chapt17核物理簡介

1、原子核的衰變原子核的衰變原子核的結構和基本性質原子核的結構和基本性質核反應與核能利用核反應與核能利用基本粒子簡介基本粒子簡介 ( ( 自學閱讀自學閱讀 ) )第一節(jié) 盧瑟福盧瑟福18711871年年8 8月月1313日出生于新日出生于新西蘭，西蘭，18951895年到英國劍橋大學學習年到英國劍橋大學學習, ,成為成為J.J.J.J.湯姆孫的研究生。湯姆孫的研究生。19081908年年盧瑟福榮獲諾貝爾化學獎，同年在盧瑟福榮獲諾貝爾化學獎，同年在曼切斯特大學任教，繼續(xù)指導他的曼切斯特大學任教，繼續(xù)指導他的學生進行學生進行 粒子散射的實驗研究。粒子散射的實驗研究。 實驗表明，原子核是由一定數(shù)目的質子

2、和中子組成的一個復雜系統(tǒng)，對質子和中子而言，雖然帶電情況不同，但質量、自旋等特性以及在核內(nèi)的相互作用中，有許多性質是相近的，因此我們常把質子和中子統(tǒng)稱為 核子。 從上述原子核密度近乎相同的事實表明，無論原子核中核子從上述原子核密度近乎相同的事實表明，無論原子核中核子數(shù)目有多少，每一個核子在核內(nèi)幾乎都占有相同大小的體積。數(shù)目有多少，每一個核子在核內(nèi)幾乎都占有相同大小的體積。由此也證實了核力是短程力，具有飽和性。由此也證實了核力是短程力，具有飽和性。 1/30RR A 輕、重核半徑量級都在10-15米。1501.2010mR是實驗測定的常數(shù)。nAZN 原子核內(nèi)質子數(shù)與中子數(shù)之和。273151/3

3、3(1.66 10kg)4/34(1.20 10m) /3mARA1732.29 10 kg m 質量與電荷是物質的固有屬性，不同原子核有不同的質量和電荷, 因而, 質量數(shù)與電荷數(shù)是標示原子核的特征參量。其中：Z表示質子數(shù)，又稱原子核的電荷數(shù)，也等于元素的原子序數(shù)。 Q = +Ze提問核質量等于所有核子質量之和嗎？提問核質量等于所有核子質量之和嗎？pn mZmNm 原子核都有結合能。例：例：2727Hepn6.644763 10kg 2MeV 20MeV2MeV 20MeV射線種類及能量范圍20511權重因子20100eV2MeV5中子,能量10eV5 射線10X ( ) 射線權重因子射線種類

4、及能量范圍 和和 RwRw 國際上統(tǒng)一規(guī)定了一個最大的容許劑量，即經(jīng)過一次照射成長期積累, 對人體沒有損害又不發(fā)生遺傳危害的最大劑量限值。從業(yè)人員: 50 mSv/a ; 居 民: 50 Sv/d 。 射線和射線和 射線穿透能力強，外照射不容忽視。對射線穿透能力強，外照射不容忽視。對 射線射線常用含有中等原子序效的物質作屏蔽材料，如各種塑料和有常用含有中等原子序效的物質作屏蔽材料，如各種塑料和有機玻璃。機玻璃。 射線對重原子序數(shù)物質易引起起韌致輻射（高速射線對重原子序數(shù)物質易引起起韌致輻射（高速帶電粒子急劇減速時發(fā)出的電磁輻射），后者對人體健康亦帶電粒子急劇減速時發(fā)出的電磁輻射），后者對人體健

5、康亦不利，故不宜采用。不利，故不宜采用。 射線不存在這一問題，故多用重原子射線不存在這一問題，故多用重原子序數(shù)物質如鉛、混凝土等來屏蔽。序數(shù)物質如鉛、混凝土等來屏蔽。 因為不同放射線的性質不同，采取的防護措施也不一樣。因為不同放射線的性質不同，采取的防護措施也不一樣。 射線的電離能力很強射線的電離能力很強, 但射程短但射程短, 穿透能力小。穿透能力小。 由由 射線不射線不可能由體表深入體內(nèi)，故對可能由體表深入體內(nèi)，故對 射線射線照射只要戴上手套即可。照射只要戴上手套即可。 用放射性核素注入體內(nèi)進行的照射叫內(nèi)照射。 射線源進入體內(nèi)，由于其電離比值高，產(chǎn)生電離作用將對人體造成極大危害。故工作時要待

