4核的基态特性之二

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1、原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二1.原子核自旋原子核自旋 1924年，在年，在G.E.Uhlenbeck和和S.A.Goudsmit提出提出电子自旋之前，电子自旋之前，W.Pauli就提出原子核整体应具就提出原子核整体应具有自旋角动量有自旋角动量 。1932年发现中子以后，实验发现：中子和质子年发现中子以后，实验发现：中子和质子都具有自旋为都具有自旋为 。原子核的自旋角动量为构成它的中子和质子的原子核的自旋角动量为构成它的中子和质子的轨道角动量和自旋角动量的轨道角动量和自旋角动量的矢量和矢量和。IP2/原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二

2、 原子核原子核基态基态自旋的规律：自旋的规律：偶偶（偶偶（e-e）核的自旋为）核的自旋为0 奇偶（奇偶（e-o；o-e）核的自旋为）核的自旋为半整数半整数 奇奇（奇奇（o-o）核的自旋为）核的自旋为整数整数 原子的总角动量原子的总角动量 I 称为核自旋量子数称为核自旋量子数。I1IImmP1IIPJI1JIJIFPPPIIIZIJIF ,;)(;,;原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二 n 1/2 -1.91280 1H 1/2 +2.79255 2H 1 +0.857348 4He 0 0 6Li 1 +0.82189 7Li 3/2 +3.25586 9Be 3/

3、2 -1.1774 原子核原子核 I I（核磁子）（核磁子）原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二 14N 1 +0.40365 15N 1/2 -0.28299 20Ne 0 0 23Na 3/2 +2.21711 39K 3/2 +0.309 40K 4 -1.291 41K 3/2 +0.215原子核原子核 I I（核磁子）（核磁子）原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二2.核子磁矩核子磁矩eBleseleeleleseesesem2e1g2gPm2egPm2eg ;)(;)(,lpNlplpspNspspPm2egPm2eg,)(;)(电

4、电子子质质子子NNlesem2e1g65g ;.,Bohr磁子磁子核磁子核磁子Lande因子因子核子质量核子质量原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二质子和中子的质子和中子的电荷密度分布电荷密度分布原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二lnNlnlnsnNsnsnPm2egPm2eg,)(;)(中中子子0g823glnsn ,;.核磁子远小于核磁子远小于Bohr磁子磁子，可见原子核的磁矩比，可见原子核的磁矩比电子的磁矩小很多，因此产生的电子的磁矩小很多，因此产生的超精细结构超精细结构谱谱线也比精细结构谱线间距小很多。线也比精细结构谱线间距小很多。

5、注意注意通常测量的结果都是磁矩在某一方向投影通常测量的结果都是磁矩在某一方向投影的最大值，并以此来衡量磁矩的大小。的最大值，并以此来衡量磁矩的大小。原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二3.原子核磁矩原子核磁矩 核磁矩就是质子的轨道磁矩以及质子和中子的自旋磁矩的总和。NIIIZNINIIINIImg1IIgm2e1IIgPm2eg )()()()(gI 因子 的数值不能通过公式计算,只能由实验测得。原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二测量原子核磁矩的重要方法之一是测量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振核磁共振高高 频频发生器发生器延迟电路延迟电

6、路放大器放大器示波器示波器BhghBgUBmgBUNININIII 原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二4.原子核电四极矩原子核电四极矩 dVrz3z421dVzz41z4ZedV13rz421dVrz41dVz41dVPrz141dVrz2rz41dVR41223002000022300200000lll1l00022000)()cos(cos)(coscosryz0Rzx点电荷点电荷偶极矩偶极矩四极矩四极矩八极矩八极矩原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二 理论和实验都证明，原子核理论和实验都证明，原子核的电偶极矩等于零。其电四极的电偶极矩

7、等于零。其电四极矩的定义为（量纲？单位？）矩的定义为（量纲？单位？）dVrz3e1Q22)()(22acZ52Q 假设原子核为一均匀带电的假设原子核为一均匀带电的旋转椭球，作为对称轴的半轴旋转椭球，作为对称轴的半轴为为c，另外二个半轴均为，另外二个半轴均为a，则，则球形核球形核Q=0长椭球长椭球Q0扁椭球扁椭球Q0原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二 根据电四极矩根据电四极矩Q值的大小和符号，可以推知值的大小和符号，可以推知原子核如何偏离球形以及偏离球形的程度，所以原子核如何偏离球形以及偏离球形的程度，所以说电四极矩描写了说电四极矩描写了原子核的形状原子核的形状变化。

