原子物理學(xué)課件--第七章

1、第七章第七章 原子核物理概論原子核物理概論 7 7.1.1.原子核的基本特征原子核的基本特征 7 7.2.2.原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能 6.3.6.3.核力核力 6.4.6.4.核結(jié)構(gòu)模型核結(jié)構(gòu)模型 6.5.6.5.放射性衰變規(guī)律放射性衰變規(guī)律 6.6.6.6. 衰變衰變 6.7.6.7. 衰變衰變 6.8.6.8. 衰變（衰變（ 躍遷）躍遷） 6.9.6.9.核反應(yīng)核反應(yīng) 6.10.6.10.核裂變和核聚變核裂變和核聚變6.1.6.1.原子核的基本特征原子核的基本特征 原子核的組成原子核的組成 原子核的大小原子核的大小 原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩 6.1.1.6.1.1.原子核

2、的組成（原子核的組成（1 1） 原子核原子核由質(zhì)子和中子兩種粒子組成由質(zhì)子和中子兩種粒子組成質(zhì)子質(zhì)子帶一個(gè)單位正電帶一個(gè)單位正電: :e中子中子不帶電不帶電質(zhì)子和中子的質(zhì)子和中子的質(zhì)量質(zhì)量相差甚微相差甚微 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子核子 1.008665unm 1.007277upm 6.1.1.6.1.1.原子核的組成（原子核的組成（2 2） 原子核的表示方法原子核的表示方法 X：對(duì)應(yīng)的元素符號(hào)對(duì)應(yīng)的元素符號(hào) 核內(nèi)核內(nèi)質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù) Z A：核質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）核質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）= Z + N Z：核電荷數(shù)，核內(nèi)核電荷數(shù)，核內(nèi)質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù) N：核內(nèi)中子數(shù)核內(nèi)中子數(shù)AZNX6.1.1.6.1

3、.1.原子核的組成（原子核的組成（3 3） 核素核素： 代表一個(gè)特定的核素代表一個(gè)特定的核素例：三種不同的核素例：三種不同的核素 天然核素：天然核素：340多個(gè)多個(gè) 人造核數(shù)：人造核數(shù)：1600多個(gè)多個(gè) 共計(jì)共計(jì) 2000余個(gè)余個(gè) 同位素同位素： Z相同，相同，A不同的核素不同的核素 例：例：H的三種同位素的三種同位素 XA231121011,HHH231121011,HHH氘氘(D),D),氚氚( (T)T)6.1.1.6.1.1.原子核的組成（原子核的組成（4 4） 同中子素同中子素: :中子數(shù)相同，中子數(shù)相同，A和和Z不同不同例：例： 同量異位素同量異位素: :A相同相同, ,Z, N

4、不同不同例：例： 同質(zhì)異能素：同質(zhì)異能素： 相同質(zhì)子數(shù)相同質(zhì)子數(shù)Z和相同中子數(shù)和相同中子數(shù)N，但但能量狀態(tài)能量狀態(tài)不不同的核素，指處于同的核素，指處于激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)和和基態(tài)基態(tài)的核素的核素132121,HeHCaKAr402040194018,6.1.2.6.1.2.原子核的大小原子核的大小(1)(1) 原子核半徑上限原子核半徑上限: : 米米 散射實(shí)驗(yàn)測(cè)得散射實(shí)驗(yàn)測(cè)得 原子核半徑與質(zhì)量數(shù)原子核半徑與質(zhì)量數(shù) 原子核的密度是常數(shù)原子核的密度是常數(shù)1510130Rr A01.20fmr 333300033444433AMMMAVr NRr ArM = 1 = 1 億噸億噸/ /厘米厘米3 3 核物質(zhì)

5、是密度很高、不可壓縮的核物質(zhì)是密度很高、不可壓縮的“液滴液滴” 6.1.3.6.1.3.原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩(1)(1) 原子核基態(tài)原子核基態(tài)總角動(dòng)量總角動(dòng)量( (核自旋核自旋) ) 質(zhì)子和中子的質(zhì)子和中子的軌道軌道角動(dòng)量角動(dòng)量和它們和它們自旋自旋角動(dòng)角動(dòng)量量的的矢量和矢量和 i: 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù): 整數(shù)或半整數(shù)整數(shù)或半整數(shù)偶數(shù)質(zhì)量數(shù)偶數(shù)質(zhì)量數(shù)A的原子核的的原子核的i值都是值都是整數(shù)整數(shù)，奇數(shù)質(zhì)量數(shù)奇數(shù)質(zhì)量數(shù)A的原子核的的原子核的i值都是值都是半整數(shù)半整數(shù) 核自旋的核自旋的Z分量分量1Ii iIzIm, (1),(1),Imiiii 6.1.3.6.1.3.原子核的自旋和

6、磁矩原子核的自旋和磁矩(2)(2) 核自旋核自旋 原子原子核磁矩核磁矩 核磁矩核磁矩z分量分量 原子磁矩原子磁矩核磁矩核磁矩原子總磁矩忽略核磁矩原子總磁矩忽略核磁矩 2112IIINppIemgeIgi ig i im核磁子核磁子 核核g因子因子,II zNIgm1,2JJBBpeBNeJNegi immm只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)得只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)值有正有負(fù)數(shù)值有正有負(fù)6.1.3.6.1.3.原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩(3)(3) 核磁矩核磁矩 I 在在外外磁場(chǎng)磁場(chǎng) B 中中的的磁能磁能 考慮核考慮核自旋自旋后后, 原子的原子的總角動(dòng)量總角動(dòng)量 IINIUBgBm FJI(1)Ff f,1,|F

7、jijiji j i，有有2i+1個(gè)態(tài)個(gè)態(tài) j 0aQ 0a長(zhǎng)橢球核長(zhǎng)橢球核扁橢球核扁橢球核球?qū)ΨQ核球?qū)ΨQ核根據(jù)根據(jù)核電四極核電四極矩的測(cè)量數(shù)值矩的測(cè)量數(shù)值可判斷核形狀可判斷核形狀6.2.6.2.原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能 結(jié)合能結(jié)合能 結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式6.2.1.6.2.1.結(jié)合能結(jié)合能(1)(1) 質(zhì)量質(zhì)量能量能量 核的質(zhì)量不等于核內(nèi)核子的質(zhì)量和核的質(zhì)量不等于核內(nèi)核子的質(zhì)量和例例質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損2Emc211H()1.007825 1.002.0186650.002388(u)4102DpnmmmmDpnmmm2mEmc 6.2.1.6.2.1.結(jié)合能結(jié)合能(2)(2) 結(jié)合

