1、Chapter2 Nuclei ,Isotopes and Isotope Seperation 第二章 核子学,杨金玲,Neither radioactive decay nor the discovery of isotopes provided information on the internal structure of atoms,原子核的构成电子的发现1897年,Thomson发现电子,一.原子核的构成原子核的发现 1909年，Rutherford的学生应用粒子轰击金箔的实验中，发现有大约八千万分之一的几率被反射。,1911年,Rutherford散射实验证实,原子的正电荷及99
2、.9%的质量集中在R10-14m的原子中心,他据此提出了原子是由原子核和电子组成的核式结构模型,1913年,玻尔创立原子结构理论 根据丹麦原子物理学家玻尔（Niels Bohr）的经典理论：原子可以看做成一个小球，它由一个极小的中心核和许多围绕它的电子壳层所组成，每一个壳层都包含若干电子。在中性原子中，原子核中带正电荷的质子数等于核电荷数或者原子序数，它也等于围绕核的电子数。这些电子的结合能随着离原子核距离的不同而不同，离的越远结合能越小；因此，外层电子有最低的结合能，决定元素的化学键和化学性质。,原子核的构成 质子的发现 1919年,Rutherford等用粒子轰击一些原子核时，发现质子布拉
3、凯特通过对粒子径迹的照片进一步分析说明，质子是由“复合核” 分裂出来的，质子是原子核的组成部分当时人们知道的基本粒子只有质子和电子，自然就想到原子核是由质子和电子组成的,一.原子核的构成中子的发现,1930年， 博特在完成了一个实验，发现了一种中性射线，但他认为产生的中性射线是g射线,1932年Chadwick利用同样的反应中产生的中子去轰击14N，测得的最大的反冲动能为1.2MeV，并根据小居里夫妇轰击石蜡多测得到的反冲质子的最大动能为5.7MeV，及动量和动能的守恒关系，估算出中性射线的质量和质子相近，并大胆的预测该射线是中子。,Heisenberg提出原子核由质子和中子组成的假设,之后得
4、到大量实验证实,According to accepted nuclear models the nucleus is composed of only protons（质子） and neutrons（中子）.1.核子nucleon The term nucleon is used to designate both protons and neutrons in the nucleus.原子核的构成: 质子protons和中子neutrons组成。 特点： 非常小，为10-12cm，大致为原子大小的万分之一； 非常致密，密度约为1014g.cm-3（108t.cm-3）；占原子99.9%的
5、质量；带正电；,原子核的构成核内核子和其相应的的自由核子之间是有区别的：（1）核内的中子是稳定的，自由中子是不稳定的，通过发射一个电子转变为质子，半衰期为T1/214.6min。根据近代理论自由质子也是不稳定的，但至今没有得到证实（1030a）。 （2）由Z个质子和N个中子组成的原子核的质量与z个质子和n个中子质量之和并不相等，差别是由核子结合成原子核所致。 各个核子之间的结合作用表现为介子在核子之间交换（强相互作用）。,原子核的构成核子是由三个夸克组成： 质子：2个u夸克（带2/3电荷）和1个d夸克（带1/3电荷）组成；u u d p （2/3）（2/3）（1/3） （1） 中子：1个u夸克
6、和2个d夸克组成：u d d n （2/3）（1/3）（1/3） （0） 中子转变成质子可以简单地认为通过1个d夸克转变为1个u夸克来实现。 原子仅由三种基本粒子组成：质子、中子和电子；其它基本粒子以及反粒子仅在核衰变瞬间出现或者能量转变成质量时出现。,原子核的构成 2. 核素nuclide核素是表示一类原子，它的核具有确定的质子数和中子数。核素可能是稳定的，也可能是不稳定的，对于不稳定核素通常称作放射性核素 radionuclide。 核素的表示方法：除了给定原子序数Z或元素符号外，还必须给定核子数A。 如：,The mass number 质量数A is the total number
