第七章 原子核物理

第七章原子核物理第1頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月原子核物理學(xué)的發(fā)展：1．探索階段(1896~1930)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2．形成階段(1931~1945)(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。第2頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)重要理論和模型1931年，泡利提出了中微子假說1934年，費(fèi)米提出了

衰變理論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。(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。第3頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3．發(fā)展階段(1946~1986)(1)基礎(chǔ)研究：發(fā)現(xiàn)新核素，研究核物理的基本問題(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)用第4頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.1原子核的基本性質(zhì)一.原子核的組成--質(zhì)子和中子組成1919年．盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子：氫核---質(zhì)子：帶一個單位正電荷第5頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子

核子--中子和質(zhì)子

第6頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月核素和核素圖核素：凡具有相同的原子序數(shù)Z、中子數(shù)N及能量狀態(tài)的原子核稱為一種核素。元素：Z一定的原子。同位素：Z相同、N不同的核素是H的三種同位素。

同中子素：N相同、Z不同的核素，、。同質(zhì)異能素：N、Z相同、而能量狀態(tài)不同的核素，如、同量異位素：A相同、Z不同的核，如第7頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月核素：凡具有相同的原子序數(shù)Z、中子數(shù)N及能量狀態(tài)的原子核稱為一種核素。第8頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二.原子核的質(zhì)量和大小

(一)、原子核的質(zhì)量原子的質(zhì)量=原子核的質(zhì)量+核外電子的質(zhì)量-電子的結(jié)合能(可以忽略)1．原子質(zhì)量單位原子核的質(zhì)量通常采用作為單位

第9頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2．原子核的質(zhì)量數(shù)3．質(zhì)譜儀

能通過狹縫的離子：

離子在磁場中作圓周運(yùn)動

由此可以算出離子的質(zhì)量，進(jìn)而算出原子及原子核的質(zhì)量。

第10頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、原子核的大小數(shù)量級：

(三)、原子核的密度原子核的密度為一常數(shù)，而且核的密度非常大。三、原子核的電荷是核外電子數(shù)，即原子序數(shù)，也稱核電荷數(shù)。e=1.60217733×10-19C，第11頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月四.原子核的自旋和磁矩

1、原子核自旋原子核的角動量稱為核自旋

原子核的自旋是所有核子的自旋角動量和軌道角動量的矢量和

：原子核角動量量子數(shù)，稱為核自旋量子數(shù)，它可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)。原子核角動量在空間某一選定方向的投影：

也是量子化的。：核自旋磁量子數(shù)共個值。

1．A為奇數(shù)的核(奇A核)，I為半整數(shù)2．Z、N都為偶數(shù)的核(偶-偶核)，3．Z、N都為奇數(shù)的核(奇-奇核)，I為整數(shù)第12頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2、原子核的磁矩電子的角動量與相應(yīng)的磁矩之間的關(guān)系為：原子核也有磁矩，它與角動量的關(guān)系為：

核磁子遠(yuǎn)小于玻爾磁子，可見原子核的磁矩比電子的磁矩小得多，因此產(chǎn)生的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線也比精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線間距小得多。第13頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月在外場方向的取向也是量子化的，它在外場方向的投影：

在外場方向的最大值為：測量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振。第14頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.2原子核力和結(jié)合能核力：核子之間的相互作用力。

一、核力的基本性質(zhì)1．核力是短程力，只在數(shù)量級的范圍內(nèi)發(fā)生作用。

~：引力<：斥力>：消失第15頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2．核力是一種強(qiáng)相互作用核力的強(qiáng)度比庫侖力大一百倍3．核力近似地與電荷無關(guān)第16頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4．核力是具有飽和性的交換力核力的飽和性：核子只與它最靠近的幾個核子有相互作用。

核的密度近似地為一常數(shù)，核的結(jié)合能近似地與核子數(shù)成正比，核力是交換力：核子之間通過交換某種媒介粒子而發(fā)生相互作用。

1935年，湯川秀樹提出了核力的介子理論：核力是一種交換力，核子之間通過交換某種媒介粒子而發(fā)生相互作用，并估計這種媒介粒子的質(zhì)量約為電子靜止質(zhì)量的200倍，介于質(zhì)子和電子之間，故稱為介子。第17頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1947年，鮑威爾在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了介子，稱為介子，有、、三種，質(zhì)量分別為、、

