原子核物理与基本粒子简介.ppt

16 1原子核的基本性质16 2核力和核结构16 3原子核的结合能裂变和聚变16 4放射性衰变16 5粒子物理简介 第16章原子核物理和粒子物理简介 BEPC 储存环 本章教学要求 了解原子核的基本性质 理解核力与核结构的特点 理解原子核的结合能 核裂变与聚变及其与核能和平开发利用的关系 了解核放射性衰变及其特点 了解粒子物理的基本知识 一 原子核的组成 1932年查德威克发现了中子 1911年卢瑟福建立了原子核的概念 海森伯提出了原子核是由质子和中子组成的假设 16 1原子核的基本性质 二 原子核的电荷和质量 原子核带电量为 Ze 电荷数Z为核内质子数 原子质量单位u为一个处于基态的中性原子质量1 12 同位素具有相同原子序数的核素 例 同中子异位素具有相同中子数的核素 例 电荷数 质量数 原子核的半径可近似地表示为 白矮星密度109 2 1011kg m3 中子星密度1018kg m3 核物质平均密度 2 1017kg m3 三 原子核的形状和大小 I称为核自旋量子数 四 原子核的自旋和磁矩 1 核自旋 1 I只能取整数或半整数 讨论 2 原子核基态的自旋量子数有如下规律 偶 偶核的自旋量子数都等于零 奇 奇核的自旋量子数都等于非零整数 奇A核的自旋量子数都等于半整数 在给定方向的投影为 3 核自旋 mI为原子核的磁量子数 取值I I 1 I 1 I 2 原子核的磁矩 N称为核磁子 gI称为原子核g的因子 1 讨论 与核自旋平行和反平行两种情况 4 质子的磁矩几乎是核磁子的3倍 而中子具有负磁矩 最大可能值为 3 核磁矩在给定方向的投影可能取值为gImI N 其投影的 数值约为核磁子的2倍 这表明不能把质子和中子看成 是无内部结构的粒子 2 gI是一个纯数 可能为正 也可能为负 分别表示磁矩 5 氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和 但并不完全相等 其它原子核的磁矩也是如此 都不等于组成它的所有核子磁矩之和 这一事实说明核内各核子间存在着复杂的相互作用 核力是短程强作用力 核力与核子的电荷无关 核力是具有饱和性的交换力 核力与自旋有关 核力中除了有心力外 还包含有微弱的非有心力成分 一 核力及其性质 1 液滴模型 核结合能的半经验公式 与实验结果符合得相当好 成功的说明了原子核裂变现象 1935年魏茨泽克根据液滴模型提出了一个关于原子 二 核结构模型 成功应用实例 16 2核力和核结构 成功地描写原子核整体行为 抓住了核子间相互作用最重要的特性 核力的短程性和饱和性 把原子核当作一个整体 没有说明原子核的内部结构 无法解释原子核诸如能级结构 角动量等特性 缺点 优点 幻数 核质子数或中子数等于2 8 20 28 50 82和中子数 为126时的原子核 成功的解释了原子核幻数 基态的自旋和宇称以及衰变等 2 壳层模型 成功应用实例 独立地在一个静止的平均势场中运动的假设过于简化 不能解释远离双幻核区域的 原子核磁矩 核电四极矩以 及 跃迁概率等问题 这表明壳层模型中关于各核子彼此 不足 3 集体模型 在50年代初 丹麦物理学家玻尔等人提出了在考虑单粒子 独立运动的同时 还必须考虑原子核发生转动和振动等集 体运动的新模型 集体模型 或称为综合模型 16 3原子核的结合能裂变和聚变 一 原子核的结合能 原子核质量小于组成核的所有核子静止质量之和 二者之差 1 原子核质量亏损 一个中性轻原子质量 中性原子核质量 二者相减 Z个电子质量抵消 2 原子核的结合能 把原子核拆散所需做功的最小数值 048121620242850100150200250 2H 6Li 3He 8Be 7Li 4He 11B 12C 20Ne 16O 24Mg 30 MeV EB A A 1 比结合能总趋势随A增加而增大 但有起伏 2 