原子核物理及应用(基础部分)

原子核物理与应用

(基础部分）乐仁昌教授福建师范大学2/2/20231Dr.LeRenchang目录1核物理的发展2原子核的组成3原子核的结合能4核力5核衰变6核裂变7核聚变2/2/20232Dr.LeRenchang核物理的发展第一阶段探索阶段(1896~1930)1896年，贝克勒尔发现了天然放射性1911年，卢瑟福提出了原子的核式结构模型1919年，卢瑟福发现了质子1920年，卢瑟福提出了原子核中可能存在中性粒子的猜测。1928年，盖革和米勒制成了探测粒子的计数器H.BecquerelE.Rutherford2/2/20233Dr.LeRenchang核物理的发展第二阶段形成阶段(1931~1945)(1)重大发现和假说1932年，德威克发现了中子，海森堡和伊万宁柯提出原子核由质子和中子组成的假设，安德森从宇宙射线中发现了正电子。1934年，哈恩和史特拉斯曼发现了铀核裂变现象，开创了人类获取核能的新纪元。(2)重要理论和模型1931年，泡利提出了中微子假说1934年，费米提出了衰变理论J.Chadwick

E.Fermi

2/2/20234Dr.LeRenchang核物理的发展1935年，汤川秀树提出了核力的介子交换理论，奥本海默提出了核反应的直接相互作用理论。1936年，玻尔提出了核反应的复合核模型1939年，玻尔等提出了液滴模型理论。1940年，泡利建立了自旋与统计性之间的关系理论。1942年，坂田昌一提出了两种介子和两种中微子理论。2/2/20235Dr.LeRenchang核物理的发展(3)工程技术1931年，范德格拉夫发明了静电加速器1932年，莱里斯发明了回旋加速器1942年，美国建立了第一座反应堆1944年，威克斯列尔提出了同步加速器的原理1945年，美国爆炸了原子弹。2/2/20236Dr.LeRenchang核物理的发展第三阶段发展阶段(1946~现在)(1)基础研究：发现新核素，研究核物理的基本问题（主要针对未发现的或不能解释的事物）(2)应用研究：核武器、核燃料、能源与动力、辐射防护、核技术应用奥本海默美国“小男孩”原子弹苏联原子弹2/2/20237Dr.LeRenchang原子核的组成本节有关原子核组成、核素与同位素等内容在中学物理选修教材《物理》（选修3-5）第3章第1节有描述。本节有关核素、质子和中子的质量以及原子质量单位等内容在中学物理选修教材《物理》（选修3-5）第4章第1节及课后作业中有描述。本节有关元素、原子核的密度等是新增内容。原子核的半径、自旋、磁矩、电四极矩、宇称、统计性质和同位旋等内容可以作为补讲内容。2/2/20238Dr.LeRenchang原子核的组成相对质量原子原子核核外电子质子中子电荷+10-1实际质量1.6726×10-27kg1.6748×10-27kg1.0071.008(1.6748×10-27)kg1836（带正电）（带负电）不显电性2/2/20239Dr.LeRenchang原子核的组成原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子；质子带一个单位的正电荷，中子不带电荷；核内的质子数称为原子序数，用符号Z表示；核内质子和中子数之和即原子质量数，用A表示。质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N）原子核的电荷数=质子数

=原子序数=原子核外电子数2/2/202310Dr.LeRenchang原子核的组成原子核的表示方法原子质量单位：是以碳的同位素12C为标准确定的，即1个原子质量单位u为12C静止质量的1/12，也就是1u=mc/12=1.660552×10-27kg。质子质量为：1.007277u。中子质量为：1.008665u。原子核的密度为：2.3×1017kg/m3XAZ元素符号原子序数质量数XA2/2/202311Dr.LeRenchang原子核的组成原子核模型：液滴模型，气体模型，壳层模型，集体模型元素：质子数相同的原子称为一种元素同位素：同一元素中，有些原子质子数相同而中子数不同，则称为该元素的同位素，如：核素：把质子数相同，中子数也相同，核能级处于同一状态的一类原子，称为一种核素。2/2/202312Dr.LeRenchang原子核的结合能本节及下一节“核力”中相关内容是对中学物理选修教材《物理》（选修3-5）第4章第1节的总结与提炼。2/2/202313Dr.LeRenchang原子核的结合能结合能

核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，都叫原子核的结合能。原子核的结合能与核子数的比称为该原子核的平均结合能（比结合能）。比结合能越大，原子中核子结合的越牢固，原子核越稳定。质量亏损

把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差。质能方程2/2/202314Dr.LeRenchang原子核的结合能(1)A<30的轻核，平均结合能表现出周期性的变化，凡A等于4的倍数的核有最大值。(2)中等核(A=30~120)的结合能较大，轻核和重核的较小.所以，获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变。2/2/202315Dr.LeRenchang核力核力：组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密结合在一起，这种力称为核力。特点:(1)是一种比库仑力大得多的强相互作用力(2)是一种短程力，仅当核子间距＜2×10-15m时，才明显发生作用(r~：0.8-2fm表现为引力；r<：0.8fm表现为斥力；r>：2fm核力消失）(3)是一种饱和力——每个核子仅与它邻近的核子发生相互作用，即能与它发生作用的粒子数是有限的2/2/202316Dr.LeRenchang核衰变本节有关射线的种类及穿透能力、半衰期等内容参见中学物理选修教材《物理》（选修3-5）第3章第2节。本节中的衰变公式、衰变常数以及放射性活度等内容为新增内容。可以补充讲解吸收剂量及单位，个人剂量限制等辐射防护知识内容。2/2/202317Dr.LeRenchang核衰变放射性的发现

1896年，法国物理学家贝克勒尔发现：铀矿物能自发地发射穿透力很强并能使照相底版感光的不可见射线。1898年，居里夫妇又发现了钋和镭，并发现它们也能自发地放射出射线。放射性衰变：核素自发地放射出某种射线而变成另一种核素、或同激发态过渡到基态的现象。凡能发生放射性衰变的核素叫放射性核素。2/2/202318Dr.LeRenchang核衰变放射性物质放出的射线的种类（1）射线：氦核（称为α粒子），贯穿本领很小（在岩石中只有0.001cm，在空气中为3~8cm,一张普通的纸就能把它挡住），电离作用很强。（2）射线：电子流，有较大的贯穿本领和较小的电离作用，其贯穿本领大约是射线的100倍(在金属中为0.09cm,在空气中为10~20cm)。（3）射线：光子流，波长很短的电磁波，在电磁波谱上排在x射线之后，有最大的贯穿本领（穿过几十厘米厚的铝板）和最小的电离作用。2/2/202319Dr.LeRenchang核衰变放射性衰变的基本规律（1）指数衰变规律当t=0时，放射性物质的原子核的数目为N0，经过t时间后，放射性物质的原子核的数目为N，则：

其中，λ代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，称为衰变常数

（2）半衰期当放射性物质的原子核的数目衰变到原来数目的一半时所经过的时间叫半衰期。2/2/202320Dr.LeRenchang核衰变放射性活度放射性活动（A）：放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数。单位：国际单位制中，为“贝克勒尔”，记作“Bq”，1Bq=1次衰变/秒。以前的专用单位是“居里”（Ci）1Ci=3.7×1010Bq2/2/202321Dr.LeRenchang本节及下一节“核聚变”中相关内容参见中学物理选修教材《物理》（选修3-5）第4章第2、3节。只不过有些内容如核反应堆等内容进行了细化。核裂变2/2/202322Dr.LeRenchang重核的裂变裂变机制（液滴模型）：当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，能量增加，核子振荡加剧，由球形变成椭球形。这时核内各核子间距离增加核力减小，而库仑斥力则使原子核进一步增大，形成哑铃状。当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，原子核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。核裂变定义：原子核裂变是一个重原子核分裂成两个质量相差不远的碎块的现象。2/2/202323Dr.LeRenchang核反应方程：235U裂变的产物是多种多样核裂变一个235U裂变为141Ba和92Kr释放的能量放出约200Mev的能量，1kg的235U全部裂变，释放出的能量约相当于2000t的标准煤完全燃烧所释放的能量。2/2/202324Dr.LeRenchang链式反应：重的原子核俘获一个中子以后发生裂变放出中子，如果这些中子又引起其他的核裂变，使得裂变不断地进行下去，释放出越来越多的能量。核裂变链式反应的条件：（1）中子产额（2个以上）和慢化（重水和石墨）；（2）临界体积。链式反应2/2/202325Dr.LeRenchang裂变反应堆用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来。它是能维持和控制核裂变的装置。核裂变反应堆的组成：⑴核燃料。浓缩铀（能吸收慢中子的铀235约占3%）。⑵减速剂。石墨或重水（使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收）。⑶控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。⑷冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。⑸水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。2/2/202326Dr.LeRenchang水管铀棒镉棒石墨水泥防护层减速剂核原料冷却剂热交换

控制反应速度防辐射

快中子

→慢中子

吸收慢中子

核反应2/2/202327Dr.LeRenchang轻核的聚变核聚变定义：将几个轻核结合成较大质量的核叫轻核聚变。核反应方程：+17.6Mev该反应平均每个核子放出的能量在3Mev以上，聚变比裂变能放出更多的能量。发生聚变的条件：使原子核间的距离达到10-15m。方法有（1）用加速器加速原子核；（2）把原子核加热到很高的温度108～109K；21H31H42He10n能量2/2/202328Dr.LeRenchang可控热核聚变反应

任何物质在温度高达几百万度时，原子离解为正离子和电子。当温度升高到上亿(108)度时，形成正离子与等量电子同时存在的等离子体。要使高温等离