8、能結(jié)合能 B 自由核子組成原子核時(shí)所釋放出的能量自由核子組成原子核時(shí)所釋放出的能量 例例 結(jié)合能公式結(jié)合能公式 20.002388931.52.224MeVBmc 211H2Bmc 2/HnAB cZmNmM2/pnB cZmNmm核質(zhì)量核質(zhì)量原子質(zhì)量原子質(zhì)量氫原子質(zhì)量氫原子質(zhì)量忽略電子結(jié)合能忽略電子結(jié)合能6.2.1.6.2.1.結(jié)合能結(jié)合能(3)(3) 平均結(jié)合能平均結(jié)合能 ABB A 30, Z=N=偶數(shù)偶數(shù)的核的核,特別穩(wěn)定特別穩(wěn)定A很小或很小或A很大很大的核變成的核變成A中中等核時(shí)等核時(shí), 放能放能30120:8.5 Mev150:7.6 MeVBAABAA6.2.1.6.2.1.結(jié)合

9、能結(jié)合能(4)(4) 例例1 1：輕核聚變輕核聚變100100個(gè)個(gè) 50 50個(gè)個(gè) 放能放能一克一克 相當(dāng)于相當(dāng)于10.510.5噸煤噸煤的熱量的熱量. .21H 聚變42HeB/A = 1MeVB/A = 7MeV74 501 2 1002006Mev 21H6.2.1.6.2.1.結(jié)合能結(jié)合能(5)(5) 例例2 2：重核裂變重核裂變1 1個(gè)個(gè) 2 2個(gè)個(gè) 放能放能一克一克 相當(dāng)于相當(dāng)于2.52.5噸煤噸煤的熱量的熱量. .200X 裂變100XB/A = 7.6MeVB/A = 8.5MeV2 100 8.52007.62000.9Mev200X原子核轉(zhuǎn)變過程中原子核轉(zhuǎn)變過程中, ,結(jié)合

10、能發(fā)生變化結(jié)合能發(fā)生變化, ,釋放核能釋放核能6.2.2.6.2.2.結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式(1)(1) 結(jié)合能結(jié)合能 B A, 體現(xiàn)了體現(xiàn)了飽和性飽和性 即核子只與最近鄰核子有互作用即核子只與最近鄰核子有互作用 如核子與所有核子有互作用如核子與所有核子有互作用 液滴模型液滴模型： 體積體積V 質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A， 密度密度 1億噸億噸/厘米厘米3 核物質(zhì)是不可壓縮的帶電液滴，核子是液滴核物質(zhì)是不可壓縮的帶電液滴，核子是液滴中的分子中的分子221(1) 2ABCA AA130Rr A6.2.2.6.2.2.結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式(2)(2) 結(jié)合能由以下幾部分組成結(jié)合能由以下幾部分組成

11、體積能體積能: :B R3 A表面能表面能: : B R2 A2/3處于核表面核子的結(jié)合能比核內(nèi)核子結(jié)合能小處于核表面核子的結(jié)合能比核內(nèi)核子結(jié)合能小庫侖能庫侖能: :B Z(Z-1) Z2, B 1/R 1/A1/3 對(duì)稱能對(duì)稱能 成對(duì)能成對(duì)能 AaBvv23ssBa A132ccBa Z A 2() /symsymBaNZA 12ppBaA奇奇核奇偶核偶偶核1016.2.2.6.2.2.結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式(3)(3) 結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式 BMA (原子質(zhì)量原子質(zhì)量) 211332221()vscsympBa Aa Aa Z AaZNAaA15.8MeV;18.3MeV;0

12、.72MeV;23.2MeV;11.2MeVvsvsympaaaaa2()HnAABZmNmMCM6.3.6.3.核力核力 基本性質(zhì)基本性質(zhì) 介子理論介子理論 6.3.1.6.3.1.基本性質(zhì)基本性質(zhì)(1)(1) 核力核力是是吸引力吸引力核由核子構(gòu)成，質(zhì)子之間存在斥力，而核的結(jié)合核由核子構(gòu)成，質(zhì)子之間存在斥力，而核的結(jié)合是很強(qiáng)固的是很強(qiáng)固的核子之間有很強(qiáng)的核子之間有很強(qiáng)的吸引力吸引力. . 短程短程, ,強(qiáng)強(qiáng)相互作用相互作用 強(qiáng)強(qiáng) 電磁電磁 弱弱 萬有引力萬有引力相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度 1 10-2 10-13 10-39力程力程 10-15 m 10-17 m 長(zhǎng)程長(zhǎng)程 ； 短程短程：比：比 衰減

13、更快，如衰減更快，如: : 21r21rre16.3.1.6.3.1.基本性質(zhì)基本性質(zhì)(2)(2) 飽和性飽和性：B A即核子只與最近鄰核子作用即核子只與最近鄰核子作用 極短程內(nèi)存在極短程內(nèi)存在排斥力排斥力小于小于0.80.8fm:fm:斥力斥力0.80.8fm fm 2fm:fm:吸引力吸引力大于大于1010fm:fm:核力消失核力消失 核力與核力與電荷無關(guān)電荷無關(guān)(1)(1)質(zhì)子和質(zhì)子之間，中子和中子之間，質(zhì)子和質(zhì)子和質(zhì)子之間，中子和中子之間，質(zhì)子和中子之間的核力相同中子之間的核力相同 6.3.1.6.3.1.基本性質(zhì)基本性質(zhì)(3)(3) 核力與核力與電荷無關(guān)電荷無關(guān)(2)(2)證明證明p

14、pnnnpppnnnpFFFVVVppnnVV132He231Hppnnnp7.72, 8.48,0.76BMeVMeVBMeV0.72cppVMeVB 一對(duì)質(zhì)子的庫侖斥能一對(duì)質(zhì)子的庫侖斥能ppnnVV6.3.2.6.3.2.介子理論介子理論(1)(1)海森堡不確定關(guān)系海森堡不確定關(guān)系(1)(1)： 某粒子的某粒子的坐標(biāo)坐標(biāo)和它的和它的動(dòng)量動(dòng)量不可能同時(shí)具有不可能同時(shí)具有確定值確定值( (被測(cè)準(zhǔn)被測(cè)準(zhǔn)) ) 某粒子的某粒子的壽命壽命和它的和它的能量能量不可能同時(shí)具有不可能同時(shí)具有確定值確定值( (被測(cè)準(zhǔn)被測(cè)準(zhǔn)) ),xxphtEh 6.3.2.6.3.2.介子理論介子理論(2)(2) 海森堡不

15、確定關(guān)系海森堡不確定關(guān)系(2)(2)例：氫原子例：氫原子例：例：小球小球. . m = 1000g, = 1000g,v = 10 m/s, = 10 m/s, 10.53A6.3pxap 完全不確定完全不確定 ！628106.6 10pxmp 已十分精確已十分精確完全確定完全確定 ！6.3.2.6.3.2.介子理論介子理論(3)(3) 海森堡不確定關(guān)系海森堡不確定關(guān)系(3)(3) 原子核內(nèi)是否存在電子？原子核內(nèi)是否存在電子？220.1 nm,10 eV;23 fm,GeV!2xppxEmpxEm 實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：核中飛出電子的能量約為核中飛出電子的能量約為MeV數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí).結(jié)論：結(jié)論：核內(nèi)不可

