普通物理下-upload p原子核nuclearphysics研究对象

原子核物理(nuclear

physics)的研究对象：原子核主要内容：核的基本特性、核的结合能、核力、核的放射现象、核反应、裂变和聚变。原子核物理4历史回顾——重要事件1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象;1897：P.&M.Curie发现钋(Po)和镭(Ra);1899：E.Rutherford发现

,射线；1900：P.Vilard发现

射线;1903：E.Rutherford证实

射线为He2+，

射线为电子；1911：E.

Rutherford提出原子的核式模型；

1919：E.Rutherford首次实现人工核反应，发现了质子。4历史回顾——重要事件；1932：J.Chadwick发现了中子;1934：F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性；

1939：O.Hahn等人发现重核裂变；1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆；1945：

试爆成功，并在广岛上空1952：氢弹试爆成功；1954：

原子能发电；1991：欧洲联合环形聚变反应堆：受控核聚变。4历史回顾——重要事件（中国）1958：建成第一座重水型原子反应堆;1964：第一颗

试爆成功；1967：第一颗氢弹试爆成功；1969：首次成功

核实验；1984：受控热核聚变实验装置顺利启动；1988：

正负电子对撞机首次对撞成功；1991：秦山核电站发电成功。4原子核(核素)由质子和中子组成4原子质量单位:1

u

1.660566

1027

kg规定12C的质量

12u一.原子核(Atomic

nucleus)的组成1.核子(Nucleon)(海森堡提出)中子

mn=1.008665

u

Q=0质子

mp=1.007277

u

Q=eN——中子数A——核子数(核的质量数)(nucleonnumber)A=

Z

+

N2.原子核的符号表示A

X

Z——质子数Z3H1同位素(isotope)：Z相同而A不同的核素，如：

1

H,

2H,1

140

Ca420同量异位素(isobar)：A相同而Z

不同的核素，如：40

Ar,18例

4He,

14

N,

16

O,...,

235

U2

7

8

9213R

r0

A0r

1.21015

m

1.2

fm二.原子核的大小和形状1.原子核的半径3

344

πR3m4

π(1.2

1015

A1

3

)31.66

1027

A2.核密度

2.31014g

cm3各种原子核的密度相同，及其巨大。三.原子核的结合能(nuclear

binding

energy)当所有核子（质子和中子）由于相互吸引成原子核时，会能量，以致出现“质量亏损”，所的能量即定义为原子核的结合能。结合能Eb：E

mc2

[(Zm

Nm

)

m

]c2b

p

n

X这一能量也等于将原子核再分解为核子（质子和中子）时所需赋予的能量。原子核的结合能的单位为兆电子伏特（MeV）。4A

Eb比结合能越大，原子核结合越紧密;也越稳定。14四.比结合能(Specific

binding

energy)对于稳定的原子核，其结合能比较大。但是不同的原子核的稳定程度不同，所以它们的核子具有不同的平均结合能——比结合能。原子核中每个核子的平均结合能为中等质量最大质量增大时下降低质量时有起伏获得原子能量的两条途径：重核裂变轻核聚变比结合能图质量数A＞50的原子核的比结合能近似相等，约为8MeV，表明原子核

核子间的作用力达到饱和。14解：14例mn

1.008665ump

1.007277up核力是强相互作用:核力约比库仑力大100多倍核力的短程性:核力的力程为fm量级核力的饱和性:核力具有饱和性核力的电荷无关性:Fpp=Fnn=Fn核力与核子的自旋取向有关132五.核力把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳定的原子核（也包括不稳定的原子核）的强大的

力。1.核力一般性质：142.核力的介子理论强相互作用是怎么发生的呢？

1935年，

摹仿光子对电磁力传递机制，提出核力是一种交换力，核子间通过交换媒质粒子+、-、或0介子而发生相互

作用。介子的存在1949

Nobel

Prize

inPhysicsH.

Yukawa1907-198114The

Nobel

Prize

in

Physics

1965(1)电磁作用1947年，二十多岁的纽约青年和

对量子场论做出了巨大贡献，创立了量子电动力学。

在量子电动力学中用这样一幅图象描绘了电磁作用中两个电子间通过交换光子而产生的一次量子相互作用。这就是有名的

图。Feynman

图R.P.

Feynman1918-1988交换力(exchange

force)

—虚光子(virtualphoton)传递：两个电子交换虚光子后互相排斥。14(2)核子相互作用交换力—介子传递与电磁作用相似，核力——质子和中子之间的相互作用，也被看作是一种交换“虚粒子”而产生的交换力；这种“虚粒子”是质量介于电子和质子之间的介子的虚粒子。介子是传递核力的媒介子。1947年实验发现：，0m

273.3m

,

m

0

264.3mπ

e

π

e14六.放射性(radioactivity)现象绝大多数的原子核都是不稳定的，由一种原子核自发的变成另一种原子核，同时放射出各种射线的现象称为放射性。放射性现象首先由

在1896年发现的。14核素图(nuclidic

chart)——图Z≥84，不稳定的放射性核；质子数为偶数的核更稳定；稳定轻核的中子数和质子数之比等于1；稳定重核的中子数和质子数之比大于1；Z或N

=2,8,

20,28,50,

82,126称为幻数，对应幻数的原子核最稳定。发现2500种核素，不到300种是稳定的。它们会自发地放出射线并衰变成其他核素。短的1μs，长的几十亿年。141903

Nobel

Prize

in

PhysicsH.A.

Becquerel1852-1908P.

Curie1859-1906M.P.

Curie1867-1934主要贡献：发现放射性元素14A

X

A

Y

e

νZ Z

1A

XZ Z

13)轨道电子俘获(orbital

electroncapture)：A

X

e

A

Y

νZ Z

1

-衰变：+衰变：放射性衰变模式：1.衰变(-decay)：A

XA4

Y

αZ Z

2226

Ra222

Rn4

He（α）88

86

22.衰变(-decay)：14A

Y

e

ν（钍）（镤）23423490

91Th

Pa

e

ν中微子：1930年，泡利提出了中微子（neutrino）的假设，认为在β衰变中放出一个电子的同时，会伴随一个中微子（质量几乎为零，且不带电）的射出。中微子和电子的能量之和为一常量，等于核内量子跃迁的能量值。能量在电子和中微子之间可以任意分配，因此β衰变时出现连续能谱。1956年，实验证实了它的存在。143.

1)

衰变：A

X*

A

X

γZ

Z原子核自发

成两个质量相似或几个原子核。Th放射系4.自发裂变(spontaneousfission)12

B12

C*5

6

e

ν12

C*

12

C

γ6

62)内转换(internal

conversion)几乎所有的放射性现象均伴随

射线的发射。14

dN

NtN

N0edt衰变常数

：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。14指数衰变律：七.衰变规律1.指数衰变律若t=0

时，N

=N0；在dt

内核衰变数为

–dN，则1

20

02NT

N

e1

2

ln

2

0.693

T2.半衰期T1/2放射性原子核衰减到原来数目的一半所需要的时间。143.平均t

d

00dtN0

N0N

tet

0t

dN

12

ln

2

1

T12

1.44T当

t

=

时：平均 后，剩下的原子核数目约为原来的37%.0

0

0

0

N

e

1

37%N

tN

N

e t

N

e

14例

某放射元素的半衰期为6.93天，则在第5天内发生衰变的数目是原来的多少？解：tN

N0e1

/

202N0T

N

e半衰期6.93T1/

2

ln2

0.693

0.1N014N

e0.14

e0.15

6.38%第5天内A

(a,

b)

B14核反应一般表示式：Aa

B

b

或八.核反应核反应：一种元素在具有一定能量的粒子的轰击下衰变成另一种元素的现象。如:第一个人工核反应：α

14

N

p17

O7

8发现中子的核反应：α

9

Be

n12

C4

61938年，奥托•

（Otto.Hahn,1879-1968）发现重核裂变，开创了人类利用原子能的新。

1944年获Nobel

化学奖。(E.Fermi，1901-1954)：其“链式反应”理论使原子核裂变反应成为现实。1938年获Nobel物理奖。1、重核裂变235

U

n236

U*n)n)14235

U1n235

U

X

Y

k(1n)92

0

92

0二

变、三

变、四

变裂变能利用的装置：(atomic

bomb)核反应堆(nuclear

fission

reactor)：不可控的快中子链式反应

装置核反应堆：可控的热中子链式反应堆1942年建成14链式反应(chain

reaction)14的临界质量：约1

kg示意图的：235U或239Pu1964年中国了第一颗1414核反应堆142、轻核聚变当二个轻核聚变为重核时，观察比结合能图，可以得到一个结论：能量，且的能量比裂变大得多。14氢弹示意图氢弹的原料：铀和氘化锂6

Li

n

T4

He

4.8

MeV2d

T4

He

n

17.58

MeV1967年中国了第一颗氢弹1419

1

3.13