原子核与放射性衰变

原子核的稳定性
原子核的稳定性是指原子核不会自发地改 变其质子数、中子数和它的基本性质。按 原子核的稳定性可分为稳定原子核和不稳 定(或放射性)原子核两类。
其稳定性与质子数和中子数有关
N X
稳定核 放射性核（Z >84）
120
80 ZN
40
0
20
40
60
80
Z
2.2 核模型
(1) 核的费米气体模型
第二章 原子核与放射性衰变
主要内容
2.1 原子核的基本性质 2.2 核模型 2.3 放射性衰变及衰变规律 2.4 典型放射性衰变 2.5 衰变纲图
概述
1896年贝克勒尔发现天然放射性现象 1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮实验中发现
质子，这是第一次实现的人工核反应。 1932年，查德威克发现了中子， 安德逊发现了正电子， 考克饶夫和瓦尔顿观察到第一次用加速粒
费米气体模型认为，核内核子的运动跟容 器内理想气体分子的运动类似，除了应满 足不相容原理的要求外，在半径 R r0 At /3 的球形空间内进行着自由运动，即核内核 子类似于容器内的费米子理想气体。
费米气体模型可以说明轻核的一些性质， 但不能说明中、重核的主要性质。
(2) 液滴模型
依据：核力的饱和性、原子核不可压缩性 液滴模型认为，原子核可看成是一种带电
原子核的结合能
分析原子核的质量可以发现一个有趣的现 象：原子核的质量<各组成部分的质量和， 即怎么解释？
相对论质能关系
m mi m原子核
核子结合成原子核时，即有质量的减少， 表明在结合成原子核时释放能量，所释放 的能量称为原子核的结合能。 注意：原子核的结合能并不是由于核子结 合成原子核而具有的能量，而是把核子分 开所需要的能量。
3M
4R03 A
3
4R03 N
N=A/M—阿伏伽德罗常数。6.02×10^23
1014吨 / m3
原子核的电荷、角动量和磁矩
原子核的电荷 原子呈电中性(原子核所带的正电荷必须与 轨道电子所带电荷相等，符号相反)。 确定方法：原子序数
原子核的自旋 实验证明：原子核象陀螺一样旋转着。 带电粒子运动产生磁场。
核衰变与核反应
核反应：核与核，或核与光子、中子、质 子等粒子相互作用的过程。
核衰变和核反应统称核过程。 区别在于，核衰变是不稳定核的自发核过
程，而核反应则是稳定核在其它粒子作用 下诱发的核过程。
核过程中的守恒定律
核子数守恒 电荷守恒 质—能守恒 动量守恒 角动量守恒
2.3.2 放射性衰变规律
对于由大量原子组成的放射源，每个原子 核都可能发生衰变，但不是所有原子在同 一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数 原子发生衰变。
的高密度、不可压缩的均匀液体，而各式 各样的核都是由这种液体形成的大小不同 的液滴。
(3) 壳层摸型
对于原子核，许多实验事实表明，当组成它的质 子数或中子数等于2,8,20,28,50,82,126这些数字 时，原子核特别稳定，这些数字称为幻数。
如：自然界质子数82、中子数126的铅同位素Pb ，双幻数，显得异常Biblioteka Baidu定。
子进行的人工核反应。
2.1 原子核的基本性质
原子的中心：原子核 原子核的线度只有原子的万分之一，质量 占原子的99%以上。 原子和原子核是物质结构中泾渭分明的两 个层次 元素的化学、物理性质、光谱特性与核外 电子有关，放射性现象与原子核有关。
原子核的成分
质子和中子 A=Z+N 同位素：质子数相同而中子数不同的同种
幻数的存在使人们想到，原子核内的质子和中子 按泡利不相容原理和能量最低原理分别填充自己 的壳层，当质子数和中子数均为幻数时正好填满 一个壳层。
(4) 集体模型
一方面考虑核作为集体的转动和振动，另 一方面考虑每个核子又在一个变动的非球 对称的平均势场中作独立运动，这两种运 动还有相互影响。
根据集体模型可很好说明核的转动能级和 振动能级，关于核的电器极矩、磁矩以及γ 跃迁率的计算和实验值的符合程度也都有 明显改善。
原子核质量=Z(质子数)+N(中子数)
原子核的半径
原子核 1012 ~ 1013 cm 原子 108 cm
说明原子内大部分空间为空，原子核只占 很小一部分。 原子核半径 r0 与质量数A之间存在关系：
r0 R0 A1/ 3
其中R0 为常数，值为1.531013
原子核的密度
密度
M V
M
4 3
r03
元素的原子核。 核素：质子数、中子数均相同，并且原子
核处于同一能量状态的一种原子或原子核 同位素的化学性质完全相同(化学性质取决
于核外电子排列状况，质子数相同，表明 核外电子的数量和排布规律完全相同)。
原子核的质量
原子质量：相对质量 质子质量=1.007碳当量 中子质量=1.008碳当量 电子质量=1/1836质子
放射性核素衰变是随机的、自发的按一定 的速率进行。
每一个核在什么时候发生衰变是无法预测 的，但大量的原子核其衰变过程遵循一定 的统计规律。
放射性衰变规律
规律：某一放射性物质的衰变率是与当时 存在的原子核数目成正比。即若t时刻样品 中有N个核，在dt时间内有dN个发生衰变
2.3 放射性核衰变
放射性有关概念
放射性：物质发射这种射线的性质。 放射性元素：具有放射性的元素。 天然放射性元素：自然界存在的放射性元素 天然放射现象：放射性元素的原子核不稳定 ，它们能自发发生蜕变，发射射线。 人工放射性同位素：用质子、中子或其他基 本粒子作为炮弹轰击原子核，改变核内质子 或中子的数目，可人工制造新的同位素。
2.3.1 放射性衰变
基态(ground state) 原子核可处于不同的能量状态，平常情况 下处于最低的状态称为基态。
激发态(excited state) 原子核在某些核反应、核裂变及放射性衰 变后仍处于高能状态，称为激发态。
放射性衰变 不稳定的原子核会自发地转变成另一种核 而同时放出射线，称为放射性衰变。
核力
原子核内各核子之间的相互作用力，其性质： 短程力：只在相邻核子之间发生作用，作用范围
在1.5×10-13cm之内 强相互作用力：在它的作用范围内，比库仑力大
100倍 饱和性：一个核子能相互作用的其它核子数目是
有限的。使得原子核和水一样，呈现不可压缩性 ，即原子核的密度近似为常数 与电荷无关，质子和中子都受到核力作用 核力在极短程内存在斥力 核力与自旋有关