§19-5  原子核的稳定性和结合能

    一、核素图和b稳定线

         目前存在的2700多种核素可分为两类,一类是天然存在的,在这类核素中约有280多种是稳定的,60多种具有天然放射性。另一类是人工放射性核素,约有2300多种。理论预言,可能存在的核素至少应有5000种。  

图19-10

    原子核的放射性是原子核自发进行的衰变过程的一种表现,反映了原子核的不稳定性。为了研究原子核的不稳定性,寻找不稳定性与核所包含的质子数和中子数的关系,大家将所有核素都标在以质子数Z为纵坐标、以中子数N为横坐标所构成的所谓核素图上。图19-10就是这样的核素图。从核素图上可以看到,稳定的核素都分布在一个狭长的带状区域内,通过这个狭长带状区域的中心可以画一条光滑的曲线,这条曲线称为 b 稳定线。b 稳定线及其附近的这个狭长的带状区域称为核素的稳定区。在 b稳定线的起始段(核子数A < 40),b稳定线与N = Z的直线相重合;随着核内核子数的增多,b 稳定线逐渐偏向N >Z的方向。b 稳定线上侧的区域是缺中子的核素区,这个区域的核素具有 放射性(包括电子俘获)或放射质子;b 稳定线下侧的区域是丰中子的核素区,这个区域的核素具有 放射性或放射中子。这两个区域的核素经衰变后转变为更靠近 b 稳定线的核素。

         在 b 稳定线的起始段,曲线的走向满足N = Z,这表示,在轻核中,中子数与质子数相等核才趋于稳定。因为质子和中子都是费米子,根据泡利不相容原理,每个能态最多只能容纳自旋不同的两个中子和两个质子,但不能容纳四个中子或四个质子,多于两个以外的中子或质子必须就位于高能态。如此排布的结果,只有当N = Z时核的能量才最低,状态才最稳定。

         随着Z的增大,b 稳定线向N >Z的方向偏离,这是由于质子之间的库仑作用的结果。大家已经知道,核力是短程力,只作用于相邻核子之间,故正比于质量数A。而质子之间的库仑力则是长程排斥力,可以作用于核内所有的质子之间,故正比于A(A-1)。可见,随着Z的增大,库仑力比核力增加得更快,为了保持原子核的稳定,必须靠更多的中子以提供更大的核力来抵消库仑力的排斥作用。所以,稳定核素的中子数比质子数增加得更快。

         当Z增大到一定程度,稳定核素不再存在;Z再增大,连长寿命放射性核素也不能存在了,已知核素区就逐渐终止了。这表明,在此情形下核子之间的核力已不能克服质子之间的库仑作用而将原子核结合成一个紧密的实体了。如果把不稳定核素区比作不稳定海洋,那么核素存在的区域就象是个半岛,目前已经发现的2700多种核素就处于这个半岛上。1966年前后理论曾预言,在远离半岛的不稳定海洋中,在Z » 114附近应该存在一个超重元素稳定岛;1974年前后李政道预言,在不稳定海洋更遥远的地方存在一个比岛大得多的“稳定洲”,那里有成千上万种稳定核素。这些预言都有待于实验的进一步验证。

       
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