原子物理第七章大学物理

第七章原子核物理概论

Chapter7Nucleusphysicsconspectus本章要点：1、原子核结构与组成，核的模型；2、原子核的基本性质；3、放射性衰变的基本规律；4、原子核反应与原子能的利用。第七章原子核物理概论第一节原子核物理的对象一、原子的中心：原子核原子核质量占原子质量的99％以上；核外电子的行为对原子核的性质几乎无影响；原子与原子核为微观系统的两个不同层次。二、历史回顾1896：铀的放射现象；1932：中子；1897：放射性元素钋和镭；1934：人工放射性；1899：射线；1939：中子轰击铀，有中间物质产生；1900：射线；1942：链式反应；1911：原子的核式结构；1945：原子弹；原子核半径：；原子半径：三、原子核的组成原子核由质子和中子组成。质子带电＋e；中子不带电。质子和中子统称核子几个概念①原子质量单位u：

规定的质量为12u.

1u=1.66054×10-27kg=931.5016MeV/c2

mn=1.007825u,mp=1.007727u②原子核的符号X：元素符号；Z：原子序数（质子数）；N：中子数；A：核质量数（核子数）A=N+Z③同位素：元素周期表中位置相同的元素如：均为氢的同位素均为铀的同位素四、核素图按原子序数Z把核素排在一张图上—核素图N－横坐标；Z－纵坐标。核素图中，300多个天然核素（280多个稳定），1600多个人工制备的放射性元素，共2000多个核素的稳定区：轻核：大致满足Z=N；重核：N>Z位于稳定线上方－－缺中子区；位于稳定线下方－－丰中子区；第二节核的基态特性之一：核质量一、核子的结合－质量亏损

中子质量：；质子质量：氘核质量：差值：二、结合能定义：原子的结合能：或平均结合能：比结合能的意义：原子核的稳定性(1)A<30的轻核，平均结合能表现出起伏变化，凡A等于4的倍数的核，平均结合能出现峰值。(2)中等核(A=30—120)的B结合能较大，轻核和重核的B较小获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变。三、比结合能曲线(3)中等核平均结合能的变化不大,显示了核力的饱和性，即一个核子只同附近的几个核子有作用力，而不是同所有的核子都有作用。四、半经验质量公式1、体积能：2、表面能：3、库仑能：4、对称能：5、奇偶能：第三节核力核力：核子之间的相互作用力。

一、核力的基本性质1．核力是短程力

~：引力

<：斥力

>：消失3．核力是一种强相互作用2.核力具有饱和性核子只与它最靠近的几个核子有相互作用。

核力的强度比库仑力大一百倍4．核力与电荷无关5．核力在极短程内存在斥心力核的密度近似地为一常数，核的结合能近似地与核子数成正比，核力是交换力：核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用。

1935年，汤川秀树提出了核力的介子理论：核力是一种交换力，核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用，并估计这种媒介粒子的质量约为电子静止质量的200倍，介于质子和电子之间，故称为介子。二、核力的介子理论1947年，鲍威尔在宇宙射线中发现了介子，称为介子，有、、三种，质量分别为不同核子的相互作用通过发射或吸收介子而产生，相当于两核子之间的位置发生交换，核力为交换力。第四节原子核的自旋和磁矩

1、核自旋原子核的角动量称为核自旋

原子核的自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和

：原子核角动量量子数，称为核自旋量子数，它可以是整数，也可以是半整数。原子核角动量在空间某一选定方向的投影：

也是量子化的。：核自旋磁量子数共个值。

（1）．A为奇数的核(奇A核)，I为半整数（2）．Z、N都为偶数的核(偶-偶核)，（3）．Z、N都为奇数的核(奇-奇核)，I为整数2、原子核的磁矩电子的角动量与相应的磁矩之间的关系为：原子核也有磁矩，它与角动量的关系为：

核磁子远小于玻尔磁子，可见原子核的磁矩比电子的磁矩小得多，因此产生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。在外场方向的取向也是量子化的，它在外场方向的投影：

在外场方向的最大值为：测量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振。第五节核模型1、费米气体模型将核子看成无相互作用的独立费米气体。对核内的核子的运动约束：泡利原理2、壳层模型类似于原子的结构。实验依据：幻数的存在。可解释的问题：①大多数核的基态核宇称；②对核的基态宇称的预测大致正确；③可以解释衰变。存在的困难：①对电四极矩的预测与实验差距太大；②对能级间跃迁的速率计算低于实验值。3、液滴模型实验依据①核力是饱和力，即原子核中的每个核子只与其邻近地几个核子有相互作用。②原子核的密度几乎是一个常数，故原子核具有不可压缩性。

解决的问题：①原子核的结合能；②核反应过程中的复合核过程；③重核的裂变。存在的困难：①原子核的能级结构；②原子核的动量。4、集体运动模型

综合模型。处理方法：量子流体力学。第六节放射性衰变的基本规律一、

放射性衰变规律

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。放射性物质放出的射线主要有三种：

1．射线：即氦原子核，贯穿本领很小，电离作用很强。2．射线：是电子流，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。3．射线：是光子流，即波长很短的电磁波，在电磁波谱上排在x射线之后，有最大的贯穿本领和最小的电离作用。放射性现象的研究是获悉原子核内部状况的重要途径之一二、放射性衰变的基本规律

放射性衰变要遵守：电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒。

1．指数衰变规律

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。3．平均寿命一个原子核在衰变前存在的时间叫做它的寿命。

所有原子核寿命的平均值称为平均寿命。当时

各个原子核的寿命不同，但平均寿命却具有确定的值。

放射性核素的和，它们是每个核素的特征量，不同的核素差别很大。我们可以根据测量的判断它属于哪种核素例：已知的衰变常数为，试求它的半衰期和平均寿命。思考题：某放射性核素的半衰期为2年，则经8年衰变掉的核数目是尚存核数的（）倍。（三）、放射性活度表明放射性活度随时间的衰变仍服从指数衰变规律。单位：国际单位制中，放射性活度的单位为“贝克勒尔”，记作“Bq”，1Bq=1次衰变/秒1居里(Ci)=次衰变/秒=

Bq放射源所含放射性物质的原子核数：放射源所含放射性物质的质量：

三、

放射系2．铀(

)系3．锕(

)系4．镎(

)系，1．钍(

)系四、放射性衰变规律在地质考古上的应用在考古工作中，可以用来推算年代

射线应用－在医学，农业，工业第七节衰变原子核自发地放射出粒子而发生的衰变（一）、衰变条件和衰变能１、衰变能：

原子核在衰变过程中释放的能量，用Qa表示

２、衰变条件:

３、衰变能的释放形式

例：判断是否发生衰变。Next事实上，衰变过程中，放出的总能量应该由三部分组成：式中是出射粒子的能量，是子核的反冲动能,称衰变能.当子核到基态时，，此时的衰变能才等于总衰变能。下面我们寻求的表达式：设衰变前母核静止，动量为0，则所以子核反冲动能为故式中A是母核质量数.（二）、能谱和原子核能级测得粒子的动能有六种，

此外有能量不同五种射线。

粒子能谱具有分立特性－原子核具有分立的能量状态。

第八节衰变1.衰变能谱(1)粒子能量连续分布(2)具有确定的最大值粒子能谱引发的困境：

第一

粒子能谱是连续的，而原子核具有分立能级。第二能量不守恒？

第三电子从何而来？由不确定关系，核内不可能有电子2．中微子假设

1930年，泡利提出了中微子假设，成功地解释了上述矛盾，并被以后的实验所证实泡利认为：当放射性物质发生衰变时，除了放出粒子外，还要放出一个中性粒子，其静止质量几乎为0，故称为中微子。中微子分为两种：中微子和反中微子，它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向不同。由于三者之间的分配是任意的，所以粒子的能量是连续的，形成了连续谱。

假设中微子的自旋和电子一样为，则衰变前后角动量守恒。

由于，，衰变能主要在电子和中微子之间分配，当时，，其余情况下，1956年，从实验上发现了中微子。衰变时核电荷数改变而核子数不变的衰变

1．衰变：

能量守恒：

衰变条件：＞0，即衰变能3.衰变的三种类型及衰变条件2．衰变：

3．K俘获：原子核俘获一个核外轨道上的电子而转变为另一个原子核的过程。能量守恒：

发射X标识谱

产生俄歇电子

衰变条件：衰变条件：第九节衰变原子核通过发射光子从激发态跃迁到较低能态的过程

1、一般性质2、内转换电子原子核从激发态向低能态跃迁时把能量直接交给核外电子，使电子离开原子－－内转换（IC）。3、同质异能跃迁4、穆斯堡尔效应即无反冲共振吸收。第十节核反应原子核反应：用具有一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而转变为新原子核的过程。一、几个著名的核反应(1)历史上第一个人工核反应

(2)第一个在加速器上实现的核反应二、核反应中的守恒定律电荷数守恒：反应前后总电荷数不变质量数守恒：反应前后总质量数不变质量守恒：反应前后总的运动质量

保持不变能量守恒：反应前后粒子的总能量是守恒的动量守恒：即反应前后体系的总动量守恒此外还有角动量、宇称、统计性、同位旋等都是守恒量。

三、Q方程反应能Q：核反应中所放出的能量用结合能表示实验室中，靶核一般静止，Q>0，放能反应；Q<0,吸能反应。用动量守恒定律表示的Q方程：

为入射粒子的偏转角

Q>0

放能反应Q<0

吸能反应例2

计算的Q值。应用举例例1计算反应的反应能。3．阈能

能使核反应得以实现的入射粒子的所必须具有的最小动能，即只有当时反应才能发生。4．核反应的类型

按入射粒子的类型分：(粒子、质子、中子、氘核、光子)引起的核反应。

按入射粒子的能量分：低能()、中能()、高能()核反应。按靶核质量分：轻核(A<25)、中等核(25<A<80)、重核(A>80)核反应。裂变与聚变：原子能的利用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。

一、裂变的发现A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV一个铀核：

一克铀：

这相当于2.5t煤完全燃烧时放出的能量。

二、裂变机制—液滴模型在裂变前，原子核处于能量最低的基态，呈球形。核内的质子、中子在不停地运动。核子之间有核力，质子之间有库仑斥力。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。三、链式反应实现核裂变的链式反应条件1.中子产额和慢化减速剂-重水和石墨2.临界体积倍增系数：

方法1是浓缩天然铀中的比例。

方法2是加大铀堆的体积至临界体积，增加中子数。四.原子反应堆堆芯－核燃料、中子减速剂和冷却剂由堆芯、中子反射层