光譜為連續(xù)譜。,描述宏觀物體運動規(guī)律的經(jīng)典理論,不能隨意地推廣到原子這樣的微觀客體上。必須另辟蹊徑！,二、玻爾的基本假設(shè),氫原子光譜的經(jīng)驗公式：,兩邊同乘：,物理含義,左邊：為每次發(fā)射光子的能量；,右邊：也必為能量，應(yīng)該是原子在輻射前后的能量之差,原子的能量仍采用負值，則原子能量的一般表示：,玻爾基本假設(shè)(1913年),(1)定態(tài)（stationarystate）假設(shè),電子只能在一系列分立的軌道上繞核運動，且不輻射電磁波，能量穩(wěn)定。,電子軌道和能量分立,(2)躍遷（transition）假設(shè),吸收,發(fā)射,原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量。,頻率條件,吸收,吸收,躍遷頻率：,一個硬性的規(guī)定常常是在建立一個新理論開始時所必須的。,(3)角動量量子化假設(shè),為保證定態(tài)假設(shè)中能量取不連續(xù)值，必須取不連續(xù)值，如何做到？,玻爾認為：符合經(jīng)典力學(xué)的一切可能軌道中，只有那些角動量為的整數(shù)倍的軌道才能實際存在。,三、關(guān)于氫原子的主要結(jié)果,1、量子化軌道半徑,圓周運動：,電子定態(tài)軌道角動量滿足量子化條件：,氫原子玻爾半徑,軌道量子化,電子的軌道半徑只能是，等玻爾半徑的整數(shù)倍，即軌道半徑是量子化的。,電子的軌道運動速度：,精細結(jié)構(gòu)常數(shù)：,有用的組合常數(shù)：,2、量子化能量,能量的數(shù)值是分立的，能量量子化,基態(tài)（groundstate）,激發(fā)態(tài)（excitedstate）,電離能：將一個基態(tài)電子電離至少需要的能量。對氫,13.59eV.,結(jié)合能：移走某個軌道電子所需的最小能量。,對氫原子,（理論值）,（實驗值）,3、氫原子光譜,例題：如用能量為12.6eV的電子轟擊氫原子，將產(chǎn)生哪些譜線？,解：,取n=3,因為n只能取整數(shù),所以氫原子最高能激發(fā)到n=3的能級,當然也能激發(fā)到n=2的能級.于是能產(chǎn)生3條譜線。具體計算見下頁：,可能的軌道躍遷：31，32，21,1、能量是量子化的主量子數(shù)n,n=1時,En=-13.6ev,稱為基態(tài);與玻爾理論相符合,n=2、3、4.,稱為激發(fā)態(tài),K、L、M、N、O、P、Q主殼層,決定電子的能量,主量子數(shù),n=1、2、3、4、5、6、7主量子數(shù)或能量量子數(shù).,分別對應(yīng)主殼層的名稱為:,電子饒核旋轉(zhuǎn)，“軌道”角動量是量子化的,注意：角動量量子化是通過解Schrdinger得出的,并非人為假設(shè).,角動量量子數(shù),決定電子繞核運動的角動量,2、角動量量子數(shù),S,p,d,f,g,h,0,1,2,3,4,5,0,即能量為En的原子,角動量有幾種可能的值。也可以說，同一主殼層的電子又處在不同的分殼層上。,量子力學(xué)中通常用小寫字母s.p.d.f.g.表示這些狀態(tài).,分殼層,角動量在空間取向不是任意的,以外磁場為Z軸方向,則角動量在Z軸上的分量:,Z,Z,稱為“磁量子數(shù)”或“軌道磁量子數(shù)”,3、磁量子數(shù),氫原子的電子在核外各處的概率分布電子云,4.電子的自旋,1921年，施忒恩（O.Stern）和蓋拉赫W.Gerlach）發(fā)現(xiàn)一些處于S態(tài)（l=0)的原子射線束，在非均勻磁場中一束分為兩束。,準直屏,實驗驗證,實驗結(jié)果：,無外磁場,奇怪！