原子核物理概論

1、會(huì)計(jì)學(xué)1原子核物理概論原子核物理概論Zeq 原原子子核核的的電電荷荷：原子核由質(zhì)子和電子組成微觀粒子的波動(dòng)性核自旋原子核由質(zhì)子和中子組成 umprotonumneutronpn007277. 1)(008665. 1)(：質(zhì)子質(zhì)子：中子中子核子核子nucleon即質(zhì)量數(shù)。即質(zhì)量數(shù)。：核內(nèi)的核子數(shù)，：核內(nèi)的核子數(shù)，：核內(nèi)質(zhì)子數(shù)；：核內(nèi)質(zhì)子數(shù)；：核內(nèi)中子數(shù)；：核內(nèi)中子數(shù)；）（或（或原子核表示符號(hào)：原子核表示符號(hào)：ZNAZNXXANAZ Stable and unstable nuclei: balance of numbers of protons and neutrons150100500020

2、406080100proton number Zstablealpha decaybeta decayelectron capturepositron emissionfissionN=Z”“ 211 )1( umummumumdpnpn552 013. 2942 015. 2277 007. 1665 008. 1 氘核質(zhì)量：氘核質(zhì)量：兩者之和：兩者之和：質(zhì)子質(zhì)量：質(zhì)子質(zhì)量：中子質(zhì)量：中子質(zhì)量：2/225. 2390 002. 0 cMeVummmmdnp （2）結(jié)合能EB( binding energy)2/cENmZmmBnp 原子核的質(zhì)量：原子核的質(zhì)量：2/)(cENmZMMBnH 忽

3、忽略略電電子子的的結(jié)結(jié)合合能能原原子子質(zhì)質(zhì)量量：mMNmZMcEnHB 2 :或或2mcEEB 結(jié)合能：結(jié)合能：AmcAEAEB2 結(jié)合能）：結(jié)合能）：核子的平均結(jié)合能（比核子的平均結(jié)合能（比Binding energy of carbon-12 nucleusMass of carbon-12 atom1 atomic mass unit u= 1/12 of mass of C-12 atom1 u = 1.66056 1027 kgmass of C-12 atom = 12.0 uMass of 6 electrons= 9.1095 1031 kg= 0.000549 umass o

4、f 6 electrons = 0.0033 umass of electron6 electronsCalculate mass of carbon-12 nucleusmass of carbon-12 nucleus= mass of carbon-12 atom mass of 6 electronsCalculate mass of all theprotons and neutronsmass of proton= 1.67265 1027 kg= 1.00728 umass of neutron= 1.67495 1027 kg= 1.00866 umass of carbon-

5、12 nucleus= (12.000 0.0033) u= 11.9967 umass of 6 protons and 6 neutrons= 6 (1.00728 + 1.00866) u= 12.0956 uDifference in mass= mass of carbon-12 nucleus mass of protons and neutrons= (11.9967 12.0956) u= 0.0989 uBinding energyin mass units:= 0.0989 u= 1.643 1028 kgErest = mc2in energy units:= 1.477

6、 1011 J= 92.16 MeVBinding energy per nucleon92.16 MeV for 12 nucleons= 7.7 MeV per nucleonBinding energy of a nucleus is the difference between its mass and the sum of themasses of its neutrons and protonsEnergy well for carbon-12 is7.7 MeV per nucleon deep7.7 MeV6 protons6 neutronsBCBSBVBEEEE 體積能表面

7、能庫(kù)侖能ARVArRAaEVBV 33/10 表表面面張張力力系系數(shù)數(shù)：3/23/2202 4 4AaArREsBS （surface tension coefficient） ReZZZReRZeEBC2022014153 4153 312/ AZac3/123/2 AZaAaAaEEEECSVBCBSBVB原子核質(zhì)量的半經(jīng)驗(yàn)公式：23/123/22/ )( / )(cAZaAaAaNmZmcEEENmZmmCSVnpBCBSBVnp 結(jié)合能的主要部分殼殼BBPSymBCBSBVBEEANZaEEEE 2)(體積能表面能庫(kù)侖能對(duì)能對(duì)稱(chēng)能22/ )( (cEEANZaEEENmZmmBBPSy

