高二物理尖子班—第六講 原子核反應(yīng)

1、一、貝克勒爾的一個(gè)驚人的意外發(fā)現(xiàn)一、貝克勒爾的一個(gè)驚人的意外發(fā)現(xiàn) 1896 1896年，法國(guó)物年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾在對(duì)一種理學(xué)家貝克勒爾在對(duì)一種熒光物質(zhì)（硫酸鉀鈾）進(jìn)熒光物質(zhì)（硫酸鉀鈾）進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了天然放射行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了天然放射性性。Becquerel（1852-1908）1 1、發(fā)現(xiàn)過程、發(fā)現(xiàn)過程起因是彭加勒對(duì)起因是彭加勒對(duì)X X射線來源的一個(gè)錯(cuò)誤推測(cè)射線來源的一個(gè)錯(cuò)誤推測(cè)：他認(rèn)為他認(rèn)為X X射線可能是從熒光物質(zhì)發(fā)出的射線可能是從熒光物質(zhì)發(fā)出的。 貝克勒爾用熒光物質(zhì)鈾鹽做實(shí)驗(yàn)貝克勒爾用熒光物質(zhì)鈾鹽做實(shí)驗(yàn), , 驗(yàn)證彭加勒推測(cè)驗(yàn)證彭加勒推測(cè).在白光(左)與紫外線(右)下的熒石 熒光是一

2、種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象熒光是一種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象: : 當(dāng)常溫物質(zhì)經(jīng)某種波長(zhǎng)的入射光當(dāng)常溫物質(zhì)經(jīng)某種波長(zhǎng)的入射光( (通常是紫外線或通常是紫外線或X X射線射線) )照射照射, , 吸收光能后進(jìn)入激發(fā)態(tài)吸收光能后進(jìn)入激發(fā)態(tài), , 立即退激發(fā)并發(fā)出比入射立即退激發(fā)并發(fā)出比入射光的的波長(zhǎng)長(zhǎng)的出射光光的的波長(zhǎng)長(zhǎng)的出射光, , 通常波長(zhǎng)在可見光波段。通常波長(zhǎng)在可見光波段。 2. 2. 重大意義重大意義： 貝克勒爾的鈾鹽放貝克勒爾的鈾鹽放射性實(shí)驗(yàn)在人類歷史上第一射性實(shí)驗(yàn)在人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)次發(fā)現(xiàn)原子核現(xiàn)象原子核現(xiàn)象. . 這一發(fā)現(xiàn)成了核物這一發(fā)現(xiàn)成了核物理學(xué)研究的開端理學(xué)研究的開端, ,這使人類的

3、這使人類的認(rèn)識(shí)又深入一個(gè)層次。認(rèn)識(shí)又深入一個(gè)層次。放射性與元素存在的狀態(tài)無關(guān)放射性與元素存在的狀態(tài)無關(guān)人們認(rèn)識(shí)人們認(rèn)識(shí)原子核原子核的結(jié)構(gòu)是從的結(jié)構(gòu)是從 開始的開始的。放射性的發(fā)現(xiàn)3. 3. 在發(fā)現(xiàn)過程中幾個(gè)值得思考的問題在發(fā)現(xiàn)過程中幾個(gè)值得思考的問題（1 1） 偶然中的必然偶然中的必然（2 2）“靈感靈感”是一種創(chuàng)造性思維是一種創(chuàng)造性思維（3 3） 從簡(jiǎn)單的甚至錯(cuò)誤的假設(shè)出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)從簡(jiǎn)單的甚至錯(cuò)誤的假設(shè)出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)不斷修正，甚至推翻原有的假設(shè)，使人們的檢驗(yàn)不斷修正，甚至推翻原有的假設(shè)，使人們的認(rèn)識(shí)逐步走向真理，最終得到世人公認(rèn)的重大發(fā)認(rèn)識(shí)逐步走向真理，最終得到世人公認(rèn)的重大發(fā)現(xiàn)，這正

