放射卫生与防护第一章

放射卫生(物理)与防护,教学课件,1.1原子核及核外结构1.2原子能级1.3能量和辐射1.4能量放射,第一章物质结构及其性质,1.1原子核及核外结构,一、原子概念的确立,1、物质结构自然界由物质构成,？,还有结构！,氢(H)元素的序号为1，氦(He)、碳(C)、铅(Pb)、铀(U)序号分别为2，6，82，92,（1）不同的原子有不同的质量（2）原子质量单位：碳单位,12u(u为原子质量单位),H：1.078252uHe:4.0026036u,2、原子的质量,M：以克为单位时,一摩尔原子的质量。N0:阿伏加德罗常数。(6.022x1023/mol),原子量最接近的整数，叫质量数：A,将原子的质量用“原子质量单位”表示，叫原子量：M,氢的原子量MH=mH6.0220451026=1.007825uA=1氧的原子量MO=mO6.0220451026=15.99455uA=16碳的原子量MC=mC6.0220451026=12.000000uA=12,某元素的原子量M，也是该元素的mol质量。,因此，m克（g）某种原子的总数目为：,例如铁（Fe）的原子量MFe=55.93则1克铁中含有的铁原子数？,NA：阿伏伽德罗常数,3、原子的大小,将原子看作是球体,其体积为,一摩尔原子占体积为,原子的半径为,例如Li原子A=7，=0.7，rLi=0.11nm；Pb原子A=207，=11.34，rPb=0.16nm；,是原子质量密度,表1.1几种元素原子半径的大小,4、同位素,99.985%,同种元素、质量不同的原子在元素周期表中占有同一位置同位素,9.2%,元素109种，连同位素(包括人造)2700种,同位素分离（分布）质谱仪（可测量原子量）,如有同位素、（氘、氚）,有同位素、,90.5%,结论：原子很小，但有结构！,何以见得？,1895，1896，1897三年有三个重大发现，启发了科学家，有了实验支持！,后来精确测定：me=9.109534510-31kg，e=1.602189210-19C,电子比原子小，原子中包含电子？还有其他什么？,4、原子的组成,1897年汤姆逊从如右图放电管中的阴极射线发现了带负电的电子,并测得了e/m比。1910年密立根用油滴做实验发现了电子的电量值为e=1.6021019（c）从而电子质量是me=9.1091031kg=0.511MeV/c2=5.487104u原子是由电子和原子核组成的,这是卢瑟福在1911年提出的原子模型。,电子的发现JosephJohnThomson,1906年获诺贝尔物理奖,1903年J.J.汤姆孙提出：原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为10-10m的球体内，而原子中的电子浸于此球中。,1、原子的葡萄干蛋糕模型,缺点：不能解释正负电荷不中和；不解释粒子大角度散射。,2、粒子散射实验,二、核外结构,实验装置,金箔,可以记录散射到不同方向去的粒子数,原子核,内有ZnS荧光物质,整个装置在真空中（避免空气分子对散射的影响）,是1909年卢瑟福与他的学生和同事一起做的,分析：,绝大多数粒子穿过金箔后偏转角度很小，平均23；竟然发现有少量偏转角较大，约有1/8000的粒子偏转角大于90，有的几乎达180。,粒子大角度散射否定了汤姆孙的原子模型。,实验结果及其理论分析：,对此，卢瑟福感到很惊讶：“就象一枚15磅的炮弹打在一张纸上又被反弹回来一样，不可思议”,为何会有如此现象呢？,引力作用(很小,不可能),电力作用,负电荷部分(电子,不可能)正电荷部分,足球,乒乓球,粒子受到原子中带正电部分的作用发生偏转！,正电荷在原子中是如何分布的呢？,根据实验结果：,Ze很小,可视为点电荷,受斥力反弹,原子内很空旷(大部分粒子几乎不偏转),原子中正电部分集中在一个很小的体积内(极少数有大角偏转，甚至有反弹的，180),可推出,例如,金Z=79,粒子E0=5.5MeV,60代入得到,注意这个数量级！