研究內容1.原子核的基本性質2.原子核結構3.原子核衰變4.原子核反應5.射線與物質相互作用6.粒子加速器7.原子能的利用8.核技術應用研究內容1.原子核的基本性質1.1原子核的組成1.2原子核的大小1.3原子核的結合能和半經驗公式1.4原子核的自旋和統計性1.5原子核的磁矩1.6原子核的電四極矩1.7原子核的宇稱第一章原子核的基本特性1.1原子核的組成第一章原子核的基本特性測量原子核電荷數方法----莫塞萊方法測量原子核電荷數方法----莫塞萊方法核的質量測量核的質量測量原子核的自旋角動量課件原子核的結合能原子核的結合能氫原子的結合能EH=13.6eV電子的質量me=511keVAu原子組成Au單晶固體的結合能Esub=3.93eVmp+mn-md=0.00239u=2.225MeV,1u=931.5MeVB(Z,A)/c2=Zmp+Nmn-m(Z,A)B(Z,A)/c2=ZMH+Nmn-M(Z,A)B(Z,A)

=Z

(1H)+(A-Z)

(n)

-

(Z,A)

(Z,A)=[M(Z,A)-Au]c2,

(1H)=7.289MeV,

(n)=8.071MeV原子核的結合能原子核的結合能原子核的結合能原子核的結合能原子核的結合能液滴模型Weizsacker經驗公式:B=BV-BS-BC-BSym+BP體積能：BV=aVAaV=15.67MeV

表面能：BS=aSA2/3aS=17.23MeV

庫侖能：BC=aCZ2/A1/3aC=0.72MeV

對稱能：BSym=aSym(N-Z)2/AaSym=23.29MeV

對能：偶偶核

BP=aPA-1/2aP=12.00MeV

奇A核

BP=0

奇奇核

BP=-aPA-1/2原子核的結合能液滴模型原子核的自旋1924年，Pauli提出原子核應具有自旋1932年發現中子以后，實驗發現：中子具有自旋=h/2原子核基態自旋的規律：偶偶核的自旋為0

奇偶核的自旋為半整數奇奇核的自旋為整數原子的總角動量F=I+jF的取值為I+j,I+j-1,…,

I-j

核子是費米子，遵從費米-狄拉克統計：

(X1,…,Xi,Xj,…,Xn)=-

(X1,…,Xj,Xi,…,Xn)原子核的統計性質：奇A核是費米子，偶A核是玻色子原子核的自旋1924年，Pauli提出原子核應具有自旋§1.4原子核的自旋（角動量）1.原子核外電子的狀態量子數主量子數能量量子化角動量量子數角動量量子化磁量子數空間量子化自旋量子數自旋運動量子化§1.4原子核的自旋（角動量）1.原子核外電子的狀態量子數2.原子核的自旋（角動量）由各個核子的軌道角動量和自旋共同確定，核自旋是核內所有核子的軌道角動量和自旋的矢量和。一般有兩種耦合方式：2.原子核的自旋（角動量）由各個核子的軌道角動量和自旋共同確I

為原子核的自旋量子數，它為整數或半整數。原子核的自旋（角動量）

自旋在z

軸的投影為：磁量子數，2I＋1個實驗得到的兩條規律：

1)、偶A

核的自旋為整數；2)、奇A

核的自旋為半整數；其中偶偶核基態自旋為0；I為原子核的自旋量子數，它為整數或半整數。原子核的自旋（

所以研究原子光譜的超精細結構是研究原子核性質的重要工具。

3.原子光譜的超精細結構核的自旋與電子的總角動量的相互作用而形成。研究原子光譜的初級階段，只把原子核看成有一定質量的點電荷Ze，得到原子光譜的粗結構考慮了電子的自旋作用后，得到原子光譜的精細結構；考慮到原子核的自旋、磁矩的貢獻時，得到原子光譜的超精細結構。所以研究原子光譜的超精細結構是研究原子核性質原子核的自旋角動量課件原子核的自旋角動量課件1.原子核外軌道電子的磁矩質量m，電荷-q的粒子作圓周運動時，相當于環形電流，產生磁矩

和角動量Pl

.

與Pl有如下關系:

§1.5原子核的磁矩1.原子核外軌道電子的磁矩質量m，電荷-q的粒子作圓周運動原子核的自旋角動量課件電子軌道磁矩：其中：gl

=-1gs=-2其中：電子的磁矩：電子自旋磁矩：玻爾磁子電子軌道磁矩：其中：gl=-1gs=-2其中：電子的2.核子的自旋磁矩由于核子為自旋為1/2的費米子，因此核子也有相應的自旋磁矩。質子的自旋磁矩為：中子的自旋磁矩為：為核磁子

如果核子也像電子是點粒子，按狄拉克方程可得出比較實測結果：2.核子的自旋磁矩由于核子為自旋為1/2的費米子，因此核子

質子、中子不是基本粒子，而具有內部結構。中子為中性粒子，具有磁矩，說明中子的內部結構具有電荷。用核子的夸克模型可得到：核子反常磁矩的存在說明：質子、中子不是基本粒子，而具有內部結構。中子為中性粒3.原子核的磁矩原子核的磁矩等于核內所有質子的軌道磁矩與所有核子自旋磁矩的矢量和。其中：中子不帶電，其軌道磁矩為零。3.原子核的磁矩原子核的磁矩等于核內所有質子的軌道磁矩與所若原子核的自旋為核磁矩在z

方向的投影為:磁矩是量子化的，則原子核的磁矩為：gI核朗德因子，因此包含了核結構的信息。mI取值為I,I-1,I-2…,-I+1,-I。在z方向投影有2I+1個值也有2I+1個值若原子核的自旋為核磁矩在z方向的投影為:磁矩是量子化的

