广东工业大学：《大学物理》课程教学课件（PPT讲稿）第十七章 原子核物理

第17章原子核基本知识简介 图为我国于1988年12月在中科院兰州近代物理研究所建 成的重离子加速器HRFL。1992年合成了208Hg,实现了 我国在新核素合成方面零的突破

第 17 章 原子核基本知识简介 图为我国于 1988年12月在中科院兰州近代物理研究所建 成的重离子加速器HIRFL。1992年合成了208Hg，实现了 我国在新核素合成方面零的突破

重质量区部分核素图 235Am 小 239pa N 231m 208H 口口已知核素 185Hf 口 稳定核素 0 近物所首次合成的重质量新核素 5Er 口 近物所研究过的核素 N中子胞 稀土区和中等质量区质子滴线附近新核素合成和研究 135Gd c 153 129cg 130cg 研究内羽 新核 新核有 食变性雨 真变制国 直变转图 衰变钢国 度变刷图 半在命11秒 1.1秒 32老秒 371秒 39.0秒 41分 229分 食变性 名延发斯子8延发新子 8延发面子 名痕变 8袁变 8意变 8哀变 图为兰州近代物理研究所合成的八种新核素 首次建立的核衰变纲图及部分研究过的核素

已知核素 稳定核素 近物所首次合成的重质量新核素 近物所研究过的核素 图为兰州近代物理研究所合成的八种新核素 首次建立的核衰变纲图及部分研究过的核素

§17.1原子核的组成及基本性质 一.原子核的组成 1911年卢瑟福建立了原子核的概念 1932年查德威克发现了中子 海森伯提出了原子核是由质子和中子组成的假设 表示符号 带电量 静止质量 质子 p +e m,=1.6726231×1027kg 中子 n 不带电 m=1.6749286×10-27kg ·质子和中子统称为核子。实验表明，质子是稳定粒子，自由中 子却是不稳定的

§17.1 原子核的组成及基本性质 一.原子核的组成 1932年查德威克发现了中子 1911年卢 瑟 福建立了原子核的概念 海 森 伯提出了原子核是由质子和中子组成的假设 质子 静止质量 中子 p + e 1.672 623 1 10 kg 27 p − m =  n 1.674 928 6 10 kg 27 n − m =  表示符号 带电量 不带电 ⚫ 质子和中子统称为核子。实验表明，质子是稳定粒子，自由中 子却是不稳定的

二，原子核的电荷和质量 原子核的电荷数（即核内质子数）用Z表示。其带电量为+Z® 原子质量单位u定义为： 一个处于基态的中性2C原子质量1/12 1u=1.6605402×1027kg m=1.007276470u mn=1.008644904u 一种核素，用符号X表示。例如符号：9C0 。同位素：具有相同原子序数的核素。例如：H,缸， ·同中子异位素：具有相同中子数的核素。例如：P,©

C 12 6 原子质量 1/12 1u 1.660 540 2 10 kg -27 =  1.007 276 470u mp = 二. 原子核的电荷和质量 原子质量单位u 定义为： 原子核的电荷数(即核内质子数)用 Z 表示。其带电量为+Ze 一个处于基态的中性 ⚫ 一种核素，用符号 X A Z Co 60 表示。 例如符号： 27 ⚫ 同位素：具有相同原子序数的核素。例如： ⚫ 同中子异位素：具有相同中子数的核素。例如： P S 32 16 31 15 , H H H 3 1 2 1 1 1 , , mn =1.008 644 904u

三，原子核的形状和大小 6~1.20fim 原子核的半径可近似地表示为 R= 对所有核都适 合的一个常量 ·核物质的平均密度 ~2x1017kg/m ●白矮星的密度只有 109~2×101kg/m ●中子星的密度可达到1018kg/m 四.原子核的自旋和磁矩 1.原子核的自旋（角动量）P P=√I7+1)方 /称为核自旋量子数 ◆讨论 (1)对于不同原子核，I只能取整数或半整数

原子核的半径可近似地表示为 1 3 R = r0A r0 ~1.20fm 对所有核都适 合的一个常量 ⚫ 白矮星的密度只有 10 9 ～ 21011 kg / m3 ⚫ 中子星的密度可达到 1018 kg / m3 ⚫ 核物质的平均密度 ～ 21017 kg / m3 三. 原子核的形状和大小 PI  P = I(I +1)  I I 称为核自旋量子数 四. 原子核的自旋和磁矩 1. 原子核的自旋(角动量) (1) 对于不同原子核, I 只能取整数或半整数 讨论

(2)原子核基态的自旋量子数有如下规律 ◆偶-偶核的自旋量子数都等于零 ◆奇-奇核的自旋量子数都等于非零整数 ◆奇A核的自旋量子数都等于半整数 (3)核自旋P在给定方向的投影为m,九 m为原子核的磁量子数，取值1，(-1)，.，-(-1)，-1 2.原子核的磁矩 en =8,V7☑+1)4 2m 以w称为核磁子，g称为原子核g的因子 讨论 (1)4w=eh/2m,=5.050787×10-27J/T