7、of nucleons. A = N + Z where Z is the number of protons 质子数(= the atomic number原子序数) and N is the number of neutrons中子数. The elemental identity and the chemical properties are determined by the atomic number.,核素分类： 按照核子的奇偶来分： 偶偶核：偶数质子和偶数中子； 奇奇核：奇数质子和奇数中子； 奇偶核：奇数质子（偶数质子）和偶数中子（奇数中子）；,Isotope Isobar Is
8、otone Isomer,（2）系统分类：Species of atomic nuclei,an element may be composed of atoms that, while having the same number of protons Z in the nuclei, have different mass numbers A and, therefore, different numbers of neutrons N. Neon, for example, has an atomic number of 10, which means that the number o
9、f protons in the nuclei of all neon atoms is 10; however, 90% of the neon atoms in nature have 10 neutrons present in their nuclei while 10% of the atoms have 12 neutrons. Such atoms of constant Z but different A are called isotopes. The heavy hydrogen isotopes 2H and 3H are used so often in nuclear
10、 science that they have been given special names and symbols, deuterium (D) and tritium (T), respectively.,Isotope同位素,同一元素的同位素在元素周期表中占同一位置，彼此的化学性质几乎相同。,isobar is the term used to designate nuclides with a common number of nucleons (A), i.e. the same mass number.93Y 93Zr238U 238Pu,Isobar同量异位素,Nuclei
11、with the same number of neutrons (N) but different atomic numbers are termed isotones 3H and 4He are examples of isotones.,Isotone同中子素,In some cases a nucleus may exist for some time in one or more excited states激发态 and it is differentiated on this basis. Such nuclei that necessarily have the same a
12、tomic number and mass number are called isomers. 60mCo and 60gCo are isomers; the 60mCo nuclide exists in a high energy (excited) state and decays spontaneously by emission of a -ray with a half-life of 10.5 min to the lowest energy, ground state基态, designated by 60gCo.The symbol m stands for metast
13、able亚稳态, while g (or no symbol) refers to the ground state.,Isomer同核异能素,等超中子素:中子数与质子数差为常数,原子核的构成 3. 核素的稳定性1993年为止，已知共有109种元素。其中仅有81种元素有稳定同位素，其中最重的是83Bi；其余28种只有放射性同位素；92U是自然界存在最重的元素，他具有自然界存在最高的核子数，A=238。在109种元素共有2800多个核素，一种元素的已知同位素种数从3个（氢）到36个（氙）；其中稳定核素只有272个，其余为放射性核素；,原子核的构成在272稳定核素中：偶偶核：质子和中子都是偶数，共
