第五章 核物理一原子核的基本性質(zhì)和組成二原子核的結(jié)合ppt課件

1、第五章第五章 核物理核物理一、原子核的基本性質(zhì)與一、原子核的基本性質(zhì)與組成組成二、原子核的結(jié)合能和核二、原子核的結(jié)合能和核力力三、原子核的衰變?nèi)?、原子核的衰變四、核反?yīng)自學(xué)）四、核反應(yīng)自學(xué)） 5.1 原子核的基本性質(zhì)與組成原子核的基本性質(zhì)與組成一、原子核的組成一、原子核的組成 原子核：質(zhì)子中子原子核：質(zhì)子中子質(zhì)子帶有與電子等量的正電荷質(zhì)子帶有與電子等量的正電荷質(zhì)量為電子質(zhì)量的質(zhì)量為電子質(zhì)量的1836.12倍倍中子不帶電，質(zhì)量為電子的中子不帶電，質(zhì)量為電子的1838.65倍。倍。核子：質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱。核子：質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱。 原子序數(shù)原子序數(shù)Z ： 原子核中質(zhì)子數(shù)目。原子核中質(zhì)子數(shù)目。質(zhì)量數(shù)質(zhì)

2、量數(shù)A：原子核中質(zhì)子和中子的總數(shù)。：原子核中質(zhì)子和中子的總數(shù)。原子核的表示：原子核的表示：XAZ如：如：O;H16811同位數(shù)：原子序數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子。同位數(shù)：原子序數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子。e.g. 自然界中氫有三種同位素，即分別稱為自然界中氫有三種同位素，即分別稱為氫核、氘核又稱重氫和氚核。氫核、氘核又稱重氫和氚核。);T(H);D(H;H3131212111即：即：“原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位”:碳同位素的原子核質(zhì)量的碳同位素的原子核質(zhì)量的1/12。 以以amu或或u表示：表示：1u=1.66056610-27Kg 二、原子核的大小與密度二、原子核的大小與密度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)310ArR

3、r0=1.21015m=1.2fm飛米）飛米）E.g. 和和 的核半徑分別為的核半徑分別為4.6fm和和7.4 fmF56U238核的密度都相等，比地球平均密度大核的密度都相等，比地球平均密度大1014倍倍)m/kg(103 . 2A)102 . 1(34A1067. 1Vm31731527 三、原子核的自旋和磁矩三、原子核的自旋和磁矩1.核自旋原子核的自旋角動(dòng)量）核自旋原子核的自旋角動(dòng)量）核子的軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量之和。核子的軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量之和。)1I(IL 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)質(zhì)子和中子的自旋量子數(shù)均為質(zhì)子和中子的自旋量子數(shù)均為1/2(費(fèi)米子），費(fèi)米子），質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A為奇數(shù)，為

4、奇數(shù)，I是是1/2的奇數(shù)倍，的奇數(shù)倍， 質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A為偶數(shù)，為偶數(shù)， I為正整數(shù)或零。為正整數(shù)或零。核核自旋量子數(shù)）自旋量子數(shù)）磁矩磁矩1103/23/29/2+0.8565N-0.8213N+3.2532N+2.215N+5.49ND21i63Li73LO168a2311Nn11349I核的自旋角動(dòng)量在任何一方向的分量核的自旋角動(dòng)量在任何一方向的分量Lz也是量子化的也是量子化的lzmL 自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù)021,),1I(,Iml或或 2.核磁矩核磁矩質(zhì)子的軌道磁矩質(zhì)子的軌道磁矩Lm2epL 其在其在z軸方向的投影：軸方向的投影：lNlpzpz ,Lmmm2eLm2e T/J1005

