第一节　原子和原子核

一、原 子

（一）原子的组成和结构

原子由带正电荷的原子核（nucleus）和带负电荷的核外电子组成。自然存在的原子呈电中性，即核内电荷数和核外电荷数相等。

原子结构（玻尔模型，Bohr model）：核外电子按一定轨道运动，这些轨道又叫壳层（shell）。壳层的直径由量子数决定。量子数具有整数值（n=1，2，3…）。壳层由里到外分别称为 K 层（n=1），L 层（n=2），M 层（n=3）。

泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）决定了每个壳层最多可容纳的电子数为2n2。最外层最多为8个，次外层最多为18个。

（二）电子结合能和能级

在最稳定的情况下，电子占据原子最里面的壳层。在接收到适当能量时，电子可以运动到更外面的壳层或完全脱离原子（分别称为激发和电离）。

从某一壳层使一个电子完全脱离原子的能量称为该壳层的结合能（binding energy）。

K层的结合能用KB表示，L层用LB表示…

结合能还随原子序数（Z）的增加而增大。将电子从内部壳层移动到外部壳层所需的能量等于两个壳层的结合能之差。结合能和壳层间结合能的差别可用能级（energy level）图来表示。

（三）原子的发射（atomic emission）

当一个电子从内壳层移走时，另一个外层电子立即移入以填补空缺，电子从外壳层移到内壳层时释放能量，其大小等于两个壳层的结合能之差。

能量释放有两种形式，一是发射特征X射线（characteristic X-ray），即电子从外壳层移到内壳层时放出X射线，射线能量等于两个壳层的结合能之差。二是俄歇效应（Auger effect），即外层电子向内层移动时放出的能量传给一个轨道电子，使该电子带着动能离开原子，在这个过程中不发射特征X射线。俄歇效应发生后，壳层出现两个空缺，外层电子将予以填充，这样就会放射新的特征X射线或出现另一次俄歇效应。

二、原 子 核

（一）组成和表示方法

原子核由质子（proton）和中子（neutron）组成，质子和中子统称核子（nucleon）。质子带一个单位的正电荷（+e），重量为1.007 277u；中子为电中性，不带电荷，重量为1.008 665u；电子带一个负电荷（-e），重量为0.000 549u。（1u=1/1212C质量=1.660 43×10-24 g，原子质量单位）

质子和中子是由夸克（quark）构成的：一个上夸克（up quark）有+2/3的电子电荷，而一个下夸克（down quark）有-1/3的电子电荷。质子由两个上夸克和一个下夸克构成，有一个电子电荷。中子由两个下夸克和一个上夸克构成，电荷为0。

原子核的表示方法：

X：元素符号；

Z：原子序数，核内质子数，中性原子的轨道电子数；

A：原子核的质量数，即核内的核子数；

N：核内中子数，N=A-Z。

简化表示法：因为元素符号即代表了原子序数且N=A-Z，可简化表示为A X或X-A。如可表示为131 I或I-131。

（二）核素及其分类

核素（nuclide）：具有确定的质量数A和原子序数Z，核内的核子按一定规律排列，并有可测量的寿命（＞10-12秒）。如12C、16O、131 I。10-12秒为人为划分，当时间测量手段提高时，这个划分时间可能进一步缩短。

同位素（isotope）：具有同样的原子序数Z，但质量数不同的核素称为某一元素的同位素。（如125 I、127 I、131 I称为碘的同位素）。

同质异能素（isomer）：两种核素，如果它们的区别仅在于一个是另一个的亚稳态，则它们称为同质异能素（如99 Tc和99m Tc）。

核素分为稳定核素和放射性核素。稳定核素能够稳定存在，不会自发变化。放射性核素不稳定，能自发放出射线而转变为另一种核素。

放射性核素分为天然和人工两种。人工放射性核素可由核反应堆、加速器和放射性核素发生器生制而成。

（三）核子的相互作用

原子核内的质子和中子统称为核子。核内核子受两种力的作用，一是静电力，二是核力，它们各自的特点如下：

1.静电力，或称库仑力

（1）在带静电的质子之间起同性相斥的作用，因此它有使核分裂的作用（排斥力）。

（2）作用距离远（远程力）。

（3）同核内所有质子相互作用（不饱和力）。

（4）幅度较小（对应的能量为电子伏特）。

2.核力，或称交换力

（1）在核子之间起相吸的作用中，使核稳定（吸引力）。

（2）作用距离近（短程力，作用范围＜10-13 cm）。

（3）同核内有限个数的核子起作用（饱和力）。

（4）幅度很大（对应的能量为百万电子伏特）。

由于核力的强大的吸引作用，原子核的体积非常小，密度非常高。

（四）核的能级和同质异能态

核内核子之间的相互作用虽然和核与轨道电子的相互作用不同，但在一定条件下仍可把核内核子看成是在其他核子形成的中心核力场中作类似轨道电子的运动，即认为核也有壳层和能级存在。这样，与原子类似，原子核可以处在以下三种状态之一：

1.基态，是最稳定的状态。

2.激发态，这种状态极不稳定，在很短时间内（＜10-12秒）变化到其他状态。

3.亚稳态，如果核在某一激发态下可以较长时间稳定，即有可测量的寿命，则称这一激发态为亚稳态，或称同质异能态。因而，常把处在这种状态的核认为是另一种不同的核，称为同质异能素。

（五）原子核的结合能

核子结合成原子核时要放出能量，把原子核分解为核子时需要输入能量。把一种原子核分解为构成它的质子和中子所需要的最小能量称为原子核的结合能。结合能来自于原子核形成时核子质量的减少，即核子结合成原子核后，核的质量小于构成它的所有单个核子质量的总和。

按核子数平均，每个核子所具有的结合能称为平均结合能。质量数在60左右的核结合能最大，当质量数增大时，结合能缓慢减少；当质量数减少时，结合能也要减少，如图1-1所示。轻核结合生成更重的核时要放出能量，重核分裂成较轻的核时也要放出能量。