chp7第七章：原子核物理概论.ppt

近代物理基础-原子物理学,主讲教师：任国仲,第一节原子核的描述,第二节核质量,第三节核力,第四节衰变及其统计规律,第八节核反应,第九节原子能的利用,第五节衰变,第六节衰变,第七节衰变,核物理是原子下一个层次的研究内容。它以核为研究对象，其内容包括核的基本性质、核结构、核力、核模型。核的放射性衰变，核反应以及核能的应用。,人类真正对核进行研究，要追溯到1932年发现中子，并由此提出质中模型开始。70年过去了，人们对核的了解还很肤浅，在核结构、核力等方面还有很多尚未认识的东西。,第一节:原子核的描述,第一节:原子核的描述,原子的两个层次,原子物理,核物理,物质结构中靠的最近也是分的最开的两个层次！,核对原子的贡献,核的其他属性对原子的影响很小,核外电子的行为对原子核的性质也几乎毫无关系,物质性质,a、原子核（如放射现象）,b、原子（或称电子）所有物理化学属性,原子核的基本情况-原子核的电荷原子核带的正电荷恰为e的整数倍，习惯上表示为Ze，,即Q=Ze,在物理学史上，特征X射线法和粒子散射实验法都曾经被用来测定元素的核电荷数Z，理论关系如下：,（1）Moseley定律-,第一节:原子核的描述,对于同一系列的特征X射线（比如K,L系），a,b是常数，只要测得元素的特征射线的频率v，就可由上式定出Z。,（2）粒子散射实验-,在测量的其它条件不变的情况下，换用不同靶，经过计数器“窗口”的记数，可以直接测出靶的核电荷数。,原子核的基本情况-原子核的质量由于目前人们对核力的了解还不够清楚，定量描述它还很困难，因此至今我们还无法从第一性原理导出一个核质量公式。,历史上，人们曾经给出过半经验的核质量公式，我们将在下节对此作专门讨论。,通常情况下，原子的质量可以用质谱仪来测定，所以很多文献中都给出了原子的质量m，在已知m的情况下，我们可以用下式求出核的质量，,第一节:原子核的描述,即,式中是电子质量，是第n个电子的结合能。,原子核的绝对质量是非常小的，,比如：原子的质量仅为所以国际上定义，质量的1/12为原子质量单位，记为这样，原子的原子量都是一个很接近某一整数的量，通常定义这个整数为该核的质量数，并记为A。,第一节:原子核的描述,原子核基本情况-原子核的大小核的半径有一个经验公式,，其中,由此我们可以求得核的密度是一个与A无关的常数,(克/立方厘米),不到一粒米的大小的原子核，其质量竟达20万吨！可见核是质量高度集中的地方。,在发现中子之前，人们知道的基本粒子只有电子的质子。,例如，氦核有4个质子，2个电子，质子作为质量的承担者，电子抵消了2个质子的电荷。,随着量子力学的诞生，人们发现质子电子说无法用量子理论解释,首先，根据量子力学理论，微观粒子的坐标和相应的动量存在不确定关系,在核内,所以，相应的电子动量为,第一节:原子核的描述,若非相对论公式，可以求得电子速度为,显然是错误的，用相对论公式,注意到,故近视有,由此可以求得核内电子能量为,而实验中从未发现如此高能量的电子，其次对有些核，也无法对其自旋给出合理的解释。,第一节:原子核的描述,因此早在1920年，卢瑟福就推测，核内应当存在一种与质子质量大体相等，不带电的粒子。1932年查德维克发现中子后，海森伯等人马上就提出了核的质、中模型。,实验表明，质子、电子的质量分别是,质量数均为1，即A=1，前者带一个单位正电荷，后者不带电，两者统称核子,根据质量数的定义，我们很容易知道，质量数A，质子数Z和中子数N的关系是A=Z+N，所以完整的核素符号是,比如,，,等。