原子核物理 杨福家 第1章.ppt

1、原子核物理,杨福家 第1章,原子核物理,张 庆 瑜 三束材料改性国家重点实验室 电话：4707930-13,学习与思考,一个深夜，担任英国剑桥大学卡文迪许实验室主任的卢瑟福，披着外衣来检查实验室，发现一位学生还在做实验。卢瑟福就问他：“你上午干什么了？”学生回答：“在做实验。”卢瑟福又问：“那你下午做什么了？”学生回答：“做实验。”卢瑟福提高嗓门问：“那你晚上又做什么呢？”学生挺直了胸脯回答：“我还在做实验。” 卢瑟福对他说：“你整天做实验，还有什么时间用于思考呢？”,学习与思考,学而不思则罔， 思而不学则殆。 孔子 论语为政,历史回顾重要人物,H.Becquerel, 法国物理学家（1852

2、-1908），1903年获得诺贝尔奖。发现了铀(U)放射现象，这是人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象。,历史回顾重要人物,M.Curie，法国物理学家（1867-1934），波兰人，1903年获得诺贝尔奖。发现钋(Po)和镭(Ra); 她的女儿(I.Joliot-Curie, 1897-1956)和女婿(F. Joliot-Curie, 1900-1958)因发现人工放射性获1934年诺贝尔奖。,历史回顾重要人物,E.Rutherford，英国物理学家(1871-1937)，新西兰人，1908年获得诺贝尔奖。证实了a 射线为He2+， b 射线为电子； 提出了原子的核式模型；首次实现人

3、工核反应；培养了10诺贝尔奖获得者。,历史回顾重要人物,J.Chadwick，英国物理学家(1891-1974)，1935年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。,历史回顾重要人物,E.Fermi，意大利物理学家(1901-1954)，1938年获得诺贝尔奖。发明了热中子链式反应堆。,历史回顾重要人物,R.L.Mossbauer, 德国物理学家(1929-1976)。1961年因为对辐射的共振吸收的研究和发现的Mossbauer效应获诺贝尔物理学奖。,历史回顾重要人物,李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄的实验所证实。,历史回顾重要人物,丁肇中，(1

4、936)与 B.Richter, (1931)分别发现J粒子，找到了美夸克存在的证据，1976年获诺贝尔奖。,历史回顾重要事件,1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象; 1897：P. 1903：卢瑟福证实a 射线为He2+， b 射线为电子； 1911：卢瑟福提出原子的核式模型； 1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。,历史回顾重要事件,1932：J.Chadwick发现了中子; 1934：F. 1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆； 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸； 1952：氢弹试爆成功。,历史回顾重要事件,1958：我国建成第一座重水型原子

5、反应堆; 1964：我国第一颗原子弹试爆成功； 1967：我国第一颗氢弹试爆成功； 1969：我国首次成功地下核实验； 1984：我国受控热核聚变实验装置顺利启动； 1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功； 1991：秦山核电站发电成功;,历史回顾原子弹,“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。 在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡。 “原子弹之父” 奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首

6、古诗：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”,历史回顾原子弹,在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多。 美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%。长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市总人口的37%。,历史回顾原子弹,中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图,原子核的基本特性,原子核的组成 原子核的大小 原子核的结合能 原子核的自旋和统计性 原子核的磁矩 原子核的电四极矩 原子核的宇称,原子核

7、的组成,原子核的发现 1909年Rutherford的学生H.Geiger和E.Marsden在用a 粒子轰击金箔的实验中，发现有大约八千分之一的几率被反射。 Rutherford说：“就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样”。 Rutherford认为：正电荷和原子质量集中在原子中心R10-12cm的范围内。,原子核的组成,质子的发现 1919年Rutherford用a 粒子轰击14N，发现了质子。 核反应方程：14N+a 18O+ p 布拉凯特通过对a 粒子径迹的照片分析进一步证明，质子是由“复合核”分裂出来的，质子是原子核的组成部分。 a 粒子轰击氮原子核实验实现了原子核的人

8、工转变。,原子核的组成,中子的发现 1920年Rutherford在Bakerian讲演中提出：“在某种情况下，也许由一个电子更紧密地与H核结合在一起，组成一个中性的双子，这样的原子也许有很新颖的特性”。同时他指出：“要解释重元素的组成，这种原子的存在看来几乎是必需的”。 1930年Bothe完成了9Be+a 12C+ n实验，但他认为产生的中性射线是g 射线。,原子核的组成,1932年Chadwick利用 9Be+a 12C+ n 实验中所产生的中子轰击14N，测量到14N的最大反冲动能为1.2MeV。并根据F.&I.Joliot-Curie夫妇轰击石蜡所测量的反冲质子的最大动能为5.7Me