不同核子的相互作用通過發(fā)射或吸收介子而產(chǎn)生，相當(dāng)于兩核子之間的位置發(fā)生交換，核力為交換力。第18頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、原子核的結(jié)合能

1．原子核的質(zhì)量虧損2．原子核的結(jié)合能當(dāng)核子與核子結(jié)合成原子核時，將釋放能量3．平均結(jié)合能將一個核子放到原子核中平均釋放的能量，或把一個核子從原子核中所需的能量。的大小表示核子之間結(jié)合的緊密程度。大，表示核子結(jié)合的緊密。

第19頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)A<30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=30~120)的結(jié)合能較大，輕核和重核的較小.獲得核能的途徑有兩個：重核裂變和輕核聚變。(3)中等核的變化不大，，顯示了核力的飽和性，即一個核子只同附近的幾個核子有作用力，而不是同所有的核子都有作用。第20頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.3原子核結(jié)構(gòu)模型一、液滴模型將原子核比作一個密度極大的、不可壓縮的核液滴，而將核子比作液滴中的分子。1．實驗依據(jù)（1）核力是飽和力，即原子核中的每個核子只與其鄰近地幾個核子有相互作用。（2）原子核的密度幾乎是一個常數(shù)，故原子核具有不可壓縮性。

2．原子核結(jié)合能的半經(jīng)驗公式第21頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、殼層模型原子核內(nèi)的核子也是按殼層分布的。當(dāng)質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為2、8、20、28、50、82和中子數(shù)數(shù)126時，原子核特別穩(wěn)定，這些數(shù)叫做幻數(shù)。第22頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.4原子核放射衰變一、

放射性衰變規(guī)律（一）、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。第24頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種：

1．

射線：即氦原子核，貫穿本領(lǐng)很小，電離作用很強(qiáng)。2．

射線：是電子流，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。3．

射線：是光子流，即波長很短的電磁波，在電磁波譜上排在x射線之后，有最大的貫穿本領(lǐng)和最小的電離作用。放射性現(xiàn)象的研究是獲悉原子核內(nèi)部狀況的重要途徑之一第25頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、放射性衰變的基本規(guī)律

放射性衰變要遵守：電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、質(zhì)量和能量守恒、動量守恒。

1．指數(shù)衰變規(guī)律

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)

第26頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2．半衰期放射性物質(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。第27頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3．平均壽命－各個原子核的壽命不同，但平均壽命卻具有確定的值。

一個原子核在衰變前存在的時間叫做它的壽命。

所有原子核壽命的平均值稱為平均壽命。當(dāng)時

放射性核素的和，它們是每個核素的特征量，不同的核素差別很大。我們可以根據(jù)測量的判斷它屬于哪種核素第28頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：已知的衰變常數(shù)為，試求它的半衰期和平均壽命。第29頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、放射性活度放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。單位：國際單位制中，放射性活度的單位為“貝克勒爾”，記作“Bq”，1Bq=1次衰變/秒1居里(Ci)=次衰變/秒=

Bq放射源所含放射性物質(zhì)的原子核數(shù)：放射源所含放射性物質(zhì)的質(zhì)量：

第30頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月例3：測得某樣品的放射性活度經(jīng)30天減為原來的，求該樣品的衰變常數(shù)、半衰期和平均壽命。，第31頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、

衰變－原子核自發(fā)地放射出

粒子而發(fā)生的衰變（一）、衰變條件和衰變能１、衰變能：

原子核在衰變過程中釋放的能量，用Q表示

２、衰變條件

３、衰變能的釋放形式

第32頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月例：判斷是否發(fā)生

衰變。第33頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

能譜和原子核能級測得

粒子的動能有六種，

此外有能量不同五種射線。

粒子能譜具有分立特性－原子核具有分立的能量狀態(tài)。

第34頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月三、

衰變（一）、衰變能譜與中微子微設(shè)

