示两个能级间发生跃迁时所吸收或发射的谱线。处于高能态 的原子通过一系列跃迁,到达较低的能态,最后回到基态。 如果观察大量氢原子所发生的各种可能跃迁,就可得到图1.4 中的氢原子能级或氢原子光谱。处于基态和激发态的电子都 还没有脱离原子核的束缚作用,所以都是束缚态的。直到原 子能量E≥0时,电子才脱离了原子,这种状态称为氢原子 的电离态。 玻尔假设以直接的实验为基础,它在解释氢原子光谱上 获得了很大的成功,是原子结构和原子光谱理论的一个重大 进展。但它并不是完善的,用它解释氢原子还可以,而用它 来解释较复杂的原予如复,就符合得不那么好,这说明玻尔 理论仍然是粗略的近似理论。 现代原子理论是由海森堡(W. Heisenberg)和酵定谔 (E. Schrodinger)等人,根据微观粒子(如电子、原子 等)不仅具有粒子性同时还具有波动性的实验事实,于1925 年提出了量子力学理论。用量子力学理论处理原子物理问题 时所得到的结论与实验事实符合得很好,因此它是现代微观 体系的基本理论。 1.2原子核的结构 1.原子核的组成 原于是电中性的。如果每个原子有Z个电子,每个电子 电荷e=1,6021892×101C,则原子所带负电荷为Ze,而原 子核带有正电荷为Ze。许多实验发现,氡原子核在各种原 子核内是作为正电荷的单元粒子的,因此它被称为质子,用
符号p表示。质子的静止质最mp=1.67261×107kg,为电 子质量的1840多倍。1932年詹姆斯·恰德维克( James Chadwick)发现了中子。不久,海森堡提出了原子核是由 质子和中子组成的理论。由于这一理论能解释很多实验现象, 所以很快被人们所接受。根据这一理论,原子核是由2个 带正电荷的质子和N个不带电的中子所组成,即 A=2+N (12) 式中,A称为质量数,它是一个没有量纲的数,其数值等于 原子核内质子数与中子数之和。质子和中子统称为核子。核 中质子数Z即为该元素的原子序数。 核素这一术语在核辐射防护中经常用到,它是指核内具 有确定数目的质子和中子并具有同一能态的一类原子。如 z=1,N=0所相应核素为氢原子y铯+134与铯-134m虽 然它们的核内质子数与中子数分别相同,但它们所处的能态 不同,故属两种不同核素。核素根据其质量数和原子序数及 所处能态差异还可分为 (1)同位素 系指那些具有相同的原子序数Z,但质量数A不同的核 素。如铀-238、铀-235与铀-234等均为铀元素的同位素 2)同质异能素 系指那些具有相同的质量数A和原子序数Z,但处在不 关于核素的定义目前尚有不同看法:一种看法是核素仅搶具有确定质子 数和中子数的核所对应的原子,即不把核的能态包括进去。另一种看法 是,应把核的能态包括进去.即用质子数、中子数以及核的能态〔当处 在该能态上的平均寿命长到可以观测时,例如大于10-s时)来表征的 类原子称为核素,本书中的核素定义是根据国际辐射单位与测量委员 会(CRU)第33号报告编写的
同能态的核索称为同质异能素。如锑-124、锑-124m1与锑 124m2 (3)同质异位素 系指那些具有相同的质量数A面原子序数Z不同的核素 称为同质异位素。如锶-90和钇-90。 核素用符号《表示。其中X代表元素符号,在其左上 角标明核质量数A,左下角标明核电荷数Z(有时可省略)。 核素如系同质异能素,还应在其质量数后标上m或m1、m2 等。例如Cu即表示质量数为68、原子序数为29的核素 铜-68,而2C则表示它是2Cu的同质异能素。 2.原子核的质量 前面已经谈到:原子质量绝大部分集中于原子核。 原子核的质量用原子质量单位来表示。原子质量单位等 于一个碳-12核素原子质量的十二分之一,记为u 1u=1.6605655×10-2kg 质子、中子、氢、氘、碳-12以及氧-16的原子质量分别为 mp=1.00727644u mn=1.00866522u M(H)=1.00782522u M(D)=2.01410222u M(6C)=12.0000000u M(O)=15.99491502u 原于核的质量是原子核的一个重要特征。原于的质量等 子原子核的质量加核外电子的质量,再减去相当于电子全部 结合能的质量值。所以对原子核质量做某些计算时,通常用 中性原子质量来求原子核质量
3.原子核的大小与密度 原子核内的核子紧密地结合在一起,这在某种程度上原 子核同由水分子组成的“液滴”一样,可把原子核近似地看 成是球形,核的半径R按下式求得 R=rcA (1.3) 式中r为一常数,较精密的测定值为1.20×10-5m,由此可 以计算得到核的半径大约为原子半径的万分之一到十万分之 由原子核的大小还可以佔算出原子核的密度。如果原子 核的质量以M来表示,体积以V表示,则V=3zR,原子 核密度按下式求得 MM M P=yara 4 xr A 4r d m (1.4) 可以证明,上式中的等于阿伏伽德罗常数NA。将r 及NA值代入可粗略得到原子核的密度 p≈101kg/m3 可见原子核的密度很大,说明原子核内的核子结合得非常紧 密 4.质量能量联系定律 在研究电子运动中,人们发现电子的质量随电子运动的 速度的增高而增加。狭义相对论指出:如果物体静止时的质 量m。(静止质量),那么当物体运动速度为v时,它的质量增 大到m,m与m有如下关系式 m=√1-v/e2 (15) 10
式中,C一光在真空中的速度。c=299792458m,s-t 由于物体速度增加,质量增大,因而它的能量也增大。 狹义相对论还指出:任何物体,其质量m和能量E的关系, 根据爱因斯坦(A. Einstein)质能关系公式 e=mc2 (1.6) 同样,静止质量为m的物体,则其静止能量为m。c2。根据 能量守恒定律,我们可以有: mc2+E,=mc2 (1.7) 式中,E一物体动能。利用(1.5)式可得: E finc MnC (1.8) 或 1 k √1-n/c2 (1.9) 在核辐射物理中,射线能量道常用eV和MeV来表示 个电子在真空中通过1伏特电位差所获得的动能,记 为eV leV=1.6021892×10-4J 1MeⅤ=106eV 此外有时还用到keⅤ和GeV, lkeV=10°eV,IGeV= 10°eV。 根据(1.6)式计算得到:与一个原子质量单位相应的 能量为931.5016MeV。 电子静扯能显经过计算为 mC2=0.5110034MeV 如果物体质量改变了△M,那么它的能量也必然产生相 11