16、能存在電子核內(nèi)不可能存在電子! ! 6.3.2.6.3.2.介子理論介子理論(4)(4) 庫侖相互作用的庫侖相互作用的宏觀圖象宏觀圖象 庫侖相互作用的庫侖相互作用的微觀圖象微觀圖象(1)(1)電磁場(chǎng)電磁場(chǎng) -e-e-e-e 虛光子虛光子 庫侖相互作用庫侖相互作用是交換虛介子產(chǎn)生的是交換虛介子產(chǎn)生的6.3.2.6.3.2.介子理論介子理論(5)(5) 庫侖相互作用的庫侖相互作用的微觀微觀圖象圖象(2)(2)虛光子存在時(shí)間虛光子存在時(shí)間虛光子最大能量轉(zhuǎn)移虛光子最大能量轉(zhuǎn)移虛光子最大能量轉(zhuǎn)移虛光子最大能量轉(zhuǎn)移虛光子靜止能量虛光子靜止能量虛光子力程虛光子力程 虛光子質(zhì)量虛光子質(zhì)量2/Ecxmc x0m

17、 /tx c 虛虛光子運(yùn)動(dòng)距離光子運(yùn)動(dòng)距離/Etcx 6.3.2.6.3.2.介子理論介子理論(6)(6) 核力的核力的微觀圖象微觀圖象(1)(1)核力是交換核力是交換虛介子虛介子而產(chǎn)生的而產(chǎn)生的虛介子虛介子存在時(shí)間存在時(shí)間虛介子虛介子最大能量轉(zhuǎn)移最大能量轉(zhuǎn)移虛介子虛介子 NN/tx c 虛介子虛介子運(yùn)動(dòng)距離運(yùn)動(dòng)距離/Etcx 6.3.2.6.3.2.介子理論介子理論(7)(7) 核力的核力的微觀微觀圖象圖象(2)(2)虛介子虛介子最大能量轉(zhuǎn)移最大能量轉(zhuǎn)移虛介子虛介子靜止能量靜止能量虛介子虛介子力程力程 虛介子虛介子質(zhì)量質(zhì)量 實(shí)驗(yàn)找到了實(shí)驗(yàn)找到了虛介子虛介子稱稱介子介子證實(shí)了核力介子理論證實(shí)了

18、核力介子理論2/Ecxmc 2fmx22197fm MeV100MeV200 2.0fmecmcm cx6.4.6.4.核結(jié)構(gòu)模型核結(jié)構(gòu)模型 核結(jié)構(gòu)模型核結(jié)構(gòu)模型 費(fèi)米氣體模型費(fèi)米氣體模型 殼層模型殼層模型 集體模型集體模型 ( (綜合模型綜合模型) )6.4.1.6.4.1.核結(jié)構(gòu)模型核結(jié)構(gòu)模型 (1) 核力核力尚未完全認(rèn)識(shí)清楚尚未完全認(rèn)識(shí)清楚 核多粒子體系核多粒子體系在數(shù)學(xué)處理上起來相當(dāng)困難在數(shù)學(xué)處理上起來相當(dāng)困難現(xiàn)仍主要依靠一定的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上建立起現(xiàn)仍主要依靠一定的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上建立起來的各種來的各種維象模型維象模型, ,對(duì)核子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作對(duì)核子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作維象維象描述描述. .各種模

19、型可以各種模型可以反映原子核的某些方面的反映原子核的某些方面的特征特征維象模型維象模型不從第一性原理不從第一性原理, ,依靠一定的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)依靠一定的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上建立起來的模型上建立起來的模型6.4.2.6.4.2.費(fèi)米氣體模型費(fèi)米氣體模型(1)(1) 費(fèi)米氣體模型費(fèi)米氣體模型核子為核子為費(fèi)米子費(fèi)米子, ,自旋為自旋為1/2,1/2,核子之間無互作核子之間無互作用用約束：泡利不相容原理。約束：泡利不相容原理。6.4.3.6.4.3.殼層模型殼層模型(1)(1) 原子核的性質(zhì)隨著質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)的增原子核的性質(zhì)隨著質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)的增加顯示出加顯示出周期性周期性的變化。的變化。 存在存在幻數(shù)核幻

20、數(shù)核, 即當(dāng)原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)或中子即當(dāng)原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為數(shù)為2, 8, 20, 28, 50, 82和和126時(shí)核特別穩(wěn)定。時(shí)核特別穩(wěn)定。 原子核內(nèi)部存在著某種原子核內(nèi)部存在著某種殼層結(jié)構(gòu)殼層結(jié)構(gòu)。6.4.3.6.4.3.殼層模型殼層模型(2)(2) 殼層模型殼層模型 假設(shè)核內(nèi)每個(gè)核子都在由其它核子提供的假設(shè)核內(nèi)每個(gè)核子都在由其它核子提供的平平均勢(shì)場(chǎng)均勢(shì)場(chǎng)中作相對(duì)中作相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)獨(dú)立運(yùn)動(dòng) 求解核子求解核子薛定諤方程薛定諤方程 考慮質(zhì)子和中子都是考慮質(zhì)子和中子都是費(fèi)米子費(fèi)米子( (自旋為自旋為1/2)1/2)遵遵從從泡利不相容原理泡利不相容原理 原子核的殼層結(jié)構(gòu)原子核的殼層結(jié)構(gòu)。6.4.

21、3.6.4.3.殼層模型殼層模型(3)(3) 原子核殼層模型原子核殼層模型 給出了全部給出了全部幻數(shù)幻數(shù) 說明了幻數(shù)核的說明了幻數(shù)核的穩(wěn)定性穩(wěn)定性 解釋了大多數(shù)原子核解釋了大多數(shù)原子核基態(tài)的自旋和宇稱基態(tài)的自旋和宇稱 殼層模型也存在一定殼層模型也存在一定缺陷缺陷 核核電四極矩電四極矩的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差很大，的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差很大， 核能級(jí)之間核能級(jí)之間躍遷速率的計(jì)算躍遷速率的計(jì)算值遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)值值遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)值等等6.4.4.6.4.4.集體模型集體模型( (綜合模型綜合模型)(1)(1) 一大群核子互相吸引，形成一個(gè)一大群核子互相吸引，形成一個(gè)集體集體，很可能會(huì)很可能會(huì)集體振動(dòng)集體振動(dòng), ,

22、轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng). . 核子就不是運(yùn)動(dòng)在靜止的勢(shì)場(chǎng)中，而是核子就不是運(yùn)動(dòng)在靜止的勢(shì)場(chǎng)中，而是在一個(gè)在一個(gè)變動(dòng)的勢(shì)場(chǎng)變動(dòng)的勢(shì)場(chǎng)中。中。 個(gè)體核子的運(yùn)動(dòng)個(gè)體核子的運(yùn)動(dòng)和和集體的運(yùn)動(dòng)集體的運(yùn)動(dòng)互相互相結(jié)合結(jié)合，才是原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng)較全面的描述才是原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng)較全面的描述 6.4.4.6.4.4.集體模型集體模型( (綜合模型綜合模型)(2)(2) 集體模型集體模型( (綜合模型綜合模型) )原子核原子核形變形變核的核的集體振動(dòng)集體振動(dòng)原子原子核的轉(zhuǎn)動(dòng)核的轉(zhuǎn)動(dòng) 6.5.6.5.放射性衰變規(guī)律放射性衰變規(guī)律 放射性衰變的模式放射性衰變的模式 指數(shù)衰變規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律 半衰期半衰期與與平均壽命平均壽命 放射性活度

