原子核物理與應(yīng)用(基礎(chǔ)部分)

1、14:07:04Dr. Le Renchang1原子核物理與應(yīng)用(基礎(chǔ)部分）樂仁昌 教授福建師范大學(xué)14:07:04Dr. Le Renchang2目錄 1 核物理的發(fā)展 2 原子核的組成 3 原子核的結(jié)合能 4 核力 5 核衰變 6 核裂變 7 核聚變14:07:04Dr. Le Renchang3核物理的發(fā)展第一階段第一階段 探索階段探索階段(18961930)1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射性1911年，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子1920年，盧瑟福提出了原子核中可能存在中性粒子的猜測。1928年，蓋革和米勒制成了探測粒子的計數(shù)器H.BecquerelE.

2、Rutherford14:07:05Dr. Le Renchang4核物理的發(fā)展第二階段第二階段 形成階段形成階段(19311945)(1)重大發(fā)現(xiàn)和假說1932年，德威克發(fā)現(xiàn)了中子，海森堡和伊萬寧柯提出原子核由質(zhì)子和中子組成的假設(shè)，安德森從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子。1934年，哈恩和史特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了鈾核裂變現(xiàn)象，開創(chuàng)了人類獲取核能的新紀(jì)元。(2)重要理論和模型1931年，泡利提出了中微子假說1934年，費米提出了衰變理論J.Chadwick E.Fermi 14:07:05Dr. Le Renchang5核物理的發(fā)展1935年，湯川秀樹提出了核力的介子交換理論，奧本海 默提出了核反應(yīng)的直接相互

3、作用理論。1936年，玻爾提出了核反應(yīng)的復(fù)合核模型1939年，玻爾等提出了液滴模型理論。1940年，泡利建立了自旋與統(tǒng)計性之間的關(guān)系理論。1942年，坂田昌一提出了兩種介子和兩種中微子理論。14:07:05Dr. Le Renchang6核物理的發(fā)展(3)工程技術(shù)1931年，范德格拉夫發(fā)明了靜電加速器1932年，萊里斯發(fā)明了回旋加速器1942年，美國建立了第一座反應(yīng)堆1944年，威克斯列爾提出了同步加速器的原理1945年，美國爆炸了原子彈。14:07:05Dr. Le Renchang7核物理的發(fā)展第三階段第三階段 發(fā)展階段發(fā)展階段(1946現(xiàn)在現(xiàn)在)(1)基礎(chǔ)研究：發(fā)現(xiàn)新核素，研究核物理的基

4、本問題（主要針對未發(fā)現(xiàn)的或不能解釋的事物 ）(2)應(yīng)用研究：核武器、核燃料、能源與動力、輻射防護(hù)、核技術(shù)應(yīng)用奧本海默美國美國“小男孩小男孩”原子彈原子彈蘇聯(lián)原子彈蘇聯(lián)原子彈14:07:05Dr. Le Renchang8原子核的組成l本節(jié)有關(guān)原子核組成、核素與同位素等內(nèi)容在中學(xué)物理選修教材物理（選修3-5）第3章第1節(jié)有描述。l本節(jié)有關(guān)核素、質(zhì)子和中子的質(zhì)量以及原子質(zhì)量單位等內(nèi)容在中學(xué)物理選修教材物理（選修3-5）第4章第1節(jié)及課后作業(yè)中有描述。l本節(jié)有關(guān)元素、原子核的密度等是新增內(nèi)容。l原子核的半徑、自旋、磁矩、電四極矩、宇稱、統(tǒng)計性質(zhì)和同位旋等內(nèi)容可以作為補講內(nèi)容。14:07:05Dr.

5、Le Renchang9原子核的組成相對質(zhì)量相對質(zhì)量原子原子原子核原子核核外電子核外電子質(zhì)子質(zhì)子中子中子電荷電荷+10-1實際質(zhì)量實際質(zhì)量1.672610-27kg1.674810-27kg1.0071.008(1.674810-27) kg1836（帶正電）（帶正電）（帶負(fù)電）（帶負(fù)電）不顯不顯電性電性14:07:05Dr. Le Renchang10原子核的組成l原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子；l質(zhì)子帶一個單位的正電荷，中子不帶電荷；l核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)稱為原子序數(shù)，用符號Z表示；l核內(nèi)質(zhì)子和中子數(shù)之和即原子質(zhì)量數(shù)，用A表示。 質(zhì)量數(shù)（A）= 質(zhì)子數(shù)（Z）+ 中子數(shù)（N） 原子核的