8、变化。另外，实验上发现电四极矩另外，实验上发现电四极矩Q值随核子数有值随核子数有着周期性的变化，这正是建立原子核壳模型的重着周期性的变化，这正是建立原子核壳模型的重要依据之一。要依据之一。原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二5.原子核宇称原子核宇称 宇称宇称是表示描述微观粒子体系状态的波函数在是表示描述微观粒子体系状态的波函数在空间反演空间反演变换下的奇偶性的物理量。变换下的奇偶性的物理量。P (r)=(-r),P2 (r)=2 (r),=1 核子的宇称核子的宇称 原子核的宇称原子核的宇称immlePrNRr)(cos)(),(lmlmllmlxxxlxPm)1(dd

9、)1(!21)(222AiAiilNi11)1(原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二宇称守恒宇称守恒：孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性或从奇孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性或从奇性变为偶性。性变为偶性。弱相互作用中宇称不守恒弱相互作用中宇称不守恒：1956年，李政道和杨振宁提出后，经吴键雄年，李政道和杨振宁提出后，经吴键雄用用 衰变的实验加以证实，是近代物理学史中的衰变的实验加以证实，是近代物理学史中的一个重大突破。一个重大突破。实验上发现原子核总是具有确定实验上发现原子核总是具有确定的宇称，不是奇，就是偶。而且的宇称，不是奇，就是偶。而且N，Z都为偶数的都为偶数的核

10、，它基态的宇称总是偶的。原子核激发态的宇核，它基态的宇称总是偶的。原子核激发态的宇称既有和基态宇称相同的，也有相反的。称既有和基态宇称相同的，也有相反的。原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二6.原子核统计性原子核统计性A为奇数的原子核是费米子，为奇数的原子核是费米子，遵从遵从Fermi-Dirac统计。统计。A为偶数的原子核是玻色子，为偶数的原子核是玻色子，遵从遵从Bose-Einstein统计统计。氮核不可能由质子和电子组成，由统计性判断：氮核不可能由质子和电子组成，由统计性判断：A=14是是玻色子玻色子 （由（由质子和中子组成）质子和中子组成）A=21是费米子是费

11、米子 （由质子和电子组成）由质子和电子组成）原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二7.超精细结构超精细结构IPI 原子核有一定的大小，其电荷有一个分布（电原子核有一定的大小，其电荷有一个分布（电四极矩），它还有自旋角动量和磁矩，这些性质对四极矩），它还有自旋角动量和磁矩，这些性质对核外电子的运动必然要产生影响，从而使原子光谱核外电子的运动必然要产生影响，从而使原子光谱进一步分裂，其分裂程度比精细结构还要小进一步分裂，其分裂程度比精细结构还要小3个数量个数量级，故称为超精细结构，它的起因称为超精细相互级，故称为超精细结构，它的起因称为超精细相互作用。作用。视原子核为点电荷

12、视原子核为点电荷Ze,得到原子光谱的粗结构得到原子光谱的粗结构.考虑电子的自旋考虑电子的自旋-轨道作用后轨道作用后,得到原子光谱的精细结构得到原子光谱的精细结构.考虑核的自旋、磁矩和电四极矩考虑核的自旋、磁矩和电四极矩,得到原子光谱的超精细结构得到原子光谱的超精细结构.原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二 原子核的角动量可以从原子光谱的超精细结构，或从分子光谱测得。例如，当用分辨本领更高的光谱仪观察钠的光谱时，会发现钠主线系第一条谱线D双线的D1线()由相距为0.023埃的两条线组成，D2线()由相距为0.021埃的两条线组成。这就是原子光谱的超精细结构。A93.5895A965889.3P3/23P1/2F2=I+1/2F1=I-1/23P3S5893A D5896A D15890A D23P3/23P1/23S1/2原子核物理概论原子核物理概论 核的基态特性之二核的基态特性之二