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1、原子核的基本性质1第1页，共63页，编辑于2022年，星期五 7.1 7.1 原子核的基本性质原子核的基本性质原子核的基本性质原子核的基本性质一、原子核的电荷和电荷数一、原子核的电荷和电荷数二、原子核的质量和质量数二、原子核的质量和质量数三、原子核的大小三、原子核的大小2第2页，共63页，编辑于2022年，星期五一、原子核的电荷与电荷数一、原子核的电荷与电荷数一、原子核的电荷与电荷数一、原子核的电荷与电荷数 原原子子序序数数为为Z的的原原子子的的中中心心有有一一个个带带有有正正电电量为量为Ze的原子核。即的原子核。即 q=+ZeZ是原子序数，是原子序数，e 是基本电荷，其数值为一个电子是基本电
2、荷，其数值为一个电子电量的绝对值。电量的绝对值。3第3页，共63页，编辑于2022年，星期五二、原子核的质量二、原子核的质量二、原子核的质量二、原子核的质量 原子核的质量原子核的质量 mN =MA Zme原子质量单位：原子质量单位：原子质量单位：原子质量单位：4第4页，共63页，编辑于2022年，星期五三、原子核的大小三、原子核的大小三、原子核的大小三、原子核的大小 多数原子核基本上是球形，实验测量出多数原子核基本上是球形，实验测量出 原子核的半径，得到核半径的经验公式：原子核的半径，得到核半径的经验公式：原子核的体积近似地与质量数成正比：原子核的体积近似地与质量数成正比：R =r0 A1/3
3、r0=1.410-15m=1.4fm1 1、半径：、半径：2 2、体积：、体积：5第5页，共63页，编辑于2022年，星期五3 3、密度：、密度：u=1.66 10-27Kg;r0=1.4 fm 1017 Kg/m3=1014/m3 密度大得惊人！原子核是物质紧密集中之处！核的密度大得惊人！原子核是物质紧密集中之处！核的质量密度是水的密度的质量密度是水的密度的1014倍，也是地球平均密度的倍，也是地球平均密度的1014倍。倍。6第6页，共63页，编辑于2022年，星期五 7.2 7.2 原子核的组成原子核的组成原子核的组成原子核的组成一、原子核的成分一、原子核的成分二、原子核的结合能二、原子核
4、的结合能三、原子核的自旋和磁矩三、原子核的自旋和磁矩四、原子核的宇称、电四极矩、统计性和同位旋四、原子核的宇称、电四极矩、统计性和同位旋7第7页，共63页，编辑于2022年，星期五 海森伯统称它们为海森伯统称它们为核子，核子，并认为质子和中子仅仅是核子并认为质子和中子仅仅是核子的两种不同状态（同位旋的两种不同状态（同位旋3分量分量 ）。）。一、原子核的成分一、原子核的成分一、原子核的成分一、原子核的成分原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成 用用A表示一个原子核中所含的核子数，表示一个原子核中所含的核子数，N表示中表示中子数，子数，Z表示质子数，显然：表示质子数，显然：A =Z+N称为质
5、量数称为质量数 8第8页，共63页，编辑于2022年，星期五核核素素：凡凡具具有有相相同同的的原原子子序序数数Z、中中子子数数N及及能能量量状状态态的原子核称为一种核素的原子核称为一种核素元素：元素：Z一定的原子一定的原子。同位素：同位素：Z相同、相同、N不同的元素不同的元素是是H的三种同位素。的三种同位素。同中子素：同中子素：N相同、相同、Z不同的核素，不同的核素，、。同质异能素：同质异能素：N、Z相同、而能量状态不同的核素，如相同、而能量状态不同的核素，如 9第9页，共63页，编辑于2022年，星期五核素图：核素图：是以是以Z Z为横为横坐标，以坐标，以N N为纵坐标为纵坐标构成的图。每一
6、个核构成的图。每一个核素在图中有一确定的素在图中有一确定的位置。位置。同同量量异异位位素素：A相相同同、Z不同的核，如不同的核，如10第10页，共63页，编辑于2022年，星期五1、稳定核素集中在稳定核素集中在Z=N的直线上或紧靠它的的直线上或紧靠它的两侧，构成稳定核素区。两侧，构成稳定核素区。3、Z84的以及质子数或中子数过多的核都的以及质子数或中子数过多的核都是不稳定的放射性的同位素。是不稳定的放射性的同位素。2、稳定核素中质子数与中子数之比：轻稳定核素中质子数与中子数之比：轻核为核为1；最重的核；最重的核 N/Z 1.611第11页，共63页，编辑于2022年，星期五12第12页，共63
7、页，编辑于2022年，星期五核素核素 质量数质量数 核素质量核素质量 1H 1 1.0078252 2H 2 2.0141022 3H 3 3.0160497 12C 12 12.000000 13C 13 13.003354 14N 14 14.0030744 15N 15 15.000108 13第13页，共63页，编辑于2022年，星期五二、原子核的结合能二、原子核的结合能二、原子核的结合能二、原子核的结合能 原子核的质量总是小于组成它的所有核子原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量和，两者质量之差称为质量亏损。的质量和，两者质量之差称为质量亏损。11、质量亏损：质量亏损：质量亏损：
8、质量亏损：任何两粒子的结合都要释放能量，都会伴随有质任何两粒子的结合都要释放能量，都会伴随有质量亏损，只是大小不同而已，例如一个电子和一个量亏损，只是大小不同而已，例如一个电子和一个质子结合成氢，其质量亏损很小，仅为质子结合成氢，其质量亏损很小，仅为13.6eV/c2，常被忽略。常被忽略。14第14页，共63页，编辑于2022年，星期五2.2.原子核的结合能：原子核的结合能：原子核的结合能：原子核的结合能：（1）定义：定义：分散的核子结合成原子核时所释放出分散的核子结合成原子核时所释放出 的能量称为原子核的结合能。的能量称为原子核的结合能。（2）计算公式：计算公式：E=mC2=m（u）931.