23、放射性活度 級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變 同位素的產(chǎn)生同位素的產(chǎn)生6.5.1.6.5.1.放射性衰變的模式放射性衰變的模式(1)(1) 放射性衰變放射性衰變核自發(fā)核自發(fā)放射出射線放射出射線，變?yōu)榱硪环N元素的原子核變?yōu)榱硪环N元素的原子核 放射性衰變的放射性衰變的模式模式(1)(1) 衰變衰變: 放出氦核放出氦核 衰變衰變 衰變衰變: : 放出電子放出電子 e 和和反中微子反中微子 )； 衰變衰變:放出放出正電子正電子(e )和和中微子中微子( )； 電子俘獲電子俘獲(EC): 原子核俘獲一個(gè)核外電子原子核俘獲一個(gè)核外電子ee6.5.1.6.5.1.放射性衰變的模式放射性衰變的模式(2)(2) 放射性衰變的放

24、射性衰變的模式模式(2)(2) 衰變衰變 ( 躍遷躍遷) 衰變衰變 ( 躍遷躍遷): 放出波長(zhǎng)很短的電磁輻射放出波長(zhǎng)很短的電磁輻射 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換(IC): 原子核把激發(fā)能直接交給核原子核把激發(fā)能直接交給核外電子使電子離開原子的過程。外電子使電子離開原子的過程。 自發(fā)裂變自發(fā)裂變(SF) 自發(fā)裂變?yōu)閮蓚€(gè)或多個(gè)質(zhì)量相近的原子核自發(fā)裂變?yōu)閮蓚€(gè)或多個(gè)質(zhì)量相近的原子核6.5.2.6.5.2.指數(shù)衰變規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律(1)(1) 時(shí)刻時(shí)刻 t, 原子核數(shù)原子核數(shù) N 時(shí)間時(shí)間 dt 內(nèi)內(nèi), 有有 - dN 個(gè)核個(gè)核衰變衰變 - dN / dt N, 引入引入衰變衰變常數(shù)常數(shù) - dN / dt = N,

25、- dN = N dt 積分積分, 設(shè)設(shè) t = 0 時(shí)時(shí), 核數(shù)目核數(shù)目為為N0 - dN / dt = N 0tNN edNNdt單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)原子核衰變幾率原子核衰變幾率指數(shù)衰變規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律6.5.3.6.5.3.半衰期半衰期與與平均壽命平均壽命(1)(1) 半衰期半衰期T1/2: 核數(shù)目衰變掉一半所需時(shí)間核數(shù)目衰變掉一半所需時(shí)間1/ 21 20/ln20.31269TTNeN2,021NNTt0tNN eT與與 成反比成反比6.5.3.6.5.3.半衰期半衰期與與平均壽命平均壽命(2)(2)平均壽命平均壽命 t = t0, 原子核數(shù)原子核數(shù) N0 t = t, 原子核

26、數(shù)原子核數(shù) t t + dt 內(nèi)內(nèi), 核核衰變衰變數(shù)數(shù) - dN = N dt - dN 個(gè)個(gè)核中核中, 每個(gè)核的每個(gè)核的壽命壽命: t - dN個(gè)個(gè)核的核的總總壽命壽命: - dN t = N t dt 所有核的總壽命所有核的總壽命 任一核的任一核的平均壽命平均壽命 t = , 原子核數(shù)原子核數(shù)0tNN e00d/Nt tN01/21/2/ln21/1.44TT 10037%NN eN6.5.4.6.5.4.放射性活度放射性活度(1)(1) 放射性活度放射性活度 A: 單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生內(nèi)發(fā)生衰變的核的數(shù)目衰變的核的數(shù)目 A0 = N0 是是 t = 0 時(shí)的放射性活度時(shí)的放射性活度 放

27、射性活度單位放射性活度單位: : Bq ( (貝克勒爾貝克勒爾) ) 1s內(nèi)有內(nèi)有1個(gè)核衰變個(gè)核衰變, 放射性活度就是放射性活度就是1Bq, 1Bq=1s 1 常用常用kBq (千貝克勒爾千貝克勒爾)和和 MBq (兆貝克勒爾兆貝克勒爾) 常用單位常用單位: Ci (居里居里) 1Ci = 3.7 1010Bq , 常用常用mCi (毫居里毫居里)和和 Ci (微微居里居里)0dedtNNANtAAt0e0tNN e6.5.4.6.5.4.放射性活度放射性活度(2)(2) 放射性的強(qiáng)弱程度放射性的強(qiáng)弱程度 與與 N 不能表示不能表示放射性的強(qiáng)弱放射性的強(qiáng)弱放射性活度放射性活度 A = N 才能

28、表示才能表示放射性的強(qiáng)放射性的強(qiáng)弱弱 測(cè)量長(zhǎng)壽命核的半衰期測(cè)量長(zhǎng)壽命核的半衰期/A NAN1/2ln20.693T6.5.5.6.5.5.級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變(1)(1) 級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變放射性元素放射性元素A 放射性元素放射性元素B 放射性元素放射性元素C 穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素 自然界存在自然界存在四個(gè)四個(gè)級(jí)聯(lián)衰變鏈級(jí)聯(lián)衰變鏈(1) 釷系：釷系：釷釷( )鉛鉛( )90323Th82208Pb(2) 鈾系：鈾系：鈾鈾( ) 鉛鉛( )92238U82206Pb(4) 镎系：镎系：镎镎( )鉍鉍( )93237Np83209Bi (3) 錒系：錒系：錒錒( )鉛鉛( )89227Ac82207Pb 級(jí)

29、聯(lián)衰變的規(guī)律級(jí)聯(lián)衰變的規(guī)律(1)(1)6.5.5.6.5.5.級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變(2)(2)A B C1210200,:0;:0tABNN12,:,:ttNABN1110:tNN eA2222112,:dNN dtN dtttdtBNdN 12112211022tdNNNNeNdt1222110tdNNN edt 級(jí)聯(lián)衰變的規(guī)律級(jí)聯(lián)衰變的規(guī)律(2)(2)6.5.5.6.5.5.級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變(3)(3)1221()2221102110()tttdNNN ed N eN edtdt2tedt22112()112102102121ttttN eN ecNN ece12010210,0tNcN 12