這就是為什么原子光譜的超精細結構譜線的間距比精細結構譜線的間距要小很多的原因。

mP比me大1836倍核磁子

N只有玻爾磁子

B的1/1836核的磁矩比原子中的電子磁矩要小很多。通常所說的核磁矩是

mI=I

時的取值，也就是磁矩在z方向上投影的最大值來表征磁矩的大小，最大投影記作：這就是為什么原子光譜的超精細結構譜線的間距比精細結構原子核的自旋角動量課件原子核的自旋角動量課件§1.6原子核的電四極距電極距電勢電偶極距電四極距+-+--§1.6原子核的電四極距電極距+-+--原子核的電四極距原子核的電四極距原子核的自旋角動量課件原子核的電四極距原子核電偶極距為0原子核有電四極距原子核的電四極距原子核電偶極距為0原子核的自旋角動量課件原子核的自旋角動量課件原子核的電四極距電四極距超精細相互作用IMI原子核的電四極距電四極距超精細相互作用IMI原子核的電四極距E=14.4eV磁相互作用磁+電四極距相互作用原子核的電四極距E=14.4eV磁相互作用磁+電四極距相互作§1.7原子核的宇稱空間反演與宇稱P

(r)

=

(-r),P2

(r)

=

2

(r),=1核子的宇稱原子核的宇稱§1.7原子核的宇稱空間反演與宇稱1.7

原子核的宇稱空間反演變換表示與某一坐標軸重疊，空間反演就與鏡面反射等價。，如果

空間反演下物理規律的不變性,與它的鏡像過程服從相同的物理規律等價。1.宇稱的概念1927年E.P.Wigner提出的,是描述空間反演運算的物理量。(1902-1995)1963諾貝爾物理獎-維格納

宇稱的概念是微觀世界中所特有的，它是微觀體系在空間反演變換下具有對稱性時，所相應的守恒量1.7原子核的宇稱空間反演變換表示與某一坐標軸重疊，空間反

如果狀態波函數是空間反演算符的本征態，K是該算符的本征值，那么：對上式再作一次空間反演變換：因此：空間反演算符由于：如果狀態波函數是空間反演算符的本征態，K是該算符的1)k＝＋1

的情況：

這表明描述粒子狀態的波函數在空間反演后有兩種可能的結果：2)k＝－1

的情況：偶宇稱奇宇稱1)k＝＋1的情況：這表明描述粒子狀態的波函數2.空間反演不變性與宇稱守恒

微觀粒子的物理規律由Sch?dinger方程描述，

在空間反演下，粒子態的波函數為，

微觀粒子在空間反演下滿足物理規律不變要求，

即，2.空間反演不變性與宇稱守恒微觀粒子的物理規律由S即，空間反演下物理規律不變等價于H(r)不變。因此有：即，

與H對易，宇稱量子數K是好量子數，不隨時間改變。宇稱守恒定律：即一個孤立系統的宇稱，奇則永遠為奇，偶則永遠為偶。若體系發生變化，體系變化前后宇稱相同，它的值不隨時間改變，即微觀體系的宇稱保持不變。即，空間反演下物理規律不變等價于H(r)不變。因此有：即，原子核的宇稱（見P17）

原子核是由中子和質子組成的微觀體系，它的狀態可以近似地用中心力場中獨立運動的諸核子波函數的乘積來描寫:故決定了宇稱是相乘量子數。若各個粒子的軌道角動量分別為則這個體系的總軌道宇稱為原子核的宇稱（見P17）故決定了宇稱是相乘量子數。若各個

作為微觀粒子，除了軌道宇稱，還應該有內稟宇稱，它和粒子內部結構有關。如果考慮到粒子的內稟宇稱，上述n個粒子體系的總宇稱為：質子、中子、電子等的內稟宇稱為偶,為+1。

介子、光子等,其內稟宇稱為奇，為-1。

作為微觀粒子，除了軌道宇稱，還應該有內稟宇稱，它和粒子

由于核子的內稟宇稱為正，所以，質量數為A的原子核的宇稱為：即核的宇稱是組成核的各個核子的軌道宇稱之積。以符號表示核的自旋和宇稱。強相互作用、電磁相互作用宇稱守恒；注意：弱相互作用宇稱不守恒。由于核子的內稟宇稱為正，所以，質量數為A的原子核的宇4、原子核基態的自旋和宇稱基態，指質子和中子都填滿最低一些能級，這時，原子核的能量最低。激發態，指核子處于較高能級而其較低能級未填滿，這時，原子核的能量較高。4、原子核基態的自旋和宇稱基態，指質子和中子都填滿最低一

對于偶偶核，當偶數個核子處于最低那些能級時，在每一個能級上所占有的核子數都是偶數。由于同一能級中的偶數個核子具有同樣大小的角動量j,而且由于對力的作用，成對的兩個核子的j

的方向相反，因而，同一能級的所有核子的角動量矢量和為零，則質子殼層和中子殼層都具有等于零的角動量。所以偶偶核的自旋為零，偶偶核中每一能級的核子數為偶，因此它的宇稱為正。對于奇A核，由于其余偶數個核子的貢獻，相當于一個偶偶核的貢獻，因此，原子核的自旋應與最后一個奇核子的角動量j

相同。宇稱由那個奇核子的軌道量子數l

來決定。即，奇A核的狀態由單個非成對的核子的狀態決定。這種模型也叫單粒子模型。對于偶偶核，當偶數個核子處于最低那些能級時，在每一個能原子核的自旋角動量課件

奇奇核的自旋由最后一個奇中子和奇質子耦合而成。由于中子和質子的自旋都是1/2，而軌道角動量總是整數，因此