1、第九章第九章 原子核和基本粒子简介原子核和基本粒子简介9.1 原子核的基本性质1.原子核的电荷原子核的电荷原子核带正电，原子核的电荷数就是这化学元素的原子序数原子核带正电，原子核的电荷数就是这化学元素的原子序数，也等于中性原子的核外电荷数。，也等于中性原子的核外电荷数。 2.原子核的组成原子核的组成由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带电。质子和中子由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带电。质子和中子统称为核子。核子的自旋为统称为核子。核子的自旋为 1/2。质子（。质子（ p)、 中子中子 (n)的质量：的质量： 原子质量单位原子质量单位3.原子核的质量原子核的质量原子核的质量，可以由原子
2、核的质量，可以由 原子质量推算原子质量推算 ，也可以，也可以 由核子的数目由核子的数目推算推算 。 原子的质量原子的质量 = 原子核的质量原子核的质量 + 所有电子质量所有电子质量 相当于所有电子结合能的数值（可忽略）。相当于所有电子结合能的数值（可忽略）。 原子核的质量原子核的质量 = 所有核子的质量所有核子的质量 相当于所有核子结合能的数值。相当于所有核子结合能的数值。 采用原子质量单位，原子（核）的质量接近一整数，这整数采用原子质量单位，原子（核）的质量接近一整数，这整数称为原子（核）的称为原子（核）的 质量数质量数 ， A。原子核的符号表示：原子核的符号表示： Z： 质子数质子数 中子
3、数中子数 =A-Z它们的化学和一般物理性质几乎它们的化学和一般物理性质几乎相同，但相同，但 核性质完全不同！核性质完全不同！4.原子核的大小和形状原子核的大小和形状原子核的形状一般为近似椭球，其长短半轴之比一般不大于原子核的形状一般为近似椭球，其长短半轴之比一般不大于5/4，可近似看作球形。核电四极矩是核偏离球形的量度。，可近似看作球形。核电四极矩是核偏离球形的量度。 由实验得到核半径的经验公式：由实验得到核半径的经验公式：原子核的密度近似为一常数，而且核的密度非常大。原子核的密度近似为一常数，而且核的密度非常大。5.核自旋和核磁矩核自旋和核磁矩 核自旋 质子和中子都是费米子，具有自旋角动量量
4、子数质子和中子都是费米子，具有自旋角动量量子数1/2。核的角动量是中子的自旋、质子的轨道和自旋之和。核的角动量是中子的自旋、质子的轨道和自旋之和。 习习惯上也称它为惯上也称它为 原子核的自旋。原子核的自旋。 原子核自旋角动量原子核自旋角动量 : I ： 核自旋角动量量子数。为整数或半整数。实验发现：核自旋角动量量子数。为整数或半整数。实验发现： 偶偶 -偶核（中子和质子数都为偶数）自旋为零；偶核（中子和质子数都为偶数）自旋为零；奇奇 -偶核自旋为半整数；偶核自旋为半整数；奇奇 -奇奇 核自旋为整数；核自旋为整数； 核磁矩 g 由实验确定，有正有负。由实验确定，有正有负。 6.核的统计性质和宇称
5、核的统计性质和宇称 统计性质统计性质 ：描述全同粒子交换时波函数的对称性：描述全同粒子交换时波函数的对称性 。两个。两个全同原子核对换，即将两核中的核子一一交换。核子每交全同原子核对换，即将两核中的核子一一交换。核子每交换一次，体系波函数改变一次符号（核子是费米子），总换一次，体系波函数改变一次符号（核子是费米子），总的符号改变次数的符号改变次数 （ -1） A 。 对对 质量数质量数 A为奇数的核为奇数的核 ，交换两核，体系波函数符号改，交换两核，体系波函数符号改变，即该种核变，即该种核 属费米子属费米子 。 对对 质量数质量数 A为偶数的核为偶数的核 ，交换两核，体系波函数符号没，交换两核