(2) 原子核基态的自旋量子数有如下规律 ◆ 偶-偶核的自旋量子数都等于零 ◆ 奇-奇核的自旋量子数都等于非零整数 ◆ 奇A 核的自旋量子数都等于半整数 ( ) ( ) I I I I I N g I I m g I I m  g P 1  2 e 1 2 e p p = = + = +  2. 原子核的磁矩 (3) 核自旋 PI 在给定方向的投影为  mI 为原子核的磁量子数，取值 I, (I–1), . , – (I–1), –I µN 称为核磁子, gI 称为原子核 g 的因子 e 2 5.050 787 10 J T 27 p − (1) N =  m =  讨论 mI 

(2) 8是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩 与核自旋平行和反平行两种情况。 (③)核磁矩在给定方向的投影可能取值为gm4w。其投影的 最大可能值为dI=guN。 (④质子的磁矩几乎是核磁子的三倍，而中子具有负磁矩， 数值约为核磁子的两倍。这表明不能把质子和中子看成 是无内部结构的粒子。 (⑤)氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和， 但并不完全相等，其它原子核的磁矩也是如此，都不等 于组成它的所有核子磁矩之和。这一事实说明核内各核 子间存在着复杂的相互作用

与核自旋平行和反平行两种情况。 (4) 质子的磁矩几乎是核磁子的三倍，而中子具有负磁矩， 最大可能值为 ' I = gI I N 。 (3) 核磁矩在给定方向的投影可能取值为 gImIµN 。其投影的 数值约为核磁子的两倍。这表明不能把质子和中子看成 是无内部结构的粒子。 但并不完全相等，其它原子核的磁矩也是如此，都不等 于组成它的所有核子磁矩之和。这一事实说明核内各核 (5) 氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和， 子间存在着复杂的相互作用。 (2) gI 是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩

五.原子核的宇称 宇称是波函数的一种特性，它可以是奇的或偶的 y(,)=+w(f,t） 偶宇称 yW(,t)=-/(f,t) 奇宇称 宇称是波函数空间反演的特性 六.原子核的结合能 原子核质量亏损，记为△m(亿，A)，常用中性原子质量表示 △m(Z,A④=ZM(H)+(4-Z)m,-M(亿，A 原子核的结合能，用B(Z,A)表示 B(Z,A)=△m(亿，A)c2

(r,t) ( r,t)    = + − (r,t) ( r,t)    = − − 五. 原子核的宇称 宇称是波函数的一种特性，它可以是奇的或偶的 偶宇称 奇宇称 宇称是波函数空间反演的特性 m(Z ,A) = ZM ( )+ (A− Z)m − M (Z ,A) n 1H ( ) ( ) 2 B Z ,A = m Z ,A c 原子核的结合能，用B(Z, A) 表示 原子核质量亏损，记为 m (Z, A) ，常用中性原子质量表示 六. 原子核的结合能

9.2 N-28 Z28 7-20 8.8 N-50 W-20 Z14 N14 7-50 8.6 N82 8.4 8.2 Z-8 Z-82 W=126 8.0 ++ ,6 12 16 20 100 150 200 250 质量数 比结合能B/A随质量数A的变化

比结合能 B/A 随质量数 A 的变化

说明 (1) B(亿，A)也代表把原子核拆散时所需做的最小功的数值。 (2)核子的平均结合能（比结合能）B/A越大，从核中拉出一 个核子所需做的功就越大，原子核就越稳定。 讨论 (1)在A小于30的原子核中，比结合能的数值就其总的趋势 来讲是随A的增大而增大，但有明显的起伏。 (②)质量数大于30的原子核中，比结合能随A的变化不大 近似为常数。这个近乎不变的特征是核子只与邻近核子 作用（即核力具有饱和性）的一个证据。 (③)轻核和重核的比结合能都小于中等质量原子核的比结合 能，这一事实是核能得以利用的基础

个核子所需做的功就越大，原子核就越稳定。 (2) 核子的平均结合能(比结合能) B/A 越大，从核中拉出一 (1) B(Z, A) 也代表把原子核拆散时所需做的最小功的数值。 说明 讨论 (1) 在A 小于30 的原子核中，比结合能的数值就其总的趋势 来讲是随 A 的增大而增大，但有明显的起伏。 (2) 质量数大于 30 的原子核中，比结合能随 A 的变化不大， 近似为常数。这个近乎不变的特征是核子只与邻近核子 作用(即核力具有饱和性)的一个证据。 (3) 轻核和重核的比结合能都小于中等质量原子核的比结合 能，这一事实是核能得以利用的基础