原子物理学10-3

1、原子核随质子数和中子数的增加显示出周期性的原子核随质子数和中子数的增加显示出周期性的变化。变化。原子核的壳层模型原子核的壳层模型1）Z=2和和N=8的原子核，如的原子核，如 ，比邻近的，比邻近的Z值和值和N值的核稳定得多。值的核稳定得多。2）N=82的稳定原子核最多，的稳定原子核最多，N=50的稳定原子核的稳定原子核次多，含有其它中子数的稳定核数目较少。次多，含有其它中子数的稳定核数目较少。3）20Ca有有5种同位素，最大和最小的质量数差种同位素，最大和最小的质量数差8，在，在周期表这一段元素中，没有含那么多同位素的，可周期表这一段元素中，没有含那么多同位素的，可见见Z=20的原子核特别稳定。

2、的原子核特别稳定。8168242 OHe 、4）50Sn( (Z=50) )有有10种同位素，是最多的。种同位素，是最多的。5）82Pb是三个天然放射系列的最后稳定核，其中是三个天然放射系列的最后稳定核，其中占最大成分的同位素有占最大成分的同位素有126个中子；镎系的最后稳个中子；镎系的最后稳定核定核209Bi也有也有126个中子。个中子。6）在稳定核素中，中子数为）在稳定核素中，中子数为N=20、28、50、82的的同中子素最多。同中子素最多。从以上事实可以推断：从以上事实可以推断：2、8、20、50、82、126这些数字必定代表完整的壳层。这些数字必定代表完整的壳层。幻数幻数1）每个质子或

3、中子在其它）每个质子或中子在其它( (A- -1) )个核子产生的个核子产生的平均势场中运动。粒子好像能独立地在轨道上运平均势场中运动。粒子好像能独立地在轨道上运动，可以设想一系列可能的能级，相当于各种可动，可以设想一系列可能的能级，相当于各种可能的轨道。质子和中子按照泡利不相容原理填充能的轨道。质子和中子按照泡利不相容原理填充在从最低依次到较高的能级上。在从最低依次到较高的能级上。1949年年 梅耶梅耶 詹森詹森2）考虑质子和中子的自旋）考虑质子和中子的自旋轨道耦合作用。轨道耦合作用。壳层模型的基本出发点：壳层模型的基本出发点：按照壳层模型的按照壳层模型的原子核能级原子核能级每个能级可容纳每

4、个能级可容纳( (2j+1) )个同类核子，每个个同类核子，每个l有两有两个能级，个能级， j=l+1/2的能级的能级低于低于j=l- -1/2的能级的能级每个每个l值的能级分裂间隔值的能级分裂间隔与与( (2l+1) )/A2/3成正比，有成正比，有些能级间隔比较大，附近些能级间隔比较大，附近没有其它能级，成为两壳没有其它能级，成为两壳层的分界层的分界原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变原子序数很高的重元素的核很不稳定，自发的放原子序数很高的重元素的核很不稳定，自发的放出射线，变为另一种元素的原子核，这种现象称出射线，变为另一种元素的原子核，这种现象称为放射衰变。为放射衰变。除了天然放射性元

5、素外，一些人工产生的某些元除了天然放射性元素外，一些人工产生的某些元素的同位素，也具有放射性。素的同位素，也具有放射性。对放射现象的研究是获悉原子核内部状况的重要对放射现象的研究是获悉原子核内部状况的重要途径之一，同时，放射性元素还有很多应用。途径之一，同时，放射性元素还有很多应用。核衰变方式：核衰变方式：衰变、衰变、衰变、衰变、衰变。衰变。in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivityin recognition of the

6、extraordinary services they have rendered by their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel1896年年 Becquerel发现放射性发现放射性合成人工放射性元素合成人工放射性元素 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律原子核是一个量子体系，核衰变是一个量子跃迁原子核是一个量子体系，核衰变是一个量子跃迁过程；过程；对一个特定的放射性核素，其衰变的精确时间是对一个特定的放射性核素，其衰变的精确时间是无法预测的；无法预测的

7、；但对足够多的放射性核素的集合，其衰变规律是但对足够多的放射性核素的集合，其衰变规律是确定的，并服从量子力学的统计规律。确定的，并服从量子力学的统计规律。指数衰变定律：指数衰变定律：teNN0t=0时原子时原子核的数目核的数目经过经过t 时后剩余时后剩余的原子核数目的原子核数目：衰变常数，一个原子核在：衰变常数，一个原子核在单位时间内发生衰变的几率。单位时间内发生衰变的几率。半衰期半衰期T：N0衰变到一半所需的时间。衰变到一半所需的时间。TeNN210693. 02lnT平均寿命平均寿命：60Co的半衰期为的半衰期为5.6a；238U的半衰期为的半衰期为4.5 109a11)(10000dtt

8、eNdttNdNtNt693. 0TT44. 1平均寿命表示经过时间平均寿命表示经过时间以以后，剩下的核素数目为初始后，剩下的核素数目为初始时的时的1/e放射性强度：放射性强度：又称放射性活度，指处于某一特定能态的放射性又称放射性活度，指处于某一特定能态的放射性核在单位时间内的衰变数核在单位时间内的衰变数NeNdtdNt0单位：单位： 1贝克勒尔贝克勒尔( (Bq) )=1次核衰变次核衰变/秒秒1g226Ra的放射性活度近似为的放射性活度近似为1居里居里1居里居里( (Ci) )=3.7 1010次核衰变次核衰变/秒秒1毫居毫居( (mCi) )=10- -3居里居里1微居微居( (Ci) )

9、 = 10- -3毫居毫居dtdNA放射性活度计放射性活度计单位时间原子单位时间原子核衰变的数目核衰变的数目半衰期的测量：半衰期的测量：长寿命的放射性核素：直接法长寿命的放射性核素：直接法1183231087. 41023810022. 660/740sNA中等寿命的放射性核素：斜率中等寿命的放射性核素：斜率法法小于小于1秒的短半衰期核素可用专门的仪器来测量秒的短半衰期核素可用专门的仪器来测量2lnT取取1mg 238U，容易测出，容易测出A=740个个粒子粒子/分钟分钟tAA0lnln2112ln2ln)(AAttT已提纯的已提纯的235U，准备再加工为实弹弹头，准备再加工为实弹弹头 半衰期

10、越长，实际上单位时间里衰变半衰期越长，实际上单位时间里衰变的核就越少，也就是说放射性越小的核就越少，也就是说放射性越小在活的和死的生物体中含有少在活的和死的生物体中含有少量的放射性核素，这是由于大量的放射性核素，这是由于大气宇宙线中的中子轰击大气中气宇宙线中的中子轰击大气中的氮核而产生的的氮核而产生的pCnN146147eveNC147146电子和电子型反中微子电子和电子型反中微子C的所有同位素都的所有同位素都能被生物体吸收能被生物体吸收活的生物体中放射性核素活的生物体中放射性核素14C的含量与大气中的一样，死亡的含量与大气中的一样，死亡后其含量因为衰变逐渐减少后其含量因为衰变逐渐减少14C的半衰期是的半衰期是5730年，其浓度年，其浓度14C:12C1:1012 ，活体中由于生物代谢，活体中由于生物代谢，14C的浓度与大气中一样。的浓度与大气中一样。当机体一旦死亡，与外界交往停止，其体内当机体一旦死亡，与外界交往停止，其体内14C浓浓度因衰变而减少，因此通过测量古代生物遗骸中度因衰变而减少，因此通过测量古代生物遗骸中14C的含量，就可以得到其死亡的年代。的含量，就可以得到其死亡的