30、121021()ttNNee111222121,122,122.1021(),tTTtTNNe 級(jí)聯(lián)衰變的規(guī)律級(jí)聯(lián)衰變的規(guī)律(3)(3)子體子體按按母體母體衰變衰變 應(yīng)用應(yīng)用: :保存短壽命核的方法保存短壽命核的方法 6.5.5.6.5.5.級(jí)聯(lián)衰變級(jí)聯(lián)衰變(4)(4)111222121,122,122.1021(),tTTtTNNe11221122221,1,(/)NNTNN TInSn1134911350T1/2,2 = 99.5 分分 T1/2,1 = 115 天天; ;為保存為保存 , , 與與 一起保存一起保存11349In11350Sn11349In應(yīng)用應(yīng)用: :測(cè)量短壽命核的測(cè)量

31、短壽命核的半衰期半衰期母體母體子體子體6.5.6.6.5.6.同位素的產(chǎn)生同位素的產(chǎn)生(1)(1)例例: :同位素同位素 128I 的產(chǎn)生的產(chǎn)生(1)(1) 127I 128I 衰變率衰變率 N生產(chǎn)率生產(chǎn)率P128:0,0;,tINtt NNtdNPNPNcedt 1/ 2(1)(1 20,0)tTtPtPNPNec 1/ 21/2ln2(ln2)tTttT放射性活度放射性活度6.5.6.6.5.6.同位素的產(chǎn)生同位素的產(chǎn)生(2)(2)例例: :同位素同位素 128I 的產(chǎn)生的產(chǎn)生(2)(2) 127I 128I 衰變率衰變率 N生產(chǎn)率生產(chǎn)率P1 21/ 2/(12(12)ttTTAPNNPA

32、1/ 2tT生產(chǎn)生產(chǎn)同位素時(shí)同位素時(shí), ,應(yīng)考慮應(yīng)考慮t t大時(shí)大時(shí), ,N=A/ 增加變緩慢增加變緩慢6.6.6.6. 衰變衰變 衰變的條件衰變的條件 衰變能與子核能級(jí)衰變能與子核能級(jí)6.6.16.6.1. . 衰變的條件衰變的條件(1)(1) 粒子粒子: 氦核氦核( ), 含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子 衰變衰變 核自發(fā)地放射出核自發(fā)地放射出 粒子粒子而變成另外一種核而變成另外一種核 衰變的條件衰變的條件(1)(1)衰變前衰變前, , 靜止靜止衰變前后衰變前后, ,能量守恒能量守恒eH4242AAZZXYa-+AZX6.6.16.6.1. . 衰變的條件衰變的條件(2)(2) 衰

33、變的條件衰變的條件(2)(2)衰變前后衰變前后, ,能量守恒能量守恒 衰變能衰變能 衰變的條件衰變的條件222*XYYm cm cm cEEE子核反沖動(dòng)能子核反沖動(dòng)能子核激發(fā)態(tài)能子核激發(fā)態(tài)能 粒子動(dòng)能粒子動(dòng)能母核靜質(zhì)量母核靜質(zhì)量 粒子靜質(zhì)量粒子靜質(zhì)量子核靜質(zhì)量子核靜質(zhì)量*0YEEEE22220220,0XYXYEMm cmcM cM ccm cE222XYM cM cM cXYMMM原子原子質(zhì)量質(zhì)量6.6.2.6.6.2.衰變能與子核能級(jí)衰變能與子核能級(jí)(1)(1)測(cè)量測(cè)量 0YEEE*00*YEEEEEE 衰變前后衰變前后, ,動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒( (衰變前衰變前, ,母核靜止母核靜止) )Y

34、YYYm vm vmvvm021()(1)() 241 YYYYmmEEAmvEEmm00*0 EEEEE2220XYEM cM cM c 子核激發(fā)態(tài)能子核激發(fā)態(tài)能(1)(1)212208BiTl 6.6.2.6.6.2.衰變能與子核能級(jí)衰變能與子核能級(jí)(2)(2) E 測(cè)量值為測(cè)量值為離散值離散值子核激發(fā)能量子化子核激發(fā)能量子化(1)(1)例例1: 1: 212212BiBi的觀測(cè)的觀測(cè) 能譜能譜( (E 的強(qiáng)度分布的強(qiáng)度分布) )6.6.2.6.6.2.衰變能與子核能級(jí)衰變能與子核能級(jí)(3)(3) E 測(cè)量值為測(cè)量值為離散值離散值子核激發(fā)能量子化子核激發(fā)能量子化(2)(2) 例例2: :2

35、262228886RaRn *0(Mev)(Mev)(Mev)EEE04.793 4.879 0(4.793 4.879 0(基準(zhǔn)基準(zhǔn)) )4.612 4.695 0.1844.612 4.695 0.184122688Ra子核能級(jí)子核能級(jí)22286Rn0.1840.1840 0 4.612 (5.7%)1 4.793 (94.3%)0 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到光子實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到光子6.7.6.7. 衰變衰變 衰變面臨的問題衰變面臨的問題 中微子假說中微子假說 質(zhì)子與中子質(zhì)子與中子是核子的兩個(gè)量子狀態(tài)是核子的兩個(gè)量子狀態(tài) 衰變條件衰變條件6.7.1.6.7.1. 衰變面臨的問題衰變面臨的問題(1)(1) 衰變衰

36、變: :核電核改變而核子數(shù)不變的核電核改變而核子數(shù)不變的核衰變核衰變 衰變衰變: : 放出電子放出電子 e 衰變衰變:放出放出正電子正電子(e ) 電子俘獲電子俘獲(EC): 原子核俘獲一個(gè)核外電子原子核俘獲一個(gè)核外電子 能譜能譜 粒子粒子( (電子電子, ,正電子正電子) )強(qiáng)度隨能量的分布強(qiáng)度隨能量的分布6.7.1.6.7.1. 衰變面臨的問題衰變面臨的問題(2)(2) 問題一問題一(1)(1) - - 能譜連續(xù)能譜連續(xù)210210BiBi的的 - -能譜能譜6.7.1.6.7.1. 衰變面臨的問題衰變面臨的問題(3)(3) 問題一問題一(2)(2)假設(shè)假設(shè) - -衰變衰變的模式的模式類似

37、類似 衰變衰變模式模式子核能級(jí)的量子化子核能級(jí)的量子化 能譜離散能譜離散同樣同樣, ,子核能級(jí)的量子化子核能級(jí)的量子化 - - 能譜離散能譜離散 為什么為什么 - - 能譜連續(xù)能譜連續(xù)? 問題二問題二(1)(1)不確定關(guān)系不允許核內(nèi)有電子不確定關(guān)系不允許核內(nèi)有電子1AAZZXYe-+42AAZZXYa-+6.7.1.6.7.1. 衰變面臨的問題衰變面臨的問題(4)(4) 問題二問題二(2)(2)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (不確定關(guān)系不允許核內(nèi)有電子不確定關(guān)系不允許核內(nèi)有電子) ) 原子核內(nèi)是否存在電子？原子核內(nèi)是否存在電子？2,3 fmGeV!2xpxpEm 實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：核中飛出電子的能量約為核中飛出電子的

