ch第七章：原子核物理概论

近代物理基础

------原子物理学主讲教师：任国仲第一节原子核的描述第二节核质量第三节核力第四节衰变及其统计规律第八节核反应第九节原子能的利用第五节衰变第六节衰变第七节衰变核物理是原子下一个层次的研究内容。它以核为研究对象，其内容包括核的基本性质、核结构、核力、核模型。核的放射性衰变，核反应以及核能的应用。人类真正对核进行研究，要追溯到1932年发现中子，并由此提出质中模型开始。70年过去了，人们对核的了解还很肤浅，在核结构、核力等方面还有很多尚未认识的东西。第一节:原子核的描述第一节:原子核的描述原子的两个层次以电子为核心核原子物理核物理物质结构中靠的最近也是分的最开的两个层次！核对原子的贡献质量（99%）电荷核的其他属性对原子的影响很小核外电子的行为对原子核的性质也几乎毫无关系泾渭分明物质性质a、原子核（如放射现象）b、原子（或称电子）所有物理化学属性

原子核的基本情况---原子核的电荷原子核带的正电荷恰为e的整数倍，习惯上表示为Ze，即Q=Ze

在物理学史上，特征X射线法和α粒子散射实验法都曾经被用来测定元素的核电荷数Z，理论关系如下：（1）Moseley定律-第一节:原子核的描述

对于同一系列的特征X射线（比如K,L系），a,b是常数，只要测得元素的特征射线的频率v，就可由上式定出Z。（2）α粒子散射实验-

在测量的其它条件不变的情况下，换用不同靶，经过计数器“窗口”的记数，可以直接测出靶的核电荷数。

原子核的基本情况---原子核的质量由于目前人们对核力的了解还不够清楚，定量描述它还很困难，因此至今我们还无法从第一性原理导出一个核质量公式。历史上，人们曾经给出过半经验的核质量公式，我们将在下节对此作专门讨论。

通常情况下，原子的质量可以用质谱仪来测定，所以很多文献中都给出了原子的质量m，在已知m的情况下，我们可以用下式求出核的质量，第一节:原子核的描述即式中是电子质量，是第n个电子的结合能。原子核的绝对质量是非常小的，比如：原子的质量仅为 所以国际上定义，质量的1/12为原子质量单位，记为这样，原子的原子量都是一个很接近某一整数的量，通常定义这个整数为该核的质量数，并记为A。第一节:原子核的描述

原子核基本情况---原子核的大小核的半径有一个经验公式，其中由此我们可以求得核的密度ρ是一个与A无关的常数(克/立方厘米)不到一粒米的大小的原子核，其质量竟达20万吨！可见核是质量高度集中的地方。在发现中子之前，人们知道的基本粒子只有电子的质子。例如，氦核有4个质子，2个电子，质子作为质量的承担者，电子抵消了2个质子的电荷。随着量子力学的诞生，人们发现质子—电子说无法用量子理论解释首先，根据量子力学理论，微观粒子的坐标和相应的动量存在不确定关系在核内所以，相应的电子动量为

第一节:原子核的描述若非相对论公式，可以求得电子速度为显然是错误的，用相对论公式注意到故近视有由此可以求得核内电子能量为而实验中从未发现如此高能量的电子，其次对有些核，也无法对其自旋给出合理的解释。第一节:原子核的描述

因此早在1920年，卢瑟福就推测，核内应当存在一种与质子质量大体相等，不带电的粒子。1932年查德维克发现中子后，海森伯等人马上就提出了核的质、中模型。实验表明，质子、电子的质量分别是

质量数均为1，即A=1，前者带一个单位正电荷，后者不带电，两者统称核子根据质量数的定义，我们很容易知道，质量数A，质子数Z和中子数N的关系是A=Z+N，所以完整的核素符号是比如，等。

第一节:原子核的描述

在物理学中，对有一定关系的核素，有些常用的术语如下：同中子素：比如同量异位素：比如镜核：比喻。

同位素：比如第一节:原子核的描述原子核的基本情况---核素图

一共约有2000个核素。其中天然存在的有300多个核素，（280多个稳定核素，60多个长寿命的放射性核素）；人工制造的1600多个放射性核素。它们构成了核物理的研究对象。

上面我们知道，核是由质子和中子构成的，那么Z，N的不同搭配使自然界共有多少种核呢？

以中子数N和质子数z分别为横、纵坐标轴，标出每一核素的位置而得到的图称核素图。第一节:原子核的描述质量亏损原子的质量为另一方面，显然可见，核子结合构成原子后总质量减少了，通常我们称之为质量亏损。由上面的讨论我们知道，原子核由中子和质子组成，但实验表明，核的质量并不等于相应的质子和电子质量之和，比如对元素其中性由四个氢原子（质子+电子）和五个中子构成相应的质量和为第二节:核质量根据Einstein的质能公式或者

原子核形成过程中，质量减少了，减少的质量必然以能量的形式放了出来，这种能量称为结合能。2.结合能第二节:核质量第二节:核质量B称为结合能2.结合能

质量和能量的当量关系多大呢？下面我们来看看1u的质量合多大能量。

即故Be的总结合能为第二节:核质量为了蜓比较坑不同毫核素简结合题能的根大小页，我活们引舞入平赴均结欣合能对于Be原子奔核我们蛋以A为横幻玉轴，为纵激轴，羽描绘病出不焦同核判素的曲夸线，衡由这销条曲鹿线，犁我们观可以樱得到认如下域几点份结论强：3.核子壮的平残均结蜻合能借（比英结合昼能）1）是原肯子核呆稳定孤性的币标志材，越大肯，相权应之间棵的核索，近似破为常箱数，众且较2）的核贝就越璃稳定阔；大，第二聚节:核质先量3）轻烦核（A较小拾）和美重核估（A较大淘）的您平均垄结合缓能都鸦比较域小，避因此监，轻权核的偶聚变症和重娘核的仍裂变济都有雀能量朽放出锦，这键就是肃通常叙所说喘的聚钉变和蹈裂变保的原齿子能到目寇前为践止，郊我们亲已经时接触吐过的涝力有府万有辨引力恭、浮悔力、德张力当、分邻子力副、摩无擦力约和电锐磁力.这些垃力可阅以归报结为划两类关相互香作用,即引街力相锄互作腐用和炭电磁慨相互陶作用间，但丑是在必原子贴核内趋，侍质子瓶间强哥烈的返库仑滴斥力挺却没司有使逗质子握彼此逢离去唯。验可见迅，狸核内康存在宅着一然种强锡相互符作用遇足以扩克服计质半子间腊的斥房诚力，级这种爽作用涉对应捏的力乌就是药核力览。第三较节:核止力从发巨现中氏子开绝始，删人们新就对缠核力膜开始臣了各漠种探自索，件至今纠为止足，一扭方面忆积累裂了有特关核汤力的办大量化知识梦，另汁一方粥面，杨核力架仍是斯人们烛在探雨索的元、悬辩而未邻决的管基本曲问题馆！所谓当短，或是说绸这种蕉力的蹄作用涛距离盯不大灾于所谓油强，岛是指阁这种平力比腐万有鸭引力原和静兰电力枪要强巴的多糟，比飘如两爷核子沙之间熄的而核子间的平均结合能为由此征不难扯看出招与三扶种势污能相热对应笛的引德力，绑静电细力和砍核力居的大行小之良间的鸦关系族。；第三抢节:核拣力核力著的基躬本特脱征1.短程级性的道强相划互作蚁用质子间的静电势能为万有引力势能大约在质量眯数为A的原房诚子核粘内有A个核电子，肝是否壮所有腾的核套子之凳间都涛有相吃互作园用呢皮？如滨果是计这样斗，那穷么原背子核嫂内共农有对相晨互作罩用，即原映子核疮的总任结合姑能应拖正比栏于A2，而性事实滥上却编不是陵这样针，2.饱和趁性的队交换岔力实验蛛表明：每惭个核饱子的闻平均粘结合约能基亲本为钩常量侄，这陷意味切着，沸每一容个核膊子只卷与它维临近同的少动数几抗个核赞子有隆相互英作用掀，这说种性季质称黄为核去力的泪饱和骆性。第三凤节:核岩力核力死的基县本特比征正因骡为核李力具念有饱凭和性哪，所概以高Z核就蚕不稳每定，阳因为口静电估斥力仪不具宏有饱国和性侄，所佩以高致核的钞边缘撑粒子倘受核惯力和碌斥力说基本府相等丽，所育以就书不稳杜定，膏据此酱，人袖们推睛算出株人工办合成脂核素在分可子的厦共价虹键中泼，原轨子间羽的作凑用力像是一砍种交宾换力通，电妙子是烘它们瞧的交垒换媒竟介，唤比如分子衔的共普价结算构是--浴-两个偷氢原色子通固过交情换这狂个电孩子结掘合在祥一起阳，由走此人厘们设伶想，俗核子肃间的阔力是考交换蓄力，床核子齿间以π介子腔作为焦交换胁媒介蹲。第三臣节:核雀力核力撤的基船本特签征核力汽的大副小与饼产生蚁此核伪力的绸核子答是否新带电玻是没镰有关河系的筒，比捎如对送于它由梅一个担质子豆，两个纪中子异组成嫁，原勇子核缘瑞的总围结合息能为.3.电荷朽无关妖性原子核的总结合能而由2个质池子，拆一个谅中子眯组成用，原云子核色的总递结合帽能为它们化中间较有静捷电斥螺能0.凯72恶Me驱V；若圣不存堪在静舌电斥体能，蛛其结鹿合能箭为与很接炮近，半这说睡明核咬力与敌电荷省无关换。第三候节:核马力核力透的基找本特腹征其中摄不含置有静暖电斥肤能，4．斥夹心力东的存女在在这找个区欲间内喜，核诊力的晴性质锅有引玻力和丘斥力匆之分岭，时为等强的杰斥力浅；时为壶引力症；研究祸表明胆，核限力的故作用窜范围必是研究封表明网，核情力的屈大小阅与两沸粒子际自旋蚁的相跟对取次向有览关，壶自旋荡平行造时，狂核力晶较强岛，反行之核力较诱弱。5．自营旋相气关性第三扣节:核粗力核力校的基咽本特众征在经造典电咬磁理总论中尊，我麻们引射入了介电磁逼场的丙概念盲，认魔为电梢荷间映的相甘互作星用是穿通过动“场轨”来吼传递受的，怨那么惹这种凭场到父底是累什么化东西糠呢？量子自电动伶力学过和量寇子场佳论告买诉我沉们，者电磁丢场是像量子错化的窜，这储个“理场”赢是由月“虚股光子柴”组留成的育；电太荷间农的相月互作伟用就圣是通刃过交切换"虚光茅子”曲实现务的，踪蝶与此渐类比榆，19遣35年,日本碎物理据学家毁汤川驱秀树(Yu帐ka库wa)提出鱼了核迫力的辨介子恋理论助。1.电磁这相互百作用沾和光般子第三既节:核喝力2.强相浮互作伙用和芬介子汤川课假设昂，资核子育间的窄相互休作用台以介镜子为岂媒介,这种斧介子俘是核岁子辐殊射的己，称稻为π介子悄。因为质子和中子分别带正电和不带电，为了说明不同核子相互作用的微观机制，假设存在三种π介子:，其相互作用过程可用费曼图表示。由上帐图可轿见不烟同粒下子的针的作蒙用中分，可许能的里交换秋过程蚁是：不同奋粒子肌间相同决粒子禁间第三锋节:核竟力汤川往通过汇解量泡子场睛的方殊程得欣到π介子妥的质姿量为19权47年，酷实验朗物理钳学家超终于翻在宇矛宙射既线中很找到音了介子辟，其理质量菊为19侍50年，叫又在碎宇宙右射线护中找络到了其质姐量为与汤每川的阶理论错预言秘吻合顿的很腔好，珠汤川演为此权获得背诺贝附尔奖介子暖，第三晶节:核国力1、放狼射性绳的发牲现2、射桑线的父成分冒和性淋质我们丛曾经悔介绍势过，圾法朱国物粱理学揪家贝阿克勒面尔在X射线傅的研已究中腊。发计现了贫放射医性，株他于18柜96年2月发类表了律关于貌某些蛾元素我具体羽放射划性的芒论文吧紧接馆着居效里夫径妇加浪入了尸这个洗研究秆领域掌，蚂并于18沟98年发忙现，袄钍与胡铀一牺样，柳也具守有放谦射性轨，并皱在这言一年浑又从题沥青母铀矿跃提炼诞出放膜射性网更强裳的元迟素“橡钋”阶和“毅镭”柱；为耗此，净居里辣夫妇蔽与贝表克勒观尔共视享了19略03年的容诺贝泥尔物甩理奖疮。居内里夫番人又零因为角在这疾一领助域内挖的突缩慧出贡纠献获19积11年诺灯贝尔近化学王奖。第四失节：降衰变赚及其辈统计塔规律

对所有的放射性元素放出的射线进行总结、归纳发现，射线分为三种，射线是原子核；射线是电子；

射线是高能光子。射线摸能使索气体呆电离惨，但倾穿透哭本领遥很小误；3.衰变恩规律季及其压描述1)衰变度的统朵计规贿律及朗衰变稠常数伙：刊衰变蹄是自兄发的狭，对销于一究个核煮素来会说，巧何时劣衰变息完全蜻是偶领然的嫂，但唇对大喷量核芒就存钟在着沟必然迈的统胳计规弊律。射线访电离颈本领皂较弱戴，但熄有较谎强的炊穿透狮本领俯；射线裤几乎祥没有损电离阴本领个，但项穿透脚本领喊很强窃。第四枪节：拴衰变侦及其验统计闻规律三种蛇射线枪各有染自己逃的性窑质设尾时配，未帮衰变得的原国子核收是者个，务随时千间的边推移锻，衰醋变情誉况如啄下：其中顺是比栗例系伏数它的己物理唉意义兆是单虫位时滚间内桐的衰掉变几佣率，小它标寸志着勿衰变走的快倦慢在童时纸间内向，有防个核楼衰变等式放两边晒积分知得这就恳是衰并变所浩遵循而的统果计规均律，注在此恨式推折导过魔程中锻引入际的常摸数详称珍衰变本常数星，缓可以宇表示寄为第四答节：亭衰变播及其呆统计寺规律-d她N必定姑正比仗于当赌时存嚼在的孟原子食核数袭目N，也治显然絮正比只于时萌间dt，于是2)半衰轿期根据途的定义离，可常以导朗出其赠表达陡式，桑在式中，，帜则t=，即解得可见与