9、V及动量和能量守恒关系，估算出中性射线的质量为1.15u，并大胆预言该射线是中子。,mn = 1.008665u mp = 1.007277u,原子核的组成,原子核的组成 原子核=质子+中子 原子核的表示符号：AZXN X为元素符号，A=N+Z 为核子数，N为中子数，Z为质子数。 简写为：AX Z相同N不同的核素称为同位素；N相同Z不同的核素称为同中子异核素； A相同Z不同的核素称为同量异位素。 Heisenberg认为：中子和质子是核子的两个不同状态。,原子核的组成,原子核的组成,核素图 质子结合能为零的线成为质子滴线；中子结合能为零的线成为中子滴线。 b稳定线的经验规律： 轻核区：N=Z的

10、核素比较稳定； Heisenberg认为：中子和质子是核子的两个不同状态。 理论预言：Z=114附近有超重元素稳定岛。,原子核的大小,原子核半径 均方根半径 等效均匀半径,原子核的大小,原子核电荷分布 a 近似为常数 R = r0A1/3 r01.2fm 1 fm = 10-15m,原子核的大小,经验拟合半径 核力作用半径 原子核存在中子皮,原子核的结合能,原子核的结合能 氢原子的结合能 EH=13.6eV 电子的质量 me=511keV Au原子组成Au单晶固体的结合能 Esub=3.93eV mp+mn-md = 0.00239 u = 2.225 MeV, 1 u = 931.5 MeV

11、 B(Z,A)/c2 = Zmp+Nmn - m(Z,A) B(Z,A)/c2 = ZMH+Nmn - M(Z,A) B(Z,A) = Z(1H)+(A-Z)(n) - (Z,A) (Z,A)=M(Z,A)-Auc2 ,(1H)=7.289MeV, (n) = 8.071 MeV,原子核的结合能,原子核的结合能,液滴模型 Weizsacker经验公式: B=BV - BS - BC - BSym + BP 体积能： BV = aVA aV = 15.67 MeV 表面能： BS = aSA2/3 aS = 17.23 MeV 库仑能： BC = aCZ2/A1/3 aC = 0.72 MeV

12、对称能： BSym = aSym(N - Z)2/A aSym= 23.29 MeV 对 能：偶偶核 BP = aPA-1/2 aP = 12.00 MeV 奇A 核 BP = 0 奇奇核 BP = - aPA-1/2,原子核的自旋,3S,D1= 589.0 nm,D2= 589.6 nm,32P3/2,32P1/2,32S1/2,3P,32P1/2,32P3/2,F=2,F=1,原子核的自旋,1924年，Pauli提出原子核应具有自旋 1932年发现中子以后，实验发现：中子具有自旋 =h/2 原子核基态自旋的规律：偶偶核的自旋为0 奇偶核的自旋为半整数 奇奇核的自旋为整数 原子的总角动量 F

13、 = I + j F 的取值为 I+j, I+j-1,I-j 核子是费米子，遵从费米-狄拉克统计： (X1,Xi,Xj,Xn) = - (X1,Xj,Xi,Xn) 原子核的统计性质：奇A核是费米子，偶A核是玻色子,原子核的磁矩,电子的磁矩 ge,l = 1, ge,s = 2 B = 5.788410-5 eV/T 质子的磁矩 gp,l = 1, gp,s = 5.58 N = 3.152510-8 eV/T 中子的磁矩 gn,l = 0, gn,s = -3.82,原子核的磁矩,原子的磁矩 原子核的磁矩,L,S,J,l,s,J,原子核的磁矩,核磁矩的测量 E = - IB = -gI NmlB E= gI NB gI =h /NB,高 频 发生器,延迟电路,放大器,示波器,原子核的磁矩,原子核的磁矩,磁超精细相互作用 H = - I Be l = - gIN IBe l E = - gIN MIBe l 超精细分裂相当于核角动量 I 在一固定外磁场Be l作用下发生的塞曼效应,Bel,I,+3/2,+1/2,- 1/2,- 3/2,- 1/2,