原子核

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  原子核汉语拼音:Yuanzihe;英语:Atomic nucleus),原子外围的电子去掉,剩下的核心部分就是原子核。简称。原子的尺寸是10-8厘米的量级,而原子核的尺寸是10-13厘米的量级,但原子的质量却几乎全部集中在原子核上。对原子核的性质、结构和运动规律的研究是现代物理学的一个重要内容。原子核的性质因其所处的状态而有所不同。

原子核的组成

  一般认为,原子核由质子中子组成,质子和中子总称为核子。原子核的核子数以A 表示。质子数以Z 表示,中子数以N 表示,A=Z+N

  在一定条件下,一个或两个超子也会被束缚在核内。这种含有超子的原子核称超核介子是可传递核力的,因此现在也在探索真实介子能否成为原子核的成分而束缚在核内。这个问题至今尚无定论。

  原子核物理学中,原子核用 AZXN 表示,X是元素的名称。如氢核记为 11H0 ,氦核记为42He2 等。Z相同N不相同的原子核称为同位素;N相同Z不同的原子核称为同中子素;A相同而N及Z不相同的原子核称为同量异位素。

  原子核的质量实际上测量的是原子质量,规定自然界中的丰度最高的同位素12C质量的1/12为原子质量单位,并以u标记。

    1u=931.494,32 MeV/c2=1.660,539×10-27千克

  其他原子的质量总是接近于这个单位的倍数。例如:

    氢原子11H的质量=1.007,825u

    铀原子23892U的质量=238.050,816u

  原子核的质量应为原子质量减去原子中全部电子的质量,再加上原子中电子的结合能。这样得到的原子核的质量,总是小于组成它的全部中子和质子的质量和。这二者之差,就是原子核的结合能。如:

  一个中子和一个质子的质量和是1.008,665u+1.007,276u= 2.015,941u。而一个氘核的质量是2.013,553u,二者相差0.002,388u,约合2.224兆电子伏,这就是氘核的结合能。

  它表明当一个中子与一个质子结合成氘核时,要放出2.224兆电子伏的能量,它同时也是氘核分裂为自由中子和质子所需要的最小能量。而化学反应释放的能量是电子伏特的量级,所以核反应释放的能量要比化学反应几乎大百万倍。核的总结合能B被质量数A除,称为该核每个核子的平均结合能。

原子核的大小

  研究原子核大小最直接的方法,是用高能电子散射测定核内质子数密度分布ρZ(r)。近年来的实验表明,有少数原子核,特别是一些不稳定核,它们的分布可相差很多,形成所谓的中子皮、中子晕,偶尔还有质子晕。

  原子核的自旋和原子核的磁矩 原子核的自旋就是原子核的总角动量,它是质子、中子的自旋角动量与它们的轨道角动量的矢量和。同一原子核处于不同的能级时,自旋可以不同。习惯上把处于基态的自旋称为核的自旋。

  质子和中子都有磁矩,质子的轨道运动对磁矩也有贡献,因此自旋不为零的原子核都有磁矩。核磁矩的单位是核磁子μN

  一些核素的自旋和磁矩的测定值见表。利用核壳层模型,可从理论上计算核自旋和磁矩。自旋的计算结果,一般可与实验相符;磁矩差一些。加在自旋数值右上角的“+”或“-”表示宇称的正负。

原子核的形状和电四极矩

  各种原子核具有各种不同的形状。同一原子核处于不同状态时形状也有差异。一般来说,可分为球形、长椭球、扁椭球等。满壳核(见核壳层模型)的基态是球形的。两个满壳之间的核的基态是偏离球形的,如稀土区元素的核的基态为椭球形。16O的基态是球形的,但它的某些激发态形状有所改变。这种对球形核偏离的核称为变形核。有些原子核的形变很大,长短轴之比可达到2∶1,这样的原子核又称超形变核。

  变形核的电荷分布与球形的偏离程度,常用电多极矩来描述。电多极矩可分为电偶极矩、电四极矩等。原子核没有电偶极矩,最重要的是电四极矩。

原子核的同位旋

  最初引进同位旋的概念是为了描述核子的两种不同的电荷状态(质子态、中子态),核子的同位旋矢量的第三分量为1/2或-1/2,分别对应这两种状态。原子核的同位旋是核内核子同位旋的矢量和,同位旋量子数用T表示,同位旋第三分量用T3表示。

  具有Z个质子、N个中子的核,T3=(Z-N)/2原 子核的总电荷数为T3+A/2。核反应中,系统在反应前与反应后的总电荷守恒,核子数也守恒,因此T3也守恒。

原子核的宇称

  原子核的状态是具有确定的宇称的。一个原子核状态的宇称的奇偶,可通过核反应或核衰变来确定。同一个原子核的基态和激发态的宇称可是不同的。宇称在强相互作用(如核力)下是守恒的,在弱相互作用(如β衰变)下是不守恒的。