,若b=0(瞄准了),则=180,此时粒子与核的最接近距离rmin=？,可以推导：,根据机械能守恒,rmin(核半径的数量级),rmin10-1510-14m,(势能为0),(v=0),E0(初动能),(势能),3、卢瑟福的原子有核模型或行星模型,1911年，卢瑟福根据粒子的散射实验，提出原子的有核模型或称行星模型：原子中心是一个几乎占有全部原子质量的带正电荷的核，电子绕核旋转，核与整个原子相比很小很小。,核：10-1510-14m,原子：10-10m,小，万分之一或十万分之一,可见，原子非常空旷！,ErnestRutherford每一谱线的波数都可表达为：两个光谱项之差。,统一公式,表面上如此繁杂的光谱线可以用如此简单的公式表示，这是一项出色的成果。但是它是凭经验凑出来的，它为什么与实验符合得如此之好，在公式问世将近三十年内，一直是个谜。,2.1光谱-研究原子结构的重要手段,1光谱及其分类,光谱（spectrum）,电磁辐射频率成分和强度分布的关系图,光源,分光器（棱镜或光栅）,纪录仪（感光底片或光电纪录器）,光谱仪将混合光按不同波长成分展开成光谱的仪器。,按光谱结构分类,连续光谱,固体热辐射,线光谱,原子发光,第二节原子的能级,带光谱,分子发光,按光谱机制分类,发射光谱,吸收光谱,光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息,一、经典理论的困难,2.2玻尔氢原子理论,1经典理论（行星模型）对原子体系的描述,库仑力提供电子绕核运动的向心力：,原子体系的能量：,电子轨道运动的频率：,2经典理论的困难,!原子稳定性困难:,电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径不断减小，最后落入核内，原子塌缩。,原子寿命,!光谱分立性困难:,电子绕核运动频率,电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。,描述宏观物体运动规律的经典理论,不能随意地推广到原子这样的微观客体上。必须另辟蹊径！,二、玻尔的基本假设,氢原子光谱的经验公式：,两边同乘：,物理含义,左边：为每次发射光子的能量；,右边：也必为能量，应该是原子在辐射前后的能量之差,原子的能量仍采用负值，则原子能量的一般表示：,玻尔基本假设(1913年),(1)定态（stationarystate）假设,电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电磁波，能量稳定。,电子轨道和能量分立,(2)跃迁（transition）假设,吸收,发射,原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收或发射能量。,频率条件,吸收,吸收,跃迁频率：,一个硬性的规定常常是在建立一个新理论开始时所必须的。,(3)角动量量子化假设,为保证定态假设中能量取不连续值，必须取不连续值，如何做到？,玻尔认为：符合经典力学的一切可能轨道中，只有那些角动量为的整数倍的轨道才能实际存在。,三、关于氢原子的主要结果,1、量子化轨道半径,圆周运动：,电子定态轨道角动量满足量子化条件：,氢原子玻尔半径,轨道量子化,电子的轨道半径只能是，等玻尔半径的整数倍，即轨道半径是量子化的。,电子的轨道运动速度：,精细结构常数：,有用的组合常数：,2、量子化能量,能量的数值是分立的，能量量子化,基态（groundstate）,激发态（excitedstate）,电离能：将一个基态电子电离至少需要的能量。对氢,13.59eV.,结合能：移走某个轨道电子所需的最小能量。,对氢原子,（理论值）,（实验值）,3、氢原子光谱,例题：如用能量为12.6eV的电子轰击氢原子，将产生哪些谱线？