38、能量約為MeV數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí).結(jié)論：結(jié)論：核內(nèi)不可能存在電子核內(nèi)不可能存在電子! ! 衰變的電子從哪里來衰變的電子從哪里來? ?6.7.2.6.7.2.中微子假說中微子假說(1)(1) 中微子假說中微子假說 衰變時(shí)衰變時(shí), ,伴隨每一個(gè)電子有一個(gè)伴隨每一個(gè)電子有一個(gè)輕輕( (m 0) )的中性粒子的中性粒子( ( (反反) )中微子中微子) )一起被發(fā)射出來一起被發(fā)射出來 更正更正 衰變衰變的模式的模式111( )():():AAZZAAZZeeAAZekZkeXYeeXYeECXvYvve中微子中微子反中微子反中微子6.7.2.6.7.2.中微子假說中微子假說(2)(2) 為什么為什么 - -

39、 能譜連續(xù)能譜連續(xù)?新新 - - 衰變衰變的模式的模式 能量守恒能量守恒 衰變能衰變能衰變前后衰變前后( (三體三體),),動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒( (衰變前衰變前, ,母核靜止母核靜止) ) Y, e, 任意分配能量不違反動(dòng)量守恒任意分配能量不違反動(dòng)量守恒 - - 能譜能譜 (Ee ) 連續(xù)連續(xù)比較比較 衰變衰變, ,衰變前后衰變前后( (兩體兩體) )動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒子核能級(jí)的量子化子核能級(jí)的量子化 能譜離散能譜離散 1AAZZeXYve222XYeYem cm cm cEEE0YeEEEEYYm vm v6.7.3.6.7.3.質(zhì)子與中子質(zhì)子與中子是核子的兩個(gè)量子狀態(tài)是核子的兩個(gè)量子狀態(tài)(1)

40、(1) 衰變的電子從哪里來衰變的電子從哪里來? ?質(zhì)子與中子質(zhì)子與中子是是核子的兩個(gè)量子狀態(tài)核子的兩個(gè)量子狀態(tài) 衰變的本質(zhì)衰變的本質(zhì) n p, p n 狀態(tài)狀態(tài)躍遷躍遷躍遷時(shí)躍遷時(shí)放出放出( (正正) )電子和電子和( (反反) )中微子中微子( (正正) )電子原來不存在于核內(nèi)電子原來不存在于核內(nèi), ,就如光子本來就如光子本來不存在于原子不存在于原子( (電子電子) )中一樣中一樣 ( )():():eekekenpevepnevECpenv 6.7.4.6.7.4. 衰變條件衰變條件(1)(1) - - 衰變衰變 能量守恒能量守恒 衰變能衰變能衰變條件衰變條件1AAZZeXYev222XY

41、eYem cm cm cEEE2222202()()YeXYeXYeXeYYeeXEEEm cm cm cmmmcmAmmmAmEMMcc0( , )( ,1)0XYMA ZMA ZE6.7.4.6.7.4. 衰變條件衰變條件(2)(2) + 衰變衰變 能量守恒能量守恒 衰變能衰變能衰變條件衰變條件222XYeYem cm cm cEEE2222022()(1)22YeXYeXYeXeYeeXYeEEEm cm cm cmmmcmAmmAmmcEMMmc0( , )( ,201)XYeMA ZMA ZmE1AAZZeXYev6.7.4.6.7.4. 衰變條件衰變條件(3)(3) 電子俘獲電子俘

42、獲(EC) 能量守恒能量守恒 衰變能衰變能 電子俘獲電子俘獲條件條件222XeiYYm cm cWm cEE2222202(1)YXeYiXeYiXeYeXYiiEEm cm cm cWmmmcWEMMcmAmmAmcWW20( , )( ,1)/0XYiMA ZMZEAW c1AAZiZeXeYvi 層電子在原層電子在原子中的結(jié)合能子中的結(jié)合能6.8.6.8. 衰變（衰變（ 躍遷）躍遷） 衰變衰變 ( ( 躍遷躍遷) ) 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換電子電子 同質(zhì)異能同質(zhì)異能躍遷躍遷 穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)6.8.1. 6.8.1. 衰變（衰變（ 躍遷）躍遷）(1)(1) 衰變衰變 ( ( 躍遷躍遷) )

43、 (1)(1) 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)核發(fā)射核發(fā)射 射線射線( (光子流光子流) )躍遷躍遷到到低激發(fā)態(tài)低激發(fā)態(tài)或或基態(tài)基態(tài)的現(xiàn)象的現(xiàn)象 躍遷發(fā)出躍遷發(fā)出光子能量光子能量: keV MeV( (比較比較) )原子能級(jí)躍遷發(fā)出原子能級(jí)躍遷發(fā)出光子能量光子能量: eV keV*XYY , 衰變衰變 衰變衰變子核激發(fā)態(tài)子核激發(fā)態(tài)6.8.1. 6.8.1. 衰變（衰變（ 躍遷）躍遷）(2)(2) 衰變衰變 ( ( 躍遷躍遷)(2)(2) 例例: 醫(yī)用醫(yī)用放射源放射源 ，經(jīng)，經(jīng) - -衰變衰變放出能量分放出能量分別為別為1.17MeV和和1.33MeV兩種兩種 射線射線2760Co60Co(T1/2 = 5.27

44、 a) - - 衰變衰變0.309 (100%) 2.50 MeV1.33 MeV01 1 2 2 60Ni,壽命極短壽命極短6.8.2.6.8.2.內(nèi)轉(zhuǎn)換電子內(nèi)轉(zhuǎn)換電子(1)(1) 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換( (IC) IC) 核躍遷不放核躍遷不放出出光子光子,把能量直接交給核外電子，把能量直接交給核外電子，使電子脫離原子使電子脫離原子( (內(nèi)轉(zhuǎn)換電子內(nèi)轉(zhuǎn)換電子) )內(nèi)轉(zhuǎn)換電子內(nèi)轉(zhuǎn)換電子: : 由核由核放出激發(fā)能而打出放出激發(fā)能而打出電子電子, ,能量較大能量較大! !俄歇電子俄歇電子: : 核外核外殼層躍遷打出的殼層躍遷打出的電子電子, ,能量較小能量較小X光光 光子光子6.8.2.6.8.2.內(nèi)轉(zhuǎn)換

45、電子內(nèi)轉(zhuǎn)換電子(2)(2) 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能量電子的能量 光子的能量光子的能量 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能量電子的能量ulEEE核上能級(jí)能量核上能級(jí)能量核下能級(jí)能量核下能級(jí)能量忽略核釋放忽略核釋放 光子引起的反沖光子引起的反沖ueilWEEEi 層電子在原層電子在原子中的結(jié)合能子中的結(jié)合能6.8.3.6.8.3.同質(zhì)異能躍遷同質(zhì)異能躍遷(1)(1) 同質(zhì)異能同質(zhì)異能態(tài)態(tài) 處于處于激激發(fā)態(tài)壽命較長(zhǎng)發(fā)態(tài)壽命較長(zhǎng)( (大于大于0.1s, ,亞穩(wěn)亞穩(wěn)態(tài)態(tài)) )的核的核素素. 核符號(hào)核符號(hào)質(zhì)量數(shù)后面加字母質(zhì)量數(shù)后面加字母m表示表示 同質(zhì)異能躍遷同質(zhì)異能躍遷 同質(zhì)異能同質(zhì)異能態(tài)發(fā)生的態(tài)發(fā)生的 躍遷或躍遷或內(nèi)