8、mBCBSBVnp殼殼 0 2/12/1奇奇核奇奇核奇偶核奇偶核偶偶核偶偶核對(duì)能：對(duì)能：AaAaEPPBP核力:核子與核子之間的強(qiáng) 相互作用力。短程力;飽和性;強(qiáng)相互作用;與自旋有關(guān).核子作用勢(shì)核子作用勢(shì) e e e e ABtxtxt x xccxtE xcmmcxcE ; 2ppppppppnnnn0 nppnppnn 00，不同種核子之間：不同種核子之間：，同種核子之間：同種核子之間：線系限nm6 .589nm0 .589主線系（1）核自旋偶偶核的自旋為零奇偶核的自旋為半整數(shù)奇奇核的自旋為非零整數(shù) )1( , )1( 2 , 1 : 2 2, ssslllggslsglgmeseleBs

9、eleee其中其中 eV/T 108 578. 024 eBme 玻爾磁子：玻爾磁子：eV/T 103.152 1836128 BpNme sglmesppp2, 質(zhì)子的磁矩： Nplnsnlpspslgggg 2 0 0 12 n, 質(zhì)子磁矩：質(zhì)子磁矩：中子磁矩：中子磁矩：，理論：理論： sglmesgmeggggspppsnnnlnsnlpsp2 2 0 ,82. 3 16 . 5 , 質(zhì)子磁矩：質(zhì)子磁矩：中子磁矩：中子磁矩：，實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：npNmeme22 核磁子：核磁子：NznNzpNznNzpl 30491. 1 28579. 2 91. 1 79. 2 0 , 或：或：時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)

10、 ),1(),1(,- ,IIIImmgIgIINIzINII 其中：其中： INIIBmgBU 附附加加能能量量：BgUNI Vrre d 141 41 00 對(duì)于均勻帶電體：對(duì)于均勻帶電體：對(duì)于點(diǎn)電荷：對(duì)于點(diǎn)電荷： Vzr d 141 20 對(duì)于電偶極矩：對(duì)于電偶極矩：e e zde e e2 z Vrzr d 3211412230 電四極矩電四極矩 d 3211 d 1 d 1 41 22320VrzrVzrVr 對(duì)任意帶電體： 22 52 acZQ 旋轉(zhuǎn)橢球，則：旋轉(zhuǎn)橢球，則：若原子核為均勻帶電的若原子核為均勻帶電的 224221011 d 31cmbbVrzeQ 靶）靶）（）（ zz

11、zaacc0 Q0 Q0 Q放射性(radioactivity)衰變：不穩(wěn)定原子核自發(fā)地放射出各種射線后,轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核的現(xiàn)象.（1）指數(shù)衰變律NdtdN 發(fā)生衰變的原子核數(shù)目 t 時(shí)刻未發(fā)生衰變的原子核數(shù)目時(shí)間間隔tNN 0e NdtdN / 衰變常數(shù)：衰變常數(shù)：（2）半衰期( ) 半衰期 (half life period) ：放射性核素的原子核數(shù)目衰變到原來(lái)的一半所需要的時(shí)間。21T2 021NNTt 時(shí)時(shí)，即即： 69302 ln21. T13N 衰變21T212T213T050.01.0NNtmin 96921. T 212100 44. 12 ln1 d TTNtNt 0100

12、%37eeNNNN (4)是放射性核素的特征量估算地球的年齡：3%.9972%. 0 : :823235002350238 NNNNN目前目前設(shè)地球形成時(shí)設(shè)地球形成時(shí)at9109 . 5 ttANNtNA 0 0e edd Bq107 . 3Ci1 /1)Bq(1 /107 . 3Ci1/107 . 3mCi1/107 . 3Ci1104710 秒秒次核衰變次核衰變勒爾勒爾貝克貝克秒秒次核衰變次核衰變）微居里（微居里（秒秒次核衰變次核衰變）毫居里（毫居里（秒秒次核衰變次核衰變）居里（居里（mAA/ 輻射能量輻射能量的的受照物質(zhì)吸收受照物質(zhì)吸收）戈瑞（戈瑞（的輻射能量的輻射能量受照物質(zhì)吸收受照物

