核物理科普系列一

1895年,德国物理学家威廉·康拉德·伦琴发现X射线、1896年,法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔发现放射性、1897年,英国物理学家约瑟夫·汤姆孙发现电子,这三大发明揭开了近代物理的序幕,物质结构的研究开始进入微观领域。

一、原子与原子核

原子是元素的最基本单元,由原子核和围绕原子核的电子组成。

原子核由中子和质子组成,中子和质子的质量大致相同,但质子带一个单位的正电荷,中子是中性的。原子核内质子数和中子数的总和叫做原子质量数。

二、原子壳层结构

1911年,欧内斯特·卢瑟福根据α粒子的散射实验提出了原子的核式模型假设,即原子是由原子核和核外电子所组成。

原子的壳层结构:原子结构模型类似太阳系,太阳-原子核,行星-核外电子。

原子核核外电子又常称为轨道电子,把电子看成沿一定的轨道运行。电子在核外各轨道呈一定的概率分布,但在一定的轨道上的概率分布上的概率分布较大而已。

原子的轨道电子离核的距离是不能任意取值的,这也是微观世界的量子特性的一种表现。电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层。K层、L层、M层、N层、O层等,通常用量子数n(n=1,2,3,…)代表壳层,并分别对应K层、L层、M层…,每个壳层最多可容纳2n2个电子。

除了K层外,其它壳层又可分成若干的支壳层,支壳层的数目等于(2l+1)个,其中l=n-1,l是描述电子轨道的量子数。通常用壳层符号及其右下标的罗马数字来表示支壳层。如LⅠ表示L壳层的第一个支壳层,可称为壳层LⅠ和MⅡ壳层。

处于不同壳层的电子具有不同的位能,通常用能级图来表示其大小。离壳层越近其能级越低。

能级的能量大小就等于该壳层的结合能。能合能是负值,通常以KeV为单位,K壳层电子的结合能的绝对值最大。

用三个最子数n、l和j来描述不同的能级,其中n(=1、2、3、…)和l(=0,1,2,…)是与电子轨道运动相关的量子数,而j是与电子的自旋运动相关的量子数,j与l的关系是j为l±1/2。量子数nlj的不同组合区别不同的支壳层。每个支壳层最多可容纳2j+1个电子。

在正常状态下,电子先充满较低的能级,但当原子受到内在原因或外来因素作用时,外在低能级的电子有可能被激发到较高的能级上(称为激发过程);或电子被电离到原子的壳层之外(称为电离过程)。

在上述情况下,在原来的低能级上会留下一个空位,更高能级上的电子就跃迁到这个空位,相应放出此两能级之差的能量,一般这部分能量主要以电磁辐射的形式释放一个光子。当发生内层电子跃迁(如K层出现一个空位,L层电子跃迁到K层),此时光子能量较高或者说其电磁辐射的频率较高),而且不同元素的原子均有不同、特定的能量,所以又通常称作特征X射线。

特征X射线的能量(或相应波长)满足下面公式:Ex=hc/λ=E1-E2(h为普朗克常数值为6.6260755E-34Js

特征X射线根据其产生的情况可以分为K系、L系、M系特征X射线,每系都含有若干能量不同的X射线。K系特征X射线是由K壳层之外壳层的电子跃迁到K壳层空位时发射的特征X射线。

并不是所有较高的能级的电子都可以向较低的能级跃迁,而需要满足一定的选择定则。

三、原子核的组成及其稳定性

1897年居里夫妇发现放射性元素钋和镭;

1903年卢瑟福证实了α放射是正电荷的氦原子核,β射线是电子;1911年进而提出原子的核式模型;

1、原子核的组成及其表示

1932年查德威克发现中子,海森堡立刻提出原子核是由质子和中子组成的假设。

中子为中性粒子,质子为带有单位正电荷的粒子。任何一个原子核都可由符号右下标N表示核内中子数,左下标Z表示质子数或称电荷数,左上标A(A=N+Z)为核内的核子数,又称为质量数。核素符号X与质子数Z具有唯一、确定的关系。

物质的许多化学及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关;而放射现象则主要归因于原子核。

2、原子核的稳定性及核素图

核素(nuclide):在其核内具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子;

根据原子核的稳定性,可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在着密切的关系。

核素图:图中每一格代表一个特定的核素;黑色或公平合理有斜线条的核素为稳定核素,格中百分数为该核素的丰度;白底的核素为不稳定的放射性核素,格中αβ-β+表示该核素的衰变方式,箭头指向为衰变后的原子核,时间表示半衰期的值;

在现代的核素图上既包括天然存在的332个核素(其中280多个是稳定核素),也包括了自1934年以来人工制造的1600多个放射性核素,一共约2000个核素;

β稳定核素图:横坐标为质子数,纵坐标为中子数N(同位素、同中子异荷素、同量异位素);稳定核素几乎落在一条光滑曲线上或紧靠曲线的两侧,这条曲线称为β稳定曲线;对于轻核稳定曲线与直线N=Z重合,当N、Z增大到一定数值之后,稳定性逐渐赂N>Z的方向偏离;在Z小于20时核素的N与Z之比约为1;在Z为中等数值时约为1.4;Z等于90左右时约为1.6;