比结合能变化不大 结合能大致和A成正比 3 中等质量原子核的比结合能大 轻核 重核比结合能较小 两个轻原子核聚集成稍重原子核或重原子核分裂为两个中等质量原子核由于比结合能增大 可释放出能量 3 原子核的比结合能 例吸收一个中子 一个可能的反应过程 二 核裂变与核聚变 1 原子核裂变 一个重原子核分裂为两个过两个以上中等质量原子核 同时释放出极大能量 释放出约200MeV的能量 同时放出两三个中子 如果其中至少有一个中子能诱发另一个裂变 就能使裂变自持地进行下去 形成裂变链式反应 说明 1 在1942年12月费米建立了第一座可控核裂变链式反应堆 2 化学反应中一个原子能够提供的化学能不到10eV 与一个核裂变能相比小10 7倍 1kg的235U全部裂变释放出可利用的核能 约相当于2500t标准煤燃烧所放出热能 已提纯的235U 准备再加工为实弹弹头 核电站工作原理图 四个常见的重要轻核聚变反应 以上四个反应的总效果是 3 原子核的聚变 1 1kg的氘核聚变时 放出的能量是1kg铀裂变时放出能量的4倍 相当于104t煤燃烧放出的能量 说明 两个轻核聚合成为一个稍重原子核的过程 2 依靠核聚变取得能量的例子有 太阳能 引力约束核聚变 和氢弹 惯性约束核聚变 3 惯性约束和磁约束聚变是受控热核反应的两种主导方式 图示为用于激光核聚变实验的六路真空靶室 实验中采用大功率 1014W 钕玻璃激光器 用于激光核聚变靶室的氘氚混合燃料弹丸 它是微小球体 直径约几个毫米 一 放射系 镎系中 镎的半衰期最长 为2 14 l06年 由于其比地球年龄短得多 因此天然不存在镎系 16 4放射性衰变 1 指数衰变律 二 放射性衰变的基本规律 在t到t dt时间内发生衰变的原子核数与t时未衰变的原子数N成正比 与时间dt成正比 为 1 放射性衰变遵从指数规律 积分得 说明 衰变常量 单位时间内原子核发生衰变的概率 2 N0为t 0时原子核数目 3 由第一式得 0T2T3T4T N N0 1 00 5 t 半衰期T原子核数衰变到原来数目一半所需的时间 平均寿命 表示每个原子核衰变前存在时间的平均值 2 半衰期和平均寿命 1 平均寿命为衰变常量的倒数 是半衰期的1 44倍 2 经过时间 后 剩下的原子核数约为原来的37 说明 0T2T3T4T N N0 1 00 5 t 在t到t dt时间内发生衰变的原子核数为 Ndt 其总寿命为t Ndt 所有原子核的总寿命为 平均寿命为 3 放射性活 强 度I 一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数 1Ci 3 7 1010Bq 1Bq 1次核衰变 秒 I0 N0为t 0时放射源的强度 其中 常用单位居里 Ci 国际单位贝克勒 Bq 三 测年法 宇宙射线中的中子与大气中的发生反应 碳放射性同位素 半衰期5730年 大气中的是稳定的 生物体一旦死亡 得不到补充 体内的就会按放射性规律减少 通过测量的放射性活度就可确定生物体与外界停止碳交换的年代 一 粒子的分类 1 按自旋分类 16 5粒子物理简介 2 按相互作用分类 1 规范玻色子 规范玻色子是传递相互作用的粒子 光子传递电磁相互作用 W 和Z0传递弱相互作用 胶子传递强相互作用 引力子传递引力相互作用 理论上预言它的自旋是2 2 轻子 共12种 中微子系中性粒子 质量为零 只参与弱相互作用 说明 轻子参与引力相互作用 电磁相互作用和弱相互作用 3 强子 强子参与所有四种相互作用 二 四种基本相互作用 1 四种基本相互作用的性质 弱电统一理论 电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用 相互作用过程中 如果交换的是W W 和Z0粒子 就是弱相互作用过程 如果交换的是光子 就是电磁相互作用过程 三 基本相互作用和守恒定律 注 表示不守恒