13、質(zhì)吸收）拉德（拉德（電量的輻射量電量的輻射量空氣中產(chǎn)生空氣中產(chǎn)生使使）倫琴（倫琴（的效應(yīng)大小的單位：的效應(yīng)大小的單位：衡量放射性對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生衡量放射性對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生 J 1 kg 1Gr1 erg 100 g 1 rad1C1058. 2 kg 1 R14 NA nA4 BBAABNNtN ddtAAANN e0CBA兩兩代代衰衰變變： ttABAABBANN e-e 0時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)BBAt 1 ,tABAABANN e0 ttABAABBANN e-e 0AABBBBAATNNTNN2121 NPtN dd tPNPNtN e1 dd 2121 e1 TttPPNA 11023456PA21Tt

14、YXAZAZ42衰衰變變的的條條件件）（ 1能量守恒：rYXEEcmcmcm 222 2 cmmmEEQYXr : 衰衰變變能能 eHeeYYeXXmMmmZMmZmMm22 2 )(cMMMQHeYX HeYXMMM 即：即： 0 Q PbPo206210 u 6 0024He u 5 974205Pbu 9 982209Po4206210. MMM衰衰變變能能與與核核能能級(jí)級(jí)圖圖 )2( vmvmYY 子核反沖動(dòng)能： EmmmmvmvmEYYYYr 222121 EAAEAEmmEEQYr4441 1 Bi 212能能譜譜的的 相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度6.0846.20127.2%6.0446.1

15、610.04069.9%5.7635.8740.3271.7%5.6215.7300.4710.15%5.6015.7090.4921.1%5.4805.5850.6160.016%粒子粒子 )(MeVE )(MeVQ )(MeVE Bi212830 1 2 3 4 5 6.084 6.0445.7635.621(27.20%)(69.81%)(1.80%)(0.15%)00.0400.3270.492Tl208810.327min5 .60 i2/121283 TB0.4710.6165.6015.480(1.10%)(0.016%)0.4710.4920.0400.6166.203衰變前母

16、核處于激發(fā)態(tài)10550160072716901800Po21284Pb208829537271074180010432109499348785106的的衰衰變變Po21284EC衰變和衰變和衰變，衰變，衰變衰變 :衰變面臨的難題衰變面臨的難題 )1( 能譜為何連續(xù)？電子（正電子）從何而來(lái)？相對(duì)粒子數(shù)I1 . 05 . 00 . 1mE 246810121416182022）粒粒子子的的動(dòng)動(dòng)能能（ MeV 端點(diǎn)能量mEMeV E能譜能譜的的 Bi21000 PPPY。即即量量和和為為動(dòng)動(dòng)量量的的矢矢子子核核、電電子子和和中中微微子子的的根根據(jù)據(jù)動(dòng)動(dòng)量量守守恒恒：YP P P ireEEEQ 0

17、rYeEmm00 emeEQEQEEE，則，則若若，則，則若若 eAZAZeAZAZeAZAZYeXECeYXeYX 111 ）：）：軌道電子俘獲（軌道電子俘獲（衰變：衰變：衰變：衰變：eAZKAZYeXK 1 俘獲：俘獲：間接證明：eKLieBe 7374直接證明： enpe 衰衰變變的的本本質(zhì)質(zhì) 子子：核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子變成中：核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子變成中衰變和衰變和成質(zhì)子成質(zhì)子衰變：核內(nèi)一個(gè)中子變衰變：核內(nèi)一個(gè)中子變EC 中子質(zhì)子粒粒子子 )(ee 同一核子的兩個(gè)不同的量子態(tài) eAZAZeYX 1：衰變能衰變能0E 222 1 cMMcmmZMZmMcmmmQYXeeYeXeYX YXMMQ 0 ee

18、HeH33).(a 3312H213 THe3100% MeV01860).( eAZAZeYX 1：衰變能衰變能0E 222 2 1 cmMMcmmZMZmMcmmmQeYXeeYeXeYX eYXmMMQ2 0 min).(969N2113 TC13%).(100 MeV191 ).(MeV02122cmeee CN1313Nucleon number (A)Proton number (Z)A, Z+1A, Z-1A-4, Z-2+-A, Z decay decay decayeAZAZYeX 1：衰變能衰變能0E 能能層層電電子子在在原原子子中中的的結(jié)結(jié)合合為為 22iWWcMMWcm