1．衰變能譜(1)粒子能量連續(xù)分布(2)

具有確定的最大值，且

(3)曲線有一極大值，此處

粒子能譜引發(fā)的困境：

第一，

粒子能譜是連續(xù)的，而原子核具有分立能級。第二，能量不守恒？

第三，角動量不守恒？第36頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2．中微子假設(shè)泡利認(rèn)為：當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生

衰變時，除了放出

粒子外，還要放出一個中性粒子，其靜止質(zhì)量幾乎為0，故稱為中微子。中微子分為兩種：中微子和反中微子，它們的質(zhì)量完全相同，都不帶電荷，但自旋方向不同。由于三者之間的分配是任意的，所以粒子的能量是連續(xù)的，形成了連續(xù)譜。第37頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

假設(shè)中微子的自旋和電子一樣為，則衰變前后的角動量守恒。

由于，，衰變能主要在電子和中微子之間分配，當(dāng)時，，其余情況下，1956年，從實驗上發(fā)現(xiàn)了中微子。第38頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、

衰變的三種類型及衰變條件

衰變時核電荷數(shù)改變而核子數(shù)不變的衰變

1．衰變：

能量守恒：

衰變條件：＞0，即2．衰變：

第39頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3．K俘獲：原子核俘獲一個核外軌道上的電子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€原子核的過程。能量守恒：

發(fā)射X標(biāo)識譜

產(chǎn)生俄歇電子

第40頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、衰變的機(jī)制費(fèi)米認(rèn)為：

衰變的本質(zhì)在于衰變時在原子核中受束縛的一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子或一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，而對軌道俘獲來說，其本質(zhì)就是俘獲軌道電子而轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱?/p>

粒－核子的不同狀態(tài)之間躍遷的產(chǎn)物，事先并不存在于核內(nèi)。

衰變是電子-中微子場與原子核的相互作用----弱相互作用。衰變：衰變：K俘獲：

第41頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月四、

衰變原子核通過發(fā)射

光子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)的過程

第42頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月五、

放射系1．釷(

)系2．鈾(

)系3．錒(

)系

4．镎(

)系，一、位移定則位移：發(fā)生衰變后，原子在周期表中位置的變化。

衰變中：，向前移兩位

-衰變中：，向后退一位

+衰變中：，向前移一位K俘獲中：，向前移一位

衰變中：，不動第43頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1．釷()系

衰變次數(shù)：

衰變次數(shù)：

第44頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2．鈾()系

衰變次數(shù)：

衰變次數(shù)：第45頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3．錒()系，俗稱錒鈾，故稱錒系。

衰變次數(shù)：

衰變次數(shù)：第46頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4．镎()系，

衰變次數(shù)：

衰變次數(shù)：其中半衰期最長的為，故稱為镎系。第47頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月六、放射性衰變規(guī)律在地質(zhì)考古上的應(yīng)用在考古工作中，可以用來推算年代

射線應(yīng)用－在醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，工業(yè)，科學(xué)研究第48頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.５

原子核反應(yīng)原子核反應(yīng)：用具有一定能量的粒子轟擊一個原子核，使其放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾略雍说倪^程。一、

核反應(yīng)的一般規(guī)律（一）、核反應(yīng)的守恒律1．幾個著名的核反應(yīng)(1)歷史上第一個人工核反應(yīng)

第49頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2．核反應(yīng)的類型按入射粒子的類型分：(

粒子、質(zhì)子、中子、氘核、光子)引起的核反應(yīng)。按入射粒子的能量分：低能()、中能()、高能()核反應(yīng)。按靶核質(zhì)量分：輕核(A<25)、中等核(25<A<80)、重核(A>80)核反應(yīng)。(２)．第一個在加速器上實現(xiàn)的核反應(yīng)第50頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3．核反應(yīng)中的守恒定律電荷數(shù)守恒：反應(yīng)前后總電荷數(shù)不變質(zhì)量數(shù)守恒：反應(yīng)前后總質(zhì)量數(shù)不變質(zhì)量守恒：反應(yīng)前后總的運(yùn)動質(zhì)量保持不變能量守恒：反應(yīng)前后粒子的總能量是守恒的動量守恒：即反應(yīng)前后體系的總動量守恒此外還有角動量、宇稱、統(tǒng)計性、同位旋等都是守恒量。

