1. 原子核的自旋

通常称为核的自旋，是原子核的一个重要特性。原子核是由质子和中子组成的，质子和中子都是自旋为的粒子，它们在原子核内部还有相对运动，具有一定的轨道角动量。原子核是多核子体系，所有核子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和就是原子核的自旋。原子核的自旋角动量的大小为

（16-6）

（1）偶核的自旋为整数，而奇核的自旋都是的半整数；

（2）所有偶-偶核的自旋皆为0。一些原子核的自旋列举如下：

             （奇核，奇中子），
                   （偶-偶核），
                  （奇核，奇质子）
                  （奇-奇核）

2. 原子核的磁矩

核子的自旋和轨道角动量又有相应的磁偶极矩（简称磁矩）。实验测得质子的磁矩为

中子的磁矩为
           
           
式中称为核磁子，是玻尔磁子。由于质子质量比电子约大1836倍，核磁子就比电子的玻尔磁子小1836倍，即小三个数量级。

中子虽然不带电荷，但它的磁矩不为零(称为中子的反常磁矩)，磁矩的负号表示磁矩方向与自旋角动量的方向相反。质子和中子的反常磁矩的存在说明质子和中子并不是基本的粒子，而是存在内部结构。

原子核的磁矩似乎应为其内质子和中子的磁矩之和。对于氘核，其中的质子和中子的磁矩之和为0.87981；但是，实验测得氘核磁矩的值为0.857483，两者并不相等。这说明除了核子的自旋磁矩外，我们还要考虑轨道磁矩。这些实验事实进一步说明了核力是一种非中心力，与核子-核子的相对取向有关。

类似于原子磁矩的表示式，核磁矩和核自旋角动量成正比：

（16-7）

现将测得的核自旋和磁矩值举例列表，参见表16-2。

这里，核的自旋角动量也如式（16-7)所示。核自旋量子数总是取0，，1，等整数或半整数，而且发现质量数为奇数的核有半整数的自旋，质量数为偶数的核有整数的自旋。
    原子核的基态自旋和宇称：（1）偶-偶核的基态角动量为0，宇称为正，即，实验毫无例外地证实了这一点；（2）奇核的基态角动量和宇称，一般为最后一个奇核子的角动量和宇称。除少数核有例外之外（例如：），都与实验相符；即使例外的核也有原因可循。

3．核磁共振

我们知道原子的磁矩（即核外电子的自旋磁矩和轨道磁矩）很小，而核的磁矩比它还要小一千倍左右，目前测量原子核的磁矩最精确的方法是核磁共振法。下面我们介绍由拉比(I.I. Rabi)首创的核磁共振法。

图16-2 氢核在外磁场中的能级

设我们取纯水作为样品，因为水分子中的电子的磁矩相互抵消，而且氧原子核的磁矩为0，所以水分子的磁矩仅由氢核（质子）的磁矩所提供。假如我们将一小瓶水置于外磁场中，由于角动量的空间量子化，质子的磁矩在外场中有平行与反平行两个取向。磁矩平行于磁场的态为低能态，反平行于磁场的态为高能态，其能量差为，如图16-2所示．当热平衡时，处于低能态上的质子数稍多于高能态上的质子数，这时，如果有电磁波加于水的样品，当其频率满足

（16-8）

图16-3乙醇的核磁共振谱

实验中，保持外磁场不变，而连续改变入射电磁波的频率；也可以用一定频率的电磁波照射而调节磁场的强弱。核磁共振时，样品吸收电磁波的能量，被接收器接收，记录在以频率为横坐标的记录纸上，成为核磁共振谱，或用示波器显示出具有极值的电压吸收曲线，由频率计读出共振频率，就能算出。核磁共振已应用于很多方面，特别是在化学中用在研究分子的结构．由子氢核的核磁共振信号最强，所以对于含有氢核的不同样品，所得到的核磁共振谱线有所不同，图16-3所示的是乙醇(C₂H₅OH)的一条吸收谱线，图中出现CH₃，CH₂和OH三组吸收峰线。

由于磁场，包括交变电磁场可以穿入人体，而人体内大部分是水，这些水以及富含氢的分子的分布可因种种疾病而发生变化，所以可以利用氢核的核磁共振来进行医疗诊断。核磁共振成像就是一种医疗技术，它的优点是：射频电磁波对人体无害，可以获得内脏器官的功能状态、生理状态以及病变状态的情况。图16-4为人体核磁共振成像仪的方框图

图16-4 人体核磁共振成像仪方框图

4．核力和介子

原子核是由质子和中子这些核子组成的。我们知道质子与质子之间有着很强的库仑排斥力存在，但自然界还是存在有大量稳定的原子核，这表明核子间有很强的吸引的相互作用存在。中子不带电，所以不可能是电磁力使质子、中子聚集成原子核，也不可能是万有引力，因为它比电磁力还小倍。那么，是一种什么力能够使质子与质子，质子与中子，中子与中子紧紧地束缚在一起呢？经研究发现，这是一种强相互作用力，称为核力。卢瑟福曾用粒子散射实验说明核力具有下列重要的性质：

(1)核力比电磁力强100多倍，是强相互作用力。

(2)核力是短程力。只有当核子之间的距离为几个fm（约2fm）之内，核力才显示出来．

(3)核力具有“饱和”的性质，就是说，一个核子只能和它紧邻的核子有核力的相互作用，而不能同核内的所有核子都有相互作用。

(4) 核力近似地与核子的带电状况无关。许多实验表明，无论中子和中子之间，还是质子和质子，或质子和中子之间，核力的大小和特性都大致相同。

关子核力的本质，理论指出：核力是一种交换力。我们知道，带电粒子间的电磁相互作用是通过电磁场（即通过光子的交换）来实现的。1935年汤川秀树(H. Yukawa)提出了核力的介子理论，认为核子之间的相互作用是一个核子放出一个介子，然后为另一个核子所吸收而形成的，所以核力是一种交换力。介子可有三种荷电状态，即（带正电）、（中性）、（带负电），因此，核子交换介子可以有下列几种形式：中子与中子之间和质子与质子之间交换的是介子。在这种过程中，质子（或中子）放出介子，同时为另一质子（或中子）所吸收，每一核子的电荷不变。图16-5是这种相互作用过程的示意图。在质子与中子之间交换的是介子。图16-6是这种相互作用过程的示意图。在图16-6(a)所示的过程中，质子放出一个介子为中子所吸收，同时质子转化为中子，中子转化为质子；在图（b）所示的过程中，中子放出一个介子为质子所吸收，这时中子转化质子，质子转化为中子。这种交换的过程，使质子和中子发生相互转化。

             
（a）                          （b）
图16-5  质子与质子间和中子与中子间的相互作用

（a）                           （b）
图16-6  质子与中子的相互作用

汤川秀树在建立核力的介子理论时，介子尚未发现，它根据理论计算估计出这种介子的质量约为电子质量的200多倍。介子的存在是在1947年被确认的。1936年曾在宇宙线中发现了子（当时称为介子，质量为电子的207倍），当时误认为它就是传递核力的介子。后来发现子并不参与核力的作用。传递核力的介子是介子（质量为电子的270倍）。1947年，鲍威尔(C. Powell)等在宇宙线中发现了荷电介子，它在中衰变为子和中微子，而子又在中衰变为电子和正、反两种中微子。汤川秀树和鲍威尔分别获得1949年和1950年的诺贝尔物理学奖。介子在原子核附近时可以被原子核吸收而使原子核发生沸腾现象，并立即放出好几个高速度的重的粒子（中子、质子、粒子等）。目前利用粒子加速器所产生的高能介子，可用于治癌和其他物理上、化学上的研究。

应该指出，核力的介子理论，虽然可以定性解释某些核现象，但对有些实验事实，例如质子-质子和质子-中子的高能碰撞问题，这理论便无能为力，所以，核力问题仍是一个有待解决的课题。