1.3 原子核结构
原子核很小,其半径约为原子半径的万分之一。所以说原子内部绝大部分是空的。而原子核占有原子99%以上质量,试验测定核的近似半径r与原子质量A的三分之一次方成正比(r∝A1/3)。无论哪一种元素,其核密度是相同的。
原子核的总质量总是小于它组成部分的质量和,这是由于核子结合构成原子核时质量减小。按相对论质能关系,质量减小表示释放了能量,即核子结合构成原子核时,将释放能量,释放能量称原子核的结合能。原子核不同,结合能也不同,每个核子平均结合能也不同。
1.3.1 核力
原子核的核子间除有质子与质子间的静电排斥力外,尚存在一种很强的具有引力性质的力,能把质子和中子非常紧密地结合在一起,此力称为核力。对于稳定的原子核而言,核力克服了静电斥力而使核子(中子、质子)得以紧密地结合在一个小体积(核)里。
核力性质如下:
1)核力与电荷无关,质子、中子受核力作用;
2)核力是短程力,只在相邻核子间作用,核力有饱和性;
3)核力比库仑力大;
4)核力促成粒子成对结合。
1.3.2 核稳定性
核力的性质决定了原子核的稳定性。
1)原子核结合能越大越稳定;
2)最稳定的是质子和中子数相等;
3)考虑库仑力后,包含更多中子的核更稳定,但中子过多没有足够质子来配对也不稳定;
4)核稳定性与中子数、质子数关系为:对小质量数的核,在N/Z=1附近稳定;对大质量数核在N/Z=1.6附近的核稳定。
不稳定的核素会自发蜕变,变成另一种核素,同时放出各种射线,这种现象称为放射性衰变。
1.3.3 放射性衰变
1896年法国物理学家贝克勒尔发现铀和铀的矿物会发射看不见的射线的性质称为放射性,具有放射性的元素叫放射性元素,自然界存在放射性元素称天然放射性元素。
放射性元素的原子核不稳定,能自发地发生转变(蜕变),发射射线,这种现象称为天然放射现象。某些元素的同位素也具有放射性,称为放射性同位素。
1934年用人工方法也可得到放射性同位素,称为人工放射性同位素。
一种元素的原子核由于放出某种粒子或射线而转变为新核的变化,称为原子核衰变。
原子核自发地放射出射线转变为另一种原子核的现象,称为放射性衰变。衰变的过程中电荷数和相对质量保持不变。
放射性衰变的主要方式有α衰变、β衰变、γ衰变,此外还有其他一些衰变方式。
放射性衰变最主要模式如下:
(1)α衰变 从放射性同位素的核放射出来的α粒子,实际上就是氦原子核(),由两个质子和两个中子组成,带有两个正电荷。凡是α衰变的放射性同位素衰变后形成核子核电荷数较母核减2,在周期表中前移两位,质量较母核减4。α衰变过程如下:
α粒子穿透物体能力很弱,在空气中只能飞行几cm,但电离能力很强。
(2)β衰变 β衰变是从放射性同位素核放射出β粒子的衰变过程。β粒子是电子流,具有较强的穿透能力,可透过几mm厚的铝,但电离作用较弱。
β衰变包括β-和β+衰变。其中,β-衰变是放出负电子,核内一个中子转变为一个质子;β+衰变是放出正电子,核内的一个质子转变为一个中子。衰变形式如下:
β衰变放出电子能量具有连续谱分布。
(3)γ衰变 放出波长很短电磁辐射。衰变前后核质量数和电荷数不发生改变。
γ衰变总是伴随着α衰变或β衰变而发生,母核经α衰变或β衰变到子核的激发状态,这种激发状态核不稳定,通过γ衰变过渡到正常态。所以,γ射线是原子核由高能级跃迁到低能级而产生的。
探伤使用和都属于β-衰变到激发态,放出γ射线转变到稳定状态。
(4)中子、质子间转化 原子核内一个核子所能相互作用的其他核子数目是有限的,这是由于核力促成核子成对结合和对对结合。但中子数或质子数过多的核子又是不稳定的,处于自由状态的中子是不稳定,有过剩的质子也是不稳定的,因而核内的中子或质子可相互转化。过剩的中子转化为质子释放出β-和中微子,而过剩的质子转化为中子释放出β+和中微子。β-衰变因核内有过剩中子,衰变结果使原子核转变为元素周期表内后一位元素的原子核;β+衰变因核内有过剩质子,衰变结果使原子核转变为元素周期表内前一位元素的原子核。具体转化形式如下: