前言:本组笔记为博主大三下学期原子核物理的课程笔记,上课采用的教材为卢希庭教授的《原子核物理》。原子核物理是研究原子核成分和相互作用的物理学领域。从1907年卢瑟福发现原子核开始,原子核物理已经发展百余年。本篇笔记将介绍原子核的基本性质。

原子核的电荷、质量、半径

原子核用以下符号表示

ZAXN\mathrm{^A_ZX_N}

  • AA 质量数
  • ZZ 原子序数
  • XX 元素符号
  • NN 中子数目

有关某种核素的相关物理性质,可以在 http://nucleardata.nuclear.lu.se/toi/ 中查询。

核电荷

莫塞莱(Moseley)方法 可以较为精确的测量原子核 电荷。Moseley 发现元素所放出的特征 X\mathrm{X} 射线频率 ν\nu 与原子序数 ZZ 之间下列关系:

ν=AZ−B\sqrt{\nu} = AZ-B

其中对于一定范围内的元素,A,BA,B 不随 ZZ 变化。通过测定 ν\nu,可以得到 ZZ。

核质量

核质量不便直接测量,通常都是通过测定原子质量(或者离子)来推得核质量。

核的质量单位采用 原子质量单位 u\mathrm{u}。1u1 \mathrm{u} 定义为 12C\mathrm{^{12}C} 原子质量的 112\frac{1}{12}。与 kg\mathrm{kg} 的换算关系为:

1u=1.6605387×10−27kg1 \mathrm{u} = 1.6605387\times 10^{-27} \mathrm{kg}

利用质谱仪可以测量原子质量

基本原理:首先让原子电离,然后在电场中加速获得动能。
接着在磁场中偏转。由偏转的曲率半径可以得到离子的质量。

核半径

实验表明,原子核接近球形。原子核半径无法直接测量(10−12∼10−13cm10^{-12}\sim10^{-13}\mathrm{cm}),实验中通过原子核与其他粒子的相互作用来定义原子核半径。通常有两种定义方式:

  1. 核力作用半径
  2. 电荷分布半径

通常实验表明,核半径与质量数有如下关系:

R≈r0A13R\approx r_0A^{\frac{1}{3}}

对于核力作用半径,r0=1.4∼1.5fmr_0=1.4\sim1.5\mathrm{fm};对于电荷分布半径,r0≈1.1fmr_0\approx 1.1\mathrm{fm}

原子核的自旋

原子核的角动量,通常称为核的自旋。原子核由中子与质子组成,中子与质子都有 12\frac{1}{2} 的自旋,且这些核子在核内部存在相对运动,具有相应的轨道角动量。

原子核自旋角动量为:

PI=I(I+1)ℏ,PIz=mIℏP_I = \sqrt{I(I+1)}\hbar,P_{Iz} = m_I\hbar

II 为核自旋量子数,mIm_I 为磁量子数(类比任何角动量)。

核自旋可以通过测量 原子光谱 的 超精细结构 得到。

电子自旋与轨道角动量耦合产生精细结构;核自旋与电子轨道角动量发生耦合,产生超精细结构

考虑耦合的总角动量为:

PF=PI+PjP_{F} = P_{I} + P_{j}

FF 的可能取值个数决定了对应能级的超精细结构劈裂数目。具体来说:

  • j⩾Ij\geqslant I,FF 有 2I+12I+1 种取值。
    此时可以根据能级劈裂数得到核自旋。
  • I⩾jI\geqslant j,FF 有 2j+12j+1 种取值。
    此时可以通过能级间距法测定。

能级间距法

由量子力学可得角动量耦合的能量为:

E=API⋅Pj=12A[F(F+1)−I(I+1)−j(j+1)]ℏ2\begin{aligned} E &= A\bm{P}_I\cdot\bm{P}_j \\ &= \frac{1}{2}A[ F(F+1)-I(I+1)-j(j+1) ]\hbar^2 \\ \end{aligned}

设 F=I+j,I+j−1,⋯F = I+j,I+j-1,\cdots 时的能量为 E1,E2,⋯E_1,E_2,\cdots,由此得到两个相邻能级的间距为:

ΔE1=E1−E2=Aℏ2(I+j)ΔE2=E2−E3=Aℏ2(I+j−1)ΔE3=E3−E4=Aℏ2(I+j−2)⋯\begin{aligned} &\Delta E_1 = E_1 - E_2 = A\hbar^2(I+j)\\ &\Delta E_2 = E_2 - E_3 = A\hbar^2(I+j-1)\\ &\Delta E_3 = E_3 - E_4 = A\hbar^2(I+j-2)\\ & \cdots \\ \end{aligned}

