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β稳定线

β-stability,在核素图(以质子数Z为横轴,中子数N为纵轴)上稳定核素排列而成的曲线。根据经验分析,β稳定线上稳定核素的A和Z0满足即随着核质量数A增大,β稳定线逐渐偏离坐标轴对角线,到一定程度,β稳定线中止。这一特征可从泡利不相容原理和库仑排斥作用来理解。当A≤40时 ,库仑排斥作用较小,而中子和质子都是费米子,按泡利原理,每个能态只能存在一个中子和一个质子,中子数和质子数有趋于相等倾向,以达相互作用最强最佳并对结合能作出最大贡献。理论预言,排列在β稳定线两侧不稳定放射性核素可有5000~6000种。

原子核中的质子数用Z表示,它等于核外的电子数,也等于该元素的原子序数。因为原子核所带的正电荷为Ze,所以Z也叫做原子核的电荷数(charge number)。原子核所含的中子数N表示。核中质子数Z和中子数N之和Z+N = A称为原子核的质量数(mass number)。具有相同的质子数Z、相同的中子数N、处于相同的、寿命可测的能态的一类原子称为核素(nuclide)。

若将所有核素排列在一张以N为横坐标、以Z为纵坐标的图(核素图)上,可以发现,稳定核素几乎全部位于一条光滑的曲线或紧靠该曲线的两侧。这条曲线称为β稳定线

随着Z的增大,质子的电斥能与Z(Z-1)成正比而增加得很快,需要额外的中子抵消库仑排斥作用 。到A≥200时,N/Z≈1.5,这种核素会发生a衰变或自发裂变,稳定核素不复存在,β稳定线中止。1966年理论预言在稳定线前端 Z=114 ,N=184附近可能存在半衰期为108年的稳定核素,至今尚未观测到。

在β稳定线两侧不远的核素为不稳定的放射性核素,一边是Z<Z0,质子数短缺,中子数相对过剩 ,称为丰中子核素,它们通过β-衰变向β稳定线靠拢;另一边Z>Z0,中子数短缺,称为缺中子核素,它们通过β+衰变或电子俘获向β稳定性靠拢。

理论上预言,排列在β稳定线两侧不稳定的放射性核素总共可有 5000~6000种 ,已发现和人工制造出来的达2000多种。产生这些核素的方法有:重离子核反应(见重离子核物理),高能粒子引起的散裂反应(见中高能核物理)和原子核裂变等。带电粒子核反应,主要是重离子反应,产生的一般是缺中子核素;而裂变产生的是丰中子核素。由于这些核素的寿命非常短,需要用一些特殊的技术和设备,例如在线同位素分离器,来对它们进行分离和研究。

远离β稳定线核素具有一系列独特的性质。它们的中子质子比异常,有的核子结合能很小,还有新的衰变方式,如高能β衰变、β延迟粒子发射、β延迟裂变等(见 β衰变)。这些新现象的研究和探索,将有助于检验和发展现有原子核理论,特别是核结构理论。某些新的核素还可能具有实用价值。。


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