5、7. 5m2e27pN 核磁子核磁子質(zhì)子和中子的自旋磁矩質(zhì)子和中子的自旋磁矩S)m2e(gpss gsg因子因子其在其在z軸方向的投影：軸方向的投影：sNsspsz , smgm)m2e(g 21ms 由于由于 質(zhì)子質(zhì)子 gs,p=5.5857 中子中子gs,n= -3.8261 T/J104106. 17928. 226Nz ,p T/J109662. 09131. 126Nz ,n Notice:中子有帶正電的內(nèi)核和帶負(fù)電的外殼中子有帶正電的內(nèi)核和帶負(fù)電的外殼核磁矩核磁矩Im2egp 在在z軸方向的分量：軸方向的分量：INIpzpzmgm)m2e(gI )m2e(g 四、核磁共振四、核磁共

6、振核磁矩比原子磁矩還要小一千倍左右，如核磁矩比原子磁矩還要小一千倍左右，如何測(cè)量核磁矩？何測(cè)量核磁矩？拉比拉比(I.I.Rabi)首創(chuàng)了核磁共振法首創(chuàng)了核磁共振法純水，純水，水分子中的電子磁矩相互抵消，水分子中的電子磁矩相互抵消，氧原子核的磁矩為零，所以水分子的磁矩氧原子核的磁矩為零，所以水分子的磁矩僅由氫核質(zhì)子提供僅由氫核質(zhì)子提供 磁矩平行于磁場(chǎng)的態(tài)為低能態(tài)，反平行磁矩平行于磁場(chǎng)的態(tài)為低能態(tài)，反平行B的為高能態(tài)的為高能態(tài)熱平衡時(shí)，處于低能態(tài)上質(zhì)子數(shù)稍多于熱平衡時(shí)，處于低能態(tài)上質(zhì)子數(shù)稍多于高能態(tài)上的質(zhì)子數(shù)高能態(tài)上的質(zhì)子數(shù)將電磁波加于水的樣品，當(dāng)其頻率滿足B2hp 即即hB2hp 質(zhì)子將吸收電磁

7、波的能量，在兩能態(tài)之間發(fā)生共振躍遷核磁共振在外磁場(chǎng)中原子核吸收特定電磁波的現(xiàn)象 乙醇C2H5OH的核磁共振譜線利用氫核的核磁共振的醫(yī)療診斷利用氫核的核磁共振的醫(yī)療診斷人體內(nèi)部大部分是水，這些水以及富含人體內(nèi)部大部分是水，這些水以及富含氫的分子的分布可因種種疾病發(fā)生變化氫的分子的分布可因種種疾病發(fā)生變化5.2 原子核的結(jié)合能和核力原子核的結(jié)合能和核力一、原子核的質(zhì)量虧損和結(jié)合能一、原子核的質(zhì)量虧損和結(jié)合能原子核的質(zhì)量虧損Dm原子核的質(zhì)量小于組成它的質(zhì)子和中子質(zhì)量之和，兩者之差稱為。由質(zhì)能關(guān)系E=mc22mcE Nnpm)NmZm(m 原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能Eb質(zhì)子、中子組成原子質(zhì)子、中子組

8、成原子核時(shí)放出能量核時(shí)放出能量反之要使原子核分解為單反之要使原子核分解為單個(gè)的質(zhì)子和中子也必須給個(gè)的質(zhì)子和中子也必須給予等值的能量予等值的能量 2N2npbcmc )NmZm(E 原子核質(zhì)量原子核質(zhì)量平均結(jié)合能又稱比結(jié)合能平均結(jié)合能又稱比結(jié)合能e）原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能EB與質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量數(shù)A之之比比AmcAE2b 核子的比結(jié)核子的比結(jié)合能愈大，合能愈大，原子核就愈原子核就愈穩(wěn)定穩(wěn)定 1.最輕核和最重核比結(jié)合能較小，最輕核和最重核比結(jié)合能較小，2.大多數(shù)中等質(zhì)量的核，比結(jié)合能近似地相大多數(shù)中等質(zhì)量的核，比結(jié)合能近似地相等，都在等，都在8MeV左右，中等質(zhì)量的核最為穩(wěn)左右，中等質(zhì)量的核最為穩(wěn)

