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   原子核的直观结构      ★★★ 【字体: 】  
原子核的直观结构
收集整理:佚名    来源:本站整理  时间:2009-01-10 12:53:48   点击数:[]    

着原子核空间结构的相对稳定存在。
在核子环上,每个核子只与它两侧的核子有核力作用,形成两个核键达饱和,而与其它的核子一般不再有核力作用。这就是核力在原子核内的饱和性,正由于这种饱和性,使原子核这个多体体系的性质从复杂归于简单、单一,核子环成为环上任一核子运动的平均场。
三、原子核的运动形式
原子核的核环上质子均匀排列的空间有序性,与核外电子的规则排布相联系。核子环的自转是环上所有核子独立运动有矢量和,即单粒子运动必须服从或服务于统一的整体转动,这是综合模所描述的——核子在核内单粒子运动与集体运动相耦合。原子核作为一个微观量子体系,核子环的集体转动并非像流体那样作非旋转动,它的集体转动是指原子核势场空间取向的变化。〔2〕
由于核子环整体向一定方向自转(顺时针或逆时针),质子也都相应做环系运动,从而产生环系电流,这样就使原子核中显示出质子的正电移动性——质子流。因此,它们的统一运动产生了相同的磁场,这样核环就有了较固定的旋轴线——核轴线(沿磁极方向,就象地磁线一样)。中子也同样产生中子流,中子流与质子流,它们占据着各自的量子轨道(能级),虽然通过核子——核子相互作用,不断地交换着能量、动量和角动量,但它们大体上保持着相对的独立性,即从总体上看,它们近似地保持着原来的运动状态, 这正是独立粒子模型,即壳模型所描述的。核子的高能级轨道是与轴线垂直的核的腰部,核子的低能级轨道是轴线附近的核的端部。这样,核内核子表现出两重性——粒子空穴性,核内核子的填充状态是一种轨道运动的几率分布,不再以费米面作为占据或空缺的自然分界线,这是引入准粒子时所描述的。而核子环转动所形成的相对薄的表面及核子环的变形使核物质有低的可压缩性,正是液滴模型的两个基本假设。〔3〕
核子环上的核子大体上可看成是在同一个平面上,圆面的转动形成了旋转球体的原子核。核环上的核子时时刻刻都在平衡形状附近做或强或弱的形状振动,这种振动从外观上看是原子核体积不怎么变化的表面振动。如果因个别核子的动能(破坏核环形状的)太大,迫使核环发生形变,离开原来的平衡形状,成为椭圆环,它们在转动时就成为椭球体,这样就形成了某些原子核电荷分布的非球对称,而是具有旋转椭圆球的对称性。正是由于核子绕轴线转动形成的对称性,使核子在轨道上运动具有如下特点:在同一能级的轨道上,可能运动着核子环上对应着的一对质子或一对中子。也就是说,在同一量子轨道上运动着一对核子。
四、原子核的稳定性
在原子核中,质子与中子的有机组合构成了原子核真实的直观结构。在核环上有多少个核子,就应有多少个核键,如12C核环上有12个核键,13C则有13个核键。这些核键是一个统一的整体,破坏一个原子核,必须给予其核子环上应有的若干个核键的总能量——总结合能E总。
一些稳定的原子核(包括基态核)的平面直观结构(可能的轴线)如下图所示:
He Li Li Be
同它们结构相似的又如12C、13C、14N、15N、16O、17O、20Ne、23Na、32S、40Ca等等。
一般情况下,原子核最稳定的结构是中子与质子均匀相间排列的核子环,且N=Z。它们是“具有高度的中子-质子对称性的球形自轭核”,它们的核环上任一核子都达到了完全饱和键态,中子与质子结合得很紧密,电荷分布为球对称,如奇奇核14N和偶偶核16O等。在这样的核环上加入(或去掉)一个或几个中子成键,在核环一处或几处出现了剩余相互作用,即相同核子间出现了不饱和核力,核圆环可能因此变形为椭圆环,从而形成了近球形核。以上正是平均场理论所描述的。〔4〕
对于中子数多于质子数较多的中等核及重核,它们的核环上可每相隔两个中子再排列一个质子,形成的核也是稳定的,即Z≤N≤2Z。但核环上最多一处可排列三个相连的中子,如果中间的那个中子不稳定,具有很大的动能(使核环发生形变的,而非转动的动能)。核环为阻止自身的形变,在核的表面张力作用下,会迫使其发生β-衰变,使其衰变成质子,然后与两侧的中子恰形成饱和核键而达到稳定。或者,此中子虽无大的形变动能,但受到核环上强大的表面张力的压迫、冲击,达到弱作用范围,也会发生β-衰变,这就是重核的β-衰变。
在饱和的核环一处去掉一个中子(可加入一个质子),会使两个质子直接作用,达到了弱作用范围,其中的一个质子会发生β+衰变,衰变成一个质量仅次于质子的中性新粒子——次中子,然后重新形成核键。但次中子是不稳定的,它能吸收光子(γ→e+e),而转变成中子,如发生β+衰变后的重核伴随着正负电子对的吸收现象,就反映了次中子的这一特性。如果质子不发生β+衰变,也可通过俘获K电子使其中的一个质子转变成中子而重新形成稳定的核键。可见,中子与质了在原子核内互相限制、彼此制约,并且中子在原子核内的作用就是起到连接质子的作用。当中子数少于质子数时,原子核就会不稳定,会发生β+衰变或K俘获。虽然核自由中子会发生β-衰变,但在原子核内与质子成键后的束缚中子不会发生ββ-衰变,这是饱和核力作用的结果。

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