6、，体系波函数符号没改变，即该种核改变，即该种核 属玻色子属玻色子 。 宇称宇称 ： 描述微观粒子体系状态的波函数在空间反演变换描述微观粒子体系状态的波函数在空间反演变换下的奇偶性的物理量。下的奇偶性的物理量。（ x， y， z） = （ -x， -y， -z） （ 偶宇称）偶宇称）（ x， y， z） = - （ -x， -y， -z ） （ 奇宇称）奇宇称） 在电磁和强相互作用情形，孤立体系的宇称不会从偶性变在电磁和强相互作用情形，孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性或从奇性变为偶性。为奇性或从奇性变为偶性。 -宇称守恒宇称守恒 。在弱相互作用中，在弱相互作用中， 宇称不守恒宇称不守恒 。 19
7、56年，李政道和杨振宁年，李政道和杨振宁提出提出 ,1957年吴键雄用年吴键雄用 衰变的实验加以证实，是近代物理衰变的实验加以证实，是近代物理学史中的一个重大突破。学史中的一个重大突破。 1957年，李、杨获诺奖。年，李、杨获诺奖。6.原子核的结合能原子核的结合能氘核由一个质子和一个中子组成。氘核由一个质子和一个中子组成。质量亏损：核子质量与组成的原子核质量的差值。质量亏损：核子质量与组成的原子核质量的差值。核子结合成原子核过程中亏损的质量，以能量的形式核子结合成原子核过程中亏损的质量，以能量的形式放出。放出。 -原子核的结合能。原子核的结合能。以原子质量来计算结合能（忽略电子结合能）：以原子
8、质量来计算结合能（忽略电子结合能）： 例：例： 已知已知 的原子质量是的原子质量是 9.0121858u， 计算该核素的结合能计算该核素的结合能 每个核子的平均（比）结合能：每个核子的平均（比）结合能： 58.163/9=6.463Mev 核子的结合能越大，原子核越稳定。 中等质量核（ A=40-120） 的结合能约为 8.6Mev， 原子核稳定。 质量数 小于 30的核结合能有周期性变化，最大值在 A等于 4 的倍数。 质量数 30以上的 核，平均结合能变化不大，显示了核力的饱和性。9.2 原子核的放射性衰变1896年：贝克勒耳，铀的放射性现象；年：贝克勒耳，铀的放射性现象；1898年：居里
9、夫妇，年：居里夫妇， Po， Ra;1934 年：约里奥年：约里奥 .居里夫妇，人工放射性。居里夫妇，人工放射性。 不稳定的原子核自发地蜕变，变为另一种状态或另一原子核，不稳定的原子核自发地蜕变，变为另一种状态或另一原子核，同时放出一些射线，这种现象称为同时放出一些射线，这种现象称为 原子核的放射性衰变。原子核的放射性衰变。一一 .原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变主要模式：主要模式： 放射性衰变、电子、 X射线是十九世纪末的三大重要发现，揭开了近代物理的序幕。二二 . 衰变衰变放射性原子核自发地放射出 粒子（ ），而转变成另一种原子核的过程。 方程表示为：衰变过程中，母核要从内能中给出一部分能量转化为子核和衰变过程中，母核要从内能中给出一部分能量转化为子核和 粒子动能，这一能量称粒子动能，这一能量称 衰变能衰变能 （ Ed).母核原子的质量要大于子核原子和氦原子质量之和母核原子的质量要大于子核原子和氦原子质量之和 ，才可能发，才可能发生生 衰变 .一般发生于重原子核。一般发生于重原子核。 粒子能谱大部分原子核放射的 粒子的能量不是单一的，而是有几组不同的分立值，构成分立的 粒子能谱。实验上，衰变能也可由测出的实验上，衰变能也可由测出的 粒子的动能算出 。放射性现象的研究是获悉原子核内部状况的重要途径之一