,出現(xiàn)對稱的兩條細線?,有外磁場,電子的自旋量子數(shù),電子的自旋,怎樣解釋這一奇怪的現(xiàn)象呢？,美國物理學(xué)家克羅尼格（R.L.Kroning)提出電子繞自身的軸自旋的模型,并作了一番計算.并急忙去找泡利,但遭到泡利的強烈反對,并對他說:“你的想法很聰明,但大自然并不喜它”.因泡利早就想到過這一模型,并計算出電子速度要超過光速。所以必須放棄。,半年后，荷蘭物理學(xué)家埃斯費斯特的兩個學(xué)生烏侖貝克和高斯密特（G.E.UhlenbeckandS.A.Goudsmit)在不知上述情形下，也提出了同樣的想法，并寫了一篇論文，請埃斯費斯特推薦給“自然”雜志。并將論文寄出。接著又去找洛侖茲，洛侖茲熱情地接待了他們。但一周后，洛侖茲交給他們一疊稿紙。并告訴他們，如果電子自旋，其表面速度將超過光速，但論文已寄出，他們后悔不已。,幸運的是論文得以發(fā)表。論文發(fā)表后，海森伯表示贊許，后經(jīng)愛因斯坦等人的努力，物理界普遍接受了自旋的概念，但泡利始終反對。,關(guān)于電子自旋問題，量子力學(xué)中得到一結(jié)論：,（4）.電子自旋角動量S的大?。?S稱自旋量子數(shù)，取值僅有一個值“1/2”,即,（5）電子自旋角動量在空間的取向是量子化的，S在外磁場方向的投影：,稱為自旋磁量子數(shù)，它只能取兩個值：,因此在量子力學(xué)中，對原子的電子的狀態(tài)通常是用四個量子數(shù)來確定的。,主量子數(shù)決定電子的能量。,角量子數(shù)決定電子繞核運動的角動量,磁量子數(shù)決定電子繞核運動的角動量矢量在外磁場中的空間取向，,自旋磁量子數(shù)決定自旋角動量在外磁場中的的空間取向，。,二、各種原子中電子的排布,取決于原子中電子的四個量子數(shù),n，l，ml，ms,、原子的殼層結(jié)構(gòu),同一殼層（Shell）中的電子離核的距離大致相同,支殼層（Subshell）-按角（副）量子數(shù)的不同而分的殼層。,注意：對多電子的原子系統(tǒng)而言：能量主要由主量子n數(shù)決定，但也與副量子數(shù)有關(guān)，故一個支殼層代表了一種能量組態(tài)，因此用主量子數(shù)與副量子數(shù)來表示一個支殼層。如1s、2s、2p,1s,2s,3s,4s,5s,6s,2p,3p,4p,5p,6p,3d,4d,5d,6d,4f,5f,6f,5g,6g,6h,殼層表：,各殼層的電子又是如何排列呢？分析表明基態(tài)原子中的核外電子排列滿足如下兩個原理：,由各量子數(shù)可能取值的范圍可求出電子的可能狀態(tài)數(shù)：,泡利不相容原理（Pauliexclusionprinciple）,在原子系統(tǒng)內(nèi)，不可能有兩個或兩個以上的電子具有相同的狀態(tài)，亦不可能具有相同的四個量子數(shù)。,各支殼層最多可容納的電子數(shù),各殼層最多可容納的電子數(shù),三、常用支殼層電子組態(tài)表明原子結(jié)構(gòu),例碳原子：原子系數(shù)為6，核外有6個電子,第一殼層最多只能容納兩個電子。余下4個電子填充第二殼層，第二殼層的s態(tài)僅級容納兩個電子，余下電子填充在2p能級：,能量最小原理,當原子處在正常狀態(tài)時電子盡可能地會占據(jù)未被填充的最低能級。,由此可見：主量子數(shù)越小，能級越低，越被首先填滿。,注意：1）對多電子原子，能量或能級也與副量子數(shù)有關(guān)。因此判別能級高低不能只看主量子數(shù)n。我國學(xué)者研究出一個判別式：,的值越大者，能級越高。,例：判別4s與3d能級的高低。,對4s能級,對3d能級,電子先填充4s能級，再填3d能級,N,2,8,18,32,50,72,：,各支殼層最多可容納的電子數(shù)：,2,6,10,14,18,22,各殼層最多可容納的電子數(shù),例1：氯原子有17個電子，寫出基態(tài)原子組態(tài)。