原子核物理基础

关于原子核物理基础第一页，共七十七页，2022年，8月28日

物质世界是由什麽组成的？是什麽把它们组合在一起？第一部分原子与原子结构第二页，共七十七页，2022年，8月28日

1）“原子”概念的提出

朴素的认识论：世界万物由水空气土火等构成古希腊时代:思辩性古代原子论万物由原子构成,原子是物质世界的共同基础，不能再分割。2）1803道耳顿—化学原子论原子是保持元素化学性质的基本粒子-科学概念第三页，共七十七页，2022年，8月28日伦琴发现X射线1895年，德国物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了X射线——它不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因此成为1901年第一个诺贝尔物理学奖得主第四页，共七十七页，2022年，8月28日世界上第一张X光照片第五页，共七十七页，2022年，8月28日贝克勒尔发现放射性1896年，法国物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生——证明发射这种射线是铀原子自身的作用。放射性的发现，引起人们对原子核内部的研究的深入。“进入原子内部”和“分裂原子”成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获1903年诺贝尔物理学奖。第六页，共七十七页，2022年，8月28日贝克勒尔与居里夫妇第七页，共七十七页，2022年，8月28日1898年，物理学家居里夫人在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中，先发现了一种新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她将其名命为“钋”。居里夫妇又花了4年时间，发现了镭，并在极端艰苦的条件下，从几吨沥清铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭，后又测出其原子量为225，其发出的射线比铀强200多万倍。居里夫人因此获1911年诺贝尔化学奖。更强的放射性——钋、镭第八页，共七十七页，2022年，8月28日居里夫妇第九页，共七十七页，2022年，8月28日卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为α射线；另一种有较强的穿透能力，他称之为β射线。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。由于组成α射线的α粒子带有巨大能量和动量，就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。卢瑟福发现射线第十页，共七十七页，2022年，8月28日电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的，阴极射线究竟是什么？物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置，证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的。

指出电子是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离子的千分之一。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成部分。汤姆逊发现电子第十一页，共七十七页，2022年，8月28日1903年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。汤姆逊的原子结构模型第十二页，共七十七页，2022年，8月28日卢瑟福的原子结构模型1911年，卢瑟福借助于α粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径10-15米的范围内，而原子半径却有10－10米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明长冈半太郎的“土星型模型”比汤姆逊的“葡萄干面包模型”更接近于物理真实。第十三页，共七十七页，2022年，8月28日原子结构模型演化示意图第十四页，共七十七页，2022年，8月28日1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。并提出了“原子能”的概念。卢瑟福、索迪——元素衰变卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖第十五页，共七十七页，2022年，8月28日以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链：索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。卢瑟福、索迪——元素衰变第十六页，共七十七页，2022年，8月28日卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，18N＋α17O＋p

。这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。人工衰变第十七页，共七十七页，2022年，8月28日1932年，物理学家查德威克发现了其质量同质子相当的中性粒子，这正是1920年卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子，即中子。他因此获1935年诺贝尔物理学奖。查德威克发现中子第十八页，共七十七页，2022年，8月28日1932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想"炮弹"。探索原子核奥妙的钥匙——中子第十九页，共七十七页，2022年，8月28日中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工控制原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘的"钥匙"，在开发原子能的伟大事业中大显身手。探索原子核奥妙的钥匙——中子第二十页，共七十七页，2022年，8月28日现代原子结构原子核中子质子电子(电子云)+++第二十一页，共七十七页，2022年，8月28日现代原子结构第二十二页，共七十七页，2022年，8月28日1933年，狄拉克关于正电子存在的预言被证实，安德森因此获1936年诺贝尔物理学奖。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，他们因此获1959年物理奖。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。莱因斯等利用大型反应堆，在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获1995年物理学奖。到1968年，人们才探测到了来自太阳的中微子。1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中找到了1934年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获1949年物理奖，鲍威尔获1950年物理奖。基本粒子第二十三页，共七十七页，2022年，8月28日

到50年代末，基本粒子的数目已达30种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发现的。1988年中科院近代物理所建成的重离子加速器第二十四页，共七十七页，2022年，8月28日

到达地球表面数目

6.6×1010个/cm2秒中微子与物质作用很弱吸收截面10-40cm2通过100万个太阳厚度强度才减少一半。中微子在宇宙中自由穿行，由于作用太弱，很难探测到。地球R=6.37x106m太阳R=7x108m太阳中微子:天然存在对人体作用完全可以忽略不计，对人体没有危害。人们不会对存在的大量中微子感到害怕.第二十五页，共七十七页，2022年，8月28日公元前4世纪德寞克利特1803道尔顿1911卢瑟福1913玻耳1932海森堡？

人类认识物质“基本砖块”历程电子2000多年60多年1001990年代“基本砖块”轻子12夸克36媒介子13希格斯粒子1合计62其中2个粒子尚未发现：引力子和希格斯粒子。1964夸克第二十六页，共七十七页，2022年，8月28日第二部分

核与放射性的基本物理基础第二十七页，共七十七页，2022年，8月28日核素：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核素是原子核的一种统称核素及符号表示第二十八页，共七十七页，2022年，8月28日其它：稳定核素和不稳定核素稳定同位素和不稳定同位素放射性核素和非放射性核素定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。同位素第二十九页，共七十七页，2022年，8月28日实验发现:原子核内的质子+中子紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同).稳定原子核基本上类似与球体原子核的半径R=r0A1/3

原子核半径常数

r0=1.210-15m=1.2fmA原子核的质量数例如：238U7.4fm1)原子核的大小R原子核的基本性质第三十页，共七十七页，2022年，8月28日2)

原子核的质量电子me=9.1×10-31kg=5.48×10-4u=0.511MeV/c2质子mp=1.007276u=938.256MeV/c2中子mn=1.008665u=939.550MeV/c2原子核质量=原子质量—全部电子的质量

MN(Z,A)=Ma(Z,A)—Zme

忽略了电子的结合能（eV量级）原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查)

原子核质量可以精确确定第三十一页，共七十七页，2022年，8月28日3)核物质密度原子核中核子紧密挤在一起根据=M/V计算核物质密度:

~2.3

1014g/cm3

1cm3核物质2亿吨重!黑洞1018核物质1014中子星109白矮星105

水1密度比较g/cm3

第三十二页，共七十七页，2022年，8月28日

天平为何倾斜?重轻4)原子核结合能和原子核稳定性第三十三页，共七十七页，2022年，8月28日

质量亏损氦原子核（4He）由2个质子+2个中子构成

2个质子质量+2个中子质量=﹖原子核4He的质量

2x1.007276+2x1.008665-4.002603

ΔM(4He)=4.031882-4.002603=-0.029279u

ΔE(4He)=ΔM(4He)C2=27.27MeV亏损的质量转化为能量氦原子核的结合能是27.27MeV亏损的质量哪里去了?质能关系

E=MC2第三十四页，共七十七页，2022年，8月28日

原子核结合能

定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量

原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定

表:比结合能(原子核结合能/核子数)第三十五页，共七十七页，2022年，8月28日

原子核平均结合能(比结合能)曲线1各原子核中，每个核子的平均结合能随质量数而变化

6-9MeV2中等重量的原子核的比结合能较大

释放能量途径:1）重核裂变

2）轻核聚合成原子核重核裂变轻核聚合第三十六页，共七十七页，2022年，8月28日252Cfα自发裂变中子引起235U

裂变H原子核聚合

H的燃烧太阳能

释放能量举例第三十七页，共七十七页，2022年，8月28日例：估算裂变释放的能量

n+235U(236U)X+Y+E假设裂变成质量相等的两块质量数各约为118235U核子平均结合能7.6MeV质量数为118的原子核平均结合能8.6MeV两者平均结合能差1MeV230多个核子总的E=200MeV!比较:裂变能n+235U

X+Y+E200MeV

化学能

C+O2

CO2+

E4ev

汽油与氧的爆炸，一个分子释放40-50eVTNT爆炸自身释放能量，每个分子30eV第三十八页，共七十七页，2022年，8月28日+++++++++从母核中射出的4He原子核粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!!基本衰变——衰变放射性衰变及衰变规律第三十九页，共七十七页，2022年，8月28日衰变——241Am237Np第四十页，共七十七页，2022年，8月28日+++++++++发生原因：母核中子或质子过多质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷+反中微子－中微子

三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能量基本衰变——衰变第四十一页，共七十七页，2022年，8月28日基本衰变——衰变（动画）第四十二页，共七十七页，2022年，8月28日衰变——3H3He第四十三页，共七十七页，2022年，8月28日正衰变——11C11B第四十四页，共七十七页，2022年，8月28日

质子变成中子X射线电子俘获第四十五页，共七十七页，2022年，8月28日电子俘获——7Be7Li第四十六页，共七十七页，2022年，8月28日+++++++++－中微子光子基本衰变——衰变第四十七页，共七十七页，2022年，8月28日基本衰变——衰变衰变特点：1、从原子核中发射出光子2、常常在或衰变后核子从激发态退激时发生3、产生的射线能量不连续4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类类别第四十八页，共七十七页，2022年，8月28日衰变——3He3He第四十九页，共七十七页，2022年，8月28日α衰变β-衰变β+衰变

衰变第五十页，共七十七页，2022年，8月28日半衰期(T1/2)定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来的一半所需要的时间。经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1/2n放射性衰变规律第五十一页，共七十七页，2022年，8月28日半衰期第五十二页，共七十七页，2022年，8月28日放射性衰变基本规律

1指数衰减规律

N=N0e-t

N0:（t=0）时放射性原子核的数目N:经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关;

数值越大衰变越快N=N0e-t第五十三页，共七十七页，2022年，8月28日核辐射的基本性质1.0086650n中子1.007276+1p质子00

5.486×10-4

±1e±

β

4.00279+24Heα质量

(u)电荷（e)符号种类

α

β核辐射与物质的相互作用第五十四页，共七十七页，2022年，8月28日一核辐射与物质的基本作用

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。原子。。。αβγn

物质：气体液体固体包括人体等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递库仑作用1电离作用

2电离效应第五十五页，共七十七页，2022年，8月28日二带电粒子与物质的作用自由电子正离子α+靶原子→正离子

+电子

+α

4He+Ar→Ar+

+e-+4He物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子

+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用第五十六页，共七十七页，2022年，8月28日α

射线与β射线电离效应比较

α射线

β射线径迹粗直细弯

α

电离作用强电离作用严重产生离子对数目多电离作用Z1Z2/v2

Z1入射粒子原子序数Z1靶粒子原子序数v入射粒子速度

实验结果第五十七页，共七十七页，2022年，8月28日α粒子径迹是一条直线

5.3MeVα粒子在空气中的射程3.83cm电子径迹是折线第五十八页，共七十七页，2022年，8月28日

电磁辐射谱小能量高E=h,=c/

大能量低第五十九页，共七十七页，2022年，8月28日第六十页，共七十七页，2022年，8月28日γ射线是波长很短能量高的电磁辐射（﹤

10-11米，keV，MeV），来自原子核γ衰变,

不带电，静止质量0

。1γ射线是什麽？

能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级带电粒子，可以对物质发生电离作用。能量E=hν）动量p=hν/c第六十一页，共七十七页，2022年，8月28日2γ射线对物质的电离作用两步过程三种作用效应

光电效应康普顿效应电子对效应

产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用第六十二页，共七十七页，2022年，8月28日光电效应

自由电子

作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。

γ+AA*+e-

（光电子）

原子

A+X射线原子受激原子第六十三页，共七十七页，2022年，8月28日

电子对效应能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。

M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

1.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ1.02MeV为什麽？能量转化成质量M=E/C2第六十四页，共七十七页，2022年，8月28日3轫致辐射电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管特征:x射线能量连续

0–EMax(电子能量)

电视机高压15kV

电子束能量15keVx射线能量0-15keV应注意玻璃含有40KUTh产生机制原子核第六十五页，共七十七页，2022年，8月28日4正电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

质量转化为能量转化效率(100%）

γ

γ第六十六页，共七十七页，2022年，8月28日γ射线通过介质时由于同物质的作用,γ光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对γ射线的吸收。

I(x)=I0e-μx

厚度X

I0四γ射线的吸收I

实验发现：γ射线强度随通过介质层厚度增加而减小，服从指数衰减规律。

第六十七页，共七十七页，2022年，8月28日

指数衰减规律μ指数衰减因子线性吸收系1）γ射线能量高μ值小2）原子序数高μ值大I(x)=I0e-μx铅和铝吸收系数第六十八页，共七十七页，2022年，8月28日γ射线强度减弱1/2

所通过物质层的厚度

γ射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。

半吸收厚度单位：cm物质层厚度0I/I

半吸收厚度(d1/2)第六十九页，共七十七页，2022年，8月28日

αβγ对物质电离作用的比较

2MeV射程(m)离子对密度/mmα0.016000β2-360

γ10几个第七十页，共七十七页，2022年，8月28日1MeV的粒子穿透物质能力

α