9、5MeV/u 3.3.3.平均结合能（比结合能）平均结合能（比结合能）平均结合能（比结合能）平均结合能（比结合能）平均结合能（比结合能）平均结合能（比结合能）（1）若干分散的核子组成原子核时，平均每个核若干分散的核子组成原子核时，平均每个核 子所释放的能量子所释放的能量（2）平均结合能的物理意义：标志着原子核的稳平均结合能的物理意义：标志着原子核的稳 定性。定性。（3）计算公式：计算公式：15第15页，共63页，编辑于2022年，星期五（4）平均结合能曲线平均结合能曲线16第16页，共63页，编辑于2022年，星期五（A）两头低中间高：中等质量的原子核（两头低中间高：中等质量的原子核（A：40
10、-120）平均结合能比轻核和重核的大。）平均结合能比轻核和重核的大。约为约为8.6MeV。这预示着：重核裂变，轻核聚变都可以获这预示着：重核裂变，轻核聚变都可以获 得原子能。得原子能。（B）质量数质量数A30的原子核，平均结合能变化不的原子核，平均结合能变化不 大。说明大。说明 E A显示出核力的饱和性。显示出核力的饱和性。（C）质量数质量数Ab,Q0 显然对球形核显然对球形核a=b,即即Q=0；对长椭球形核；对长椭球形核对扁椭球形核对扁椭球形核 ；所以，原子核的电四极矩是原子核偏离球形的量度，所以，原子核的电四极矩是原子核偏离球形的量度，可有实验测定。可有实验测定。ab,Q15时时 较为准确
11、较为准确 A15时时 精确度较差精确度较差 因为核子数少，与因为核子数少，与 理理想液想液 滴偏差较大。滴偏差较大。质量质量(实验值实验值)16.00000 51.956 97.943 197.03 238.12原子核原子核质量质量(计算值计算值)15.99607 51.959 97.946 197.04 238.1258第58页，共63页，编辑于2022年，星期五例例:对稳定同量异位素的估算对稳定同量异位素的估算.(奇奇A核核A=25,同量同量 异位素异位素A为常数）为常数）利用上式可以估算原子核的结合能利用上式可以估算原子核的结合能;估算核中质子和中子估算核中质子和中子数的偏离程度数的偏离
12、程度;估算稳定的同量异位素等。估算稳定的同量异位素等。59第59页，共63页，编辑于2022年，星期五3.成功之处成功之处（1）解释说明重核的裂变；）解释说明重核的裂变；（2）导出结合能半经验公式。）导出结合能半经验公式。4.问题问题（1）简单地把原子核当作液滴来处理）简单地把原子核当作液滴来处理,是很粗糙是很粗糙的，忽略了原子核内部结构的细节的，忽略了原子核内部结构的细节,不能给出不能给出核内核子运动变化情况。核内核子运动变化情况。（2）无法解释和说明核的角动量）无法解释和说明核的角动量,宇称宇称,磁矩等磁矩等性质。性质。60第60页，共63页，编辑于2022年，星期五二、壳层模型二、壳层模
13、型二、壳层模型二、壳层模型二、壳层模型二、壳层模型1.提出的依据提出的依据(1)幻数的存在幻数的存在:原子核中原子核中,质子数或中子数质子数或中子数为为2、8、20、28、50、82、126时，该原子时，该原子核特别稳定，例如核特别稳定，例如在地球中含量最大，电四极矩小，双幻核电四极矩为在地球中含量最大，电四极矩小，双幻核电四极矩为零，接近球形，稳定，双幻核的零，接近球形，稳定，双幻核的 比邻近核大得多。比邻近核大得多。（2）原子核的某些性质有周期性变化规律：轻核原子核的某些性质有周期性变化规律：轻核平均结合能平均结合能 显示周期性变化。显示周期性变化。61第61页，共63页，编辑于2022年
14、，星期五22、壳层模型壳层模型壳层模型壳层模型 原子核内的核子也是原子核内的核子也是按壳层分布的。按壳层分布的。当质子数或中子当质子数或中子数为数为2、8、20、28、50、82和中子数为和中子数为126时，原子核特别时，原子核特别稳定，这些数叫做幻稳定，这些数叫做幻数。数。62第62页，共63页，编辑于2022年，星期五4 问题问题(1)假定是球对称的平均势场假定是球对称的平均势场,与实验情况不完与实验情况不完全相符全相符 (当当Q=0时时)。(2)无法说明原子核的电四极矩。无法说明原子核的电四极矩。3 成功之处成功之处(1)解释和说明原子核的自旋和宇称；解释和说明原子核的自旋和宇称；(2)解释和说明原子核的磁矩。解释和说明原子核的磁矩。63第63页，共63页，编辑于2022年，星期五