,例2：鉀原子有19個電子，寫出基態(tài)原子組態(tài)。,各殼層的電子分布示意圖:,5、原子的總角動量和總磁矩,繞原子核運動的電子具有軌道角動量和自旋角動量，因此原子的總角動量應(yīng)是各電子軌道角動量及自旋角動量的矢量和。順便指出，內(nèi)層電子的總角動量等于零時，原子的角動量就等于價電子的總角動量。,原子是一個復(fù)雜的微觀系統(tǒng)。原子和原子核都具有磁矩。與磁矩有關(guān)的順磁共振和核磁共振已成為研究分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)成像的一種重要手段，利用核磁共振原理制成的NMR-CT（MRI）是目前空間分辨本領(lǐng)最高的醫(yī)學(xué)檢測儀器。能診斷毫米數(shù)量級的占位性病變，已得到廣泛應(yīng)用。,同樣，價電子的總磁矩是原子的總磁矩，而價電子的總磁矩為軌道磁矩與自旋磁矩的合成，即,因為和繞旋進，故、和都繞的延長線旋進。將分解成一個沿延長線的分量和一個垂直于延長線的分量。后一個分量是繞的延長線轉(zhuǎn)動的，對外平均效果為零。稱為原子的磁矩。,由圖可見,由幾何關(guān)系,得,由幾何關(guān)系,得,利用,代入原子磁矩公式得到單電子的原子磁矩與角動量的關(guān)系：,g因子,具有兩個或兩個以上電子的原子體系，原子的磁矩也可以用類似的方法合成，其結(jié)果為,是多電子原子的總角動量。但是朗德因子g對于不同的耦合類型，有不同的表達式。,利用,代入原子磁矩公式得到單電子的原子磁矩與角動量的關(guān)系：,二、原子狀態(tài)的描述,狀態(tài)：能量、角動量、空間取向、自旋,電子的內(nèi)稟屬性(象電荷、質(zhì)量一樣,在微觀粒子中，可用相應(yīng)的量子數(shù)代替這些狀態(tài)量,1、四個量子數(shù)及其意義,（1）主量子數(shù)n：n=1,2,3,（2）角量子數(shù)l：在n值一定時，l取n個可能值l=0,1,2,n1,（3）磁量子數(shù)ml：在l值給定時，ml取2l+1個可能值即ml=0,1,2,l,決定電子能量的主要部分：,決定軌道角動量的大小,決定軌道角動量的空間取向及量子化,（4）自旋磁量子數(shù)ms：自旋角動量向上，ms取1/2，自旋角動量向下，ms取-1/2,決定自旋空間取向,2、狀態(tài)描述及標記,描述電子的狀態(tài)可用上述一組量子數(shù)(n,l,ml,ms),如同用(r,)或(x,y,z,)描述質(zhì)點的位置狀態(tài)一樣,加轉(zhuǎn)動的話，有4個自由度(r,),如果是單價的原子，這組量子數(shù)也可描述原子的狀態(tài)。,l=0l=1l=2l=3l=4l=5,一般情況下，無磁場時，多用符號標記，如：,n=22s2p,n=55s5p5d5f5g,全面描述(或衡量)電子的狀態(tài)要用4個量子數(shù)(n,l,ml,ms),顯然：若兩個電子的量子態(tài)相同的話，必須是4個量子數(shù)全同,3、量子態(tài),即：n,l,ml,ms完整描述電子的一個狀態(tài)(能量、角動量、外場角動量取向、外場自旋取向),一組(n,l,ml,ms)量子數(shù)完整描述電子的狀態(tài)量子態(tài),不同的量子態(tài)能量不同，電子從一個量子態(tài)躍遷到另一個量子態(tài)，要放出(或吸收)光子！,和,同一n，可有n2個不同的量子態(tài)。,n一定，有n個不同的l，而每個l，有(2l+1)個不同的ml每個ml，又有2個不同的ms,同一n，共有量子態(tài)數(shù)：,三、原子中電子按能層的分布,1、泡利(W.Pauli)原理和能量最低原理,（1）泡利不相容原理：原子中不能有兩個或兩個以上的電子占據(jù)同一個狀態(tài)。,“不能占據(jù)同一個狀態(tài)”,或曰：一個量子態(tài)最多容納一個電子！,（2）能量最低原理：原子中的電子所占據(jù)的狀態(tài)總是使原子的能量為最低。,2、電子按能層的分布,為了描述原子中電子的分布，通常按主量子數(shù)n和角量子數(shù)l把電子的可能狀態(tài)分為能層：,（1）能層及其符號表示,主能層：一個原子中主量子數(shù)n相同的一切電子的集合。,亦即：主量子數(shù)n相同的電子分布在主能層內(nèi)。(主要能量相同),隨著n的不同，可有許多不同的主能層：,n=1,2,3,4,5,K,L,M,N,O,這些主能層上的電子分別稱為K層,L層,M層,N層,O層電子,來源于X射線的術(shù)語,亞能層：一個原子中主量子數(shù)n和角量子數(shù)l相同的一切電子的集合。,l不同能量又有區(qū)別，再把主要能量相同的能層分為若干亞能層,對應(yīng)l=0,1,2,3,4,5,各亞能層分別用s,p,d,f,g,h,表示,相應(yīng)的，分別稱為s電子,p電子,d電子,f電子,g電子,h電,（2）能層所能容納的最多電子數(shù),理論依據(jù)：泡利不相容原理,原子中不能有兩個或兩個以上的電子占據(jù)同一個狀態(tài),一個原子中不能有兩個電子具有完全相同的4個量子數(shù)！,亞能層能容納的電子數(shù),對給定的n、l，磁量子數(shù)ml可有(2l+1)個不同的值；,一個量子態(tài)只能有一個電子！,而給定n、l和ml時，自旋磁量子數(shù)ms又可取兩個不同的值。,對給定n、l，共有2(2l+1)個對ml和ms不全同的量子數(shù)！,于是，每一亞能層可有2(2l+1)個不同的量子態(tài)即最多容納2(2l+1)個電子！,主能層能容納的電子數(shù)(對于給定的n),由上式可得，K殼層可容納2個電子，L殼層可容納8個電子，M殼層可容納18個電子，等等。,原子的殼層和子殼層所能容納的電子數(shù),例分別計算量子數(shù)n=2、l=1和n=2的電子的可能狀態(tài)數(shù)。,解：,對n=2、l=1的電子，可取ml=-1,0,1三種狀態(tài)，對每一種ml，又可取ms=1/2,-1/2。故總的狀態(tài)數(shù)為：,對于n=2的電子，l可取0和1。,l=0時，,因此，共有狀態(tài)數(shù)2+6=8。,例如：,K能層上可能有2個電子(s電子)，表示為1s2,L能層、s亞能層上可能有2個電子，表示為2s2,L能層、p亞能層上可能有6個電子，表示為2p6,L能層最多可有(2+6)=8個電子,即：3s2、3p6、3d10,M能層最多可有18個電子,(M能層),2、元素周期系,每一個周期都從電子填充新一個的能層開始，決定元素物理和化學(xué)性質(zhì)的最外能層的電子數(shù)將出現(xiàn)周期性，這是門捷列夫發(fā)現(xiàn)的元素周期律的本質(zhì)。,根據(jù)能量最低原理，原子處于正常狀態(tài)填充能層時，其電子盡可能地占據(jù)未被填充的最低能級。,即：能量較低的能層首先被電子填充，只有當?shù)湍芗壍哪軐颖惶畛錆M后，電子才依次向高能級的能層填充。,1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,根據(jù)泡利不相容原理：在元素周期表中一、二、三、四、五、六能層填滿的情況下，分別為2，8，18，32，50，72；實際上周期系為2，8，8，18，18，32,3.原子中的結(jié)合能,電子所處的能層離核越近，受核的作用力越大，從原子中移走此電子所需能量越多。,把移走原子中某能層軌道電子所需最小能量，稱為該能層電子在原子中的結(jié)合能,電子在原子中所處的能級,泡利（W.Pauli，1900-1958）,瑞士籍奧地利物理學(xué)家。