19、mmQiiYXiYeXi 2 0cWMMQiYXi 俘獲。俘獲。生的是生的是發(fā)發(fā)俘獲不可能發(fā)生，可能俘獲不可能發(fā)生，可能則則，若若LKcWMMcWLYXK22 衰變。衰變。生生的原子核則不一定能發(fā)的原子核則不一定能發(fā)獲獲軌道電子俘軌道電子俘子俘獲，但是，能發(fā)生子俘獲，但是，能發(fā)生生軌道電生軌道電衰變的原子核總可以發(fā)衰變的原子核總可以發(fā)，所以能發(fā)生，所以能發(fā)生由于由于 2 2ieWcm22cmeNi64Zn64).(h 712Cu2164 T%).(19 MeV660 %).(40 MeV5730 %.).(60 MeV340EC%4 .40 )MeV68. 1(EC341 . enpe 1、中

20、微子吸收衰變衰變、雙、雙 2ee eeXeTe1305413052ee eeKrSe82368234粒子發(fā)射粒子發(fā)射延遲質(zhì)子發(fā)射及延遲質(zhì)子發(fā)射及、 3 延遲中子發(fā)射延遲中子發(fā)射、 4 ).(s 655Br2187 T%).(70 MeV62 %).(30 MeV08 Kr87Kr86nMeV 45 . 射線的過(guò)程。射線的過(guò)程。原子核內(nèi)放射出原子核內(nèi)放射出從放射性核素的從放射性核素的 : 衰衰變變 decay- luEEhE MeV 50. 2MeV 331.01 2 %).(100 MeV3090 ).(a 275Co2160 TNi60ilueluWEEEEEE : 則內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能量為則內(nèi)

21、轉(zhuǎn)換電子的能量為若光子的能量為：若光子的能量為： 內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)： NNe KL內(nèi)轉(zhuǎn)換電子E ilueWEEE KLM俄歇電子E 俄歇電子的產(chǎn)生MLKeWWWE )(e )(d 118Sn21113 T)min 104(In21m113 T(1.8%) EC(98.2%) EC %)(65 (35%) ICMeV 3930.In113MeV 2530.(4)穆斯堡爾效應(yīng)RRluEhEEEEE 0衰變能：衰變能：chmvp 動(dòng)量守恒：動(dòng)量守恒：22222)(221 mchmpmvER 反沖核的動(dòng)能：反沖核的動(dòng)能：RReEEEEEE 0a 0 射線的能量：射線的能量：的的吸收吸收射線的能量：射線的能量

22、：的的放出放出ccEtE 則能級(jí)寬度：則能級(jí)寬度：由不確定關(guān)系，由不確定關(guān)系，2/luEEE 0 RE件：件：發(fā)生顯著共振吸收的條發(fā)生顯著共振吸收的條RREE eE a E0ERREE eE a E0E則不發(fā)生共振吸收。則不發(fā)生共振吸收。若若, RE穆斯堡爾效應(yīng)為晶體的質(zhì)量。為晶體的質(zhì)量。其中，其中，mmchmvER02)(21 222 0 RREE aeEEE 0 2/ )(chmRMmGV 光子質(zhì)量：光子質(zhì)量：重力場(chǎng)中的引力勢(shì)能：重力場(chǎng)中的引力勢(shì)能：)1()(22RcGMhRchGMhE 接受到的光子能量為：接受到的光子能量為：HcGH162101 . 1 本性本性電電 子子電磁輻射電磁輻

23、射 He4氦核氦核21T0Ea10s10167 a10s1062 d 60s1017 MeV 9MeV 4MeV keV 十幾十幾十幾十幾MeV keV 十幾十幾十幾十幾機(jī)制機(jī)制勢(shì)壘勢(shì)壘貫穿貫穿弱相互弱相互作用作用電磁相電磁相互作用互作用產(chǎn)物能產(chǎn)物能量分布量分布單能單能單能單能 ：連續(xù)譜：連續(xù)譜、 ：?jiǎn)文埽簡(jiǎn)文蹺C衰變能：)( :HeYXMMM YXMM : )(:eYXmMM2 )(:2 ECcWMMiYX luEE : nuclear reaction R i , l TRlTi)( 或 入射粒子出射輕粒子靶原子核生成核（剩余核）（Target）(incoming particle)（ou

24、tgoing light-weight particle）(Residue nucleus) O p , N OpN17141714 He p, LiLip477 氮?dú)獾獨(dú)鉄晒馄零y箔顯微鏡源源 P n , Al PnAl30273027 C n , Be CnBe129129 l ) RT ( i RlTi, 能量守恒：R2R2T2T2 KcmKcmKcmKcmllii (T)(R)()()()(2BBBBTiRlRlTiEiEElE KKKK cm(mmmQ ）（：放能核反應(yīng)：放能核反應(yīng)：吸能核反應(yīng)：吸能核反應(yīng)00 QQ lpipRpipR pppli 動(dòng)量守恒：動(dòng)量守恒： cos 2222

25、Rlilippppp mKp22 cos 2 RRlililliiKKmmKmKmKm cos 2 11RmKKmmKmmKmmQliliiRilRl RliiRlilimmmmKQmwmmKmmu RRcos 22wuuKl 02 wu值必須滿(mǎn)足：值必須滿(mǎn)足：的最小的最小，則，則對(duì)吸能反應(yīng)：若對(duì)吸能反應(yīng)：若；對(duì)放能反應(yīng)：對(duì)放能反應(yīng)： 0 002iKwwuw 0cos22 RliRiRRlilimmmmKQmmmKmm 達(dá)到最小值（閾能）：達(dá)到最小值（閾能）：時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng) 0 iK iRlRlmmmmmQK 閾閾TiTmmmQK 閾閾2T2 cQmcQmmmmRliT 由由 iilKmmmmm

26、KmmmmmmmmmmK22122122122/121122211211sincos )cos(cos 21 , , 0:mmmmmmQRTil 對(duì)于彈性散射對(duì)于彈性散射減少運(yùn)動(dòng)學(xué)變寬 )(cossin2RllililililAAKKAAKKAAK irnnAAtN 核反應(yīng)的幾率：核反應(yīng)的幾率：核反應(yīng)截面：?jiǎn)挝幻娣e的靶核數(shù)單位面積的靶核數(shù)入射粒子數(shù)入射粒子數(shù)數(shù)）數(shù)）出射粒子數(shù)（反應(yīng)粒子出射粒子數(shù)（反應(yīng)粒子 Ntnnir 重核的裂變：一個(gè)重原子核分裂為兩個(gè)或兩個(gè)以上中等質(zhì)量碎片的現(xiàn)象。3nKrBaUUn189144*236235 、YSrRbKr NdPrCeLaBa89898989144144

27、144144144 n2SrXeUUn294140*236235 、BrYSr CeLaBaCsXe949494140140140140140 從核素圖看裂變過(guò)程液滴模型AZAAZEESC232312 可可裂裂變變率率時(shí)間31232 AZaEAaECCSS，8 .36/ ,9 .35/ ,22402392236235 AZPuPunAZUUnNuclear fission of uranium-235neutron comes towardsU-235 nucleusU-235 nucleusneutronneutron iscapturedU-236 nucleus inexcited st

28、ateU-236 nucleusoscillates like liquiddropU-236 breaks intotwo pieceselectricalrepulsionelectricalrepulsiontwo or threeneutrons set free(3)自發(fā)裂變(SF)Nuclear fission of uranium-235curve of binding energy asnumber of nucleonschangesU-235 breaks into two unequalfragments of variable sizeFission takes nuc

29、leons down the binding energy valleyabout 0.9 MeVCoulomb slopenucleon number A8.87.60235133100Nuclear fission of uranium-235Energy from fissionenergy per U-235 fission event= 202 MeVfissile nucleusfission productsabout 0.9 MeVper nucleonenergy per nucleon= 202 MeV/235 nucleons= 0.86 MeV per nucleonU