4、是科學(xué)研究的一種常見模式。現(xiàn)，這正是科學(xué)研究的一種常見模式。一一、放射線的種類和特征、放射線的種類和特征那這些射線到底是什么呢？把放射源放入由鉛做成的容器中，射線那這些射線到底是什么呢？把放射源放入由鉛做成的容器中，射線只能從容器的小孔射出，成為細(xì)細(xì)的一束。在射線經(jīng)過的空間施加只能從容器的小孔射出，成為細(xì)細(xì)的一束。在射線經(jīng)過的空間施加磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)射線如圖磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)射線如圖； 、 和和 三種射線三種射線 射線：射線：帶兩個(gè)正電荷的氦核帶兩個(gè)正電荷的氦核 粒子流；粒子流；42He射線：射線：帶負(fù)電荷的高速電子流；帶負(fù)電荷的高速電子流；射線：射線：從原子核內(nèi)放出來的電磁波，它實(shí)際上是從原子核內(nèi)放出來的

5、電磁波，它實(shí)際上是 一束能量極高的光子流，它的波長(zhǎng)比一束能量極高的光子流，它的波長(zhǎng)比X 射射 線還要短，穿透本領(lǐng)比線還要短，穿透本領(lǐng)比 X 射線更強(qiáng)。射線更強(qiáng)。 射線：射線：He42 射線：電子流射線：電子流 射線：中性的電磁輻射射線：中性的電磁輻射 三三種射線在磁場(chǎng)中可以分開種射線在磁場(chǎng)中可以分開： 放射性放射性現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是一種原子核衰變現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是一種原子核衰變 核子：質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱核子：質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱原子核的符號(hào)表示：原子核的符號(hào)表示：AZNX中子數(shù)質(zhì)子數(shù)核子數(shù)元素符號(hào) 射線是電磁波的一種射線是電磁波的一種, 本質(zhì)是光子本質(zhì)是光子, 可同時(shí)視作波或粒子可同時(shí)視作波或粒子, 不涉及質(zhì)量或電

6、荷變不涉及質(zhì)量或電荷變化化. 粒子粒子, 是指當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生是指當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生衰變，所釋出的高能量電子，其速度可達(dá)至光速的衰變，所釋出的高能量電子，其速度可達(dá)至光速的90%. a衰變衰變, 是一種核衰變是一種核衰變, 一顆一顆a粒子粒子(氦氦4核，即一顆由核，即一顆由2顆質(zhì)子和顆質(zhì)子和2顆中子組成的原顆中子組成的原子核，又名阿爾法粒子子核，又名阿爾法粒子)會(huì)從原子核中射出會(huì)從原子核中射出.HeRnRa422228622688HePbPo422068221084例如：常用的鐳和釙放射源的例如：常用的鐳和釙放射源的 衰變方式為衰變方式為: :4422XYAAZZHe鐳-226 母核226882

7、228622氡-222子核氦-4 粒子 衰變衰變: : 原子核自發(fā)地放射出原子核自發(fā)地放射出 粒子發(fā)生的轉(zhuǎn)變。粒子發(fā)生的轉(zhuǎn)變。 衰變：衰變：原子核自發(fā)地放射出原子核自發(fā)地放射出 粒子或俘獲一個(gè)粒子或俘獲一個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。 e147146eNC 考古上常用 的核的 衰變： C14e136137eCN 醫(yī)學(xué)上常用 的核的 衰變： N1371AAZZeXYe 1AAZZeXYe23491鏷-234 子核電子 e- （ 粒子）釷-234 母核23490e- 衰變衰變: : 或或 衰變后衰變后, , 留下的子核處于激發(fā)態(tài)時(shí)留下的子核處于激發(fā)態(tài)時(shí), , 它可以通過放出它可以通

8、過放出 射線而退激。射線而退激。 射線23491鏷-234釷-23423490具有多余的能量衰變產(chǎn)物能量*XX 穿透能力示意圖一張紙數(shù)毫米厚的鉛板數(shù)厘米厚的鉛版 三種射線的性質(zhì)由下表列出：射線射線射線電離能力貫穿能力速度成分高能量電磁波1/10光速接近光速光速弱較強(qiáng)很強(qiáng)很容易較弱更小氦原子核He42高速電子流e011 1. .利用它放射的射線利用它放射的射線清除靜電清除靜電 射線探傷儀射線探傷儀 消滅害蟲消滅害蟲培育新品種培育新品種 “放療放療” 保保存食物存食物2.2.作為示蹤原子作為示蹤原子農(nóng)作物檢測(cè)農(nóng)作物檢測(cè) 診斷疾病診斷疾病 生物大分子結(jié)構(gòu)和功能研究生物大分子結(jié)構(gòu)和功能研究食品保鮮食品

