物理学知识分析：原子核、同位素、核子、中微子、原子核反应

6.10.1 结构图

6.10.2 原子核的基本性质

1.原子核的电荷

(1)原子核带正电。

(2)数值是最小电量单位(1.6021×10-19C)的整数倍,倍数与元素周期表中的原子序数Z一致。

2.原子核的质量

(1)原子的总质量是原子核的质量加全部核外电子的质量,再减去相当于电子全部结合能的数值。因此,由原子的总质量可以算出原子核的质量。

(2)规定:自然界中最丰富的碳12元素的原子质量定为12个原子质量单位,原子质量单位是1.66055×10-27kg。

(3)一个核外电子的质量是9.10956×10-31kg。

(4)显然,原子的质量中绝大部分来自原子核。

(5)同位素:指化学性质相同但原子量不同的元素,它们在化学周期表中有相同的原子序数。

(6)核素:是各元素的同位素总称。例如:氢的三种同位素:

3.原子核的成分

(1)原子核由质子和中子两种粒子组成,统称为核子。

(2)质子是带一个正电荷的最轻的氢核。

(3)中子的质量是1.0086654质量单位的中性粒子。

4.原子核的大小

式中,R为原子核半径;r0为常数,r0=1.20×10-15m;A为原子核的质量数(质子和中子的总数)。

5.原子核的密度

式中,NA为阿伏伽德罗常数。水的密度为1000kg/m3,原子核的密度是水的密度的1014倍。

6.原子核的总角动量

式中,I称原子核的自旋量子数。当原子质量数A为偶数时,I为整数;当原子质量数A为奇数时,I为半整数。ћ为普朗克常量,ћ=。

原子核的总角动量习惯称为原子核的自旋。

7.原子核的磁矩

原子核中的质子带正电荷,运动时会产生磁场,形成磁矩。

式中,β为核磁子;g可以通过实验获得;μI可以通过核磁共振等方法获得。

8.原子核的电子四极矩

式中,a为旋转椭圆球中沿对称轴的半径;b为垂直于对称轴最大圆截面的半径。

图6-30 原子核的电子四极矩

原子核的电子四极矩如图6-30所示,这说明很多原子核的电荷分布是椭圆球式的。

9.原子核的统计性

(1)服从费-狄统计律:称费米子。

原子质量数A为奇数的原子核是费米子。

(2)服从玻-爱统计律:称玻色子。

原子质量数A为偶数的原子核是玻色子。

10.原子核的宇称

(1)物理的规律一般不会因为左右方向的不同而产生差别。

(2)在量子力学中,用波函数ψ描述微观体系的状态。(1)中描述的左右对称性,也可以反映为坐标上的对称性,这样的性质称宇称。

(3)波函数的两种可能:

ψ(-x,-y,-z,s)=ψ(x,y,z,s)(偶性宇称)

ψ(-x,-y,-z,s)=-ψ(x,y,z,s)(奇性宇称)

(4)在孤立体系中,偶性宇称不会变为奇性宇称,奇性宇称不会变为偶性宇称,这叫宇称守恒。这表现为:物理规律在坐标反映上不变。

(5)原子核状态的偶性宇称或奇性宇称决定于组成这个原子核各核子的l值的总和。

(6)在一般情况下,一个原子核的宇称不会改变。

11.原子核的结合能

(1)根据相对论,质量与能量的关系为:

E=mc2 ΔE=Δmc2

(2)当若干粒子组成原子核时,总质量会减少。这说明组成原子核时有能量放出,这个能量称为原子核的结合能。

(3)原子核的结合能可以通过计算获得。

6.10.3 原子核的基本活动

1.核力

(1)核力是原子核内部核子之间很强的吸引力。

(2)核力的主要性质

①短程力:核子之间的作用距离仅10-15m,存在极强的力。

②饱和性交换力:一个核子只同附近几个核子之间有作用力。

③质子之间、中子之间、质子和中子之间的核力是相同的,与是否带电无关。

④存在非有心力。

(3)核力的介子论

①带电粒子之间的力是通过电磁场作用的。电磁场有时显示出量子性,它的量子就是光子。

②设想:核子之间同样通过一种场起作用,这种场是具有静止质量的粒子,其质量约是电子质量的200倍。

即:带电粒子—电磁场—量子(光子);

核子—场—量子(π介子)。

2.原子核衰变

(1)原子序数大的重元素,例如铀,它们不稳定的核会自发地放出射线,变为另一种元素的原子核,这称放射衰变。衰变定律为:

