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位于浙江海盐的秦山核电站是我国第
一座自行研究、设计、建设的核电
站.1991年12月首次并网发电,结束了 中国大陆无核电的历史.上图为全景, 下图为主控制室.
三.原子核的自旋和磁矩
原子核的角动量称为核自旋(nuclear spin).原子 核角动量大小为
PI I(I1)
h2,I为核自旋量子数,可以取半整数或整
Izg2m epP Izg2m epm IgIm N
其中
N2em p5.05 018 0 27 JT-1
称为核磁子(nuclear magneton),是核磁矩的单位.
定义核磁矩大小为mI 取I 时的Iz 值,即gIN .
质子磁矩大小为2.793N,并不是“理所当然”的 为 1N( 电 子 磁 矩 1B) ； 中 子 磁 矩 大 小 为 1.913N ,并非“当然为零”(因为中子不带电).
E/A
的大小可以作为核稳定性的量度.
比结合能曲线
获得原子能的途径：重核裂变、轻核聚变. 原子弹和氢弹就是分别利用重核裂变和轻核聚变 原理研制出来的核武器.
右图分别为中国第一颗 原子弹(1964年)和第一 颗氢弹(1967年)爆炸时 产生的蘑菇云.下图为 美国投到广岛的原子弹 “Little Boy”.
这说明：
❖ 虽然中子整体不带电,但它内部还存在电荷分 布；
❖ 质子和中子都不是几何的“点”,而具有内部 结构.
1964年盖尔曼和茨威格
(G. Zweig, 1937– )独立
地提出质子和中子不是
基本粒子,而是由更基
本的夸克(quark)组成.质
子由2个上夸克和1个下
夸克组成；中子由1个
上夸克和2个下夸克组
13章原子核和放射性
❖ 1911年卢瑟福通过金箔对 粒子的散射实验确立了原子 的核式模型,即原子由处于中 心的原子核和核外运动的电 子组成.由此开始了对原子核 的探索.
金箔对粒子的散射实验
卢瑟福(E. Rutherford, 1871– 1937) 英 籍 新 西 兰 物 理 学 家 .1908 年 因 研 究 元 素 的 蜕 变和放射化学获诺贝尔化学
成.由于质子电荷量为1
个 元 电 荷 , 因 此 夸 克 带 盖尔曼(M. Gell-Mann, 1929–69 年 因 对 基 本 粒
子及其相互作用的分类所作的贡
献和发现获诺贝尔物理学奖.
原子核磁矩在外磁场作用下将产生附加能量,导致 能级分裂.在外磁场中的原子核将吸收特定频率的 电磁波,这种现象称为核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR).
数. 角动量在空间某一方向的投影是量子化的
PIzmI
mI为核自旋磁量子数.对于确定的I 值,mI 可取
I,I 1,I 2,…, I + 1, I,共2I + 1个值.
原子核的自旋与状态有关,激发态原子核的自旋 不一定等于基态的自旋.实验发现基态时
质子、中子数目
原子核的自旋I
奇偶核或偶奇核
半整数
偶偶核
A Z
X
的结
合能 E定义为
E ( Z A X [ Z )( 1 1 H M (A ) Z ) M ( 0 1 n M )( Z A X c 2)]
式中
M
(11 H) 、
M
(
1 0
n)
及
M (ZAX) 分别表示氢原子、
中子及
A Z
X
原子的质量.
原子核的结合能 E 与该核核子数A的比值称为 比结合能(specific binding energy)：
E2 mI 1/2
mI 1/2 E gN B
E1
氢核在外磁场中的能级
拉比(I. Rabi, 1898–1988, 左)美籍奥地利物理学家,1944年因用共振方法 记录了原子核的磁特性获诺贝尔物理学奖.布洛赫(F. Bloch, 1905–1983, 中)美籍瑞士物理学家和珀塞尔(E. Purcell, 1912–1997, 右)美国物理学 家,1952年因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现获诺贝尔
原子核的质量常用原子质量单位(atomic mass unit)
u表示,原子质量单位定义为自然界中碳最丰富的
同位素
12 6
C
原子质量的1/12.
1 u 1 1m 2 (1 6 C 2 1 ) .65 6 3 0 1 2 9 0 k 7 g 9.5 3 M 1c 2 eV
质子质量 mn1.008 665 u 中子质量 mp1.007 276 u 质量数为A的原子核质量近似为Au.
零
奇奇核
整数
原 子 核 不 仅 具 有 自 旋 , 也 具 有 核 磁 矩 (nuclear magnetic moment).
核磁矩一方面来自核子的自旋磁矩,另一方面来 自各核子的轨道磁矩.但核磁矩并不是各核子磁 矩的简单相加.
核磁矩矢量与核μI角动g 量2me矢p 量PI成正比
其 中 mp 为 质 子 质 量 ,g 称 为 朗 德 因 子 (Lande g factor),或称原子核的g因子(g-factor),不同核的 g因子不同.核磁矩在z轴方向上的投影为
一类具有确定质子数和核子数的中性原子称为
核素(nuclide),用
A Z
X
表示.其中X为元素符号,Z和
A分别表示原子序数和原子质量数.
质子数相同的不同核素称为同位素(isotope)；具 有相同中子数,不同质子数的异类核素称为同中 子异位素(isotone)；质量数相同,质子数不同的 一类核素称为同量异位素(isobar)；质量数和质 子数相同而处于不同能量状态的一类核素称为 同核异能素(isomer).同位素在自然界中的含量百 分比称为同位素丰度(isotope abundance).
奖.
§13–1 原子核的基本性质
一.原子核的组成
1896年贝克勒尔发现铀的放射性,1898年居里夫妇 发现了放射性元素钋和镭. 1919年卢瑟福发现质子(proton). 1932年查德威克发现中子(neutron). 海森伯等人提出原子核是由质子和中子组成的.质 子和中子统称为核子(necleon). 原子核中的质子数等于核外电子数,即原子序数Z. 原子核的质量数A就是核子的总数,若以N表示中 子数,则A=Z+N.
原子核半径与核子数有近似关系
R R0A1 3
式中R0 1.210 15m. 因此,原子核体积很小,密度很大.
二.原子核的结合能
原子核的质量总是小于组成该原子核的核子质量 之和,两者的差值称为质量亏损(mass defect).
自由核子结合成原子核时释放的能量称为原子核
的结合能(binding
energy).任意一个核素