6、別防止 射線源由呼吸道、食管或外傷傷口進入體內(nèi)。 除采用屏蔽措施外，還應注意保護環(huán)境。對于含有放射性物質的廢物，要妥善處理，不要隨便棄置。 查表可知 , 粒子的 wR=20, 粒子的 wR=1, 所以甲的肺組織受到的當量劑量當量劑量為 210 320=4.010 2 Sv 同理,乙的肺組織受到當量劑量當量劑量為 110 320+110 31=2.110 2 Sv 相比之下，甲受到的輻射影響比乙大。 有甲、乙兩人，甲的肺組織受粒子照射,吸收劑量為2mGy，乙的肺組織受粒子照, 吸收劑量為1mGy,同時還受到 粒子照射, 吸收劑量也為1mGy。試比較這兩人所受射線影響的大小。第一節(jié)用高能粒子轟擊原

7、子核使原子核發(fā)生改變的過程叫做核反應。其中：a是入射粒子，b是反應后放出的粒子；X是被轟擊的原子核，稱為靶核靶核；Y是形成的新核，稱為反沖核反沖核。 491212460HeBeCn5.7MeV1932年查德威克首次發(fā)現(xiàn)中子；1784134pLi( B)2 He 8.03MeV第一次用加速粒子引發(fā)的核反應；10413113015270610BHeNnCen首次發(fā)現(xiàn)正電子的核反應；例如：XaYbAAZz簡寫成X( , )AAabY235114489192056360UnBaKr2 n200MeV一種可能的鈾核裂變反應；4141712781HeNOp 1.19MeV1919年盧瑟福第一次人工核嬗變；

8、 23411120HHHen17.6MeV 氫彈爆炸的熱核反應； 表示進行一種核反應的概率時，常用到反應截面反應截面這一概念,核反應的反應截面 是單位時間內(nèi)一個靶粒子的反應次數(shù)和入射粒子流強 I（單位時間內(nèi)通過單位面積的入射粒子數(shù)）的比值，即RNI式中：R是反應速率，即單位時間內(nèi)的反應次數(shù)， N是入射粒子流射中的靶核數(shù)。 單位：單位：靶恩，符號為b， 282110mb注意：注意：核反應入射粒子不是經(jīng)典粒子，要考慮波動性和量子化。反應截 面要并不等于于靶核的橫截面積。典型核反應 的反應能為：X( , )Yx y2XY()xyQmmmmc0Q 0Q 的稱為放能反應；的稱為吸能反應。 引發(fā)吸能核反應

9、所需的入射粒子的最小能量叫該反應的閾能閾能。 | (1)|xXxthXXmmmEQQmm假設有下述核反應 ，對于能量為604631282300NiHeZnn 的 粒子的反應截面是0.7b。 此反應在回旋加速器中進行，靶為厚2.5的箔。的密度是 ，其中 的天然豐度為26.2%，入射束電流為 。 18MeVa38.8g/cm6028Ni8A該反應式的反應速率。 入射 粒子流強為 a6132-1198 102.5 10(m .s )2 1.6 10ISS式中 為入射束流的橫截面積。 2()S m在該束流內(nèi)的 原子的數(shù)目為 220.2625.92 10NNS6028Ni63232332.5 108.8

10、 106.02 102.26 1058.7 10SNS 其中： 由截面公式給出反應速率為：282213810.7 105.92 102.5 101.04 10 ()RNIs 把輕核聚合成較重的中等質量的原子核，或把重核分裂成兩個中等質量的原子核，都會放出大量能量。 前者叫做輕核聚變，后者叫做重核裂變，這是獲得原子核能的兩種途徑。 重核分裂的過程相對較易產(chǎn)生，實際上，天然放射性元素就在自發(fā)地進行這種過程，但是這種過程不容易用人工的方法加以控制；另一方面由于功率太低，所以不能加以大量利用。 利用重核裂變時釋放的原子核能，只是在1938年開始發(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾（ ）等幾種重核時的分裂現(xiàn)象后，才成為可能

11、。 23592U235113995192054380UnXeSr2 n（鈾裂變方式之一） 一個 核分裂時放出約 的能量，而且分裂時放出的再生中子又能夠引起另外的 核的分裂。依次滾雪球似的擴大， 可使反應繼續(xù)進行下去， 并不斷釋放出大量原子核能。這種反應稱為鏈式反應鏈式反應。195MeV23592U23592U 如果用純凈的 ，要使它發(fā)生鏈式反應，必須使鈾塊有足夠大的體積，因為體積太小時，少量 核分裂時所發(fā)生的再生中子， 大部分將在沒有與別的鈾核碰撞之前就飛出鈾塊之外，鏈式反應就不能產(chǎn)生。 能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積，叫做臨界體積臨界體積。臨界體積中所含鈾（ ）的質量，稱為臨界質量臨界質量。 2