46、轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換6.8.3.6.8.3.同質(zhì)異能躍遷同質(zhì)異能躍遷(2)(2) 例例:同質(zhì)異能躍遷同質(zhì)異能躍遷同質(zhì)異能同質(zhì)異能態(tài)態(tài)6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(1)(1) 激發(fā)態(tài)能級(jí)的寬度激發(fā)態(tài)能級(jí)的寬度激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)( (躍遷躍遷) )只有有限的只有有限的壽命壽命 海森堡不確定關(guān)系海森堡不確定關(guān)系 激發(fā)態(tài)存在激發(fā)態(tài)存在能級(jí)寬度能級(jí)寬度 譜線具有譜線具有自然寬度自然寬度,tE /tE /6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(2)(2) 共振吸收共振吸收 核核( (原子原子) )激發(fā)態(tài)發(fā)射激發(fā)態(tài)發(fā)射( ( ) )光子被另一個(gè)基態(tài)光子被另一個(gè)基態(tài)同同類類核核( (原子原子)

47、)吸收吸收, 而躍遷到激發(fā)態(tài)而躍遷到激發(fā)態(tài)h h E1E2E1E2210EEhE核無反沖核無反沖0hE 共振吸收共振吸收6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(3)(3) 共振吸收中的反沖共振吸收中的反沖(1)(1) h h E1E2E1E2h h 210RhEEEE核有反沖核有反沖0RhEE2RhhEh h E0ERER能量能量無共振吸收無共振吸收反沖能反沖能6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(4)(4) 共振吸收中的反沖共振吸收中的反沖(2)(2)考慮考慮譜線自然寬度譜線自然寬度h h E0ERER能量能量h h E0ERER能量能量發(fā)射譜與吸收譜發(fā)射譜與吸收譜重合

48、重合共振吸收共振吸收RE 共振吸收的條件共振吸收的條件6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(5)(5) 共振吸收中的反沖共振吸收中的反沖(3)(3) 核反沖能的計(jì)算核反沖能的計(jì)算h E1E2h 動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒 /Mvhc.222()(21)2RhEcMcMh 共振吸收中的反沖共振吸收中的反沖(4)(4)例：例：23Na6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(6)(6)810 s3s3p16.886.58 106.6 10 eV10221126()2()9 1022 23 938 10RhEeVMc RE原子共振吸收毫無問題原子共振吸收毫無問題 20.511MeVem c

49、 11836epmm 共振吸收中的反沖共振吸收中的反沖(5)(5)例：例：57Fe* 的的14.4 keV 射線射線6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(7)(7)89.8 10 s57Fe57Fe*16.986.58 104.7 10 eV9.8 10222326()(14.4) (keV)()2 10 eV22 57 931 10RhEMcRE核核 共振吸收不可能共振吸收不可能 6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(8)(8) 穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(1)(1) 將核擴(kuò)散到晶體中將核擴(kuò)散到晶體中, 使使 M , 消除了核反消除了核反沖沖, 實(shí)現(xiàn)了核實(shí)現(xiàn)了核 共振吸

50、收共振吸收22()()02RhMEMc 6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(9)(9) 穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(2)(2)例例: 57Fe* 的的14.4 keV 射線射線57Fe* 擴(kuò)散到晶體擴(kuò)散到晶體核反沖核反沖ER很小很小 發(fā)射發(fā)射譜譜與吸收與吸收譜譜有有交疊區(qū)交疊區(qū)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)核核 共振吸收共振吸收 只要稍受只要稍受擾動(dòng)擾動(dòng)( (擾動(dòng)的量級(jí)與擾動(dòng)的量級(jí)與 /(h )相當(dāng)相當(dāng)),),兩個(gè)兩個(gè)非常銳的非常銳的重疊峰重疊峰便會(huì)便會(huì)錯(cuò)開錯(cuò)開，從而使，從而使共振吸收消共振吸收消失失, 任何與此量級(jí)相應(yīng)的任何與此量級(jí)相應(yīng)的微小擾動(dòng)微小擾動(dòng)均可均可被察覺被察覺 RE 13 3 10h測(cè)量

51、精度測(cè)量精度6.8.4.6.8.4.穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(10)(10) 穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)(3)(3)例例: :引力紅移：引力紅移：在地球上在地球上, ,由于由于引力場(chǎng)引力場(chǎng)不同不同, ,高度差高度差2020米，米，光子頻率變化光子頻率變化設(shè)某兩核同在地面上時(shí)設(shè)某兩核同在地面上時(shí), ,可可 共振吸收共振吸收( (只只要將核擴(kuò)散到晶體中要將核擴(kuò)散到晶體中) )如將該兩核分開如將該兩核分開, ,一個(gè)比另一個(gè)高一個(gè)比另一個(gè)高2020米的米的量級(jí)量級(jí), ,則此時(shí)則此時(shí)共振吸收立即消失共振吸收立即消失 證實(shí)了證實(shí)了引力紅移引力紅移存在存在151026.9.6.9.核反應(yīng)核反應(yīng) 核反應(yīng)核反應(yīng)

52、幾個(gè)著名的幾個(gè)著名的核反應(yīng)核反應(yīng) Q方程方程 反應(yīng)反應(yīng)截面截面 復(fù)合復(fù)合核反應(yīng)核反應(yīng)6.9.1.6.9.1.核反應(yīng)核反應(yīng)(1)(1) 核反應(yīng)核反應(yīng)粒子粒子轟擊轟擊( (穩(wěn)定穩(wěn)定) )核素核素, ,從而改變其性質(zhì)從而改變其性質(zhì), ,使一個(gè)核使一個(gè)核素素變?yōu)榱硪粋€(gè)核素變?yōu)榱硪粋€(gè)核素( (比較比較) )放射性衰變放射性衰變核核自發(fā)自發(fā)放射出射線放射出射線, ,變?yōu)榱硪环N元素變?yōu)榱硪环N元素的原子核的原子核 核反應(yīng)核反應(yīng)式式( , )iTlRT i l R入射粒子入射粒子 穩(wěn)定核穩(wěn)定核 中間過程中間過程 出射粒子出射粒子 生成核生成核 p, , , 離子離子靶靶6.9.1.6.9.1.核反應(yīng)核反應(yīng)(2)

53、(2) 核反應(yīng)核反應(yīng)分類分類( (能量能量) )低能低能核反應(yīng)核反應(yīng)：轟擊粒子的轟擊粒子的能量能量 1GeV 核反應(yīng)核反應(yīng)分類分類( (入射粒子入射粒子) )入射粒子入射粒子: : p, , , 離子離子; 輕到質(zhì)子輕到質(zhì)子, ,重到鈾離子重到鈾離子重離子反應(yīng)重離子反應(yīng) 比氦核比氦核( ( 粒子粒子) )重的離子引起的反應(yīng)重的離子引起的反應(yīng)6.9.2.6.9.2.幾個(gè)著名的核反應(yīng)幾個(gè)著名的核反應(yīng)(1)(1) 人類第一個(gè)核反應(yīng)人類第一個(gè)核反應(yīng),1919,1919,盧瑟福盧瑟福 第一個(gè)在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)第一個(gè)在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng),1932,1932 產(chǎn)生第一個(gè)產(chǎn)生第一個(gè)人工放射性核素人工放射

