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核物理基础
第一节 原子核及原子核的转变
一、原子核
原子核（nucleus）是由带正电的质子（proton）和不带电的中子（neutron）组成，质子和中子统称为核子(nucleon)。在中性原子中，原子核内的质子数等于核外电子数，也代表核电荷数，称为原子序数，用z表示。原子核内的质子数与中子数之和称为质量数，用a表示。原子核内的中子数即为a-z，若以x代表某种元素，则 azx表示元素的原子核组成。
（一）元素（element）：原子核内具有相同电荷数的同一类原子称为元素。
（二）核素（nuclide）：原子核内质子数、中子数完全相同的一类原子称为核素。32p和60co等具有放射性，称为放射性核素。
（三）同位素（isotope）：一种元素可以包含多种核素，这些原子核中的质子数都相同，但中子数不相同。同一种元素的各种核素又称为同位素，因为它们在“元素周期表”中占同一位置，例如：1h、2h、3h是不同的核素，但它们都是氢元素，故把它们叫同位素。
（四）同质异能素（isomer）：两种核素若中子数和质子数都相同，而仅仅是能量状态不同，被称为同质异能素。例如：99tcm与99tc是同质异能素。
二、质量、能量守恒和原子核结合能
（一）质量亏损（mass defect）
原子核是由中子和质子组成，但原子核的质量与核内中子的质量和质子的质量之和并不相等。例如：
氦原子的质量m( )＝4.002603原子质量单位（u）
氢原子的质量m( )＝1.007825u
中子的质量m(n)＝1.008665u
氦核（ ）是由2个质子（即2个氢原子）与2个中子组成的，把2个氢原子和2个中子的质量相加为：
2×m( )＋2×m(n)＝2×1.007825u＋2×1.008665u＝4.032980u与氦（ ）的原子量不相等，其差值为：
△m＝[2m（ ）＋2m(n)]－m（ ）＝4.032980u－4.002603u＝0.030377u
以上计算表明，当二个中子和二个质子组成一个氦核时，要损失△m＝0.030377u的质量。对于其它所有的原子核，都可通过计算证明，原子核的质量并不等于其核内中子质量和质子质量之和，△m即为“质量亏损”。
（二）核力（nuclear potential）
原子核是由核子(中子和质子)组成的，在核内的核子间还存在着一种特殊的相互作用力——核力。它的特性是：核力是“短程作用”的力；核力作用与核子带不带电无关；核力具有“饱和”的性质，一个核子只能与邻近的、而不能同所有的核子都起相互作用。
原子核是由核子依靠核力相吸而紧密地结合在一起构成。核子在组成原子核时，必然会对外作功，即放出能量。
（三）质量和能量联系定律
质量和能量是物质同时具有的两种属性。任何具有一定质量的物质必然与一定的能量相联系。
设：e＝能量（j），m＝质量（kg），c＝光速（3×108m/s），则e＝mc2
在任何有能量变化的场合总是伴随着有质量的变化。同样如果任何物质的质量改变了，那么它相应的能量也发生改变。
（四）原子核结合能（binding energy of nucleus）
若干个核子结合成原子核时释放出来的能量叫该原子核的结合能。结合能越大，表示核子结合成原子核时放出的能量也越大，也表示这个核结合得越紧。原子核的结合能与核的质量数（即核子数）的比值称为“核子的平均结合能”（图1-1）。
   
图1－1　核子平均结合能曲线
对于质量数为中等数值的那些原子核，每一个核子的平均结合能最大；而质量数较大的重核区，或较小的轻核区的原子核中，核子的平均结合能都比较小，因此，当重原子核分裂成中等质量的核时，核子在较轻的核内会结合得更紧密，就可能会大量释放能量；当两个较轻的核发生聚合时，释放出的能量更大。
三、原子核的转变
（一）核衰变（nuclear decay）
某些核素的原子核自发地放出α、β等粒子而转变成另一种核素的原子核，或是原子核从它的激发态跃迁到基态时，放出光子（γ线），这些过程称为核衰变。
1．核衰变类型
（1）α衰变（alpha decay）
放射性核素的原子核放射α粒子而变另一种核素的原子核的过程为α衰变。α粒子就是高速运动的氦原子核。α粒子由2个质子和2个中子组成，所带正电荷为2e，其质量为氦核的质量。通常把衰变前的核称为母核，衰变后的核称为子核。放射性核素的原子核发生α衰变后形成的子核较母核的原子序数即核电荷数减少2，在周期表上前移2位（左移法则），而质量数较母核减少4，可用下式表示：
     
α衰变是重元素原子核的特点，发生α衰变的天然放射性核素绝大部分属于原子序数z＞82的核素。
（2）β衰变（beta decay）
当一个原子核电荷数改变±1，而质量数保持不变时，这种核衰变叫β衰变。
β-衰变是指从核内放射出一个负电子e-的过程。这里子核的质量数与母核质量数相同，只是生成的子核增加了一个质子。所以，原子序数增加1，即在元素周期表中后移一位（右移法则）。由原子核发射的电子叫做β粒子。可用下式表示：
     
β-衰变可以看成是母核中的一个中子转化为质子，同时放出β-粒子和中微子。
    n—→p+β-+ν
（3）γ衰变（gamma decay）
各种类型的核衰变往往形成处于激发态的子核；由于受快速粒子轰击或吸