N=N0e-λt

式中,N0是时间t=0时的原子核数目,N是经过t时间后仍存留的原子核数目。

①衰变常数λ

式中,衰变常数λ是放射物放射衰变快慢的标志。

②半衰期T

如果经过一段时间后原子核的数目减少到原来数目的一半,这段时间T称为半衰期。

不同的放射物有不同的半衰期,这是区别不同放射物的标志之一。

③平均寿命τ

τ=1/λ=T/0.693

④测定方法(略)

⑤放射系

一种放射性元素经过一次又一次的放射,直到成为一种稳定元素而不再变化,这样就构成一个放射系。

(2)衰变类型

①α衰变(www.xing528.com)

α射线是高速运动的氦核42He,由两个质子和两个中子构成。

衰变能:

式中,Eα是原子核从内能中分给α粒子的动能,mα为α粒子的质量,M为原子核的质量。

②β衰变

第一种β射线:原子核放出负电子,原子核变为原子序数增加1的核。

衰变能:

式中,c为真空中的光速。

第二种β射线:原子核放出正电子,原子核变为原子序数减少1的核。

衰变能:

式中,m0为电子的静止质量。

第三种β射线:原子核获得一个核外K层的电子(称K俘获),原子核变为原子序数减少1的核。

衰变能:

式中,εK为K电子的结合能。

为了解释β射线出现连续变化的原因,可假设一个质量几乎为0的中性粒子,称中微子。

③γ衰变

γ射线是光子。

ⓐ辐射跃迁遵守定律:

①总能量守恒;

②总角动量守恒;

③宇称守恒。

ⓑ非辐射跃迁

①内变换;

②同质异能素。

ⓒ穆斯堡尔效应

原子核从一个激发态跃迁到基态发出的γ射线,能否被处于基态的同类原子核吸收,使吸收核被激发到发射核原来所在的激发态,即共振吸收,这只能在一定条件下实现。

3.原子核反应

(1)原子核衰变是原子核自发的变化。原子核反应是原子核受激的变化。

(2)原子核反应是原子核受一个外来粒子撞击后放出一个或几个粒子的过程。这些外来粒子包括中子、质中、氘核、α粒子和γ光子。

(3)原子核反应的守恒定律(物理量总量在反应前后保持不变)

①电荷;

②核子数;

③总质量和总能量;

④线动量;

⑤角动量;

⑥宇称。

(4)阈能

①阈能:是激发原子核反应的撞击粒子必须具有的最低能量。

②如果原子核反应是吸收能量的,称收能核反应;如果原子核反应是放出能量的,称放能核反应。

③对于放能核反应,阈能可以是0。

④对于收能核反应,

(5)反应截面:表示原子核反应概率的大小。

(6)原子核反应的各类机制(略)

(7)复核、核共振和截面连续区(略)

(8)原子核反应的光学模型(略)

(9)核反应类型

①中子核反应;

②质子和氘核的核反应;

③α粒子的核反应;

④光致核反应。

4.原子核裂变

(1)原子核被打击时先吸收中子,形成复核,然后裂开:

式中,X和Y表示裂开的两个碎块。

(2)裂变现象放出很大的能量,例如,1g铀235全部裂变,释放的能量相当于2.5吨煤的燃烧热。

(3)链式反应

例如,铀235裂变时,每次放出2～3粒中子,这些中子被附近的铀核吸收,又发生裂变,再产生第二代中子,中子又被吸收……如果没有中子损失,这样的链式反应会继续进行下去,反应会逐渐增强,会释放极强的能量,产生爆炸性的后果。

(4)应用

①原子反应堆:铀235发生裂变。

②原子弹:铀235发生裂变。

5.原子核聚变

(1)轻原子核聚合生成较重的原子核时也会释放能量。例如:

(2)单位质量的裂变释放的能量约为0.85MeV,单位质量的2H聚变释放的能量是裂变释放的4倍。

(3)聚变反应必须在极高的温度下才能发生,所以先利用原子弹爆炸提高温度来激发,因此又称热核反应。

(4)应用:氢弹。

(5)聚变的条件

①基本条件:要使聚变反应成为可能,反应必须达到足够强度。

②只能用高温等离子体聚变的方法。所谓等离子体,是气体大量电离后大量正离子和相等电量的电子同时并存的结合体。

③需要提高等离子体的温度。

④需要对等离子体进行约束。

⑤需要有适当的离子密度。

⑥需要对等离子体有持续的约束时间。

(6)聚变反应器(略)

6.10.4 原子核的结构模型

(1)费米气体模型:把原子核看作是一群同气体分子相仿的粒子组成的。

(2)液滴模型:如液体分子一样只与附近几个分子有相互作用。

(3)壳层模型:原子核的性质随着质子数和中子数的增加呈现周期性的变化。

(4)集体运动模型:个体核子的运动与集体运动相互结合。