30、235U235U235中子uranium nucleusThe nuclear chain reactionneutronsfission fragmentsneutron()中子在鈾塊中的五種遭遇n不論能量多少，打中235U，引起裂變，中子數(shù)增加n能量大于1.1MeV，打中238U ，引起裂變，中子數(shù)增加 n能量小于1.1MeV，打中238U ，不引起裂變，但可能被吸收，中子數(shù)減少n沒(méi)有打中鈾核，飛出鈾塊，中子數(shù)減少 n被鈾塊中的雜質(zhì)吸收，中子數(shù)減少10 NNK前一代中子數(shù)前一代中子數(shù)每一代中子數(shù)每一代中子數(shù)增殖系數(shù)：增殖系數(shù)：具有的質(zhì)量。具有的質(zhì)

31、量。裂變物所裂變物所臨界質(zhì)量：臨界體積的臨界質(zhì)量：臨界體積的的最小體積。的最小體積。的裂變物的裂變物臨界體積：能保證臨界體積：能保證 1 K減速劑控制棒屏蔽體燃料元件graphite moderatorboron control rodheat exchangerfuel element channelsteelconcretehot gasreactor corecold gascharge faceU23592U23992Np23993Pu23994 e enmin5 .232/1 TdT35. 22/1 aT42/11044. 2 的反應(yīng)的反應(yīng)生產(chǎn)生產(chǎn)Pu23994MeV 3 . 81H

32、HeHeHMeV 17.6nHeHHMeV 4.0HHHHMeV 3.25nHeHH11423221104231211131212110322121 MeV 1534n2H2He2H610114221. K1010 23 108 TkT氘核的熱運(yùn)動(dòng)能量：氘核的熱運(yùn)動(dòng)能量：keVTmscmsnLawson10/10/10320314 判據(jù)：判據(jù)：碳氮循環(huán) He42C126C136N137N147N157O158PPPP e e HeCNHNO ONHNCHCN NCH4212615711157158158147111471361113613713712611MeV 26.722HeH44211

33、H2HeHeHeHeHHHHH11423232322111211111 MeV 26.722HeH44211 Fusion in the Sun and on EarthFusion in the Sun: three-stage processprotonprotonpositronneutrinodeuterium H-2protondeuterium H-2helium He-3helium He-3two protonsTwo protons fuse, converting one toa neutron, to form deuterium H-2.The deuterium H-

34、2 capturesanother proton, to form He-3.Two He-3 nuclei fuse, givingHe-4 and freeing two protons.neutronlithium Li-6Deuterium and tritium are heated to very high temperature. Neutrons from theirfusion then fuse with lithium in a blanket around the hot gases. Tritium is renewed.Fusion on Earth: two-st

35、age processhelium He-3helium He-4tritium H-3helium He-4neutronhelium He-4tritium H-3deuterium H-2MeV 17.58nHeHHMeV 4.9HHeLin1042312131426310 彈殼鈾或钚塊托克馬克(環(huán)流器)裝置不同聚變裝置在不同年代（括號(hào)）達(dá)到的水平質(zhì)量虧損：MmZAZMmmZAZmmnHnp )( )(結(jié)結(jié)合合能能： 2nH cMNmZMB 2、核力原子核質(zhì)量的半經(jīng)驗(yàn)公式：23/123/22/ )( / )(cAZaAaAaNmZmcBBBNmZmmCSVnpCSVnp 一般性質(zhì)介子場(chǎng)理

36、論（電磁力及核力的傳播子）NdtdN tNN 0e 2 ln 121T ttANNtNA 0 0eedd 4、 衰變He4242 YXAZAZ 2H0 )(ecMMMEYX 衰衰變變能能：eHMMMYX 衰衰變變條條件件： 衰衰變變機(jī)機(jī)制制 eAZAZeAZAZeAZAZYeXeYXeYX 111 軌道電子俘獲：軌道電子俘獲：衰變：衰變：衰變：衰變：衰衰變變能能和和衰衰變變條條件件 luEEhE cos 211RMKKMMKMMKMMQliliiRilRl TiTMMMQK 閾閾9、輕核聚變- 太陽(yáng)中的核聚變- 核聚變釋放的能量Binding energy of carbon-12 nucleusMass of carbon-12 atom1 atomic mass unit u=