14、有162个；偶奇核：质子是偶数，中子是奇数，共有55个；奇偶核：质子是奇数，中子是偶数，共有49个；奇奇核：质子和中子都是奇数，共有6个。偶偶核素必定特别稳定，相反奇奇核必定不稳定，属于放射性核素。偶奇核和奇偶核介于两者之间。,原子核的构成 在272稳定核素中，在按照同位素和同量异位素来分： （1）同位素 Z偶数，N偶数（偶偶核）：可能有多种稳定同位素，例如Sn和氙各有7种偶偶同位素；N奇数（偶奇核）：最多有2种稳定同位素（115Sn、117Sn、119Sn除外） Z奇数，N偶数（奇偶核）：最多有2种稳定同位素；N奇数（奇奇核）：没有稳定同位素（除：2H、6Li、10B、14N、50V、180
15、Ta。除14N外，均以低丰度同位素存在）。 （2）同量异位素 A奇数， Z偶数，N奇数（偶奇核）：仅有1种稳定核素；Z奇数， N偶数（奇偶核）：除A=113外不存在稳定同量异位素； A偶数， Z偶数，N偶数（偶偶核）：除A=96、124、130和136每种有3个稳定的同量异位素外，其余仅有2个稳定的同量异位素；Z奇数，N奇数：没有稳定同量异位素。,原子核的构成马特奥许（Mattauch）同量异位规律：不存在原子序数相差1的成对的稳定同量异位素。在这里还不能肯定，非常稀有的 和 核是不是具有极长的半衰期的放射性核素。马特奥许同量异位规律对发现天然存在的放射性核素非常重要，例如自然界存在的三个一组
16、的同量异位素： 中间的核素是放射性的。,原子核的构成 4. 放射性物质放射性物质：含有放射性核素的物质。实际上所有物质都含有放射性核素，只不过大多数物质中放射性核素的浓度都很低。辐射防护对放射性物质规定了允许接触的放射性浓度的极限。由放射性物质派生的同样重要的概念还有放射性材料、放射性物体、放射性制剂、放射性辐射源或放射源也经常使用。天然放射性物质：一种主要含有天然放射性核素的物质。也就是说它含有的人工制造的放射性核素的浓度远远低于天然放射性核素的浓度。,原子核的构成密封放射源：指放射性物质永久性封入完全密封的固体非放射性外壳中或嵌入固体的非放射性物质中。可以在操作中避免放射性物质的外露。开放
17、型放射源：放射性物质所处的条件不满足密封要求。放射源发出的射线也称作放射性辐射，但不常用，引起误解，应避免。,二. 核性质1. 电荷原子核带正电,电荷是质子电荷的整数倍。 测定原子核电荷数的一种简单方法是利用莫塞莱发现的存在于原子序数和特征X射线频率之间的关系。如对于K辐射=常数（Z-1）2 利用此方法，测定了102号元素锘（No）的原子序数,二. 核性质2. 半径大部分原子核为球形或近似球形，除了大形变核和超形变核外，其长半轴和短半轴相差不超过百分之几，因此，原子核大小常用核半径表示。 核内电荷和核力分布不均,核半径计算的经验公式：说明核的体积非常接近正比于核的质量。 核半径的两种表示方法：
18、 核力半径和电荷分布半径,第二章 核子学,二. 核性质 核力半径：常用表示核半径的一种方法；是通过粒子散射实验得到。核力半径一定小于粒子离核的最近距离。若T用MeV表示，则：,第二章 核子学,二. 核性质 电荷分布半径：电子散射法是测量电荷分布半径的方法之一。,二. 核性质3. 质量和结合能质量标度和单位：原子核的质量若用普通单位表示则太小（小于10-21g），所以，通用的标度是以12C原子的质量严格定义为12.000000单位为基准。 氢原子的质量为1.007825037u； 中子质量为1.008665012u； 电子质量为0.00054858026u。 一个单位质量等于1.66056551
19、0-24g。元素周期表中给出的均为原子质量。包括了中性原子中核外电子的质量和结合能。 原子质量的测量方法： 仪器：质谱仪或质谱计；根据正离子在电磁场中偏转的程度来定出它们的荷质比； 质量测定的精度已达0.01至1ppm。,二. 核性质Einstein提出：说明：一个核的质量是其所含能量的直接量度。 上述公式也可以写成：一个原子所测定的质量是小于组成核的全部核子的质量总和，两者之差称为该核的结合能。每个核子的结合能：E/A,二. 核性质 1u1.49244210-10J 1.49244210-3erg 931.5MeV核科技研究中，能量通常用电子伏特（eV），千电子伏特（keV），兆电子伏特（M