9、定。定。3.當(dāng)重核裂變成為中等質(zhì)量的核，或輕核聚當(dāng)重核裂變成為中等質(zhì)量的核，或輕核聚變?yōu)橘|(zhì)量較大的核時(shí)，都將釋放出巨大的變?yōu)橘|(zhì)量較大的核時(shí)，都將釋放出巨大的核能核能 長約3cm的“LittleBoy型原子彈二、核力二、核力核子之間一定存在著另一種很強(qiáng)的核子之間一定存在著另一種很強(qiáng)的相互作用力。相互作用力。它將核子緊密地結(jié)合在一起形成原子核。它將核子緊密地結(jié)合在一起形成原子核。性質(zhì)：性質(zhì)：(1)核力與核子的電荷無關(guān)。質(zhì)子與質(zhì)子之核力與核子的電荷無關(guān)。質(zhì)子與質(zhì)子之間、中子與中子之間、質(zhì)子與中子之間的間、中子與中子之間、質(zhì)子與中子之間的核力都是相同的。核力都是相同的。(2)核力是短程力。其作用范圍在

10、核力是短程力。其作用范圍在10-15m以內(nèi)以內(nèi)r(fm)U(r)/Mev1-1001002002核力勢(shì)能曲線核力勢(shì)能曲線強(qiáng)力是一種多體力不可疊加強(qiáng)力是一種多體力不可疊加類比：兩個(gè)原子類比：兩個(gè)原子殘余電磁力殘余電磁力兩個(gè)核子兩個(gè)核子殘余色力殘余色力核子由夸克組成核子由夸克組成夸克：色荷作為夸克：色荷作為“內(nèi)稟性質(zhì)內(nèi)稟性質(zhì)”色荷：色荷：紅、綠、藍(lán)紅、綠、藍(lán)具有相互作用力具有相互作用力核力也是一種交換力核力也是一種交換力1935年日本物理學(xué)家湯川秀樹提出了核力年日本物理學(xué)家湯川秀樹提出了核力的介子理論的介子理論核子之間的相互作用是通核子之間的相互作用是通過一個(gè)核子放出一個(gè)過一個(gè)核子放出一個(gè)p介子、

11、另一個(gè)核子介子、另一個(gè)核子吸收這個(gè)吸收這個(gè)p介子而形成的。介子而形成的。介子有三種帶電狀態(tài)：（帶正電）、（帶負(fù)電）、0中性）。質(zhì)子和質(zhì)子、中子和中子之間交換的是0介子，交換前后各個(gè)核子的電荷不變；質(zhì)子和中子之間交換的是、介子 核子之間通過交換介子產(chǎn)生核力核子之間通過交換介子產(chǎn)生核力5.3 原子核的衰變?cè)雍说乃プ兎派湫运プ兺懽儯┓派湫运プ兺懽儯┎环€(wěn)定核通過釋不穩(wěn)定核通過釋放某些粒子而趨于穩(wěn)定的過程。放某些粒子而趨于穩(wěn)定的過程。 一、一、a a 衰變衰變a a粒子從原子核內(nèi)逃逸出的現(xiàn)象粒子從原子核內(nèi)逃逸出的現(xiàn)象e42Ha a粒子即粒子即如：如：一般有一般有e424A2ZAZHYX 伴隨著伴隨著a

12、 衰變有能量釋放，釋放的能量以衰變有能量釋放，釋放的能量以a 粒子的動(dòng)能形式帶走粒子的動(dòng)能形式帶走M(jìn)ev)mmm(48.931c )mmm(Eyx2yxa aa a a a 粒子，在核表面就形成一個(gè)勢(shì)壘書粒子，在核表面就形成一個(gè)勢(shì)壘書P211P211圖）圖）衰變過程就是衰變過程就是a a 粒子穿過勢(shì)壘從原子核放粒子穿過勢(shì)壘從原子核放射出去的一個(gè)隧道效應(yīng)過程射出去的一個(gè)隧道效應(yīng)過程粒子和子核間形成的庫侖勢(shì)能粒子和子核間形成的庫侖勢(shì)能r4Ze2)r(U02 逃出的逃出的a a 粒子能量比峰值低得多。粒子能量比峰值低得多。見書見書P212P212例例5.55.5）二、二、b b 衰變衰變當(dāng)一個(gè)原子核