54、性核素的反應(yīng)的反應(yīng),1934,1934 導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)OpN178147),(74( , )Li pHePnAl3027),(912( , )BenC6.9.3. 6.9.3. Q方程方程(1)(1) 核反應(yīng)核反應(yīng): : 對(duì)應(yīng)的靜質(zhì)量和動(dòng)能對(duì)應(yīng)的靜質(zhì)量和動(dòng)能: : 能量守恒能量守恒 反應(yīng)能反應(yīng)能Q( , )T i l R,;,iTlRiTlRMMMMK KKK2222iiTTllRRM cKM cKM cKM cK2()()()iTlRlRiTMMMMcKKKKQ 6.9.3. 6.9.3. Q方程方程(2)(2) 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室, 核靶靜止核靶靜止 KT = 0, 核

55、反應(yīng)核反應(yīng)分類分類( (Q) ) 放能反應(yīng)放能反應(yīng): Q 0 吸能反應(yīng)吸能反應(yīng): Q 0:放能反應(yīng)放能反應(yīng)6.9.3.6.9.3.Q方程方程(3)(3) 核反應(yīng)核反應(yīng)Q方程方程(1)(1)動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒2222cosilRRililppppppp p2cosRRiillililM KM KM KM M K K22pMKliRKQKK2(1)(1)cosililliliRRRM M K KMMQKKMMM pipRplpiT6.9.3.6.9.3.Q方程方程(4)(4) 核反應(yīng)核反應(yīng)Q方程方程(2)(2)已知已知 Ki , ,測(cè)量測(cè)量 Kl , Q Q方程的另一形式方程的另一形式(1)(1)2

56、2( )lKuuw()cos ,iliRiRilRlRM M KM QK MMuwMMMM 已知已知 Ki , ,Q Kl ( )6.9.3.6.9.3.Q方程方程(5)(5) 閾能閾能(1)(1) 激發(fā)原子核反應(yīng)的激發(fā)原子核反應(yīng)的入射入射粒子必須具有的最低能量粒子必須具有的最低能量. Kl ( ) 中的中的根號(hào)根號(hào) u2 + w 0 放能反應(yīng)放能反應(yīng): w 0 u2 + w 0 無無閾能閾能 吸能反應(yīng)吸能反應(yīng): w 0 吸能反應(yīng)的閾能吸能反應(yīng)的閾能: Ki 的最小值的最小值 Ki 的最小值滿足的最小值滿足: u2 + w = 0 22()cos0()iliRiRilRlRM M KM QK

57、MMMMMM6.9.3.6.9.3.Q方程方程(6)(6) 閾能閾能(2)(2) = 0 Ki 達(dá)到最小值達(dá)到最小值 吸能反應(yīng)的閾能吸能反應(yīng)的閾能lRlRisMMQMMKM 22,iTlRTQQMMMMMccTisTMMKQMMA6.9.3.6.9.3.Q方程方程(7)(7) 閾能閾能(3)(3)例例OpN1714),(MeVQ193. 1 吸能反應(yīng)吸能反應(yīng)若要引起此反應(yīng)若要引起此反應(yīng), , 粒子能量粒子能量( (閾能閾能) )至至少為少為41.193(1)1.53MeV14sE 6.9.4.6.9.4.反應(yīng)反應(yīng)截面截面(1)(1) 有效面積有效面積 靶子內(nèi)每個(gè)原子占有一個(gè)靶子內(nèi)每個(gè)原子占有一

58、個(gè)有效面積有效面積 , 入射粒子打入射粒子打在在 內(nèi)一定發(fā)生反應(yīng)內(nèi)一定發(fā)生反應(yīng). 總有效面積總有效面積 薄箔靶薄箔靶,厚厚t,面積面積A,數(shù)密度數(shù)密度N;入射入射( (出射出射) )粒子數(shù)粒子數(shù)ni(nl) 總有效面積總有效面積: N (tA) 一個(gè)一個(gè)入射入射粒子粒子打到打到面積面積A的靶的靶上和上和一個(gè)靶核一個(gè)靶核發(fā)生反發(fā)生反應(yīng)的幾率應(yīng)的幾率()(),lliinnN AtN AtAnAn6.9.4.6.9.4.反應(yīng)反應(yīng)截面截面(2)(2) 核核反應(yīng)反應(yīng)截面截面 具有面積的量綱具有面積的量綱單位單位: : 靶靶 ( (b) ); linn Nt282312110,110bmmbm6.9.4.

59、6.9.4.反應(yīng)反應(yīng)截面截面(3)(3) 例例 = 2mb, t = 0.2mm, ni = 1010個(gè)個(gè)/ cm2.s, = 2.7 g/cm3 nl = ? N = /(A/N0) = 2.7 /(27/6.02x1023/cm3 ) =6.0 x1022/cm3 nl = N t ni = 2.4x104/(cm2.s) 2728Al( , ) Alnlinn Nt每一百萬中子進(jìn)去每一百萬中子進(jìn)去2.4個(gè)個(gè) 光子出去光子出去6.9.5.6.9.5.復(fù)合復(fù)合核反應(yīng)核反應(yīng)(1)(1) 核反應(yīng)核反應(yīng)模型理論模型理論類似類似核結(jié)構(gòu)模型核結(jié)構(gòu)模型, ,現(xiàn)仍主要依靠一定的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)仍主要依靠一定的實(shí)驗(yàn)事

60、實(shí)基礎(chǔ)上建立起來的各種事實(shí)基礎(chǔ)上建立起來的各種維象模型維象模型, ,對(duì)對(duì)核核反應(yīng)反應(yīng)作作維象的描述維象的描述. .各種模型可以各種模型可以反映原子反映原子核核反應(yīng)反應(yīng)的某些方面的特征的某些方面的特征. .維象模型維象模型不從第一性原理不從第一性原理, ,依靠一定的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基依靠一定的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上建立起來的模型礎(chǔ)上建立起來的模型6.9.5.6.9.5.復(fù)合復(fù)合核反應(yīng)核反應(yīng)(2)(2) 復(fù)合復(fù)合核反應(yīng)核反應(yīng)理論理論復(fù)合復(fù)合核核的形成的形成入射粒子先與入射粒子先與靶核形成一個(gè)靶核形成一個(gè)復(fù)合復(fù)合核核復(fù)合復(fù)合核核衰變衰變一定時(shí)間后一定時(shí)間后, ,某個(gè)某個(gè)粒子或粒子團(tuán)粒子或粒子團(tuán)獲得足夠獲得足夠的能量