原子核物理簡介

第二十二章原子核物理簡介1研究對象：原子核主要內(nèi)容：核的基本特性：核質(zhì)量、核矩核力核模型核的放射現(xiàn)象核反應(yīng)原子能2歷史的回顧:1896貝克勒爾(A.H.Becquerel)鈾1897居里夫婦(P.&M.Curie)

釙、鐳1899-1900，，放射現(xiàn)象1903盧瑟福He，e1911盧瑟福原子的核式模型1919盧瑟福+14Np+17O1932查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子n海森堡原子核：質(zhì)子、中子n

3原子核—質(zhì)子、中子組成1)核子中子

mn=1.008665uq=0質(zhì)子mp=1.007277uq=e一、原子核的組成2)原子核的符號表示：

AX

(A=Z+Nn)ZZ為電荷數(shù)、Nn為中子數(shù)、A為質(zhì)量數(shù)(A=Z+Nn)§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)4§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)二、核素圖同位素：Z相同而A不同的核素。如：同量異位素：

A相同而Z不同的核素。如：5§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)三、原子核的大小質(zhì)量：>99.9%(原子質(zhì)量)原子核的半徑：核密度：6§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)四、

原子核的結(jié)合能1.1+122.原子核的結(jié)合能：

當(dāng)所有核子(質(zhì)子和中子)由于相互吸引聚集成原子核時，會釋放能量，以致出現(xiàn)“質(zhì)量虧損”，所釋放的能量即定義為原子核的結(jié)合能。1.氘核(2H)的結(jié)合能mp=1.007277umn=1.008665ump+mn=2.015942umd=2.013552u=mp+mn

-md

=0.002388u質(zhì)量虧損7§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)結(jié)合能B：例如，一個質(zhì)子和一個中子組成氘核，則氘核的結(jié)合能：比結(jié)合能：原子核中每個核子的平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，原子核結(jié)合越緊密;也越穩(wěn)定。8§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)獲得原子能量的兩種方法：(2)輕核聚變。(1)重核裂變。比結(jié)合能圖(兩頭低、中間高)9§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)例如，氘核和氚核可聚合為氦核同時放出一個中子。聚變反應(yīng)：10§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)

1938年，德國物理學(xué)家奧托·哈恩發(fā)現(xiàn)核裂變，開創(chuàng)了人類利用原子能的新紀元。

美籍意大利裔物理學(xué)家恩里科·費米的“鏈式反應(yīng)”理論使原子核裂變反應(yīng)成為現(xiàn)實。11§22-1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)五、核力

核力是把質(zhì)子和中子糾合在一起，構(gòu)成一個個穩(wěn)定的原子核(也包括不穩(wěn)定的原子核)的強大的束縛力。

核力出現(xiàn)于質(zhì)子～質(zhì)子、中子～中子、質(zhì)子～中子之間，強度相等。1.核力一般性質(zhì)(3)核力是與粒子的帶電狀態(tài)完全無關(guān)的強大的吸引力。(2)核力是短程力，作用半徑為3×10-15m。(1)核力是強相互作用，主要是吸引力。f0r12§22-2原子核的衰變和衰變規(guī)律若：t=0時，N=N0；在dt內(nèi)核衰變數(shù)為

-dN則：

為比例系數(shù)，表示一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率——稱為衰變恒量。指數(shù)衰變律二、半衰期T1/2:

放射性原子核衰減到原來數(shù)目的一半所需要的時間.一、指數(shù)衰變律13§22-2原子核的衰變和衰變規(guī)律三、平均壽命當(dāng)t=時平均壽命后,剩下的原子核數(shù)目約為原來的定.14§22-3核反應(yīng)一種元素在具有一定能量的粒子的轟擊下衰變成另一種元素的現(xiàn)象。