,解：,取n=3,因为n只能取整数,所以氢原子最高能激发到n=3的能级,当然也能激发到n=2的能级.于是能产生3条谱线。具体计算见下页：,可能的轨道跃迁：31，32，21,1、能量是量子化的主量子数n,n=1时,En=-13.6ev,称为基态;与玻尔理论相符合,n=2、3、4.,称为激发态,K、L、M、N、O、P、Q主壳层,决定电子的能量,主量子数,n=1、2、3、4、5、6、7主量子数或能量量子数.,分别对应主壳层的名称为:,电子饶核旋转，“轨道”角动量是量子化的,注意：角动量量子化是通过解Schrdinger得出的,并非人为假设.,角动量量子数,决定电子绕核运动的角动量,2、角动量量子数,S,p,d,f,g,h,0,1,2,3,4,5,0,即能量为En的原子,角动量有几种可能的值。也可以说，同一主壳层的电子又处在不同的分壳层上。,量子力学中通常用小写字母s.p.d.f.g.表示这些状态.,分壳层,角动量在空间取向不是任意的,以外磁场为Z轴方向,则角动量在Z轴上的分量:,Z,Z,称为“磁量子数”或“轨道磁量子数”,3、磁量子数,氢原子的电子在核外各处的概率分布电子云,4.电子的自旋,1921年，施忒恩（O.Stern）和盖拉赫W.Gerlach）发现一些处于S态（l=0)的原子射线束，在非均匀磁场中一束分为两束。,准直屏,实验验证,实验结果：,无外磁场,奇怪！,出现对称的两条细线?,有外磁场,电子的自旋量子数,电子的自旋,怎样解释这一奇怪的现象呢？,美国物理学家克罗尼格（R.L.Kroning)提出电子绕自身的轴自旋的模型,并作了一番计算.并急忙去找泡利,但遭到泡利的强烈反对,并对他说:“你的想法很聪明,但大自然并不喜它”.因泡利早就想到过这一模型,并计算出电子速度要超过光速。所以必须放弃。,半年后，荷兰物理学家埃斯费斯特的两个学生乌仑贝克和高斯密特（G.E.UhlenbeckandS.A.Goudsmit)在不知上述情形下，也提出了同样的想法，并写了一篇论文，请埃斯费斯特推荐给“自然”杂志。并将论文寄出。接着又去找洛仑兹，洛仑兹热情地接待了他们。但一周后，洛仑兹交给他们一叠稿纸。并告诉他们，如果电子自旋，其表面速度将超过光速，但论文已寄出，他们后悔不已。,幸运的是论文得以发表。论文发表后，海森伯表示赞许，后经爱因斯坦等人的努力，物理界普遍接受了自旋的概念，但泡利始终反对。,关于电子自旋问题，量子力学中得到一结论：,（4）.电子自旋角动量S的大小：,S称自旋量子数，取值仅有一个值“1/2”,即,（5）电子自旋角动量在空间的取向是量子化的，S在外磁场方向的投影：,称为自旋磁量子数，它只能取两个值：,因此在量子力学中，对原子的电子的状态通常是用四个量子数来确定的。,主量子数决定电子的能量。,角量子数决定电子绕核运动的角动量,磁量子数决定电子绕核运动的角动量矢量在外磁场中的空间取向，,自旋磁量子数决定自旋角动量在外磁场中的的空间取向，。,二、各种原子中电子的排布,取决于原子中电子的四个量子数,n，l，ml，ms,、原子的壳层结构,同一壳层（Shell）中的电子离核的距离大致相同,支壳层（Subshell）-按角（副）量子数的不同而分的壳层。,注意：对多电子的原子系统而言：能量主要由主量子n数决定，但也与副量子数有关，故一个支壳层代表了一种能量组态，因此用主量子数与副量子数来表示一个支壳层。如1s、2s、2p,1s,2s,3s,4s,5s,6s,2p,3p,4p,5p,6p,3d,4d,5d,6d,4f,5f,6f,5g,6g,6h,壳层表：,各壳层的电子又是如何排列呢？分析表明基态原子中的核外电子排列满足如下两个原理：,由各量子数可能取值的范围可求出电子的可能状态数：,泡利不相容原理（Pauliexclusionprinciple）,在原子系统内，不可能有两个或两个以上的电子具有相同的状态，亦不可能具有相同的四个量子数。