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更新时间:2016-11-9 12:00:23 人气:

  在核子结合成原子核时,原子核的质量并不是,会释放出一定的能量,这就是结合能.相应地生成的原子核将损失一部分质量.原子核中平均每个核子的结合能称为平均结合能.  原子世界中能量常常采用电子伏(eV)作为单位,电子伏就是一个电子经过1V的电压所获得的能量.对于一个氢原子,如果要把电子从氢原子中拉出去,需要加进去13.6eV的能量.原子世界中其它的能量变化,一般也是电子伏的量级.原子世界中能量变化的尺度是电子伏.  凯氏定氮仪原子核的能量变化的尺度是兆电子伏(MeV),比原子世界中能量变化6的尺度大10倍.氦原子的相对原子质量是4.002602,一个原子质量单2位相当于931.494MeV/c,氦的原子核是由两个中子和两个质子组成的,2核外有两个电子,每一个电子的质量为0.511MeV/c.一个自由中子的质22量是939.566MeV/c,一个自由质子的质量是938.272MeV/c,因此,在中子和质子结合成氦原子核时,由于释放了结合能,相应地质量损失了228.296MeV/c.氦原子核的结合能是B=28.296MeV,每个核子的平均2结合能称为比结合能 ε,氦原子核的比结合能是 ε原子核的运动性质和结构   87   从这个表中可以看到,除了氢原子核由一个质子构成,没有结合能,所有的原子核都是由质子和中子组成的,都有不为零的结合能,比结合能的量级是MeV.要把一个核子从原子核中拉出来,需要加进去的能量是MeV量级的量.原子核的比结合能比原子的平均结合能大6个数量级.电子被束缚在原子核周围构成原子时是通过电磁相互作用力,核子被束缚到原子核里面是通过一种比电磁相互作用要强得多的强相互作用结合的.由于原子核的空间尺度为-1210cm,比原子的空间尺度小4个数量级,可以估计这种强相互作用在这个尺度下的强度应该比电磁相互作用大2个数量级.这种强相互作用是一种只在-1210cm范围以内起重要作用的短程力. 


 从这个表中还可以看到,原子核的比结合能随原子核的质量数的增加而增加,到中等质量数的原子核时达到一个极大值,质量数再增加时比结合能又随原子核的质量数的增加而减少.这就表明如果能够把两个很轻的原子核合成一个原子核,就可能释放出大量的能量;如果能够把很重的原子核分裂成两个中等质量的原子核,也可能释放出大量的能量.这正是原子核聚变反应和裂变反应的出发点.  原子核的比结合能越大,原子核就越稳定.在质量数较小的原子核中,4He(即 α粒子)的比结合能最大,这说明4He原子核是特别稳定的轻原子核.质量数很重的放射性原子核的衰变射出的是 α粒子也是与这个性质有关.  §5.3 原子核的运动性质和结构  原子核的结构有它的特点.最轻的原子核是氢核,它就是一个质子;最重的原子核由116个质子和173个中子,总共289个核子组成.原子核中包含的核子数从很少的到很多的都有.原子核的组成结构上的这个情况显示出几方面的特点.  第一方面,许多核子相互吸引结合在一起,像原子核外许多电子运动组成原子的情形.核子是费米子,电子也是费米子.人们期望,核子的能级分布也将和原子中的电子能级分布类似,也是分层的.原子核外有Z个电子在原子核周围运动,在基态时这Z个电子分层分布.如果基态时最外层是第一层,则有2个电子就是 “满壳层”了.这个原子在化学上是特别稳定的,它就是氦原子.如果基态时最外层不是第一层,则最多可以有8个电子.有8个电子就是 “满壳层”了,这样的原子在化学上也是特别稳定的,它们是其它惰性气体:氖、氩、氪、氙、氡原子.原子的电子壳层结构决定了Z=2,10,18,36,54,86,.的原子在化学性质上是最稳定的,表现为惰性气体.  888   第五章 原子核、核能与核技术  原子核的结构和原子不同,原子核是由质子和中子组成的,原子核中并没有一个原子核的 “核”.核子之间有短程的强相互作用吸引力,质子和中子靠这种强相互作用互相吸引聚集成原子核.由于质子和中子是不同的粒子,需要分别考虑它们的壳层分布.通过分析实验资料发现,原子核确实具有


类似的周期性质,质子数Z或中子数N为2,8,20,28,50,82以及中子数N为126的原子核特别稳定,核子的平均结合能特别大,在自然界中的含量也比相邻的原子核丰富.这些数值称为幻数.  确实,质子数或中子数为幻数的原子核很稳定,而质子数和中子数都是幻数的 “双幻核”就特别稳定,质子数和中子数都离幻数很远的原子核则很不稳定.质量数最小的3个双幻核是4He、16O、40Ca,它们的平均结合能确实比邻近的别的原子核大得多,表现得特别稳定.  根据这方面的特点发展了原子核结构的壳层模型理论,对原子核结构的许多性质给出了成功的描述和预言.根据原子核结构的壳层模型理论推测质子数Z的下一个幻数可能是114,中子数N的下一个幻数可能是184,因此Z=114、A=298的原子核将是一个超重的双幻核,这个原子核和它邻近的原子核将表现出比较高的稳定性,这就是理论上推测可能存在的超重核稳定岛.  第二方面,重原子核由许多核子组成,显现出原子核像是由核子作为组元的微观粒子聚集状态.  根据这方面的特点发展了原子核结构的费米气体模型理论,对原子核的许多性质和行为给了成功的描述和预言.由于原子核的密度基本上是一个常量,原子核可以看作是一个 “液滴”,在原子核物理学发展的早期提出了原子核的液滴模型,对原子核的许多性质和行为,如原子核的裂变机理给出了很好的描述. 


第三方面,原子核既然是许多核子聚集的系统,必然会表现出大量核子的集体运动,例如原子核整体的转动和振动,都是典型的集体运动,不能归结为单个核子的运动根据这方面的特点发展了原子核结构的综合模型理论,也对原子核的许多性质和行为给了成功的描述和预言这几方面的理论各自从一方面反映了原子核结构的特点,在它们的基础上,发展了许多理论,进一步揭示原子核结构的运动行为和动力机理.  1963年,戈佩特-迈耶(MariaGoepppert-Mayer)和詹森(J.Hans.D.Jensen)由于发现原子核的壳层结构而获诺贝尔物理学奖,1975年,阿格·玻尔(AageBohr)、莫特森(BenR.Motttelson)和雷恩沃特(L.JamesRainwater)由于发现并研究原子核的集体运动和内部结构而获诺贝尔物理学奖. §5.4 原子核的衰变、反应和核反应的守恒定律   89   §5.4 原子核的衰变、反应和核反应的守恒定律



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