13、發(fā)出一個(gè)當(dāng)一個(gè)原子核發(fā)出一個(gè)b 粒子后，原粒子后，原子核的原子序數(shù)增加子核的原子序數(shù)增加1，而質(zhì)量數(shù)不變。，而質(zhì)量數(shù)不變。b粒子粒子電子電子1927年泡利，提出年泡利，提出b 衰變時(shí)除放出電子外，衰變時(shí)除放出電子外，還同時(shí)放出一個(gè)還同時(shí)放出一個(gè)“不可檢測(cè)的、很輕的、中性不可檢測(cè)的、很輕的、中性粒子，費(fèi)米粒子，費(fèi)米(E.Feimi)將其稱為將其稱為“中微子中微子” b b衰變有兩種衰變有兩種1. 1.中子衰變，變成質(zhì)子，放出電子和中子衰變，變成質(zhì)子，放出電子和反中微子反中微子自然界中存在自然界中存在2.質(zhì)子衰變，變成中子放出正電子和中微子質(zhì)子衰變，變成中子放出正電子和中微子在人工放射性中發(fā)現(xiàn)在人

14、工放射性中發(fā)現(xiàn)e eepn eenp 電子俘獲：即原子核俘獲了與它最接近的內(nèi)電子俘獲：即原子核俘獲了與它最接近的內(nèi)層電子，使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)層電子，使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)放出一個(gè)中微子。放出一個(gè)中微子。b b 衰變的逆過程，即質(zhì)子吸收反中微子轉(zhuǎn)變衰變的逆過程，即質(zhì)子吸收反中微子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)放出一個(gè)正電子成中子，同時(shí)放出一個(gè)正電子nenep enpe b b衰變是一種弱相互作用過程，它的衰變是一種弱相互作用過程，它的強(qiáng)度只有電磁相互作用的強(qiáng)度只有電磁相互作用的10101212倍倍 三、三、g 衰變衰變?cè)雍朔懦龉庾拥倪^程稱為原子核放出光子的過程稱為g g 衰變。衰變。當(dāng)原

15、子核發(fā)生當(dāng)原子核發(fā)生a a 、b b 衰變時(shí)，往往衰變到衰變時(shí)，往往衰變到核的激發(fā)態(tài)核的激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷，同時(shí)放出向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷，同時(shí)放出g g 光子，光子，產(chǎn)生產(chǎn)生g g 射線。射線。核的能級(jí)間隔為核的能級(jí)間隔為100KeV100KeV到到1Mev1Mevg g 射線的光子能量非常大，其波長比射線的光子能量非常大，其波長比X X射線射線更短。更短。四、放射性衰變定律四、放射性衰變定律單位時(shí)間內(nèi)因衰變而減少的核數(shù)單位時(shí)間內(nèi)因衰變而減少的核數(shù)-dN/dt，與，與衰變前的核數(shù)衰變前的核數(shù)N成正比成正比NdtdN t0eNN 其中，其中，t=0時(shí)，原子核的數(shù)目為時(shí)，原子核的數(shù)目為N0放射性定律放射性定律兩個(gè)重要參數(shù)兩個(gè)重要參數(shù)1.半衰期半衰期放射性同位素的原子核數(shù)目衰變減少放射性同位素的原子核數(shù)目衰變減少到原有的一半所經(jīng)歷的時(shí)間，用到原有的一半所經(jīng)歷的時(shí)間，用T1/2表示表示21T0eN2N 693. 02lnT21 E.g.Ca發(fā)生發(fā)生b 衰變的半衰期是衰變的半衰期是164d天），天），而而212Po發(fā)生發(fā)生a衰變的半衰期是衰變的半衰期是3107s2.平均壽命平均壽命設(shè)在設(shè)在t t+dt時(shí)間內(nèi)衰變了（時(shí)間內(nèi)衰變了（dN個(gè)核，個(gè)核，每個(gè)核的壽命為每個(gè)核的壽命為t21210T