他21歲獲得博士學(xué)位，并由導(dǎo)師索末菲推薦為數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書寫了關(guān)于相對論的長篇綜述文章，受到愛因斯坦的高度贊許。25歲那年，他提出了后來以泡利命名的“不相容原理”，從而把早期量子論發(fā)展到極高的地步。這給當時許多正在探索原子內(nèi)電子分布問題的物理學(xué)家提供了一把金鑰匙，并進而得以闡明元素的周期律。他45歲時，因發(fā)現(xiàn)“泡利不相容原理”，而獲得諾貝爾物理學(xué)獎金。至今，這個原理仍是量子力學(xué)的量子統(tǒng)計等微觀領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)之一。,泡利不相容原理,1.4原子核的基本性質(zhì),是原子的核心，線度占萬分之一，質(zhì)量占99%以上，原子核對原子的主要貢獻是原子核的質(zhì)量和電荷。,是指原子核的靜態(tài)性質(zhì)（由外部觀察所得到）。,盧瑟福提出原子的核型結(jié)構(gòu)模型。氫原子核有最小的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，而其他原子核的電荷恰好是氫核電荷的整數(shù)倍。于是可以確認質(zhì)子是核的基本成員。,一、原子核的組成,1919年盧瑟福曾用粒子轟擊氮核，結(jié)果產(chǎn)生一個氧核和一個氫核。這說明氮核中確定存在有氫核。于是斷定氫核是構(gòu)成其他原子核的帶電的基本粒子，并定名為質(zhì)子，用符號p表示。質(zhì)子的質(zhì)量為：,(1)原子核的組成之一：質(zhì)子,問題，原子核是否僅由氫原子核構(gòu)成呢？,有人提出原子核質(zhì)子-電子假說,1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子后，伊凡寧柯和海森伯提出核的質(zhì)子-中子假說。,（當時發(fā)現(xiàn)某些核衰變有電子放出，似乎為這一說法提供了依據(jù)）,但遇到不可克服的困難。無法解釋核自旋的實驗事實。,(2)原子核的組成之一：中子,從AZ可見，一個的原子核并非僅包含Z個質(zhì)子！,1930年玻特和貝克用粒子轟擊鈹核時，發(fā)現(xiàn)有一種不帶電的粒子射線放出來。后來查德威克分析發(fā)現(xiàn)并命名為中子。中子是一種構(gòu)成其他原子核的不帶電的另一個基本粒子，用符號n表示，其質(zhì)量與質(zhì)子相近。,后來宇宙中還發(fā)現(xiàn)了大量由中子聚合而成的中子星。,中子在原子核外并不穩(wěn)定，一個核外的自由中子的平均壽命約為19分鐘，它將衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子和一個反中微子()因此自由中子是有放射性的。,質(zhì)子、中子統(tǒng)稱為核子。,海森伯認為它們是核子的兩個不同狀態(tài)，核內(nèi)中子質(zhì)子間可互相轉(zhuǎn)化,質(zhì)子1.007276u是電子的1836.1倍；中子1.008665u是電子的1838.1倍。,質(zhì)子中子兩者質(zhì)量略有差異：,質(zhì)量數(shù)A=核內(nèi)總核子數(shù),整個原子呈電中性：質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù),核的符號標記：,原子核由Z個質(zhì)子和個中子構(gòu)成。是一種什么力使質(zhì)子與質(zhì)子，質(zhì)子與中子，中子與中子緊緊地束縛在一起？,是電磁力？,不是！