12、3592U23592U23592U 當幾塊質量小于臨界質量的鈾 （ ）很快的合攏起來而總質量超過臨界質量時, 就會發(fā)生極猛烈的鏈式反應而引起爆炸。原子彈的構造就是根據(jù)這個原理制成的。 23592U 一般反應堆都應該包括下述三個部分：(1) 某種可以分裂的物質（即核燃料）, 有的用天然鈾，有的用的濃縮鈾 ；(2)減速劑；(3) 冷卻劑。在 吸收了慢中子而分裂時便放出原子核能。通過某種冷卻劑的循環(huán)工作可以吸收這種能量，使反應堆的溫度不致增高，并把原子核能傳輸?shù)椒磻淹?，以供應用?23592U23592U 在反應堆中，除產(chǎn)生大量熱能外，尚可得到大量放射性同位素。同時，因為反應堆中產(chǎn)生的碎片都有放射

13、性，為了防止這種射線傷害工作人員，反應堆外以及其他有放射性的部分都用足夠厚的混凝土壁屏蔽起來，操作過程則通過遠距離自動控制來實現(xiàn)。 pressurized water reactor 輕核聚變是利用原子核能的另一種方法，在高溫下，使輕核聚合而放出大量原子核能的反應稱為熱核反應熱核反應。氫同位素氘（ ）和氚（ ）聚合形成氦核（ ）是一個比較容易產(chǎn)生的熱核反應，它的反應式是 ： (點火條件與勞森判據(jù)）21H31H42He23411120HHHen 氫彈爆炸是一種不可控制的熱核反應。在人工控制下進行的熱核反應叫做受控熱核反應受控熱核反應，它能夠根據(jù)需要控制熱核反應的速度，使之緩慢而均勻地進行，以能適

14、應在生產(chǎn)實踐中的應用。 國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是當今世界最大的大科學工程國際科技合作計劃之一，也是迄今我國參加的規(guī)模最大的國際科技合作計劃。 本次課小結126 C271u 1.660566 10 kgJNP(1) ; 2ePJ JmnAZN2/E Amc A單位：單位：101Ci3.70 10 Bq00ttdNAN eA edt 000()ln20.6931 ; 1.44dNtNTNRRT,TwDH 單位：單位： 1西弗 = 1000 毫西弗作業(yè)作業(yè)：作業(yè)： P105 17 - T1, T2, T3, T4認真獨立完成作業(yè)！認真獨立完成作業(yè)！17-T1 1s內(nèi)測量 到放射源發(fā)出的射

15、 線是3700個，設測量效率為10%，求它的放射性活度。已知它的半衰期是5.27年，求它的質量。 60Co依題意：該放射源是純凈的新鮮活源。該放射源現(xiàn)時活度為：0A =370010%37000 (Bq) = 1 (Ci) 再根據(jù)半衰期 可求出衰變常數(shù)：60Coln2/該放射源現(xiàn)有 的數(shù)量：60Co00/ ln2NA因而：該放射源的質量為7410mol023A5.27 3.156 10603.7 108.85 10g0.6936.02 10MmNN17-T2 計算10kg鈾礦（U3O8）中226Ra和231Pa的含量。已知天然鈾中238U的豐度 99.27%， 的豐度 0.72%；226Ra的半

16、衰期為1600a，231Pa的半衰期為 。43.27 10 a235U鏷 Protactinium 23191Pa17-T3 一年齡待測的古木片在純氧環(huán)境中燃燒后收集了0.3mol的CO2，這樣品由于14C的衰變而產(chǎn)生的總活度測得為每分鐘9次計數(shù)。試由此確定古木片得年齡。 0.3mol新鮮碳中的 14C 核數(shù)為 ：23121100.3 6.023 101.3 102.35 10N這些古木片樣品活著的時候，活度應為：117000(1 2)/0.693 2.35 10 /(5730 3.156 10 )0.9(Bq)ANnN地球大氣中 14C 的恒定豐度為101.3 10%由于 ，根據(jù) 可得：9/60 (Bq)tA 0.639 /0ttAA e4057301n1n61.5 10 ( )0.6930.