位于稳定曲线上方的核素为丰中子核素,易发生β-衰变;位于稳定曲线下方的核素为缺中子核素,易发生β+衰变。

由于库仑力是长程相互作用力,它能作用于核内的所有质子,正比于A(A-1);而核力是短程力,只作用于相邻的核子,正比于A。随着Z的增加,A也随之增加,库仑相互作用的影响增长得比核力快,要使原子核保持稳定,必须靠中子数的较大增长来减弱库仑力的排斥作用,因此,随着Z(A)的增长,稳定核素的中子数比质子数越来越多,越来越大地偏离Z=A直线。不过当Z大到一定程度,稳定核就不复存在,稳定核素区慢慢就终止了。

在1966年左右,理论预告在远离β稳定曲线的Z=114附近,存在一个超重稳定元素岛;

原子核的稳定性还与核内质子数和中子数的奇偶性有关,自然界存在的稳定核素共270多种,若包括半衰期109年以上的核素则为284种,其中:偶偶(e-e)核:166种;偶奇(e-o)核:56种;奇偶(o-e)核:53种;奇奇(o-o)核:9

根据核内质子数和中子数的奇偶性,可以看出:偶偶核是最稳定的,稳定核最多;其次是偶奇核和奇偶核;而奇奇核最不稳定,稳定核素最少;

当原子核的中子数或质子数均为2、8、20、28、50、82和中子数为126时,原子核特别稳定。把上述数目称为幻数。

四、原子核的大小和质量

原子大小:原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征的,原子可以设想为电子以原子核为中心的,在距核非常远的若干轨道上运行;原子的大小半径为10E-8cm的量级;

原子核的线度只有几十飞米(1fm=10E-3m=10E-15cm),而密度高达10E8t/cm3。

质量:原子核的质量远远超过核外电子的总质量,因此,原子的质量中心和原子核的质量中心非常接近;

中子和质子的质量相关很小,它们的质量分别为mn=1.00866492u;mp=1.00727646u;这里u为原子质量单位,1960年国际上规定把C-12原子质量的1/12定义为原子质量单位,用u表示,1u=1.6605402E-27kg=931.494013MeV/c2;

原子的质量99%以上集中在原子核上,但是原子核的体积仅占原子体积的万分之一。若将原子比做一个庞大的体育场,而原子核只相当于一只蚂蚁。

五、原子核的结合能:

1质能联系定律

质量和能量都是物质同时具有的两个属性,任何一个具有一定质量的物体必须与一定的能量相联系;

质量和能量的相互关系为:E=mc2,其中物体的能量E以J为单位,物体的质量m以kg为单位;

它表示任何具有mkg质量的物体一定具有J的能量;如果在运动过程中能量发生变化质量一定随着发生相应变化;

根据相对论的观点,物体质量的大小随着物体运行状态的变化而变化,若物体静止时的质量为m0,m=m0/(1-(v/c)2)1/2,当v<<c时m≈m0。

如果一个体系从外界吸收ΔE的能量,则这个体系的质量就增加Δm=ΔE/c2,反之如果一个体系向外界辐射ΔE的能量,则这个体系的质量就减少Δm=ΔE/c2,

2原子核的质量亏损

定义原子核质量亏损为组成原子核的Z个质子和A-Z个中子的质量与该原子核的质量之差,记作Δm(Z,A),Δm(Z,A)=Zmp+(Z-A)mn-m(Z,A)

3原子核的结合能

核子结合成原子核时会释放出能量,这个能量称之为结合能;

一个中子和一个质子组成氘核时会释放出2.225MeV,这就是氘的结合能;

当有能量为2.225MeV的光子照射氘核时,其将一分为二,飞出质子和中子;

在化学和原子物理中,任何两个物体结合在一起,都会释放一部分能量;

4比结合能

原子核的结合能B(Z,A)除以质量数A所得到的商,称为平均结合能或称为比结合能εε(z,A)=B(Z,A)/A,其单位是MeV/Nu,Nu代表核子。

比结合能的物理意义为原子核拆散成自由核子时外界是对每个核子所做的最小的平均功或表示核子结合成原子核时平均一个核子所释放的能量;

ε表征原子核结合的松紧程度,其值大核结合紧,稳定性高;其值小核结合松,稳定性差;

比结合能曲线(与核素图一起是原子核物理学中最重要的两张图)两头低、中间高,在开始时有些起伏,逐渐光滑达到极大值(约8MeV),然后又缓慢变小;

当结合能小的核变成结合能大的核,即当结合能比较松的核变到结合得紧的核,就会释放能量;

有两个途径可以获得能量:一是重核裂变(原子反应堆和原子弹),二是轻核聚变(氢弹和可控聚变反应);所谓原子能主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量;