質(zhì)子帶正電，在的線度范圍內(nèi)，斥力是很大的。中子又不帶電。不可能是電性力使質(zhì)子與中子聚集成原子核；,是萬有引力？,更不是！萬有引力太小，它僅是電磁力的。研究發(fā)現(xiàn)，是一種叫作核力的強相互作用力。,(1)核素(nuclide),有關(guān)核物理的幾個概念名詞,具有確定數(shù)目的質(zhì)子和中子的原子核核素,質(zhì)子數(shù)Z相同而中子數(shù)N不同的各核素統(tǒng)稱為某元素的同位素；,兩不同核素：、,質(zhì)量數(shù)A相同、質(zhì)子數(shù)Z不同,質(zhì)子數(shù)Z相同、中子數(shù)N不同,(2)同位素(isotopes),有的核素沒有同位素，如：,同位素在自然界中存在的含量比例一般不同。,同位素中各核素天然含量的百分比稱為同位素豐度,16O17O18O99.7560.00390.205,中子數(shù)N相同而質(zhì)子數(shù)Z不同的核素同中異荷素,(3)同中異荷素(isotones),如：,(4)同量異位素(isobars),核子數(shù)A相同而質(zhì)子數(shù)Z不同的核素同量異位素,如：和,和,(5)同質(zhì)異能素(isomers),原子核組成相同但能量狀態(tài)不同的一類核素同質(zhì)異能素,其表示方法是在核素符號的質(zhì)量數(shù)A之后加寫m,(m代表高激態(tài))是的同質(zhì)異能素,同質(zhì)異能素具有相同的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)，只是能量狀態(tài)不同，與激發(fā)態(tài)在本質(zhì)上并無區(qū)別！,(6)偶偶核、奇奇核及奇A核,質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N都是偶數(shù)的核稱為偶偶核,核子數(shù)A是奇數(shù)的原子核稱為奇A核,質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N都是奇數(shù)的核，稱為奇奇核,又可分為兩類：Z偶N奇的核稱為偶奇核，如：而Z奇N偶的核稱為奇偶核,2700多種核素：一類天然的(280多種穩(wěn)定，60多種有天然放射性)另一類是人工放射性核素(有2300多種)。理論預(yù)言有5000種核素。,原子核具有自發(fā)進行的放射性衰變，反映了原子核的不穩(wěn)定性。,為了研究原子核的不穩(wěn)定性，尋找不穩(wěn)定性與核所包含的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的關(guān)系，將核素都標在核素圖(chartofnuclides)上,核素圖以質(zhì)子數(shù)Z為縱坐標、以中子數(shù)N為橫坐標。,從核素圖上看到，穩(wěn)定的核素都分布在一個狹長的帶狀區(qū)域內(nèi)，通過這狹長帶狀區(qū)域中心可畫一條光滑曲線，這條曲線稱為穩(wěn)定線(-stabilityline)。,穩(wěn)定線及其附近的這個狹長的帶狀區(qū)域稱為核素的穩(wěn)定區(qū)。穩(wěn)定線起始段與N=Z的直線相重合(1:1)；隨著核子數(shù)增多偏向NZ方向(1.3:1)。,在穩(wěn)定線的起始段，曲線走向滿足N=Z，在輕核中，中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等核才趨于穩(wěn)定。,上側(cè)區(qū)域是缺中子的核素區(qū)，具有放射性(包括電子俘獲)或放射質(zhì)子；下側(cè)的區(qū)域是豐中子核素區(qū)，具有放射性或放射中子。這兩個區(qū)域的核素經(jīng)衰變后轉(zhuǎn)變?yōu)楦拷€(wěn)定線的核素。