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核素

核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。同一种同位素的核性质不同的原子核,它们的质子数相同而中子数不同,结构方式不同,因而表现出不同的核性质。

核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。很多元素有质子数相同而中子数不同的几种原子。例如,氢有1H、2H、3H 3种原子,就是3种核素,它们的原子核中分别有0、1、2个中子。这3种核素互称为同位素。 [1] 例如,原子核里有6个质子和6个中子的碳原子,质量数是12,称为碳-12核素,或写成12C核素。原子核里有6个质子和7个中子的碳原子,质量数为13,称13C核素。氧元素有16O,17O,18O三种核素。具有多种核素的元素称多核素元素。自然界仅有一种核素存在的元素称为单核素元素,如铍、氟、铝、钠等20种元素。 [2] 质子数为偶数的元素,可有较多的稳定核素,一般不少于3种,而质子数为奇数的元素,通常只有一个稳定核素,一般不会多于两种,这是由核子的结合能所决定的。多核素元素中各核素互称同位素,因为它们处于周期表中同一位置上,化学性质基本相同,但核性质不同;单核素元素没有同位素。核素的质量即原子质量,总小于孤立质子、中子和电子的质量总和,在概念上也不等于质量数,在数值上除12C外均与质量数稍有不同。核素的质量是用质谱仪测定的,这种测定很先进,可测得7位或更多位有效数字。

核素概念最初是为了确切描述元素的原子量而引入的。最初的化学原子概念是元素原子,即同一种元素对应有同一种原子,因此某种元素的原子量被规定为该元素原子的相对质量。同位素的发现揭示出元素并不是化学性质和量完全相同的一类原子,同一种元素的原子其质量可以不同,因而元素原子量所反映的是各种同位素原子质量的平均值。原子物理学的研究进一步表明,原子的质量主要是由构成原子核的质子和中子的数目决定的,而元素的化学性质只同质子数有关。为了进一步区分元素的同位素,科学家们引进了同位素的质量数,即质子数和中子数之和。从元素的化学性质看,不同的同位素在元素周期表上处于同一位置,故称“同位素”,而从原子核的角度看,同位素又是同一种元素的质量不同的原子核,也称为核素。这时,核素只不过是同位素的别称。后来发现地球上天然存在的和人工制造的原子核都有“同核异能态”的现象,即具有相同质子数和中子数的原子核所显现出来的核性质,如衰变方式、半衰期、能量等等可以不同。同核异能态是原子核层次的“同分异构体”,“同分”是指相同数目的质子和中子,“异构”则表示它们构成原子核的方式不同。但同位素概念不足以反映这种“同分异构”现象。如果把核素概念定义为同一同位素的核性质不同的原子核,就可以概括核的同分异构现象。因此,核素也就成了表达核性质的独立概念。

核素核素的符号原子序数质量数中子数三者之间的关系:

具有一定核电荷数和质量数,并且具有同一能态的一种原子核或原子,称为一种核素

核素常用符号AZX 表示,其中X元素符号Z原子序数A质量数A-Z=NN是该核素中的中子数。由于元素符号X已经确定了它的原子序数,因此,通常核素也可简记为AX。

科学研究表明,稳定性核素对核子总数有一定限度(一般为A≤209),而且中子数和质子数应保持一定的比例(一般为N/Z=1~1.5,也有个别例外)。任何含有过多核子或N/Z不适当的核素,都是不稳定的。A≥209的核素,即元素周期表中钋(Po)之后的所有元素的核素都具有放射性(钋之前的元素,有的核素也具有放射性),它们或是自发地放射出α射线(即He核),而转变成A较小的新核;或是因核素的N/Z不适当,其核内的中子与质子会自发地相互转变,从而改变N/Z的值,并同时放出一个β-(或β+)粒子。核素衰变后产生的新核几乎都是处在激发态,这样的核或是自发地放射出γ光子而转变到基态或较低能态,或是继续进行α衰变(或β衰变),直到变成一个稳定的核素为止。

核素分为①不同元素不同原子②同种元素不同原子

具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子叫做核素,符号是(1)核素的概念界定了一种原子;

(2)绝大多数元素都包括多种核素,也有的天然元素仅含有一种核素;

(3)核素的种类多于元素的种类,目前发现的112种元素共有一千多种核素。

化学元素周期表不能表达核素的内容,这就需要有一个与核素概念相适应的表达方式,即核素图(见图)。在核素图中,核素是按原子序数和质量数递增的顺序排列的。在这个意义上核素图是周期表的进一步发展。它把质量数相同的核素按纵队排列,从上到下的直列是同量异位的核素的队伍;同位核素按质量数递增的顺序依次从左上向右下斜队排列,是质子数相同的核素列;从左下至右上(或从右上至左下)是同中子异荷素,核素图侧重于描绘原子核的性质,如衰变方式、半衰期、热中子反应截面、射线性质和能量等,而略去核子电子壳层结构。现代化学元素周期系理论和核外电子壳层结构理论是等价的,现代化学元素周期表如何进一步向超重元素发展,实质上是核素周期系理论所要回答的问题。建立在核子壳层结构模型基础上的幻数核素理论,在一定程度上描述了核素的稳定性,从而初步揭示了原子核的内在规律性。然而幻数理论还远不像电子壳层理论那样完整、准确而令人信服,也就是说量子力学理论在核层次的应用还没有成功,因此核素图仅仅是探索核素周期性图表形式的初步尝试。

探索核素规律涉及基本粒子问题,可以把核素视为基本粒子集团,核素的稳定性主要取决于中子和原子的确定的结合方式。在人造核素过程中,各种基本粒子相互作用和转化的奥秘远没有完全弄清楚。

元素已经失去其作为组成世界万物基元的意义,现在人类的认识已进入到作为元素组分的基本粒子层次。在认识连接元素原子和基本粒子这个物质结构链条中,核素概念也许会起到特殊的作用。


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