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1、Chapter2 Nuclei ,Isotopes and Isotope Seperation第二章 核子学,杨金玲,Neither radioactive decay nor the discovery of isotopes provided information on the internal structure of atoms,原子核的构成电子的发现 1897年,Thomson发现电子,一.原子核的构成原子核的发现1909年，Rutherford的学生应用粒子轰击金箔的实验中，发现有大约八千万分之一的几率被反射。,1911年,Rutherford散射实验证实,原子的正电荷及99.
2、9%的质量集中在R10-14m的原子中心,他据此提出了原子是由原子核和电子组成的核式结构模型,1913年,玻尔创立原子结构理论 根据丹麦原子物理学家玻尔（Niels Bohr）的经典理论：原子可以看做成一个小球，它由一个极小的中心核和许多围绕它的电子壳层所组成，每一个壳层都包含若干电子。 在中性原子中，原子核中带正电荷的质子数等于核电荷数或者原子序数，它也等于围绕核的电子数。这些电子的结合能随着离原子核距离的不同而不同，离的越远结合能越小；因此，外层电子有最低的结合能，决定元素的化学键和化学性质。,原子核的构成 质子的发现 1919年,Rutherford等用粒子轰击一些原子核时，发现质子 布
3、拉凯特通过对粒子径迹的照片进一步分析说明，质子是由“复合核” 分裂出来的，质子是原子核的组成部分 当时人们知道的基本粒子只有质子和电子，自然就想到原子核是由质子和电子组成的,一.原子核的构成中子的发现,1930年， 博特在完成了一个实验，发现了一种中性射线，但他认为产生的中性射线是g射线,1932年Chadwick利用同样的反应中产生的中子去轰击14N，测得的最大的反冲动能为1.2MeV，并根据小居里夫妇轰击石蜡多测得到的反冲质子的最大动能为5.7MeV，及动量和动能的守恒关系，估算出中性射线的质量和质子相近，并大胆的预测该射线是中子。,Heisenberg提出原子核由质子和中子组成的假设,之
4、后得到大量实验证实,According to accepted nuclear models the nucleus is composed of only protons（质子） and neutrons（中子）.1.核子nucleon The term nucleon is used to designate both protons and neutrons in the nucleus. 原子核的构成: 质子protons和中子neutrons组成。特点：非常小，为10-12cm，大致为原子大小的万分之一；非常致密，密度约为1014g.cm-3（108t.cm-3）； 占原子99.9%
5、的质量； 带正电；,原子核的构成 核内核子和其相应的的自由核子之间是有区别的： （1）核内的中子是稳定的，自由中子是不稳定的，通过发射一个电子转变为质子，半衰期为T1/214.6min。根据近代理论自由质子也是不稳定的，但至今没有得到证实（1030a）。（2）由Z个质子和N个中子组成的原子核的质量与z个质子和n个中子质量之和并不相等，差别是由核子结合成原子核所致。各个核子之间的结合作用表现为介子在核子之间交换（强相互作用）。,原子核的构成 核子是由三个夸克组成：质子：2个u夸克（带2/3电荷）和1个d夸克（带1/3电荷）组成； u u d p（2/3）（2/3）（1/3） （1） 中子：1个u
6、夸克和2个d夸克组成： u d d n（2/3）（1/3）（1/3） （0） 中子转变成质子可以简单地认为通过1个d夸克转变为1个u夸克来实现。原子仅由三种基本粒子组成：质子、中子和电子；其它基本粒子以及反粒子仅在核衰变瞬间出现或者能量转变成质量时出现。,原子核的构成2. 核素nuclide 核素是表示一类原子，它的核具有确定的质子数和中子数。核素可能是稳定的，也可能是不稳定的，对于不稳定核素通常称作放射性核素 radionuclide。核素的表示方法：除了给定原子序数Z或元素符号外，还必须给定核子数A。如：,The mass number 质量数A is the total number o
7、f nucleons. A = N + Z where Z is the number of protons 质子数(= the atomic number原子序数) and N is the number of neutrons中子数. The elemental identity and the chemical properties are determined by the atomic number.,核素分类：按照核子的奇偶来分：偶偶核：偶数质子和偶数中子；奇奇核：奇数质子和奇数中子；奇偶核：奇数质子（偶数质子）和偶数中子（奇数中子）；,IsotopeIsobarIsotoneIs
8、omer,（2）系统分类：Species of atomic nuclei,an element may be composed of atoms that, while having the same number of protons Z in the nuclei, have different mass numbers A and, therefore, different numbers of neutrons N. Neon, for example, has an atomic number of 10, which means that the number of proton
