第1章 原子核的基本性质(9P1.4S)

第一章 原子核的基本性质

原子核的基本性质通常是指原子核作为整体所具有的静态性质。它包括原子核的电荷、质量、半径、自旋、磁矩、电四极矩、宇称、统计性质和同位旋等。这些性质和原子核结构及其变化有密切关系。本章的讨论，不仅使我们对原子核的静态性质有个概括了解，而且为讨论以后各章准备必要的知识。

§1.1 原子核的电荷、质量和半径

1．核的电荷

1911年，卢瑟福(E.Rutherford)做了如下实验：用一束α粒子去轰击金属薄膜，发现有大角度的α粒子散射。分析实验结果得出：原子中存在一个带正电的核心，叫做原子

－

核。它的大小是1012cm的数量级，只有原子大小的万分之一，但其质量却占整个原子质量的99.9％以上。从此建立了有核心的原子模型。由于原子是电中性的，因而原子核带的电量必定等于核外电子的总电量，但两者符号相反。任何原子的核外电子数就是该原子的原子序数Z，因此原子序数为Z的原子核的电量是Ze，此处e是元电荷，即一个电子电量的绝对值。当用e作电荷单位时，原子核的电荷是Z，所以Z也叫做核的电荷数。

不同的原子核由不同数目的中子和质子所组成。中子和质子统称为核子，它们的质量差不多相等，但中子不带电，质子带正电，其电量为e。因此，电荷数为Z的原子核含有Z个质子。可见，原子序数Z同时表示了核外电子数、核内质子数以及核的电荷数。

测量原子核电荷的方法有多种。比较精确的方法是在1913年由莫塞莱(H.G.J.Moseley)提出的。他发现元素所放出的特征X射线的频率 与原子序数Z之间有下列关系：

AZ B (1.1-1)

式中A，B是常量，对于一定范围内的元素，它们不随Z改变。因此，只要测量元素的特征X射线频率 ，利用(1.1-1)式即可定出原子序数Z。例如，根据由元素钇(39Y)到银(47Ag)的Kα线的频率，可定出A≈5.2×107 s 1/2，B≈1.5×108 s 1/2。历史上，曾测量当时未知元素锝(Tc)的Kα线 α＝4.4×1018 s 1。由(1.1-1)式求得Tc的Z＝43。除Tc以外，元素钷(61Pm)、砹(85 At)和钫(87Fr)都是利用莫塞莱方法发现的。

除Z＝43，61，93的元素是人工制造的以外，从Z＝1到94的元素，自然界中均存在。以后用人工方法还获得了从Z＝95到112的元素。不过，Z＞103的元素，寿命都不足一小时，有的只有毫秒数量级。60年代末，理论上预测有可能在Z=114附近存在一批寿命较长的超重元素，它们形成所谓“稳定岛”。几十年来人们一直试图用人工合成法，或在自然界中发现这些元素。最近已得到一些初步结果。

2．核的质量

原子核的质量是原子质量与核外电子质量之差(当忽略核外电子的结合能时)。由于核的质量不便于直接测量，通常都是通过测定原子质量(确切地说是离子质量)来推知核的质量的。其实，一般不必推算核的质量，只需利用原子质量，因为对于核的变化过程，变化前后的电子数目不变，电子质量可以自动相消。但对有些核变化过程，就必须考虑核

外电子结合能的影响。

由于一个摩尔原子的任何元素包含有6.022142×1023个原子[此即阿伏加德罗(Avogadro)常量NA]，因而一个原子的质量是很微小的，通常不是以克(g)或千克(kg)做单位，而是采用原子质量单位，记作u(是unit的缩写)。一个原子质量单位定义如下：

1u ＝ 12C原子质量的1/12

这种原子质量单位叫做碳单位，是1960年物理学国际会议通过采用的。现在被定为我国的法定计量单位。需要指出，在这以前，采用的是氧单位，记作amu(是atomic mass unit的缩写)。1amu定义为16O原子质量的1/16。碳单位和氧单位的换算关系如下：

1u ＝ 1.000318 amu

根据定义，原子质量单位与g或kg单位间的关系有

1u

12

NA12

1

16.022142 10

23

g 1.6605387 10 24g 1.6605387 10 27kg

由此可见，阿伏加德罗常量NA本质上是宏观质量单位“g”与微观质量单位“u”的比值。如果采用氧单位，则NA是“g”与“amu”的比值。由于“amu”与“u”略有差异，因而氧单位的NA与碳单位NA也稍有不同。

显然，在碳单位中，一个12C原子的质量为12.000000 u；在氧单位中，一个16O原

①

子的质量为16.000000 amu，这是区分两种单位制的明显标志(① 有些文献书籍中，碳单位的符号也用amu，不用u。因此，为了判别是碳单位还是氧单位必须根据12C或16O的原子质量的数值来确定。)。

测量原子质量常用的仪器是质谱仪。它的基本原理如下：首先让原子电离，然后在电场中加速以获得一定动能，接着在磁场中偏转，由偏转的曲率半径的大小可求得离子的质量。

图1-1 质谱仪原理图

图1-1是早期所用的一种质谱仪的原理图。D为一扁平的真空盒，它放在一磁铁间隙内。磁铁产生的均匀磁场，其磁感应强度B垂直于真空盒平面。真空盒内主要有一离子源K、加速电极E1，E2和接收电极A。由离子源产生的被测离子，通过加速电极的狭缝S1后，获得动能qV，q是离子的电荷，V是加速电极E1和E2之间的电势差。于是，质量为M的离子通过加速电极后所具有的速度v满足下列关系：

1

mv2 qV (1.1-2) 2

被加速的离子在磁场B的作用下，将在垂直磁场的平面内以半径R作圆弧运动，最后通过狭缝S2到达接收电极。于 …… 此处隐藏：13639字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……