,第一节:原子核的描述,在物理学中，对有一定关系的核素，有些常用的术语如下：,同中子素：比如,同量异位素：比如,镜核：比喻,。,同位素：比如,第一节:原子核的描述,原子核的基本情况-核素图,一共约有2000个核素。其中天然存在的有300多个核素，（280多个稳定核素，60多个长寿命的放射性核素）；人工制造的1600多个放射性核素。它们构成了核物理的研究对象。,上面我们知道，核是由质子和中子构成的，那么Z，N的不同搭配使自然界共有多少种核呢？,以中子数N和质子数z分别为横、纵坐标轴，标出每一核素的位置而得到的图称核素图。,第一节:原子核的描述,质量亏损,原子的质量为,另一方面，,显然,可见，核子结合构成原子后总质量减少了，通常我们称之为质量亏损。,由上面的讨论我们知道，原子核由中子和质子组成，但实验表明，核的质量并不等于相应的质子和电子质量之和，比如对元素,其中性,由四个氢原子（质子+电子）和五个中子构成,相应的质量和为,第二节:核质量,根据Einstein的质能公式,或者,原子核形成过程中，质量减少了，减少的质量必然以能量的形式放了出来，这种能量称为结合能。,2.结合能,第二节:核质量,第二节:核质量,B称为结合能,2.结合能,质量和能量的当量关系多大呢？下面我们来看看1u的质量合多大能量。,即,故Be的总结合能为,第二节:核质量,为了比较不同核素结合能的大小，我们引入平均结合能,对于Be原子核,我们以A为横轴，,为纵轴，描绘出不同核素,的曲线，由这条曲线，我们可以得到如下几点结论：,3.核子的平均结合能（比结合能）,1）,是原子核稳定性的标志，,越大，相应,之间的核，,近似为常数，且较,2）,的核就越稳定；,大，,第二节:核质量,3）轻核（A较小）和重核（A较大）的平均结合能都比较小，因此，轻核的聚变和重核的裂变都有能量放出，这就是通常所说的聚变和裂变的原子能,到目前为止，我们已经接触过的力有万有引力、浮力、张力、分子力、摩擦力和电磁力.,这些力可以归结为两类相互作用,即引力相互作用和电磁相互作用，但是在原子核内，质子间强烈的库仑斥力却没有使质子彼此离去。可见，核内存在着一种强相互作用足以克服质子间的斥力，这种作用对应的力就是核力。,第三节:核力,从发现中子开始，人们就对核力开始了各种探索，至今为止，一方面积累了有关核力的大量知识，另一方面，核力仍是人们在探索的、悬而未决的基本问题！,所谓短，是说这种力的作用距离不大于,所谓强，是指这种力比万有引力和静电力要强的多，比如两核子之间的,而核子间的平均结合能为,由此不难看出与三种势能相对应的引力，静电力和核力的大小之间的关系。；,第三节:核力,核力的基本特征,1.短程性的强相互作用,质子间的静电势能为,万有引力势能大约在,质量数为A的原子核内有A个核子，是否所有的核子之间都有相互作用呢？如果是这样，那么原子核内共有对相互作用，,即原子核的总结合能应正比于A2，而事实上却不是这样，,2.饱和性的交换力,实验表明：每个核子的平均结合能基本为常量，这意味着，每一个核子只与它临近的少数几个核子有相互作用，这种性质称为核力的饱和性。,第三节:核力,核力的基本特征,正因为核力具有饱和性，所以高Z核就不稳定，因为静电斥力不具有饱和性，所以高核的边缘粒子受核力和斥力基本相等，所以就不稳定，据此，人们推算出人工合成核素,在分子的共价键中，原子间的作用力是一种交换力，电子是它们的交换媒介，比如,分子的共价结构是,-两个氢原子通过交换这个电子结合在一起，由此人们设想，核子间的力是交换力，核子间以介子作为交换媒介。