第51頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、核反應(yīng)的機(jī)制１、復(fù)合核過程２、直接反應(yīng)過程（三）、核反應(yīng)中的能量1．反應(yīng)能Q：核反應(yīng)中所放出的能量靜質(zhì)量：

總質(zhì)量：

動能：

總能量：

第52頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

+

-

=[

+

-

-

]右邊表示反應(yīng)前后物質(zhì)總靜止質(zhì)量差所相應(yīng)的能量；左邊表示反應(yīng)前后總動能之差，稱為反應(yīng)能(1)Q>0放能反應(yīng)例1試計算反應(yīng)的反應(yīng)能。(2)Q<0

吸能反應(yīng)例2由靜止質(zhì)量計算的Q值。第53頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2．Q方程Q=

+

-動量守恒：第54頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3．反應(yīng)閾能

能使核反應(yīng)得以實現(xiàn)的入射粒子的所必須具有的最小動能，即只有當(dāng)時反應(yīng)才能發(fā)生。4．核反應(yīng)的類型

按入射粒子的類型分：(

粒子、質(zhì)子、中子、氘核、光子)引起的核反應(yīng)。

按入射粒子的能量分：低能(

)、中能(

)、高能(

)核反應(yīng)。按靶核質(zhì)量分：輕核(A<25)、中等核(25<A<80)、重核(A>80)核反應(yīng)。第55頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.6

原子核裂變

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。

一、裂變過程A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV一個鈾核：

一克鈾：

這相當(dāng)于2.5t煤完全燃燒時放出的能量。

第56頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、裂變機(jī)制—液滴模型在裂變前，原子核處于能量最低的基態(tài)，呈球形。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。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。

裂變不僅釋放大量能量而且伴隨中子的發(fā)射－－形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)第57頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實現(xiàn)核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)條件1.中子產(chǎn)額和慢化減速劑-重水和石墨2.臨界體積倍增系數(shù)：

方法1是濃縮天然鈾中的比例。

方法2是加大鈾堆的體積至臨界體積，增加中子數(shù)。

吸收中子發(fā)生裂變的幾率很少吸收熱中子發(fā)生裂變。熱中子的能量大約為第58頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月四.原子反應(yīng)堆堆芯－核燃料、中子減速劑和冷卻劑由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和屏蔽層等五.原子彈

臨界體積約1公斤.第59頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第60頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第61頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月達(dá)到超臨界狀態(tài)的方法：槍法及內(nèi)爆法第62頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.7

原子核聚變核聚變：幾個輕核聚合成較重核的過程重核中等質(zhì)量核

放出能量輕核中等質(zhì)量核

放出能量第63頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第64頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.聚變能約為裂變能的四倍2.聚變反應(yīng)的原料是氘.而核裂變的原料是鈾怎樣實現(xiàn)核聚變？考慮到以下兩個因素：(1)熱運(yùn)動的能量是麥克斯韋分布。(2)隧道效應(yīng)熱核反應(yīng)溫度要求：

第65頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月勞遜判據(jù)

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在的等離子體。

等離子態(tài)的物質(zhì)是很難被穩(wěn)定地約束起來的，但是為了熱核聚變的反應(yīng)能夠有效地進(jìn)行，對等離子體的密度和被約束的時間有一定的要求。等離子體約束－引力約束、慣性約束和磁約束2.慣性約束－聚變材料自身慣性1.引力約束－用引力3.磁約束—利用磁場約束等離子體第66頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、太陽能的來源－來源于太陽中的熱核反應(yīng)。引力約束太陽內(nèi)部主要有兩種核反應(yīng)：

1．氫鏈反應(yīng)：

2．碳?xì)溲h(huán)第67頁，課件