,隨著Z的增大，由于質(zhì)子間庫侖作用，穩(wěn)定線向NZ的方向偏離。,隨著Z增大，庫侖力比核力增加得更快，為保持核穩(wěn)定，必須靠更多中子提供更大的核力來抵消庫侖力的排斥作用。穩(wěn)定核素的中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)增加得更快。,當Z增大到一定程度，穩(wěn)定核素不再存在；Z再增大，連長壽命放射性核素也不能存在了，已知核素區(qū)就逐漸終止了。核力已不能克服質(zhì)子間的庫侖作用將原子核結(jié)合成一個緊密的實體。,二、原子核的電荷、質(zhì)量和半徑,1、原子核的電荷,帶電性是原子核的一個重要特征。,散射實驗證實，原子核都帶有正電荷，而且是電子電荷的整數(shù)倍。也可以由原子的電中性推出：,核電荷Q=+Ze，e是電子電量的絕對值核電荷數(shù)=核外電子數(shù)=原子序數(shù),目前已知原子核的電荷數(shù)Z=1109(109種元素),自然界Z=43,6l,94的原子核不存在(人工獲得)；Z=85,87,93和94的,在自然界中僅有極少量；Z92的元素叫做超鈾元素。,測定核電荷數(shù)Z的實驗方法：化學(xué)方法；利用散射；利用X射線譜。,2、原子核的質(zhì)量,原子核的質(zhì)量是它另一個重要特征。,單位：原子質(zhì)量單位（u）,幾種同位素的原子質(zhì)量,據(jù)間接測定推斷，核內(nèi)電荷和物質(zhì)近似球?qū)ΨQ分布，可用核的半徑來表示核的大小。,3、原子核的大小,核的半徑大約10-1410-15m,是原子半徑的10-410-5倍。,高能電子散射實驗發(fā)現(xiàn)核電荷分布體積正比于質(zhì)量數(shù)A。若把原子核看作球體，則,上式可寫為：,散射實驗電荷作用半徑高能電子散射核力作用半徑,r0稱為核半徑參量(r0不完全是常量，從重核到輕核大小不同),fm或F是核領(lǐng)域中常用的長度單位讀作費米，1F=10-15m,根據(jù)上式可以算得核的半徑分別為:,已知核半徑，可求核體積：,核密度,VA，A，V。每個核子的體積為：,類似于某種液體！,例：計算出核物質(zhì)密度，并與一般物質(zhì)的密度作一比較。,水的密度w=1T/m3，而N=2.291014Tm-3=2.291014w,即：核物質(zhì)的密度N=2.291017kgm-3,密度如此之大的核物質(zhì)，在地球上尚未見到。星際中發(fā)現(xiàn)中子星密度有如此之大。,若取乒乓球半徑為2cm，則M=NV=7.67109T乒乓球大的核物質(zhì)達77億噸！,晚期恒星由于自身引力使星體劇烈收縮(引力坍縮)，內(nèi)部溫度高達1011K，燃燒產(chǎn)生大量中子和質(zhì)子，自由質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，形成中子星密度高達10171018kgm-3,(J.Chadwick,18911974)(W.K.Heisenberg,19011976),三、原子核的角動量和磁矩,核子的軌道角動量和自旋角動量的矢量和核的總角動量也稱為核的自旋,1、原子核的角動量,(中子和質(zhì)子的自旋磁量子數(shù)自都是1/2),所有核子的總角動量,總角動量：,所有核子的總自旋角動量,所有核子的總角動量,(jj耦合),(LS耦合),根據(jù)量子力學(xué)理論核的總角動量大小為,I為核自旋量子數(shù)，取整數(shù)，即0，1，2，或半整數(shù)，即1/2，3/2，5/2，,核自旋磁量子數(shù)mI取值為：I,I1,-I計(2I+1)個可能值,PN的取向也是量子化的，其投影值PNz為,實驗測得：偶A核的最高自旋為14奇A核的最高自旋為15/2(Z偶N奇),例如: