原子物理10教材

第十章原子核原子核的基本性質(zhì)

核力核模型放射性衰變及其規(guī)律核反應(yīng)重核裂變輕核聚變粒子加速器內(nèi)容:

要求:（1）掌握原子核具有的各種性質(zhì)：原子核的組成、電荷、質(zhì)量和大小、結(jié)合能、電四極矩、自旋、磁矩、宇稱和統(tǒng)計性質(zhì)。（2）掌握原子核的放射性衰變規(guī)律及衰變常數(shù)，半衰期，平均壽命放射性強度、放射系等概念。（3）掌握α、β和γ衰變的規(guī)律，了解射線與實物的相互作用及放射性的應(yīng)用。（4）掌握核力的性質(zhì)，理解并掌握幾種核結(jié)構(gòu)模型（重點是液滴模型和殼層模型）。（5）掌握核反應(yīng)遵循的守恒定律、核反應(yīng)中的反應(yīng)能和閾能的計算。原子核物理學(xué)研究的問題分兩個部分：原子核的結(jié)構(gòu)、核力、核反應(yīng)等問題。原子能和放射性的應(yīng)用。原子核對原子起主要作用是核的質(zhì)量，電荷。起次要作用的是自旋，電四極矩?！?原子核的基本性質(zhì)一、原子核的電荷與電荷數(shù)1、原子核的一個重要的特征是它的電荷，根據(jù)盧瑟福原子模型，可知原子核是帶正電的。原子序數(shù)為Z的原子的中心有一個帶有正電量為Ze的原子核。即

Z是原子序數(shù)，e是基本電荷，其數(shù)值為一個電子電量的絕對值。注意!2、原子核電荷數(shù)的測定可用不同的方法，其中最為精確的是莫塞萊方法元素發(fā)出的特征X射線的頻率1、對原子核的描述或進行計算時，往往用中性原子的質(zhì)量一個原子的質(zhì)量=核質(zhì)量+Z個電子的質(zhì)量-相當于所有電子結(jié)合能的數(shù)值。原子的質(zhì)量指中性原子的總質(zhì)量二、原子核的質(zhì)量原子核的另一重要特征是它的質(zhì)量。注意!原子質(zhì)量單位：標記核素的符號2、質(zhì)量可以推算，也可以用質(zhì)譜儀測定質(zhì)量用原子質(zhì)量單位表示核素：各元素的同位素，質(zhì)量接近于一個整數(shù)，整數(shù)稱為各核素的質(zhì)量數(shù)。用A表示。原子的質(zhì)量電子的質(zhì)量原子的質(zhì)量大部分是原子核的質(zhì)量質(zhì)量數(shù)電荷數(shù)整數(shù)倍核素質(zhì)量數(shù)核素質(zhì)量1H11.00782522H22.01410223H33.016049712C1212.000000

13C1313.00335414N1414.003074415N1515.000108

早先人們只知電子和質(zhì)子這兩種基本粒子，當發(fā)現(xiàn)原子核可放出電子（β衰變），自然使人們推測核是由電子和質(zhì)子組成的。但這引起許多矛盾。其中，不確定關(guān)系指出核“裝不下”電子。1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子后，才知核是由質(zhì)子和不帶電的中子組成的，它們的質(zhì)量相近

海森伯統(tǒng)稱它們?yōu)楹俗?，并認為質(zhì)子和中子僅僅是核子的兩種不同狀態(tài)（同位旋）。三、原子核的成分為什么核“裝不下”電子？如氦原子核的質(zhì)量近似為質(zhì)子質(zhì)量的4倍電荷為+2，假如是由質(zhì)子和電子組成，質(zhì)子是原子核質(zhì)量的主要承擔者，電子起了補償電荷作用氦原子核的大小電子要在核內(nèi)它是落在相對論還是非相對論的范圍？非相對論相對論無實驗表明核內(nèi)有如此高能量的電子原子核由質(zhì)子和中子組成。中子（n）：的原子核只是一個質(zhì)子，質(zhì)子就是帶一個單位正電荷的最輕的氫核（P）：質(zhì)子N（中子數(shù)）=A-Z（質(zhì)子數(shù)）核子：質(zhì)子，中子統(tǒng)稱為核子。用A表示一個原子核中所含的核子數(shù)，N表示中子數(shù)Z表示質(zhì)子數(shù)。核素符號：同位素：Z相同，N不同的核素。同量異位素：A相同，Z不同的核素。核素圖：是以Z為橫坐標，以N為縱坐標構(gòu)

成的圖。每一個核素在圖中有一

確定的位置。目前已知的核素：約2000個，其中有300多個是天然存在的，280個是穩(wěn)定的，30多個是放射性的；1600多個是人工制造的理論上預(yù)言能夠制造出Z=114的超重元素。核素圖四、原子核的大小把核近似為球體，其半徑為原子核的密度核的質(zhì)量密度是水的密度的1014倍，也是地球平均密度的1014倍。

核子在核內(nèi)還有軌道運動，核子的自旋和軌道角動量的矢量和就是原子核的角動量,習慣上也稱它為原子核的自旋，并用PI表示，PI是量子化的。五、原子核的角動量1、原子核的總角動量

原子核和原子一樣也具有角動量，這是因為每個核子都有自旋，且自旋都為1/2，因此具有固有角動量（自旋角動量），與電子一樣，都是。I稱核自旋量子數(shù)為整數(shù)或半整數(shù)。核自旋在特定方向（z方向）投影為總角動量是質(zhì)子和中子的軌道角動量和自旋角動量的矢和。原子核的總角動量按習慣稱為原子核的自旋角動量。原子核也存在基態(tài)和激發(fā)態(tài),基態(tài)和激發(fā)態(tài)的不一定相等。2、核自旋的確定：（1）質(zhì)子和中子的自旋（2）原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)時，自旋為零。（3）原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時，自旋為非零整數(shù)。（4）原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時，自旋為1/2的奇數(shù)倍。

原子核內(nèi)的質(zhì)子帶電，它的“軌道”運動產(chǎn)生“軌道磁矩”，另外質(zhì)子和中子本身還有與自旋相關(guān)的磁矩，理論和實驗都證明原子核和核子都具有磁矩，中子和質(zhì)子的磁矩為：mN為核子質(zhì)量，gp和gn是朗德因子。

六、原子核的磁矩核磁矩在某特定(z)方向投影為質(zhì)子帶電，它的運動會產(chǎn)生磁場，原子核具有磁矩。與核自旋I對應(yīng)的磁矩所有I=0的核磁矩為零g只能用實驗測定mI=I,I-1,

,-I+1,-I

所以核磁子μI比玻爾磁子

B

小了三個數(shù)量級。

n1/2-1.91280

1H1/2+2.79255

2H1+0.8573484He006Li1+0.82189

7Li3/2+3.25586

9Be3/2-1.1774

原子核IμI（核磁子）

14N1+0.40365

15N1/2-0.28299

20Ne00

23Na3/2+2.21711

39K3/2+0.309

40K4-1.291

41K3/2+0.215原子核IμI（核磁子）七、原子核的電四極矩

原子核的電偶極矩等于零，但電四極矩不為零。這表明原子核的電荷分布并不是球形對稱的，而是旋轉(zhuǎn)橢球體。電荷是球形分布時產(chǎn)生的電勢電荷非球形分布時產(chǎn)生的電勢單電荷偶極子四極子八極子aa+e+e+2e-e-eaa+e+e等效若電荷作旋轉(zhuǎn)橢球式分布，對稱軸上的電勢為旋轉(zhuǎn)橢球式的電荷分布等效于一個單電荷和一個四極子的迭合。原子核的電四極矩Q=0zbaQ>0zbaQ<0zba實驗證明：一般原子核的Q值都很小，說明核是偏離球形不太大的橢球，可近似看作球形。只有某些元素（如稀土元素）的Q值較大，核偏離球形較大。八、原子核的統(tǒng)計規(guī)律有兩種統(tǒng)計規(guī)律：1、費米—狄喇克統(tǒng)計規(guī)律。服從費米—狄喇克統(tǒng)計規(guī)律的粒子稱為費米子。在一個量子態(tài)中只能有一個費米子。2、玻色—愛因斯坦統(tǒng)計規(guī)律。服從玻色—愛因斯坦統(tǒng)計規(guī)律的粒子稱為玻色子。在一個量子態(tài)中可以有兩個或兩個以上的玻色子。有一組相同的費米子和一組相同的玻色子代表每一粒子的坐標和自旋波函數(shù)互換位置和自旋費米子改號玻色子不改號質(zhì)量數(shù)A為奇數(shù)的原子核和質(zhì)子、中子、電子是費米子。質(zhì)量數(shù)A為偶數(shù)的原子核和光子是玻色子。在一組相同的原子核中，如果有兩個原子核對換，相當與兩個原子核中的核子一一對換，對換一次波函數(shù)改一次符號。質(zhì)量數(shù)A為奇數(shù)的原子核的核子對換所以質(zhì)量數(shù)A為奇數(shù)的原子核是費米子質(zhì)量數(shù)A為偶數(shù)的原子核核子對換所以所以質(zhì)量數(shù)A為偶數(shù)的原子核是玻色子（1）空間反演變換：

（x，y，z）（-x，-y，-z）（2）宇稱：

是表示描述微觀粒子體系狀態(tài)的波函數(shù)在空間反演變換下的奇偶性的物理量。

（x，y，z）=（-x，-y，-z）（偶宇稱）

（x，y，z）=-（-x，-y，-z）（奇宇稱）（3）宇稱守恒：

孤立體系的宇稱不會從偶性變?yōu)槠嫘曰驈钠嫘宰優(yōu)榕夹浴?.原子核的宇稱

一個原子核的宇稱不會改變、除非發(fā)射或吸收具有奇宇稱的光子或其它粒子（光子宇稱是奇性）。

=1

2

3………….;

（x，y，z）=(-1)

（-x，-y，-z）

(…..ri…...)=(-1)

i

(….-ri……)

i={偶數(shù),宇稱為偶奇數(shù),宇稱為奇（4）原子核的宇稱：量子數(shù)弱相互作用中宇稱不守恒：

1956年，李政道和楊振寧提出后,經(jīng)吳鍵雄用衰變的實驗加以證實，是近代物理學(xué)史中的一個重大突破。

實驗上發(fā)現(xiàn)原子核總是具有確定的宇稱，不是奇，就是偶。而且N，Z都為偶數(shù)的核，它基態(tài)的宇稱總是偶的。原子核激發(fā)態(tài)的宇稱既有和基態(tài)宇稱相同的，也有相反的。十、原子核的結(jié)合能1、原子核的質(zhì)量虧損。既然原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核的質(zhì)量應(yīng)該是它們的總和，實際并非這樣。如氘（2H）是氫的同位素，由一個中子和一個質(zhì)子組成。其和為但氘的質(zhì)量為

原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子的質(zhì)量之和，它們之間的差額稱為原子核的質(zhì)量虧損。重點掌握2、原子核的結(jié)合能（1）根據(jù)相對論的質(zhì)能關(guān)系E=mc2質(zhì)子和中子結(jié)合形成氘，必然要放出一部分能量——氘的結(jié)合能。這個能量就來源于質(zhì)量虧損Δmc2。實驗也證實這個結(jié)論。若2.225MeV光子照射氘核，它將分為質(zhì)子和子。結(jié)合能的大小Δ

E=Δmc2任何兩粒子的結(jié)合都要釋放能量，都會伴隨有質(zhì)量虧損，只是大小不同而已，例如一個電子和一個質(zhì)子結(jié)合成氫，其質(zhì)量虧損很小，僅為13.6eV/c2，常被忽略。質(zhì)量虧損1u，相應(yīng)能量改變?yōu)橛嬎愎剑?）平均結(jié)合能平均結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)的比值。平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。平均結(jié)合能的物理意義就是描述了核素的穩(wěn)定程度。（3）平均結(jié)合能變化的規(guī)律

A=40~120的中等質(zhì)量核，其平均結(jié)合能大，說明中等核比輕核和重核都穩(wěn)定。

A>30結(jié)合能近似為常數(shù)顯示核力的飽和性。為什么?

A<30平均結(jié)合能隨A周期性化，極大值在A為4倍的地方，這顯示這些核的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。A>30平均結(jié)合能隨A緩慢下降。結(jié)合能圖和核素圖是研究原子核的兩張重要圖。核素圖質(zhì)子數(shù)可能的超重元素島不穩(wěn)定海洋已知核素半島ZNZ=114§2原子核的放射性衰變（1）自然界中存在一些不穩(wěn)定的原子核，這些原子核能自發(fā)的放射出一些射線，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，或從一種元素的原子核轉(zhuǎn)變成另一種元素的原子核。這種現(xiàn)象稱為原子核的放射性衰變。（2）放射性同位素：天然放射性同位素：自發(fā)的放出、、人工放射性同位素：放出、、,正電子和中子等。一、原子核的放射衰變及規(guī)律三種射線：1、放射衰變（3）放射性的發(fā)現(xiàn)：1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾在研究物質(zhì)的熒光現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)放射性。1898年，居里夫婦首先提煉出放射性同位素鈾。（4）射線的性質(zhì)：1899年，盧瑟福等人用在垂直于射線方向加磁場的方法，對射線的性質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)這些射線是、和。三種射線在垂直于運動方向的磁場中發(fā)生不同的偏轉(zhuǎn)鉛室放射源磁場方向垂直紙面向里

：不帶電（光子流）電離作用最小，貫穿本領(lǐng)最大。：+2e（氦原子核）電離作用最大，貫穿本領(lǐng)最小。：-e（電子流）電離作用較大，貫穿本領(lǐng)較大。（5）意義放射衰變現(xiàn)象，電子，X射線是十九世紀末三大重要發(fā)現(xiàn)，揭開了近代物理的序幕；提供了原子核內(nèi)部運動變化的許多重要信息。

射線是氦核兩個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成。放射射線的原子核放出一粒粒子后,電荷減少2個單位,質(zhì)量減少4個單位。母核子核α粒子1903年,盧瑟福證實α粒子是帶正電的氦原子1911年,盧瑟福在α粒子散射實驗的基礎(chǔ)上建立了原子的核式模型1928年,伽莫夫?qū)Ζ亮Ｗ铀プ冏鞒隽孔恿W(xué)的解釋1911年,查德威爾克利用α粒子發(fā)現(xiàn)中子在原子核物理發(fā)展史上涉及α粒子的幾個重大事件

射線是高速運動的電子流分+和-

兩種母核子核電子

-母核子核電子

+同時放出反中微子同時放出中微子

射線是波長很短的電磁波，光子流。是在

衰變或

衰變后形成新核時輻射出來的。2、衰變規(guī)律（1）衰變定律衰變常數(shù)原子核是個量子體系，衰變是量子躍遷過程。核衰變服從統(tǒng)計規(guī)律，設(shè)t時刻放射核數(shù)為N(t)，經(jīng)dt時間有-dN個核發(fā)生衰變，顯然－dN∝N(t)dt,引入比例常數(shù)λ，有注意掌握描述衰變規(guī)律的幾個物理量的定義和之間的關(guān)系衰變定律衰變常數(shù)λ物理意義

:它的大小反映單位時間內(nèi)一個核子的衰變幾率的大小，它是核素的一個特征量，與外界環(huán)境無關(guān)。若t＝0時，核數(shù)目為N0，積分上式給出衰變常數(shù)根據(jù)衰變定律可以估計生物體的年齡如地球假定地球形成時天然鈾中含量相等現(xiàn)在99.3%0.72%年剩下的一半放射性核素是不是也在半衰期內(nèi)衰減完?（2）半衰期定義放射性核素衰變?yōu)樵藬?shù)一半所需時間為半衰期，并用T1/2表示。令t=T1/2問題:幾種放射物及其半衰期

α4.5×109年

α1622年

α3.82日

β+

20.4分

α310-7秒放射物

射線

半衰期T（3）平均壽命t=0時，核數(shù)為N0，經(jīng)t時間的衰變，剩下N(t)=Noe-λt，再經(jīng)dt（t—t+dt）時間，有-dN=λNdt發(fā)生衰變。這意味著-dN個核子存活了t時間。則-dN

個核的壽命之和為核壽命說明了三者的系。經(jīng)過平均壽命后剩下的核素的數(shù)目為原來的37%重點掌握平均壽命τ：二、放射系許多放射性核衰變并非只經(jīng)過一次衰變就成為穩(wěn)定的子核。常常子核仍有放射性，會發(fā)生接二連三地衰變，最后達到穩(wěn)定核，稱級聯(lián)衰變。形成穩(wěn)定核素這些一代代的核素，稱為放射系。簡單級聯(lián)衰變兩代衰變子體Ｂ的變化規(guī)律不僅與它本身的衰變常數(shù)有關(guān)，而且還與母體的衰變常數(shù)有關(guān)。三、衰變天然的α衰變多發(fā)生在Z>82的核素中，這種核素有600多種。1、衰變能及衰變條件

α衰變：放射性原子核自發(fā)地放射α粒子而變成為另一種原子核的過程。用方程表示母核子核α粒子歷史上最先被分離出來的放射性核素鐳能放射出

粒子。α衰變能

一般衰變前母核靜止,經(jīng)α衰變后放出的α粒子具有一定的動能，子核會反沖也具有動能。α衰變滿足動量守恒定律α衰變能Eα：定義為衰變過程所釋放的能量，常用衰變產(chǎn)物的動能表示即α粒子的動能與子核的動能和。如mX,mY,m

α

分別是母核、子核、α

粒子的質(zhì)量，EY是子核反沖能,Eα是α

粒子動能。（2）α衰變的條件不是所有的放射性原子核都能發(fā)生α衰變。衰變是自發(fā)過程，要求Ed>0（放能）。上式給出α衰變的條件是只要測得α粒子的動能，就可以利用上式計算衰變能。上式表明：一個核素要發(fā)生α衰變，母核的質(zhì)量必須大于子核的質(zhì)量和氦核的質(zhì)量之和。2、

α粒子能譜與原子核能級

實驗表明：同一放射性原子核α衰變所發(fā)射α粒子的能量并不是單一的，而是有幾組值，構(gòu)成分立的α粒子能譜。這意味著子核（Y）具有一系列分立的能量狀態(tài)（能級）。測得有兩組不同能量的α射線說明原子核內(nèi)部的能量也是量子化的。母核基態(tài)Ra直接衰變到基態(tài)Rn激發(fā)態(tài)Rn基態(tài)退到光子hν能量高能量低鐳氡例：對鐳的

衰變：測得

粒子動能分別為：相應(yīng)的衰變能為：

鐳放射兩種能量不同的

粒子，其結(jié)果又都變成氡，這說明氡實際上存在著兩種不同的狀態(tài)：正常態(tài)和激發(fā)態(tài)。如果把與氡核正常態(tài)對應(yīng)的能級取為零，即E0=0，那么激發(fā)態(tài)的能級便為E1=0.184MeV。1、β衰變β衰變是核電荷改變而核子數(shù)不變的核衰變，它包括原子核自發(fā)地放射β粒子，和軌道電子俘獲。（1）原子核衰變時，放出負電子。轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子核。β

–衰變（2）原子核衰變時，放出正電子。β

+衰變（3）原子核從核外的電子層中俘獲一個軌道電子的過程稱為軌道電子俘獲。俘獲K層電子叫做K俘獲。思考?原子核中不存在電子四、

衰變2、衰變能及衰變條件（1）β–衰變原子核放出一個β–電子，原子核變?yōu)閆+1單位，核外必須加一個電子，放出電子的質(zhì)量正好抵增加的質(zhì)量。電子的質(zhì)量很小，速度高由相對論原理衰變前后的能量。

衰變能最大值β–衰變的條件衰變前原子的總能量衰變后原子的能量在β-衰變的過程中同時放出一個反中微子

（2）β+衰變β+衰變后，放出一個正電子，成為Z-1的原子，原子核外電子要放棄一個電子使原子成為中性，放射前后的總能量應(yīng)該等于剩留原子的質(zhì)量的能量。在β+衰變的過程中同時放出一個中微子

β+衰變的條件（3）軌道電子俘獲軌道電子俘獲：原子核獲得核外軌道上的電子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€核子的過程。

K層電子最靠近原子核，所以電子俘獲最容易發(fā)生產(chǎn)生K俘獲的條件軌道電子俘獲必須克服它在原子中的結(jié)合能。

由于軌道電子俘獲過程不發(fā)射β粒子，只發(fā)射中微子，中微子在實驗中很難測到。如何知道發(fā)生軌道電子俘獲過程？軌道電子俘獲伴隨著兩個過程

K鄰近K層X標識譜的產(chǎn)生(能夠觀察到的)也可以不發(fā)射X射線放出一部分能量

產(chǎn)生俄歇電子為什么?X射線質(zhì)量很小K電子的電離能LK空位電離了L的另外一個電子,稱為俄歇電子產(chǎn)生一個空位的能量3.±衰變能譜

衰變的連續(xù)能譜

實驗測量發(fā)現(xiàn)

射線的能譜是連續(xù)的，即放出的電子的能量具有從零到某一最大值之間的任意數(shù)值。這個事實與原子核內(nèi)存在能級相矛盾。543210

00.10.20.30.40.50.60.7N(E)64Cu

E(MeV)

-粒子能譜543210

00.10.20.30.40.50.60.7N(E)64Cu

E(MeV)

+粒子能譜（3）大約在處曲線有一極大值，即在此處β射線強度最大。β衰變射線強度與能量的關(guān)系（1）β射線的能譜是連續(xù)的（2）有一確定的最大能量EMax4、中微子β射線的能譜是連續(xù)的，而α粒子能譜是分立的，原子核是量子體系，核能是分立的。在天然放射性中α、β衰變是交替發(fā)生的，由此也可以推知β粒子能譜也應(yīng)該是分立。而為什么會出現(xiàn)連續(xù)β譜呢？核內(nèi)不存在電子，β射線從何而來？β衰變核子數(shù)不變，故核自旋狀態(tài)（整數(shù)還是1/2奇倍數(shù)）不因衰變而變。但電子具有1/2自旋，導(dǎo)致角動量不守恒。關(guān)于β衰變以下幾個問題是值得思考的

1930年，泡利針對上述矛盾，大膽地提出了中微子假說。他預(yù)言，在β衰變的同時，還發(fā)射一個自旋為1/2，不帶電,靜質(zhì)量幾乎為0的粒子。稱其為中微子（ν），引入中微子后，上述矛盾迎刃而解。并且人們在1956年從實驗中找到了中微子。中微子特性中微子的靜質(zhì)量幾乎為0--不大于10ev/c2

；穿透本領(lǐng)極大，在原子密度為的物質(zhì)中，其平均自由為；即使在核物質(zhì)中，平均自由程也達1km，因此，它穿越地球被俘獲的幾率是10-12m，它的自旋為

引入中微子后，能量的分配方案實驗測得，出射β粒子的能量是連續(xù)的，核能級是分立的，所以總衰變能在β粒子,中微子和子核之間進行分配。分配方案不外乎以下三種情況:

Py

+Pe

+P

=0PyPeP

衰變過程中能量動量守恒，在

±衰變過程中都有三個粒子參與能量和動量的分配，因此，放出的

±的粒子就不象粒子那樣具有確定的能量，因而構(gòu)成連續(xù)譜。

Ye（β）νYe（β）νe（β）νY各種分配多少由動量守恒決定。因核質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量故反沖能近似為零。所以衰變能主要在電子和中微子上。中微子在垂直方向射出，動量為零，能量為零。放射出的電子有最大的動能這就是β射線的能譜上的最大能量值。中微子和子核相反方向射出，電子在垂直方向射出，動量為零，能量為零。β射線的能譜上等于零的情況。三個粒子的動量都不等于零，電子的能量決定于三個粒子的角度，電子的能量介于之間。費米認為，像原子一樣,β衰變是核激發(fā)態(tài)之間的躍遷過程。他指出β衰變的本質(zhì)是核子同位旋（1/2）的兩種狀態(tài)—中子和質(zhì)子之間的躍遷轉(zhuǎn)變，所以躍遷后的產(chǎn)物事先都不存在于核內(nèi)。導(dǎo)致原子發(fā)射光子的是電磁作用，引起發(fā)射電子和中微子的是弱相互作用。衰變前后電荷守恒，角動量守恒，這要求中微子不帶電，自旋必須是1/2。實驗測定Eβ

m=E0，這說明中微子mγc2=0，因而中微子質(zhì)量為零。5、β衰變機制

β衰變理論的基本思想是：β衰變的本質(zhì)在于原子核中的一個中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子、或是一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，而中子和質(zhì)子可以看作是同一個核子的兩個不同的量子態(tài)。它們之間的相互轉(zhuǎn)變，就相當于核子從一個量子態(tài)躍遷到另一個量子態(tài)。在躍遷的過程中，放出電子和中微子。該例的衰變綱圖如右：例:

衰變的核能級圖其衰變綱圖如右：

例五、γ衰變1、處于激發(fā)態(tài)的原子核，在質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)不改變的情況下，以電磁輻射的形式放出能量而躍遷到較低的能態(tài)去的現(xiàn)象。

在α，β衰變后，子核處于激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的子核不穩(wěn)定，要向低能級躍遷，產(chǎn)生γ衰變。故α，β衰變往往伴有γ衰變。γ衰變的形式2、γ衰變能hνγ射線與X

射線的差別在于能量和產(chǎn)生的方式不同而已。X射線產(chǎn)生于原子內(nèi)層電子的躍遷。γ射線產(chǎn)生于激發(fā)態(tài)原子核的退激或正、負電子對的湮滅。γ射線的強度是依照母核的半衰期而隨時減弱的，即每隔五年就要減弱一半3、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子（1）內(nèi)轉(zhuǎn)化：處于激發(fā)態(tài)的原子核，向低能級躍遷時，除了產(chǎn)生γ射線之外，還可以通過發(fā)射核外電子的方式來完成。原子核把激發(fā)能直接交給核外電子，使脫離原子核的束縛而成為自由電子的過程。（2）內(nèi)轉(zhuǎn)換電子放出后，原子核外殼層出現(xiàn)空位，所以伴有發(fā)射X射線標識譜和產(chǎn)生俄歇電子。（3）產(chǎn)生γ射線和放出內(nèi)轉(zhuǎn)換電子選擇哪一種與原子核的種類及能級特征有關(guān)有關(guān)。重核和低能級躍遷，內(nèi)能轉(zhuǎn)換概率較大。§3核力原子核是由核子組成。原子核內(nèi)引力可完全忽略，質(zhì)子之間電磁力只起排斥作用，能把眾多質(zhì)子和中子結(jié)合成密度高達1014g/cm3原子核是靠一種新的作用—核力。經(jīng)過多年的研究，認識到核力有如下基本性質(zhì)。一、核力的主要性質(zhì)1、核力是短程力：萬有引力、庫侖力的大小是與距離的平方成反比，原則上這種力的作用范圍為無窮，即長程力。實驗表明核力的作用范圍十分有限，即核力是短程力有效力程是掌握核力的主要性質(zhì)對原子核來說用α粒子的散射實驗可說明。在α粒子的散射實驗中，當α粒子趨近核到10－14m時，用庫侖定律處理α粒子的散射，得到的結(jié)果符合的很好，說明在距核10－14m時α粒子還沒有受到核力的影響。增加α粒子的能量，使之更趨近，庫侖定律不適用了，說明α粒子已受到了核力的影響，這個事實說明力程≤10－14m。還有核力像庫侖力那樣為長程力，核的結(jié)合能應(yīng)正比A2。核結(jié)合能正比A，說明核子只與近鄰核子發(fā)生相互作用。0.5U（R）r(fm)兩個核子之間勢能曲線兩個核子之間的勢能如圖所示核子間距離核子間勢能小于0.4~0.5fm強排斥力在1~2fm間較強的吸引力在2~4fm間較弱的吸引力在4~5fm以上消失2、具有飽和性的交換力說明核力具有飽和性。飽和性即核內(nèi)每一個核子只與鄰近的少數(shù)核子發(fā)生作用，而不同核內(nèi)其它（A-1）核子發(fā)生作用。因為若一個核子同其他（A-1）個核子發(fā)生相互作用，則A個核子間有1/2A（A-1）個作用力，A個核子吸引的總能量正比這與實驗事實相矛盾。核子與核子之間有起中間交換的媒介，所以核力是具有飽和性的交換力事實上矛盾3、核力與電荷無關(guān)不同類型核子之間的核力是相同的。與一個質(zhì)子兩個中子組成，結(jié)合能兩個質(zhì)子一個中子組成，結(jié)合能兩個質(zhì)子間存在著庫侖排勢能如果設(shè)想中不存在庫侖排斥勢能近似相等電荷對稱性與電荷無關(guān)

原子核是由質(zhì)子和中子組成的聚集體

質(zhì)子和中子稱為核子

把核子約束在核內(nèi)的力是一種新的力——核力，是核子之間的相互作用力。

原子核質(zhì)子中子質(zhì)子中子質(zhì)子中子4、核力是強相互作用力為什么?電磁作用強相互作用引力相互作用相對強度作用程(m)1弱相互作用長長質(zhì)子能在庫侖斥力作用下結(jié)合成核，表明核力很強，約為庫侖力的100倍。核力的主要成分是中心力，即作用力的方向沿兩核子連線，但也有非中心力，如核子間的自旋－軌道耦合作用。核內(nèi)一對質(zhì)子之間的庫侖勢能核內(nèi)一對質(zhì)子之間的萬有引力勢能核力勢能1、帶電粒子之間是通過電磁場進行相互作用的二、核力的介子理論電荷電荷電場磁場核子核子介子1935年，日本的湯川秀樹提出了核力的介子場論。他認為核力也是一種交換力，核子間的相互作用是由于交換介子場的量子——介子而引起的，并且由力程預(yù)言了介子的質(zhì)量介于電子質(zhì)量和核子質(zhì)量之間，是電子質(zhì)量的200多倍。直到1947年，才真正找到了湯川預(yù)言的介子，稱介子。有帶正電，負電和不帶電的三種，分別記為+、-、0，它們的質(zhì)量分別為

2、核子間的相互作用

1947年泡利在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了介子，其質(zhì)量為m()是273me

，1950年又發(fā)現(xiàn)了

介子，其質(zhì)量是264me,同湯川所預(yù)言的一致，所以介子被認為是核力場的量子，這是對“核力機制”研究的一個重要貢獻。因此湯川秀樹和泡利分別在1949年和1950年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

核子1介子核子2π介子帶正電荷π+帶負電荷π-中性π0兩核之間是通過交換π介子發(fā)生作用的。即一個核子發(fā)射π介子，另一個核吸收π介子。（1）（2）pnπ+npnpπ-pn交換的是帶電粒子，使質(zhì)子變成中子使中子變成質(zhì)子，能使質(zhì)子中子交換地位的力稱為交換力。pnπ0pnpπ0n