,各支壳层最多可容纳的电子数,各壳层最多可容纳的电子数,三、常用支壳层电子组态表明原子结构,例碳原子：原子系数为6，核外有6个电子,第一壳层最多只能容纳两个电子。余下4个电子填充第二壳层，第二壳层的s态仅级容纳两个电子，余下电子填充在2p能级：,能量最小原理,当原子处在正常状态时电子尽可能地会占据未被填充的最低能级。,由此可见：主量子数越小，能级越低，越被首先填满。,注意：1）对多电子原子，能量或能级也与副量子数有关。因此判别能级高低不能只看主量子数n。我国学者研究出一个判别式：,的值越大者，能级越高。,例：判别4s与3d能级的高低。,对4s能级,对3d能级,电子先填充4s能级，再填3d能级,N,2,8,18,32,50,72,：,各支壳层最多可容纳的电子数：,2,6,10,14,18,22,各壳层最多可容纳的电子数,例1：氯原子有17个电子，写出基态原子组态。,例2：钾原子有19个电子，写出基态原子组态。,各壳层的电子分布示意图:,5、原子的总角动量和总磁矩,绕原子核运动的电子具有轨道角动量和自旋角动量，因此原子的总角动量应是各电子轨道角动量及自旋角动量的矢量和。顺便指出，内层电子的总角动量等于零时，原子的角动量就等于价电子的总角动量。,原子是一个复杂的微观系统。原子和原子核都具有磁矩。与磁矩有关的顺磁共振和核磁共振已成为研究分子生物学和医学成像的一种重要手段，利用核磁共振原理制成的NMR-CT（MRI）是目前空间分辨本领最高的医学检测仪器。能诊断毫米数量级的占位性病变，已得到广泛应用。,同样，价电子的总磁矩是原子的总磁矩，而价电子的总磁矩为轨道磁矩与自旋磁矩的合成，即,因为和绕旋进，故、和都绕的延长线旋进。将分解成一个沿延长线的分量和一个垂直于延长线的分量。后一个分量是绕的延长线转动的，对外平均效果为零。称为原子的磁矩。,由图可见,由几何关系,得,由几何关系,得,利用,代入原子磁矩公式得到单电子的原子磁矩与角动量的关系：,g因子,具有两个或两个以上电子的原子体系，原子的磁矩也可以用类似的方法合成，其结果为,是多电子原子的总角动量。但是朗德因子g对于不同的耦合类型，有不同的表达式。,利用,代入原子磁矩公式得到单电子的原子磁矩与角动量的关系：,二、原子状态的描述,状态：能量、角动量、空间取向、自旋,电子的内禀属性(象电荷、质量一样,在微观粒子中，可用相应的量子数代替这些状态量,1、四个量子数及其意义,（1）主量子数n：n=1,2,3,（2）角量子数l：在n值一定时，l取n个可能值l=0,1,2,n1,（3）磁量子数ml：在l值给定时，ml取2l+1个可能值即ml=0,1,2,l,决定电子能量的主要部分：,决定轨道角动量的大小,决定轨道角动量的空间取向及量子化,（4）自旋磁量子数ms：自旋角动量向上，ms取1/2，自旋角动量向下，ms取-1/2,决定自旋空间取向,2、状态描述及标记,描述电子的状态可用上述一组量子数(n,l,ml,ms),如同用(r,)或(x,y,z,)描述质点的位置状态一样,加转动的话，有4个自由度(r,),如果是单价的原子，这组量子数也可描述原子的状态。,l=0l=1l=2l=3l=4l=5,一般情况下，无磁场时，多用符号标记，如：,n=22s2p,n=55s5p5d5f5g,全面描述(或衡量)电子的状态要用4个量子数(n,l,ml,ms),显然：若两个电子的量子态相同的话，必须是4个量子数全同,3、量子态,即：n,l,ml,ms完整描述电子的一个状态(能量、角动量、外场角动量取向、外场自旋取向),一组(n,l,ml,ms)量子数完整描述电子的状态量子态,不同的量子态能量不同，电子从一个量子态跃迁到另一个量子态，要放出(或吸收)光子！,和,同一n，可有n2个不同的量子态。,n一定，有n个不同的l，而每个l，有(2l+1)个不同的ml每个ml，又有2个不同的ms,同一n，共有量子态数：,三、原子中电子按能层的分布,1、泡利(W.Pauli)原理和能量最低原理,（1）泡利不相容原理：原子中不能有两个或两个以上的电子占据同一个状态。,“不能占据同一个状态”,或曰：一个量子态最多容纳一个电子！,（2）能量最低原理：原子中的电子所占据的状态总是使原子的能量为最低。,2、电子按能层的分布,为了描述原子中电子的分布，通常按主量子数n和角量子数l把电子的可能状态分为能层：,（1）能层及其符号表示,主能层：一个原子中主量子数n相同的一切电子的集合。,亦即：主量子数n相同的电子分布在主能层内。(主要能量相同),随着n的不同，可有许多不同的主能层：,n=1,2,3,4,5,K,L,M,N,O,这些主能层上的电子分别称为K层,L层,M层,N层,O层电子,来源于X射线的术语,亚能层：一个原子中主量子数n和角量子数l相同的一切电子的集合。,l不同能量又有区别，再把主要能量相同的能层分为若干亚能层,对应l=0,1,2,3,4,5,各亚能层分别用s,p,d,f,g,h,表示,相应的，分别称为s电子,p电子,d电子,f电子,g电子,h电,（2）能层所能容纳的最多电子数,理论依据：泡利不相容原理,原子中不能有两个或两个以上的电子占据同一个状态,一个原子中不能有两个电子具有完全相同的4个量子数！,亚能层能容纳的电子数,对给定的n、l，磁量子数ml可有(2l+1)个不同的值；,一个量子态只能有一个电子！,而给定n、l和ml时，自旋磁量子数ms又可取两个不同的值。,对给定n、l，共有2(2l+1)个对ml和ms不全同的量子数！,于是，每一亚能层可有2(2l+1)个不同的量子态即最多容纳2(2l+1)个电子！,主能层能容纳的电子数(对于给定的n),由上式可得，K壳层可容纳2个电子，L壳层可容纳8个电子，M壳层可容纳18个电子，等等。,原子的壳层和子壳层所能容纳的电子数,例分别计算量子数n=2、l=1和n=2的电子的可能状态数。,解：,对n=2、l=1的电子，可取ml=-1,0,1三种状态，对每一种ml，又可取ms=1/2,-1/2。故总的状态数为：,对于n=2的电子，l可取0和1。,l=0时，,因此，共有状态数2+6=8。,例如：,K能层上可能有2个电子(s电子)，表示为1s2,L能层、s亚能层上可能有2个电子，表示为2s2,L能层、p亚能层上可能有6个电子，表示为2p6,L能层最多可有(2+6)=8个电子,即：3s2、3p6、3d10,M能层最多可有18个电子,(M能层),2、元素周期系,每一个周期都从电子填充新一个的能层开始，决定元素物理和化学性质的最外能层的电子数将出现周期性，这是门捷列夫发现的元素周期律的本质。,根据能量最低原理，原子处于正常状态填充能层时，其电子尽可能地占据未被填充的最低能级。,即：能量较低的能层首先被电子填充，只有当低能级的能层被填充满后，电子才依次向高能级的能层填充。,1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,根据泡利不相容原理：在元素周期表中一、二、三、四、五、六能层填满的情况下，分别为2，8，18，32，50，72；实际上周期系为2，8，8，18，18，32,3.原子中的结合能,电子所处的能层离核越近，受核的作用力越大，从原子中移走此电子所需能量越多。,把移走原子中某能层轨道电子所需最小能量，称为该能层电子在原子中的结合能,电子在原子中所处的能级,泡利（W.Pauli，1900-1958）,瑞士籍奥地利物理学家。他21岁获得博士学位，并由导师索末菲推荐为数学科学百科全书写了关于相对论的长篇综述文章，受到爱因斯坦的高度赞许。25岁那年，他提出了后来以泡利命名的“不相容原理”，从而把早期量子论发展到极高的地步。这给当时许多正在探索原子内电子分布问题的物理学家提供了一把金钥匙，并进而得以阐明元素的周期律。他45岁时，因发现“泡利不相容原理”，而获得诺贝尔物理学奖金。至今，这个原理仍是量子力学的量子统计等微观领域的重要基础之一。