9、保鮮棉花育種棉花育種“交聯(lián)交聯(lián)”作作用用放射性同位素造影術(shù)放射性同位素造影術(shù)糧食保存糧食保存“放療放療”治治療療放射線測(cè)厚儀放射線測(cè)厚儀放射性污染和防護(hù)放射性污染和防護(hù)檢測(cè)輻射裝置檢測(cè)輻射裝置全全身身污污染染檢檢測(cè)測(cè)儀儀輻射檢測(cè)系統(tǒng)輻射檢測(cè)系統(tǒng)輻射源的存放輻射源的存放鈾急性輻射癥狀褔射強(qiáng)度褔射強(qiáng)度 (毫希毫希)癥狀癥狀250-1000惡心和食欲不振，骨髓、淋巴結(jié)與脾惡心和食欲不振，骨髓、淋巴結(jié)與脾會(huì)受損會(huì)受損 1000-3000輕度到重度惡心，食欲不振；更嚴(yán)重輕度到重度惡心，食欲不振；更嚴(yán)重的可能骨髓、淋巴結(jié)、脾臟會(huì)受損；的可能骨髓、淋巴結(jié)、脾臟會(huì)受損；可能無法康復(fù)可能無法康復(fù) 3000-60

10、00嚴(yán)重的惡心、食欲不振；出血，感染，嚴(yán)重的惡心、食欲不振；出血，感染，腹瀉，皮膚脫皮，不育；不及時(shí)治療腹瀉，皮膚脫皮，不育；不及時(shí)治療會(huì)導(dǎo)致死亡。會(huì)導(dǎo)致死亡。6000-10000上述癥狀加上中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害，上述癥狀加上中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害，可能直接致死可能直接致死 同位素同位素(isotope)(isotope)（1 1）定義）定義：具有相同質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子，在元素周期表中處于同：具有相同質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子，在元素周期表中處于同一位置，因而互稱同位素。一位置，因而互稱同位素。（2 2）性質(zhì)：）性質(zhì)：原子核的質(zhì)子數(shù)決定了核外電子數(shù)目，也決定了電子在核外原子核的質(zhì)子數(shù)決定了核外電

11、子數(shù)目，也決定了電子在核外的分布情況，進(jìn)而決定了這種元素的化學(xué)性質(zhì)，因而同種元素的同位素具的分布情況，進(jìn)而決定了這種元素的化學(xué)性質(zhì)，因而同種元素的同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)。有相同的化學(xué)性質(zhì)。放射性衰變放射性衰變規(guī)律規(guī)律 tNtNe0為衰變常數(shù)，是反映衰變快慢的物理量 指數(shù)衰變規(guī)律 t=0時(shí),放射性核素個(gè)數(shù)t時(shí)間,剩下的核素個(gè)數(shù)半衰期半衰期21T某放射性核素的數(shù)目衰變掉一半所需的時(shí)間 693. 0ln221T1/2N0NtON0T1 / 2Tt000NNN eN e2 半衰期:1 1）定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間。）定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間。半衰期

12、半衰期2 2）意義：反映了核衰變過程的統(tǒng)計(jì)快慢程度。）意義：反映了核衰變過程的統(tǒng)計(jì)快慢程度。3 3）特征：只由核本身的因素所決定，而與原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。）特征：只由核本身的因素所決定，而與原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。TtNN/21)(原余Ttmm/21)(原余核衰變時(shí)間估計(jì)及其應(yīng)用核衰變時(shí)間估計(jì)及其應(yīng)用 1. 任何活的機(jī)體中存在的 的數(shù)量幾乎是一個(gè)常 數(shù)，可以用來作為核時(shí)鐘。2. 用 的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)作為機(jī)體死亡那個(gè)年代的活的 機(jī)體中的數(shù)量。3. 原子核年代鑒定法提供了數(shù)萬年所發(fā)生事件的 鑒定方法；鈾的同位素年代鑒定法提供了比萬 年還早的鑒定方法。C14C14食品保鮮棉花育種“