6、電荷數(shù) = 質(zhì)子數(shù) = 原子序數(shù) = 原子核外電子數(shù)14:07:05Dr. Le Renchang11原子核的組成l原子核的表示方法l原子質(zhì)量單位：是以碳的同位素12C為標(biāo)準(zhǔn)確定的，即1個原子質(zhì)量單位u為12C靜止質(zhì)量的1/12，也就是1u=mc/12=1.66055210-27kg。l質(zhì)子質(zhì)量為：1.007277u。l中子質(zhì)量為：1.008665u。l原子核的密度為：2.31017kg/m3XAZ元素符號原子序數(shù)質(zhì) 量 數(shù)XA14:07:05Dr. Le Renchang12原子核的組成l原子核模型：液滴模型，氣體模型，殼層模型， 集體模型l元素：質(zhì)子數(shù)相同的原子稱為一種元素l同位素：同一元

7、素中，有些原子質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，則稱為該元素的同位素，如：l核素：把質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，核能級處于同一狀態(tài)的一類原子，稱為一種核素。14:07:05Dr. Le Renchang13原子核的結(jié)合能l本節(jié)及下一節(jié)“核力”中相關(guān)內(nèi)容是對中學(xué)物理選修教材物理（選修3-5）第4章第1節(jié)的總結(jié)與提煉。14:07:05Dr. Le Renchang14原子核的結(jié)合能l結(jié)合能 核子結(jié)合成原子核時放出的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，都叫原子核的結(jié)合能。原子核的結(jié)合能與核子數(shù)的比稱為該原子核的平均結(jié)合能（比結(jié)合能）。比結(jié)合能越大，原子中核子結(jié)合的越牢固，原子核越穩(wěn)定。l質(zhì)量虧損 把組成原子核的

8、核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差。l質(zhì)能方程2mcE 14:07:05Dr. Le Renchang15原子核的結(jié)合能(1)A30的輕核，平均結(jié)合能表現(xiàn)出周期性的變化，凡A等于4的倍數(shù)的核有最大值。(2)中等核(A=30120)的結(jié)合能較大，輕核和重核的較小.所以，獲得核能的所以，獲得核能的途徑有兩個：重核途徑有兩個：重核裂變和輕核聚變。裂變和輕核聚變。14:07:05Dr. Le Renchang16核力核力：組成原子核的核子之間有很強(qiáng)的相互作用力，使核子能夠克服庫侖斥力而緊密結(jié)合在一起，這種力稱為核力。特點: (1)是一種比庫侖力大得多的強(qiáng)相互作用力(2)是一種短程力，僅當(dāng)核子間距210-15

9、m時，才明顯發(fā)生作用(r：0.8-2fm表現(xiàn)為引力；r：2fm核力消失）(3)是一種飽和力每個核子僅與它鄰近的核子發(fā)生相互作用，即能與它發(fā)生作用的粒子數(shù)是有限的14:07:05Dr. Le Renchang17核衰變l本節(jié)有關(guān)射線的種類及穿透能力、半衰期等內(nèi)容參見中學(xué)物理選修教材物理（選修3-5）第3章第2節(jié)。l本節(jié)中的衰變公式、衰變常數(shù)以及放射性活度等內(nèi)容為新增內(nèi)容。l可以補充講解吸收劑量及單位，個人劑量限制等輻射防護(hù)知識內(nèi)容。14:07:05Dr. Le Renchang18核衰變l 放射性的發(fā)現(xiàn) 1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)：鈾礦物能自發(fā)地發(fā)射穿透力很強(qiáng)并能使照相底版感光的不可見

10、射線。 1898年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳，并發(fā)現(xiàn)它們也能自發(fā)地放射出射線。 放射性衰變：核素自發(fā)地放射出某種射線而變成另一種核素、或同激發(fā)態(tài)過渡到基態(tài)的現(xiàn)象。凡能發(fā)生放射性衰變的核素叫放射性核素。HeThU42234902389214:07:05Dr. Le Renchang19核衰變l 放射性物質(zhì)放出的射線的種類（1） 射線射線：氦核 （稱為粒子） ，貫穿本領(lǐng)很?。ㄔ趲r石中只有0.001cm，在空氣中為38cm,一張普通的紙就能把它擋?。?，電離作用很強(qiáng)。（2） 射線射線：電子流，有較大的貫穿本領(lǐng)和較小的電離作用，其貫穿本領(lǐng)大約是射線的100倍(在金屬中為0.09cm,在空氣中為1020cm