20、eV）。 1ev96.473kJ23.0578kcal1核子质量单位（u或amu）931.502MeV； 1电子质量单位（u或amu）0.5110034MeV； （举例说明：4He）,二. 核性质,二. 核性质较轻的核中：偶A核的平均结合能一般比它相邻的奇A核的评价结合能高； 较重的核中：最稳定的偶A核的平均结合能也比相邻的奇A核要高。从平均结合能的曲线上，可以得到一些重要结论： 4He的结合能很大：说明H原子聚合生成He的过程，将放出很大的能量； 元素周期表中部的核均有较高的能量的结合能，说明重核裂变将放出大量的能量； 在铁镍区出现极大值，说明这些核素最稳定；,二. 核性质根据原子核的液滴模
21、型，原子核的结合能由5部分组成： （1）体积项Ev。他考虑到核子的相互吸引及其随A的增加。 Ev=aA （2）库仑斥力项Ec。通过质子的相互排斥使结合能减小。（3）表面项Eo。考虑到微滴表面的核子的弱结合作用。 Eo=cA2/3 （4）对称项Es。考虑到随原子序数增加中子过量（N-Z或A-2Z）的增加引起结合能的减小。（5）配偶项Ep。补偿偶偶核的特殊稳定性和奇奇核的特殊不稳定性。 EpeA-1 所以每个核子的平均结合能是：,a14.1； b 0.585； c 13.1； d 19.4； 对于偶偶核：e 135； 对于偶奇核和奇偶核：e0； 对于奇奇核：e135。,二. 核性质1个原子的结合能
22、是：合并以上两个方程式可得到一个原子的精确质量的表达式： MZ2ZA-1式中：（0.585A-1/372.4A-1）MeV；（0.585A-1/373.18）MeV；（943.65A13.1A2/3）MeV； eMeV,二. 核性质 4.自旋和矩 核的角动量可表示：Ih/2。I是整数或半整数，称为核自旋；h为Plancks常数。中子和质子的本征自旋I均为1/2；任何偶A核的自旋一定为0或者整数；任何奇A核的自旋为半整数；所有偶A核和偶Z核在处于正常状态时，自旋都为0。,二. 核性质 磁矩： 角动量不为0的核具有磁矩。 电子的磁矩应为eh /4mec0.927410-20 erg.G-11玻尔磁
23、子。 质子的磁矩：约为2.79/1836玻尔磁子。 测量方法：从原子光谱的超精细结构测得。,二. 核性质 电四极距： 由于内部电荷分布呈现椭圆形而产生的。方程式：a为椭球体的转动半轴，b为垂直于a的半轴。,三. 原子核的模型和形状 最重要的模型有两个：液滴模型和壳层模型。 壳层模型与用于电子的保尔（玻尔）模型有某些类似之处，即假定有中子和质子的闭合壳层。 壳层模型表述为，某些质子数和中子数2，8，20，28，50和82以及中子数为126（所谓幻数）是许多稳定核的特征，这些核具有高的结合能，有幻中子数和幻质子数的核，像 ， ， ， 和 是特别稳定的。而且有幻中子数的核有很小的中子俘获截面。相反缺
24、中子的核具有很高的反应截面。 此外超过幻中子数的第一个中子的结合能特别低，以致这一中子很容易移去（如16O中最后一个中子结合能是15.60MeV，与之相比17O中最后一个中子的结合能是4.15MeV）。,三. 原子核的模型和形状 壳层模型,三. 原子核的模型和形状 壳层模型壳层模型用于非常重的原子核时表明幻中子数和幻质子数不再一致。但是也有一定的指导意义。在Z=82后面的幻质子数是Z=114和164，而在N=126后面的幻中子数是N=184，196和318。所以，最近的一个未知双幻数和298114，是类铅的同位素。因此，目前超重元素的合成是核化学研究的前沿课题之一。根据壳层模型可以给出角动量的
25、正确值，同时也能够解释磁偶极矩和电四极矩。对于其它核性质如：重核的不稳定性、由热中子引起重偶奇核的裂变不能解释。可以用液滴模型比较满意的解释。,三. 原子核的模型和形状 液滴模型液滴模型描述原子核的集体行为，认为核子间存在强相互作用，液滴模型还可以描述原子核中结合能的一般分布。液滴模型是将原子核比作一个液滴，将核子比作液体中的分子。主要的实验根据有两个（1）从结合能曲线看出，原子核平均每个核子的结合能几乎是常数，EbA；说明核子间的相互作用力具有饱和性，否则Eb将近似正比于A2。这种饱和性与液体中分子的饱和性类似。（2）从原子核的体积近似地正比于原子数的事实知道，核物质密度几乎是常量，表示原子核是不可压缩的，这与液体不可压缩性类似。由于质子带正电荷，原子核的液滴模型把原子核当作荷电的液滴。,三. 原子核的模型和形状 液滴模型液滴模型对于核反应过程复合核的描述非常重要。如果粒子和核形成了真正的中间复合核，那么它的衰变不再与它的构成历史有关，衰变的复合核不记得它的来历，而是在形成过程中失去了记忆。从复合核中发射粒子与分子与从热液滴中逃逸有些类似。,三. 原子核的模型和形状,三. 原子核的模型和形状一个核的变形可由Beta参数来描绘,近似球型: Beta-0.1 变形核: Beta 0.25-0.3 超变形核: Beta 0.35-0.4,