9、s in the nuclei of all neon atoms is 10; however, 90% of the neon atoms in nature have 10 neutrons present in their nuclei while 10% of the atoms have 12 neutrons. Such atoms of constant Z but different A are called isotopes. The heavy hydrogen isotopes 2H and 3H are used so often in nuclear science
10、 that they have been given special names and symbols, deuterium (D) and tritium (T), respectively.,Isotope同位素,同一元素的同位素在元素周期表中占同一位置，彼此的化学性质几乎相同。,isobar is the term used to designate nuclides with a common number of nucleons (A), i.e. the same mass number. 93Y 93Zr 238U 238Pu,Isobar同量异位素,Nuclei with t
11、he same number of neutrons (N) but different atomic numbers are termed isotones3H and 4He are examples of isotones.,Isotone同中子素,In some cases a nucleus may exist for some time in one or more excited states激发态 and it is differentiated on this basis. Such nuclei that necessarily have the same atomic n
12、umber and mass number are called isomers. 60mCo and 60gCo are isomers; the 60mCo nuclide exists in a high energy (excited) state and decays spontaneously by emission of a -ray with a half-life of 10.5 min to the lowest energy, ground state基态, designated by 60gCo.The symbol m stands for metastable亚稳态
13、, while g (or no symbol) refers to the ground state.,Isomer同核异能素,等超中子素:中子数与质子数差为常数,原子核的构成3. 核素的稳定性 1993年为止，已知共有109种元素。其中仅有81种元素有稳定同位素，其中最重的是83Bi；其余28种只有放射性同位素；92U是自然界存在最重的元素，他具有自然界存在最高的核子数，A=238。 在109种元素共有2800多个核素，一种元素的已知同位素种数从3个（氢）到36个（氙）；其中稳定核素只有272个，其余为放射性核素；,原子核的构成 在272稳定核素中： 偶偶核：质子和中子都是偶数，共有162
14、个； 偶奇核：质子是偶数，中子是奇数，共有55个； 奇偶核：质子是奇数，中子是偶数，共有49个； 奇奇核：质子和中子都是奇数，共有6个。 偶偶核素必定特别稳定，相反奇奇核必定不稳定，属于放射性核素。偶奇核和奇偶核介于两者之间。,原子核的构成在272稳定核素中，在按照同位素和同量异位素来分：（1）同位素Z偶数，N偶数（偶偶核）：可能有多种稳定同位素，例如Sn和氙各有7种偶偶同位素； N奇数（偶奇核）：最多有2种稳定同位素（115Sn、117Sn、119Sn除外）Z奇数，N偶数（奇偶核）：最多有2种稳定同位素； N奇数（奇奇核）：没有稳定同位素（除：2H、6Li、10B、14N、50V、180Ta
15、。除14N外，均以低丰度同位素存在）。（2）同量异位素A奇数， Z偶数，N奇数（偶奇核）：仅有1种稳定核素； Z奇数， N偶数（奇偶核）：除A=113外不存在稳定同量异位素；A偶数， Z偶数，N偶数（偶偶核）：除A=96、124、130和136每种有3个稳定的同量异位素外，其余仅有2个稳定的同量异位素； Z奇数，N奇数：没有稳定同量异位素。,原子核的构成 马特奥许（Mattauch）同量异位规律：不存在原子序数相差1的成对的稳定同量异位素。 在这里还不能肯定，非常稀有的 和 核是不是具有极长的半衰期的放射性核素。 马特奥许同量异位规律对发现天然存在的放射性核素非常重要，例如自然界存在的三个一组的同量异位素：中间的核素是放射性的。,原子核的构成4. 放射性物质 放射性物质：含有放射性核素的物质。实际上所有物质都含有放射性核素，只不过大多数物质中放射性核素的浓度都很低。辐射防护对放射性物质规定了允许接触的放射性浓度的极限。 由放射性物质派生的同样重要的概念还有放射性材料、放射性物体、放射性制剂、放射性辐射源或放射源也经常使用。 天然放射性物质：一种主要含有天然放射性核素的物质。也就是说它含有的人工制造的放射性核素的浓度远远低于天然放射性核素的浓度。,
