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文檔簡介
1、第五章第五章 核物理核物理一、原子核的基本性質與一、原子核的基本性質與組成組成二、原子核的結合能和核二、原子核的結合能和核力力三、原子核的衰變三、原子核的衰變四、核反應自學)四、核反應自學) 5.1 原子核的基本性質與組成原子核的基本性質與組成一、原子核的組成一、原子核的組成 原子核:質子中子原子核:質子中子質子帶有與電子等量的正電荷質子帶有與電子等量的正電荷質量為電子質量的質量為電子質量的1836.12倍倍中子不帶電,質量為電子的中子不帶電,質量為電子的1838.65倍。倍。核子:質子和中子的統(tǒng)稱。核子:質子和中子的統(tǒng)稱。 原子序數(shù)原子序數(shù)Z : 原子核中質子數(shù)目。原子核中質子數(shù)目。質量數(shù)質
2、量數(shù)A:原子核中質子和中子的總數(shù)。:原子核中質子和中子的總數(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)相同而質量數(shù)不同的原子。同位數(shù):原子序數(shù)相同而質量數(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:“原子質量單位原子質量單位”:碳同位素的原子核質量的碳同位素的原子核質量的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驗發(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量)核自旋原子核的自旋角動量)核子的軌道角動量與自旋角動量之和。核子的軌道角動量與自旋角動量之和。)1I(IL 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)質子和中子的自旋量子數(shù)均為質子和中子的自旋量子數(shù)均為1/2(費米子),費米子),質量數(shù)質量數(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, 質量數(shù)質量數(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核的自旋角動量在任何一方向的分量核的自旋角動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.核磁矩核磁矩質子的軌道磁矩質子的軌道磁矩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 核磁子核磁子質子和中子的自旋磁矩質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 質子質子 gs,p=5.5857 中子中子gs,n= -3.8261 T/J104106. 17928. 226Nz ,p T/J109662. 09131. 126Nz ,n Notice:中子有帶正電的內核和帶負電的外殼中子有帶正電的內核和帶負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,如何測量核磁矩?何測量核磁矩?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子提供僅由氫核質子提供 磁矩平行于磁場的態(tài)為低能態(tài),反平行磁矩平行于磁場的態(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,處于低能態(tài)上質子數(shù)稍多于熱平衡時,處于低能態(tài)上質子數(shù)稍多于高能態(tài)上的質子數(shù)高能態(tài)上的質子數(shù)將電磁波加于水的樣品,當其頻率滿足B2hp 即即hB2hp 質子將吸收電磁
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)療診斷人體內部大部分是水,這些水以及富含人體內部大部分是水,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 原子核的結合能和核力原子核的結合能和核力一、原子核的質量虧損和結合能一、原子核的質量虧損和結合能原子核的質量虧損Dm原子核的質量小于組成它的質子和中子質量之和,兩者之差稱為。由質能關系E=mc22mcE Nnpm)NmZm(m 原子核的結合能原子核的結合能Eb質子、中子組成原子質子、中子組
8、成原子核時放出能量核時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的質子和中子也必須給個的質子和中子也必須給予等值的能量予等值的能量 2N2npbcmc )NmZm(E 原子核質量原子核質量平均結合能又稱比結合能平均結合能又稱比結合能e)原子核的結合能原子核的結合能EB與質量數(shù)與質量數(shù)A之之比比AmcAE2b 核子的比結核子的比結合能愈大,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合能較小,最輕核和最重核比結合能較小,2.大多數(shù)中等質量的核,比結合能近似地相大多數(shù)中等質量的核,比結合能近似地相等,都在等,都在8MeV左右,中等質量的核最為穩(wěn)左右,中等質量的核最為穩(wěn)
9、定。定。3.當重核裂變成為中等質量的核,或輕核聚當重核裂變成為中等質量的核,或輕核聚變?yōu)橘|量較大的核時,都將釋放出巨大的變?yōu)橘|量較大的核時,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的核子之間一定存在著另一種很強的相互作用力。相互作用力。它將核子緊密地結合在一起形成原子核。它將核子緊密地結合在一起形成原子核。性質:性質:(1)核力與核子的電荷無關。質子與質子之核力與核子的電荷無關。質子與質子之間、中子與中子之間、質子與中子之間的間、中子與中子之間、質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以內以內r(fm)U(r)/Mev1-1001002002核力勢能曲線核力勢能曲線強力是一種多體力不可疊加強力是一種多體力不可疊加類比:兩個原子類比:兩個原子殘余電磁力殘余電磁力兩個核子兩個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“內稟性質內稟性質”色荷:色荷:紅、綠、藍紅、綠、藍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年日本物理學家湯川秀樹提出了核力年日本物理學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核子放出一個過一個核子放出一個p介子、
11、另一個核子介子、另一個核子吸收這個吸收這個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)、(帶負電)、0中性)。質子和質子、中子和中子之間交換的是0介子,交換前后各個核子的電荷不變;質子和中子之間交換的是、介子 核子之間通過交換介子產生核力核子之間通過交換介子產生核力5.3 原子核的衰變原子核的衰變放射性衰變蛻變)放射性衰變蛻變)不穩(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粒子從原子核內逃逸出的現(xiàn)象粒子從原子核內逃逸出的現(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 粒子的動能形式帶走粒子的動能形式帶走Mev)mmm(48.931c )mmm(Eyx2yxa aa a a a 粒子,在核表面就形成一個勢壘書粒子,在核表面就形成一個勢壘書P211P211圖)圖)衰變過程就是衰變過程就是a a 粒子穿過勢壘從原子核放粒子穿過勢壘從原子核放射出去的一個隧道效應過程射出去的一個隧道效應過程粒子和子核間形成的庫侖勢能粒子和子核間形成的庫侖勢能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 衰變衰變當一個原子核
13、發(fā)出一個當一個原子核發(fā)出一個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,而質量數(shù)不變。,而質量數(shù)不變。b粒子粒子電子電子1927年泡利,提出年泡利,提出b 衰變時除放出電子外,衰變時除放出電子外,還同時放出一個還同時放出一個“不可檢測的、很輕的、中性不可檢測的、很輕的、中性粒子,費米粒子,費米(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,變成質子,放出電子和中子衰變,變成質子,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.質子衰變,變成中子放出正電子和中微子質子衰變,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電子俘獲:即原子核俘獲了與它最接近的內層電子,使核內一個質子轉變成中子,同時層電子,使核內一個質子轉變成中子,同時放出一個中微子。放出一個中微子。b b 衰變的逆過程,即質子吸收反中微子轉變衰變的逆過程,即質子吸收反中微子轉變成中子,同時放出一個正電子成中子,同時放出一個正電子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,它的強度只有電磁相互作用的強度只有電磁相互作用的10101212倍倍 三、三、g 衰變衰變原子核放出光子的過程稱為原子核放出光子的過程稱為g g 衰變。衰變。當原
15、子核發(fā)生當原子核發(fā)生a a 、b b 衰變時,往往衰變到衰變時,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,同時放出向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷,同時放出g g 光子,光子,產生產生g g 射線。射線。核的能級間隔為核的能級間隔為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間內因衰變而減少的核數(shù)單位時間內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,原子核的數(shù)目為時,原子核的數(shù)目為N0放射性定律放射性定律兩個重要參數(shù)兩個重要參數(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歷的時間,用到原有的一半所經歷的時間,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在設在t t+dt時間內衰變了(時間內衰變了(dN個核,個核,每個核的壽命為每個核的壽命為t21210T
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