由此可以得到能级间距的比值为:

ΔE1:ΔE2:ΔE3:⋯=I+j:I+j−1:I+j−2:⋯\Delta E_1:\Delta E_2:\Delta E_3:\cdots = I+j:I+j-1:I+j-2:\cdots

由此只要测得能级间距比值,再代入 jj,就可求得核自旋。这种方法只有在能级分裂数大于2时才可以使用。

也可以通过测量超精细结构谱线的相对强度来测量 II。

设 R1,R2R_1,R_2 为谱线 F1=I+j,F2=I+jF_1 = I+j,F_2 = I+j 的相对强度,有关系:

R1R2=2F1+12F2+1=2(I+j)+12(I+j)−1\frac{R_1}{R_2}=\frac{2F_1+1}{2F_2+1}=\frac{2(I+j)+1}{2(I+j)-1}

此外,还有 分子光谱 的方法可以测量核自旋。

核自旋有以下实验规律:

  • AA 为奇数的原子核具有半整数自旋
  • AA 为偶数的原子核具有整数自旋,其中 Z,NZ,N 均为偶数的核自旋为0。

原子核的磁矩

原子核的磁矩与核自旋相关,有:

μI=gI(e2mp)Pl\bm{\mu}_I = g_I(\frac{e}{2m_p})\bm{P}_l

取 μN=e2mp=5.0508×10−27A⋅m2\mu_N = \frac{e}{2m_p} = 5.0508\times 10^{-27}A\cdot m^2 为 核磁子。

大约为玻尔磁子 μB\mu_B 的 11836\frac{1}{1836},因此超精细结构谱线的间距比精细结构谱线的间距小的多。

利用 核磁共振法 可以测量核磁矩。

假设核自旋已知,那么测量核磁矩等效于测量 gIg_I。将被测样品放在均匀磁场 B≈1TB\approx 1T 中,原子核获得的能量为:

E=−glμNmIBE = -g_l\mu_N m_I B

mIm_I 有 2I+12I+1 个不同取值。两相邻能级间可以进行跃迁,有:

ΔE=glμNB\Delta E = g_l\mu_N B

若在垂直于 BB 的方向加上一高频弱场,则当

hν=glμNBh\nu =g_l\mu_N B

时,样品的原子核会强烈吸收磁场能量(共振)。通过测量磁场强度,共振频率,可以计算 gIg_I。

质子与中子的反常磁矩说明它们具有内部结构。

原子核的宇称

所有的相加性量子数均为零,具有内禀宇称。否则需要人为规定。

宇称常常和自旋一起记为 JpJ^p。原子核的宇称为各核子轨道运动宇称之积

原子核的同位旋

在核物理与粒子物理中,同位旋(isospin)是一个与上夸克与下夸克组成粒子相关的量子数,是一种味对称性。例如质子uud\mathrm{uud} 与中子 udd\mathrm{udd},将上下夸克互换,质子与中子相应互换。强相互作用下同位旋守恒。

同位旋是一个无量纲的物理量,但其算符具有角动量的结构,因此用“旋”来表述。

我们现在把质子与中子看做同一个粒子的两种状态,引入同位旋矢量 t^=12\hat{t}=\frac{1}{2},以及分量:t3t_3。其中 t3=12t_3=\frac{1}{2} 对应质子态、t3=−12t_3=-\frac{1}{2} 对应中子态。

对于一个两核子系统,同位旋为两核子同位旋的矢量和。

T^=t^(1)+t^(2)\hat{T} =\hat{t}(1) + \hat{t}(2)

其中 T=1,T3=0,1,−1T = 1,T_3 = 0,1,-1 对应自旋三重态。T=0,T3=0T = 0,T_3 = 0 对应自旋单态。

一个核素的同位旋量子数 T3T_3 完全由其中子数与质子数决定,有:

T3=12(Z−N)T_3 = \frac{1}{2}(Z-N)

原子核同位旋量子数 TT 满足关系:

12∣Z−N∣⩽T⩽12∣Z+N∣\frac{1}{2}|Z-N| \leqslant T \leqslant \frac{1}{2}|Z+N|

其中最小的 TT 值为核基态。

参考资料

  1. 卢希庭,《原子核物理》
  2. 封面图 By Qwerty123uiop - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64748575