,泡利不相容原理,1.4原子核的基本性质,是原子的核心，线度占万分之一，质量占99%以上，原子核对原子的主要贡献是原子核的质量和电荷。,是指原子核的静态性质（由外部观察所得到）。,卢瑟福提出原子的核型结构模型。氢原子核有最小的电荷数和质量数，而其他原子核的电荷恰好是氢核电荷的整数倍。于是可以确认质子是核的基本成员。,一、原子核的组成,1919年卢瑟福曾用粒子轰击氮核，结果产生一个氧核和一个氢核。这说明氮核中确定存在有氢核。于是断定氢核是构成其他原子核的带电的基本粒子，并定名为质子，用符号p表示。质子的质量为：,(1)原子核的组成之一：质子,问题，原子核是否仅由氢原子核构成呢？,有人提出原子核质子-电子假说,1932年查德威克发现中子后，伊凡宁柯和海森伯提出核的质子-中子假说。,（当时发现某些核衰变有电子放出，似乎为这一说法提供了依据）,但遇到不可克服的困难。无法解释核自旋的实验事实。,(2)原子核的组成之一：中子,从AZ可见，一个的原子核并非仅包含Z个质子！,1930年玻特和贝克用粒子轰击铍核时，发现有一种不带电的粒子射线放出来。后来查德威克分析发现并命名为中子。中子是一种构成其他原子核的不带电的另一个基本粒子，用符号n表示，其质量与质子相近。,后来宇宙中还发现了大量由中子聚合而成的中子星。,中子在原子核外并不稳定，一个核外的自由中子的平均寿命约为19分钟，它将衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子()因此自由中子是有放射性的。,质子、中子统称为核子。,海森伯认为它们是核子的两个不同状态，核内中子质子间可互相转化,质子1.007276u是电子的1836.1倍；中子1.008665u是电子的1838.1倍。,质子中子两者质量略有差异：,质量数A=核内总核子数,整个原子呈电中性：质子数=核外电子数,核的符号标记：,原子核由Z个质子和个中子构成。是一种什么力使质子与质子，质子与中子，中子与中子紧紧地束缚在一起？,是电磁力？,不是！质子带正电，在的线度范围内，斥力是很大的。中子又不带电。不可能是电性力使质子与中子聚集成原子核；,是万有引力？,更不是！万有引力太小，它仅是电磁力的。研究发现，是一种叫作核力的强相互作用力。,(1)核素(nuclide),有关核物理的几个概念名词,具有确定数目的质子和中子的原子核核素,质子数Z相同而中子数N不同的各核素统称为某元素的同位素；,两不同核素：、,质量数A相同、质子数Z不同,质子数Z相同、中子数N不同,(2)同位素(isotopes),有的核素没有同位素，如：,同位素在自然界中存在的含量比例一般不同。,同位素中各核素天然含量的百分比称为同位素丰度,16O17O18O99.7560.00390.205,中子数N相同而质子数Z不同的核素同中异荷素,(3)同中异荷素(isotones),如：,(4)同量异位素(isobars),核子数A相同而质子数Z不同的核素同量异位素,如：和,和,(5)同质异能素(isomers),原子核组成相同但能量状态不同的一类核素同质异能素,其表示方法是在核素符号的质量数A之后加写m,(m代表高激态)是的同质异能素,同质异能素具有相同的质子数和中子数，只是能量状态不同，与激发态在本质上并无区别！,(6)偶偶核、奇奇核及奇A核,质子数Z和中子数N都是偶数的核称为偶偶核,核子数A是奇数的原子核称为奇A核,质子数Z和中子数N都是奇数的核，称为奇奇核,又可分为两类：Z偶N奇的核称为偶奇核，如：而Z奇N偶的核称为奇偶核,2700多种核素：一类天然的(280多种稳定，60多种有天然放射性)另一类是人工放射性核素(有2300多种)。理论预言有5000种核素。,原子核具有自发进行的放射性衰变，反映了原子核的不稳定性。,为了研究原子核的不稳定性，寻找不稳定性与核所包含的质子数和中子数的关系，将核素都标在核素图(chartofnuclides)上,核素图以质子数Z为纵坐标、以中子数N为横坐标。,从核素图上看到，稳定的核素都分布在一个狭长的带状区域内，通过这狭长带状区域中心可画一条光滑曲线，这条曲线称为稳定线(-stabilityline)。,稳定线及其附近的这个狭长的带状区域称为核素的稳定区。稳定线起始段与N=Z的直线相重合(1:1)；随着核子数增多偏向NZ方向(1.3:1)。,在稳定线的起始段，曲线走向满足N=Z，在轻核中，中子数与质子数相等核才趋于稳定。,上侧区域是缺中子的核素区，具有放射性(包括电子俘获)或放射质子；下侧的区域是丰中子核素区，具有放射性或放射中子。这两个区域的核素经衰变后转变为更靠近稳定线的核素。,随着Z的增大，由于质子间库仑作用，稳定线向NZ的方向偏离。,随着Z增大，库仑力比核力增加得更快，为保持核稳定，必须靠更多中子提供更大的核力来抵消库仑力的排斥作用。稳定核素的中子数比质子数增加得更快。,当Z增大到一定程度，稳定核素不再存在；Z再增大，连长寿命放射性核素也不能存在了，已知核素区就逐渐终止了。核力已不能克服质子间的库仑作用将原子核结合成一个紧密的实体。,二、原子核的电荷、质量和半径,1、原子核的电荷,带电性是原子核的一个重要特征。,散射实验证实，原子核都带有正电荷，而且是电子电荷的整数倍。也可以由原子的电中性推出：,核电荷Q=+Ze，e是电子电量的绝对值核电荷数=核外电子数=原子序数,目前已知原子核的电荷数Z=1109(109种元素),自然界Z=43,6l,94的原子核不存在(人工获得)；Z=85,87,93和94的,在自然界中仅有极少量；Z92的元素叫做超铀元素。,测定核电荷数Z的实验方法：化学方法；利用散射；利用X射线谱。,2、原子核的质量,原子核的质量是它另一个重要特征。,单位：原子质量单位（u）,几种同位素的原子质量,据间接测定推断，核内电荷和物质近似球对称分布，可用核的半径来表示核的大小。,3、原子核的大小,核的半径大约10-1410-15m,是原子半径的10-410-5倍。,高能电子散射实验发现核电荷分布体积正比于质量数A。若把原子核看作球体，则,上式可写为：,散射实验电荷作用半径高能电子散射核力作用半径,r0称为核半径参量(r0不完全是常量，从重核到轻核大小不同),fm或F是核领域中常用的长度单位读作费米，1F=10-15m,根据上式可以算得核的半径分别为:,已知核半径，可求核体积：,核密度,VA，A，V。每个核子的体积为：,类似于某种液体！,例：计算出核物质密度，并与一般物质的密度作一比较。,水的密度w=1T/m3，而N=2.291014Tm-3=2.291014w,即：核物质的密度N=2.291017kgm-3,密度如此之大的核物质，在地球上尚未见到。星际中发现中子星密度有如此之大。,若取乒乓球半径为2cm，则M=NV=7.67109T乒乓球大的核物质达77亿吨！,晚期恒星由于自身引力使星体剧烈收缩(引力坍缩)，内部温度高达1011K，燃烧产生大量中子和质子，自由质子转变为中子，形成中子星密度高达10171018kgm-3,(J.Chadwick,18911974)(W.K.Heisenberg,19011976),三、原子核的角动量和磁矩,核子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和核的总角动量也称为核的自旋,1、原子核的角动量,(中子和质子的自旋磁量子数自都是1/2),所有核子的总角动量,总角动量：,所有核子的总自旋角动量,所有核子的总角动量,(jj耦合),(LS耦合),根据量子力学理论核的总角动量大小为,I为核自旋量子数，取整数，即0，1，2，或半整数，即1/2，3/2，5/2，,核自旋磁量子数mI取值为：I,I1,-I计(2I+1)个可能值,PN的取向也是量子化的，其投影值PNz为,实验测得：偶A核的最高自旋为14奇A核的最高自旋为15/2(Z偶N奇),例如: