原子物理学10课件

第十章原子核物理1896年，贝克勒尔发现放射性；1897年，居里夫妇发现放射性元素钋和镭；1899-1900年，卢瑟福发现α、β、γ射线；1911年，卢瑟福提出原子的核式模型；1919年，卢瑟福首次实现人工反应；1932年，查德威克发现中子；1934年，约里奥•居里夫妇发现人工放射性；1939年，哈恩等人发现重核裂变；1945年，奥本海默等人研制出的原子弹；1952年，泰勒等人研制出的氢弹；……杨、李的“宇称不守恒”，丁肇中的“J粒子”，等等我国1964年试爆第一颗原子弹，1967年试爆氢弹成功；……历史回顾§10.1原子核的基本性质1.原子核的电荷性质：正电数量：+ZeZ：原子序数或核电荷数2.原子核的质量一般以原子质量单位表示原子质量单位：1μ=C12质量的1/12。H:1.0078252μ;D:2.0141022μ;N:14.0030744μ质量数（A）：用质量单位表示的核素质量都很接近的整数值核素符号：两个概念：同位素：质量不同的相同元素的核素同量异位素：质量相同的不同元素的核素如：and如：and3.原子核的成分带一个单位的正电荷质量：mp=1.007277μ质量数：1不带电质量：mn=1.008664μ质量数：1原子核(A)质子(Z)中子(N)+核子：质子（p）和中子（n）4.原子核的大小原子核的半径：原子核的密度：各种原子核的密度是相同的。原子核是物质紧密集中之处。5.原子核的角动量I：原子核的自旋量子数偶偶核，I为0；奇奇核，I为整数；奇偶核，I为半整数。原子核I原子核In1/22H11H1/24He07Li3/26Li19Be3/214N123Na3/240K4原子核的总角动量是构成原子核的质子和中子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和6.原子核的磁矩核磁子g的数值有正有负原子核g原子核gn-2H+1H+4He+7Li+6Li+9Be-14N+23Na+40K-7.原子核的统计性费米子玻色子遵循费米-狄喇克统计自旋量子数为半整数遵从泡利不相容原理遵循玻色-爱因斯坦统计自旋量子数为整数不遵从泡利不相容原理如：电子，质子，中子，μ子如：光子，π介子在原子核、原子等复合粒子中，凡是由玻色子构成的复合粒子是玻色子，由偶数个费米子构成的复合粒子也是玻色子，由奇数个费米子构成的复合粒子是费米子。原子核：A为奇数：费米子；A为偶数：玻色子；Bose子：1H原子，2H核，4He原子，4He核，……Femi子：2H原子，3H核，……8.原子核的宇称宇称：代表粒子的波函数所具有的这样的性质分为偶性和奇性偶性奇性宇称守恒：孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性，或作相反的改变。在弱相互作用下，宇称不守恒的奇偶性决定于：9.原子核的结合能“质量亏损”结合能（B）：质子和中子组成原子核时释放的能量。结论1：原子核的总质量等于全部核子的质量之和，再减去相当于全部结合能的数值。平均结合能：原子核中每个核子对结合能的贡献。（B/A)结论2：原子的总质量等于原子核的质量加核外电子的质量，再减去相当于电子全部结合能的数值。平均结合能(B/A)越大，说明该原子核越稳定。质量数（A）平均结合能（MeV）每核子的平均结合能中等质量数的核子最大，一般在8.6MeV上下，轻核和重核较小，并且在A较小时，呈现周期性原子中价电子同原子核的结合能大约是原子核中每个核子平均结合能的10-6倍。饱和性饱和性例题：例题1：已知中子和氢原子的质量分别是1.008665μ和1.007825μ，则12C核的结合能约为（MeV):17.6B.8.5C.200D.92例题2：核子的平均结合能对氘核是1.09Mev，氦核是7.06Mev，若两个氘核组成氦核时，其能量变化是（MeV)：23.88B.–23.88C.5.97D.4.88235U核子的平均结合能是7.5Mev，若其裂变成两个平均结合能为8.6Mev的中等核其能量变化是

MeV。核力是强相互作用:核力约比库仑力大100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=Fnp斥心力的存在：10.核力1)核力的主要性质核子相距0.8-2.0fm时，表现为吸引力核子相距小于0.8fm时，表现为排斥力核子相距大于10fm时，核力几乎完全消失2)核力的排斥力芯Vppr0.82.0fmVnpr0.82.0fm3)核力的介子理论电磁力现代物理学认为：电磁相互作用是带电粒子间交换“虚光子”而产生的交换力。e-e-e-e-ABxt虚粒子用于传递相互作用，因而总是限定在一定时空范围内。由于测不准原理，虚粒子可以不满足能量-动量守恒。最大能量转移：虚粒子质量：

x

txtt2t1媒介粒子的质量估计1935年，汤川秀树核力也是一种交换力，核子间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用。介子质量估计：ppnn

+pppp

0ppnn

核力介子π介子的发现：§10.2原子核的放射衰变某些元素的核很不稳定，自发地放出射线，变成另一种元素的原子核，这称为放射衰变。TimeN=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

:比例常数，称为衰变常数。

衰变常数大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快指数衰减规律N=N0e-t半衰期（T）：放射性核素衰变其原有核数一半所需时间。平均寿命（τ）：放射性活度：

放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数λ：放射性快慢的标志；A：决定放射性强弱的量。（单位：居里（1Ci=3.11010s-1））习题：例题1：已知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：5倍B.10倍C.15倍D.20倍例题2：在人体血液中注入微量溶液，溶液中24Na的放射性活度是I0=2.0×103s-1,经过5小时后取出1cm3的血液，其放射性是I=16min-1，试求人体血液的体积。（已知,24Na的半衰期T=15小时，e-0.693/3=0.792）（中科院高能所考研题）这样依次变下去，直到一种稳定元素，就构成一个放射系。232Th220Rn208Pb钍系：(1.4x1010y)(A=4n)a,b,ga,b,g最终子核238U222Rn206Pb铀系：母核(4.5x109y)(A=4n+2)a,b,ga,b,g放射系A=4n+2铀系A=4n钍系235U219Rn207Pb锕系：(7.0x108y)a,b,ga,b,g(A=4n+3)241Po233U….209Pb209Bi镎系：(14y)a,b,ga,b,g(A=4n+1)锕系A=4n+3镎系A=4n+1放射系基本衰变类型:α衰变：放出带两个正电荷的氦核（α粒子）β衰变：γ衰变：放出波长很短的（<0.01nm）的电磁辐射；（内转换）β-

衰变：放出电子，同时放出反中微子；β+

衰变：放出正电子，同时放出中微子；电子俘获（K)：原子核俘获一个核外电子；自发裂变（SF）：原子核自发分裂为两个或几个质量相近的原子核。………….从母核中射出的4He原子核+++++++++放射性母核!!衰变衰变反应方程式：发生原因——母核中子或质子过多

衰变——241Am

237Npα衰变能：α衰变能：α粒子的动能和子核的反冲动能涉及粒子的几个重大事件：

1903年，Rutherford证实粒子是带正电荷的氦原子；

1911年，Rutherford在粒子散射实验基础上建立核式模型；

1919年，Rutherford利用粒子事先第一个人工核反应；

1928年，伽莫夫对衰变做出量子力学解释；

1932年，Chadwick利用粒子发现中子。习题：试计算α衰变过程中发出的α粒子的动能有多大？已知：基本衰变类型:α衰变：放出带两个正电荷的氦核（α粒子）β衰变：γ衰变：放出波长很短的（<0.01nm）的电磁辐射；（内转换）β-

衰变：放出电子，同时放出反中微子；β+

衰变：放出正电子，同时放出中微子；电子俘获（K)：原子核俘获一个核外电子；自发裂变（SF）：原子核自发分裂为两个或几个质量相近的原子核。………….+++++++++发生原因——母核中子或质子过多中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷-反中微子+中微子衰变什么是中微子呢？射线的能谱IE

mE原子核是量子体系,

射线能谱为什么是连续的呢？射线是电子（费米子），原子核的统计性为什么不变呢？

衰变的能量谱是连续分布的；能量是有一确定的最大值；强度最高处的能量约等于最大能量的1/3？1930年Pauli指出：“只有假定在

衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（中微子）一起被发射出来，使中微子、电子和子核的能量和为常数，才能解释连续

谱。”AAA连续谱中微子是费米子，自旋量子数是1/2.1952年，Davis间接证明中微子，想法是王淦昌提出的;1956年，才首次在实验中找到中微子.

-衰变反应方程式：

+衰变反应方程式：反应方程式：电子(K)俘获:

-衰变能：K衰变能：β衰变能

+衰变能：EK:K电子的结合能。只有母核的原子质量大于子核的质量时才能发生只有母核与子核的原子质量差大于两个电子的质量时才能发生只有母核与子核的原子质量差大于K电子的结合能的相应质量时，才能发生大亚湾反应堆中微子实验破土动工2007.10.14大亚湾反应堆中微子实验在深圳大亚湾核电基地破土动工。该实验将研究组成宇宙的一类重要的基本粒子——中微子的基本性质，对于人们了解物质微观的基本结构和宏观宇宙的起源与演化具有重要意义。建设在大亚湾核电基地后山上的实验室隧道开始施工，该工程将向大山岩体中掘进3公里，以建设观测点和实验室。习题：例题1：已知和的原子质量为7.016290μ和7.016004μ，电子质量为0.000549μ，问从能量角度：可能发生β-衰变和K俘获；B.仅能β-衰变；C.仅能K俘获；D.仅能β+衰变；例题2：最后衰变成，总共经历过多少次α衰变和β-

衰变？+++++++++－中微子

光子衰变:处于激发态的原子核向基态跃迁时放出

光子实质是由于原子核里边电荷分布的变动或电流的变动。衰变——3He

3He习题：210Po核从基态进行衰变，并伴随发射两组粒子。其中一组粒子的能量为5.30Mev，放出这组粒子后，子核处于基态；另一组粒子的能量为4.50MeV，放出这组粒子后，子核处于激发态。试计算子核由激发态回到基态时放出光子的能量。其它衰变模式：自发裂变；p放射性：放出质子；n放射性：放出中子；14C放射性：放出14C核；

……§10.6原子核反应原子核反应：原子核受一个粒子撞击而放出一个或几个粒子的过程粒子：中子、质子、氘核、α粒子、γ光子……第一个人工核反应：(1919年，Rutherford)第一个人工放射性核素：(1934年，Gurie-Jolit)发现中子：(1932年，Chadwick)

电荷在原子核反应的前后是不变的；

核子数在原子核反应的前后是不变的；

总能量在原子核反应的前后是不变的；

动量在原子核反应的前后是不变的；

角动量在原子核反应的前后是不变的；

宇称原子核反应的前后是不变的；

……守恒定律原子核反应的能量M0M1M3M2静能量E0E1E3E2动能反应能：反应后粒子的动能超出反应前粒子动能的差值。放能吸能牢记！用核的结合能表示又是怎样的呢？注意：E0,E1,E2,E3和B0,B1,B2,B3并不一定相等实验室：已知E1和E2，根据余弦定理和动量守恒，可以得到：作业例题2：计算核反应的反应能习题：例题1：在核反应：中的AY应是：17O;B.17FC.18O;B.15N阈能：激发原子核反应的撞击粒子必须具有的最低能量吸能：实验室坐标系中，等于反应能加反应后的粒子由于动量守恒仍需保留的动能牢记！放能：？质心系参考文献：杨福家《原子物理学》高等教育出版社陈宏芳《原子物理学》科学出版社曹丽萍等新疆师范大学学报（自然科学版）23422001等在核反应中，反应能为-1.84Mev,入射质子的阈能为0;B.1.66MeVC.1.84MeVD.2.04MeV习题：习题：试问，用多大能量的质子轰击固定的氚靶，才能发生p+3H→n+3He反应？若入射质子的能量为3.00MeV,而发射的中子与质子的入射方向成900,则发者的中子和3He的动能各位多少？已知：核反应模式：中子核反应：质子核反应：氘核核反应：α粒子核反应：光致核反应：

……中子不带电不能直接使原子电离但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应1）与H原子核的弹性碰撞传递能量质子跑出来中子被慢化

n+H→n+p

第一步打出质子（载能）第二步质子引起物质电离慢化剂:轻水(1H2O)

重水(2D2O)中子与物质的作用nHnnp电离

2）中子核反应例如(n,p)反应

n+14N→14C+p

第一步核反应产生质子第二步质子对物质产生电离作用n

p电离14N14C12人体有大量H和N原子中子对人体电离效应严重伤害也严重我国将建成世界先进水平的中子散裂源装置散裂中子源散裂中子源与同步辐射光源是目前研究物质结构的最重要的装置，利用散裂中子源产生的中子束可以测定物质的内部结构，研究其物理、化学性质和变化规律。由于中子的特殊性质，在测定物质内氢元素和同位素的位置以及磁性结构等方面具有同步辐射光源不可替代的作用。散裂中子源散裂中子源对多学科的基础性创新研究和工业应用都能产生极大的支撑、推动和提升作用，目前世界上投入运行和即将建成的约10余台。由于散裂中子源与国防安全技术、核技术、新型能源等方面密切相关，其核心技术极其敏感，且建设周期较长，我国必须尽快自主部署建设。项目将建造质子束功率达100kW、有效脉冲中子通量居世界前列的散裂中子源，包括质子加速器、靶站和中子谱仪。项目总投资约11亿元，建设期为6年。0

92

33

59

0

1n+235U分裂

85

As+148Pr+31n+△E例如:﹏﹏中子原子核核分裂子核游离辐射原子核裂变裂变：原子核受一个粒子的撞击而分裂为两个或几个质量相近的原子核。核裂变的发现1938年，哈恩和史特拉斯曼发现：利用中子轰击U时，产物中存在Ba。随后，梅特纳和弗里什指出：U在中子的轰击下，裂变为两个中等质量核素。1947年，钱三强和何泽惠发现了核裂变的三分裂现象，其发生几率约为二分裂的千分之三。U分裂过程：

可以有许多种组合方式；裂变分裂开的两原子核往往质量不相等；释放出更多的能量伴随更多的中子的发射608010012014016018010110-1

10-210-310-410-5质量数（A）平均结合能（MeV）由于中等质量数的原子核的平均结合能大，重核裂变时要放出大量的能量；试估计平均结合能为7.6MeV的236U分裂成两个平均结合能为8.5MeV的中等质量原子核时放出的能量。例题：（1）235U原子核裂变时释放出200MeV的能量，试估计在裂变过程中，有百分之几的质量转化为能量。（2）利用上述结果，试计算一个热功率为100万千瓦的核电站连续运转半年所消耗的核燃料（235U）有多少公斤？相当于多少燃煤？（燃烧值7000千卡/千克）有0.0913%的质量转化成能量；0.1752Kg的235U相当于100万千瓦的核电站连续运转半年所消耗的核燃料；相当于5105吨燃煤。核分裂链式反应原子反应堆原子弹每次裂变伴随着中子的发射，从而引起链式反应。利用235U或239Pu等重原子核的链式