13、交聯(lián)”作用造影術(shù)糧食保存“放療”治療放射線測(cè)厚儀放射應(yīng)用核反應(yīng)核反應(yīng)原子核在其它粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程叫核反應(yīng)。在核反原子核在其它粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程叫核反應(yīng)。在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。核反應(yīng)遵循核反應(yīng)遵循的規(guī)律的規(guī)律質(zhì)量數(shù)守恒質(zhì)量數(shù)守恒質(zhì)子數(shù)守恒質(zhì)子數(shù)守恒著名著名的核反應(yīng)：的核反應(yīng)：(1) (1) 第一個(gè)人工核反應(yīng)第一個(gè)人工核反應(yīng)pON 1714 19191919年，盧瑟福年，盧瑟?；蚧騉pN1714),( (2) (2) 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) Lip719321932年，考克拉夫和瓦耳頓年，考克拉夫和

14、瓦耳頓(4) (4) 產(chǎn)生第一個(gè)人工放射性核素的反應(yīng)產(chǎn)生第一個(gè)人工放射性核素的反應(yīng)PnAl3027 19341934年，小居里夫婦年，小居里夫婦SiPT30min5 . 2,302/1 (3) (3) 導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)中子的反應(yīng)導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)中子的反應(yīng)CnBe129 19321932年，查德威克年，查德威克1 1）放射性同位素：）放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。放射性同位素有天然和人造兩種，它們的化學(xué)性質(zhì)相同2 2）人工人工放射性同位素的優(yōu)點(diǎn)：放射性同位素的優(yōu)點(diǎn)：放射強(qiáng)度容易控制；形狀容易控制；半衰期短，廢料容易處理。3 3）凡是用到射線時(shí)，凡是用到射線時(shí)，都用人造放射性同位素。 1千

15、克鈾全部裂變，放出的能量相當(dāng)于千克鈾全部裂變，放出的能量相當(dāng)于2500噸優(yōu)質(zhì)煤噸優(yōu)質(zhì)煤 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)nXeSrnU10136549038102359210“小男孩”原子彈 （1）輕核的聚變核反應(yīng)方程式）輕核的聚變核反應(yīng)方程式(2)熱核反應(yīng)熱核反應(yīng) 輕核聚變需要滿足幾百萬輕核聚變需要滿足幾百萬度的高溫條件。度的高溫條件。21H31H42He10n能量nHeHH10423121氫彈結(jié)構(gòu)圖氫彈結(jié)構(gòu)圖eHeH01421124每秒鐘太陽的質(zhì)量減少多少千克？太陽每秒鐘輻射出多少能量？3.8 1026 焦焦 4109 kg 重重核核的的裂裂變變 重重核核俘俘獲獲一一個(gè)個(gè)中中子子后后分分裂裂為為幾幾個(gè)個(gè)中

16、中等等質(zhì)質(zhì)量量的的核核的的反反應(yīng)應(yīng)過過程程. 在在裂裂變變的的同同時(shí)時(shí),還還要要放放出出幾幾個(gè)個(gè)_子子和和大大量量的的核核能能. 臨臨界界體體積積 能能夠夠發(fā)發(fā)生生_反反應(yīng)應(yīng)的的鈾鈾塊塊的的最最小小體體積積 原原子子彈彈 利利用用鈾鈾 235_變變發(fā)發(fā)生生_反反應(yīng)應(yīng)時(shí)時(shí)放放出出核核能能. 輕輕核核的的聚聚變變 某某些些輕輕核核結(jié)結(jié)合合成成_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _的的核核的的反反應(yīng)應(yīng), , 氫氫 彈彈 (熱熱核核反反應(yīng)應(yīng)) 需需要要_引引爆爆,產(chǎn)產(chǎn)生生_度度的的高高溫溫,產(chǎn)產(chǎn)生生聚聚變變放放出出巨巨大大核核能能. 中鏈?zhǔn)搅焰準(zhǔn)劫|(zhì)量較大原子彈幾百萬強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用強(qiáng)力（強(qiáng)相互作用）：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將強(qiáng)力（強(qiáng)相互作用）：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起核子束縛在一起短程力；短程力；弱力（弱相互作用）：弱相互作用是引起原弱力（弱相互作用