,第三节:核力,核力的基本特征,核力的大小与产生此核力的核子是否带电是没有关系的，比如对于它由一个质子，,两个中子组成，原子核的总结合能为,.,3.电荷无关性,原子核的总结合能,而由2个质子，一个中子组成，原子核的总结合能为,它们中间有静电斥能0.72MeV；若不存在静电斥能，其结合能为,与,很接近，这说明核力与电荷无关。,第三节:核力,核力的基本特征,其中不含有静电斥能，,4斥心力的存在,在这个区间内，核力的性质有引力和斥力之分，,时为强的斥力；,时为引力；,研究表明，核力的作用范围是,研究表明，核力的大小与两粒子自旋的相对取向有关，自旋平行时，核力较强，反之核力较弱。,5自旋相关性,第三节:核力,核力的基本特征,在经典电磁理论中，我们引入了电磁场的概念，认为电荷间的相互作用是通过“场”来传递的，那么这种场到底是什么东西呢？,量子电动力学和量子场论告诉我们，电磁场是量子化的，这个“场”是由“虚光子”组成的；电荷间的相互作用就是通过交换虚光子”实现的，与此类比，1935年,日本物理学家汤川秀树(Yukawa)提出了核力的介子理论。,1.电磁相互作用和光子,第三节:核力,2.强相互作用和介子,汤川假设，核子间的相互作用以介子为媒介,这种介子是核子辐射的，称为介子。,因为质子和中子分别带正电和不带电，为了说明不同核子相互作用的微观机制，假设存在三种介子:，其相互作用过程可用费曼图表示。,由上图可见不同粒子的的作用中，可能的交换过程是：,不同粒子间,相同粒子间,第三节:核力,汤川通过解量子场的方程得到介子的质量为,1947年，实验物理学家终于在宇宙射线中找到了,介子，其质量为,1950年，又在宇宙射线中找到了,其质量为,与汤川的理论预言吻合的很好，汤川为此获得诺贝尔奖,介子，,第三节:核力,1、放射性的发现,2、射线的成分和性质,我们曾经介绍过，法国物理学家贝克勒尔在X射线的研究中。发现了放射性，他于1896年2月发表了关于某些元素具体放射性的论文紧接着居里夫妇加入了这个研究领域，并于1898年发现，钍与铀一样，也具有放射性，并在这一年又从沥青铀矿提炼出放射性更强的元素“钋”和“镭”；为此，居里夫妇与贝克勒尔共享了1903年的诺贝尔物理奖。居里夫人又因为在这一领域内的突出贡献获1911年诺贝尔化学奖。,第四节：衰变及其统计规律,射线能使气体电离，但穿透本领很小；,3.衰变规律及其描述1)衰变的统计规律及衰变常数：衰变是自发的，对于一个核素来说，何时衰变完全是偶然的，但对大量核就存在着必然的统计规律。,射线电离本领较弱，但有较强的穿透本领；,射线几乎没有电离本领，但穿透本领很强。,第四节：衰变及其统计规律,三种射线各有自己的性质,设时，未衰变的原子核是个，随时间的推移，衰变情况如下：,其中是比例系数,它的物理意义是单位时间内的衰变几率，它标志着衰变的快慢,在时间内，,有个核衰变,等式两边积分得,这就是衰变所遵循的统计规律，在此式推导过程中引入的常数称衰变常数，可以表示为,第四节：衰变及其统计规律,-dN必定正比于当时存在的原子核数目N，也显然正比于时间dt，于是,2)半衰期,根据的,定义，可以导出其表达式，在式,中，,，则t=,，即,解得,可见,与,原子核数目减半所经历的时间称半衰期，记作,成反比，衰变常数越大，半衰期越短,令,第四节：衰变及其统计规律,该系从(镎)开始经7次，4次衰变成（铋）,该系从(铀)开始经8次，6次衰变成（铅）；,研究发现，自然界的放射性元素分成四个