11、) 。（3） 射線射線：光子流，波長很短的電磁波，在電磁波譜上排在x射線之后，有最大的貫穿本領(lǐng)（穿過幾十厘米厚的鋁板）和最小的電離作用。He4214:07:05Dr. Le Renchang20核衰變l 放射性衰變的基本規(guī)律0tNN e（1）指數(shù)衰變規(guī)律 當(dāng)t=0時，放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目為N0，經(jīng)過t時間后，放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目為N，則： 其中，代表一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，稱為衰變常數(shù) （2）半衰期 當(dāng)放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目衰變到原來數(shù)目的一半時所經(jīng)過的時間叫半衰期。693.021T14:07:05Dr. Le Renchang21核衰變l 放射性活度放射性活動（A）：

12、放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。NdtdNA/單位：國際單位制中，為“貝克勒爾”，記作“Bq”，1Bq=1次衰變/秒。以前的專用單位是“居里”（Ci）1Ci=3.714:07:05Dr. Le Renchang22l本節(jié)及下一節(jié)“核聚變”中相關(guān)內(nèi)容參見中學(xué)物理選修教材物理（選修3-5）第4章第2、3節(jié)。只不過有些內(nèi)容如核反應(yīng)堆等內(nèi)容進(jìn)行了細(xì)化。核裂變14:07:05Dr. Le Renchang23l 重核的裂變裂變機(jī)制裂變機(jī)制（ 液滴模型 ）：當(dāng)中子轟擊重核時，重核吸收中子形成復(fù)合核，能量增加，核子振蕩加劇，由球形變成橢球形。這時核內(nèi)各核子間距離增加核力減小，而庫侖斥力則使原子核進(jìn)

13、一步增大，形成啞鈴狀。當(dāng)啞鈴形的兩端之間的庫侖斥力大于中間收縮部分核子間總的核力時，形變不能恢復(fù)，原子核分裂成兩塊，放出中子，同時釋放能量。核裂變定義定義：原子核裂變是一個重原子核分裂成兩個質(zhì)量相差不遠(yuǎn)的碎塊的現(xiàn)象。14:07:05Dr. Le Renchang24核反應(yīng)方程核反應(yīng)方程：235U裂變的產(chǎn)物是多種多樣核裂變nSrXenU1095381395410235922nKrBanU1092361415610235923 一個235U裂變?yōu)?41Ba和92Kr釋放的能量放出約200Mev的能量，1kg的235U全部裂變，釋放出的能量約相當(dāng)于2000t的標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所釋放的能量。14:07:

14、05Dr. Le Renchang25鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：重的原子核俘獲一個中子以后發(fā)生裂變放出中子，如果這些中子又引起其他的核裂變，使得裂變不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的能量。核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：（1）中子產(chǎn)額（2個以上）和慢化（重水和石墨）；（2）臨界體積。l 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)14:07:05Dr. Le Renchang26l 裂變反應(yīng)堆 用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來。它是能維持和控制核裂變的裝置。核裂變反應(yīng)堆的組成反應(yīng)堆的組成：核燃料。濃縮鈾（能吸收慢中子的鈾235約占3%）。減速劑。石墨或重水（使裂變中產(chǎn)生的中子減速， 以便被鈾235吸收）?？刂瓢?。

15、用鎘做成（鎘吸收中子的能力很強(qiáng)）。冷卻劑。用水或液態(tài)鈉（把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去用于發(fā)電，同時使反應(yīng)堆冷卻，保證安全）。水泥防護(hù)層。用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。14:07:05Dr. Le Renchang27水管水管鈾棒鈾棒鎘棒鎘棒石墨石墨水水泥泥防防護(hù)護(hù)層層14:07:06Dr. Le Renchang28l 輕核的聚變 核聚變 定義定義：將幾個輕核結(jié)合成較大質(zhì)量的核叫輕核聚變。核反應(yīng)方程核反應(yīng)方程： HH3121+17.6Mev+17.6MevnHe1042 該反應(yīng)平均每個核子放出的能量在3Mev以上，聚變比裂變能放出更多的能量。發(fā)生聚變的條件：發(fā)生聚變的條件：使原子核間的距離達(dá)到10-15m。方法有（1）用加速器加速原子核； （2）把原子核加熱到很高的溫度108109K；21H31H42He10n能量14:07:06Dr. Le Renchang29l 可控?zé)岷司圩兎磻?yīng) 任何物質(zhì)在溫度高達(dá)幾百萬度時，原子離解為正離子和電子。當(dāng)溫度升高到上億(108)度時，形成正離子與等量電子同時存