核反應(yīng)一般表示式：發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)：第一個人工核反應(yīng)：核反應(yīng)：如：15§22-4原子核能的利用裂變分類：自發(fā)裂變誘發(fā)裂變裂變機制：中子被核俘獲后形成復(fù)合核，處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核將發(fā)生集體振動和形變。根據(jù)液滴模型解釋，復(fù)合核的表面張力使核恢復(fù)球形，庫侖力使核的形變增大，最終發(fā)生裂變。一、原子核的裂變裂變能的利用：原子彈反應(yīng)堆16§22-4原子核能的利用二、輕核聚變

當(dāng)二個輕核聚變?yōu)橹睾藭r，觀察比結(jié)合能圖，可以得到一個結(jié)論：能量釋放。而且釋放的能量比裂變大得多實現(xiàn)聚變的途徑：1、引力約束聚變——太陽能2、慣性約束聚變——氫彈、激光3、磁約束——可控聚變反應(yīng)質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)鏈碳-氮反應(yīng)鏈17§22-5基本粒子簡介一、“基本粒子”的發(fā)現(xiàn)長期以來，人們一直在孜孜不倦地探索著物質(zhì)的基本組成，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識有一個逐步深入的過程。人們曾經(jīng)把當(dāng)時所認識到的組成物質(zhì)的最小基本單元，稱為“基本粒子”，現(xiàn)在知道，基本粒子未必基本。電子、光子、質(zhì)子、中子的發(fā)現(xiàn)，相繼為原子物理學(xué)和原子核物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)，正電子、子、π介子、中微子的發(fā)現(xiàn)，使人們感受到粒子物理的豐富內(nèi)涵與獨特的研究方式，促使粒子物理作為一門獨立的學(xué)科出現(xiàn)。

18§22-5基本粒子簡介粒子的種類很多，已發(fā)現(xiàn)的粒子有400多種.(1)光子

靜止質(zhì)量為零；自旋量子數(shù)等于1分類：（2）輕子不參與強相互作用的粒子。有些輕子參與弱相互作用，帶電的輕子參與電磁作用。這些粒子的靜止質(zhì)量比π介子的質(zhì)量小，自旋量子數(shù)為1/2，包括中微子、電子及正電子、正負μ子。

（3）強子參與強相互作用的粒子。強子也參與弱相互作用，帶電的和中性帶磁矩的還參與電磁作用。根據(jù)自旋的不同，強子又分為介子和重子：19(1)介子

自旋量子數(shù)為零，包括帶正、負電荷和中性的π介子，帶正、負電荷和中性的K介子以及η介子，它們的靜止質(zhì)量介于電子和質(zhì)子之間。(2)重子自旋量子數(shù)絕大部分都是1/2，包括核子(中子和質(zhì)子)以及超子等。這些粒子的靜止質(zhì)量等于或大于質(zhì)子?！?2-5基本粒子簡介超子：夸克模型：1960年前后，蓋爾曼提出了一個對當(dāng)時已知亞原子粒子分類的方法。根據(jù)這個方案推測，質(zhì)子、中子等一些粒子可能由一種新的粒子組成，蓋爾曼給它取名夸克。20二、基本粒子的相互作用§22-5基本粒子簡介強相互作用

強相互作用把夸克組成質(zhì)子、中子，把質(zhì)子、中子結(jié)合成原子核。高能核反應(yīng)中介子和超子的形成過程等都屬于強相互作用。這種相互作用強度最大，比電磁相互作用強1012倍。電磁相互作用

所有帶電粒子間都存在電磁相互作用，在經(jīng)典理論中認為這種作用是通過電磁場來實現(xiàn)的，在量子電動力學(xué)中認為這種作用是通過交換光子實現(xiàn)的。作用的大小與帶電粒子間的距離平方成反比。21弱相互作用

有兩種弱相互作用，一種是有輕子(電子e，中微子，子以及它們的反粒子)參與的反應(yīng)，如β衰變，μ子的衰變以及介子的衰變等；另一種是Κ介子和Λ超子的衰變。這兩種弱相互作用的強度相同，都比電磁相互作用弱1010倍。引力作用

所有粒子之間都有引力相互作用，引力相互作用的大小與粒子間的距離平方成反比。

§22-5基本粒子簡介22作用名稱強相互作用電磁相互作用弱相互作用引力作用相對強度110-210