大学物理 第18章 原子核物理与粒子物理简介.ppt

第18章原子核物理与粒子物理简介 18 1原子核的一般性质 18 2原子核的放射性衰变 18 3核衰变规律 18 4原子核的裂变与聚变 18 5粒子物理简介 2 原子核物理学是研究原子核特性 结构和变化等问题的一门科学 一方面是对原子核的结构 核力 核反应等问题的研究 这些是涉及物质结构的基本问题的 另一个方面是原子能和放射性的应用 粒子物理的研究内容主要有两个方面 一是粒子的内部结构 一是粒子间的相互作用 运动和变化规律 3 18 1原子核的一般性质 一 原子核的组成 1911年卢瑟福提出原子的核式模型 1919年卢瑟福首次实现人工核反应 用 粒子从氮核打出质子 1932年英国物理学查德威克 S J Chadwick 发现中子 海森伯和伊凡宁柯 独立地提出原子核是由质子和中子组成 质子和中子的质量用原子质量单位量度时 自由质子和自由中子分别为 质子和中子 海森伯称它们为核子 并把质子和中子看作核子具有不同同位旋的两个状态 4 mp 1 00727661umn 1 0086654u 1961年确定 采用126C作为标准原子质量单位1u unit 定义为一个碳原子质量的1 12 1u 1 6605402 10 27kg 1 质量数原子核的质量数 massnumber 就是原子核内质子和中子的总数 用A表示 A Z N 2 核电荷原子核带正电 Ze 核素的符号AZXN表示 实际上简写为AZX 或AX 11H 21H 42He 5 3 核半径 实验表明原子核的半径约10 15米 原子核的半径同质量数A有关系 A是原子核的质量数 r0 1 1 1 3 10 15米 原子核的密度 可以证明N A M等于阿伏伽德罗常数 可见各种原子核的密度是相同的 1017千克 米3 1014吨 米3 6 二 放射性同位素和核素 1896年3月 法国物理学家贝克勒尔 A H Becquerel 在用铀U盐样品进行实验时发现U能发出一种辐射 这种辐射是从U原子核中自发地发射出来的 原子核的这种性质被称为放射性 这是人类第一次在实验室里观察到了原子核的天然放射性现象 核素 原子序数Z 中子数N 质量数A都相同的一类原子称为某种核素 同位素 质子数Z相同而质量数A不同的元素的原子称为该元素的同位素11H 21H 31H是H的三种同位素 核结构不稳定的 能自发地放出射线的同位素 称为放射性同位素 7 同质异能素 原子序数Z和质量数A都相同的原子核而处于不同的能量状态 那些处于激发态 寿命又较长的核素 如 9943mTc和9943Tc 21083mBi和21083Bi 左上角带m的表示处于激发态的原子核 同量异位素 原子序数Z不同但质量数A相同的核素 例 4018Ar 4020Ca 核素的稳定性ZZ的方向偏移 中子数或质子数过多或偏少的核素是不稳定的 8 核素图 9 核素图 10 三 原子核的结合能 原子核的质量小于自由状态的单个核子质量的和mA Zmp Nmn 由质能关系E mc2 核子在组成原子核的过程中 由于质量减少而放出相应的能量 称为原子核的结合能 结合能DE mc2 m称为质量亏损 E Zmp Nmn mA c2 结合能B一般是 Z A 的函数 核子的平均结合能 比结合能 11 12 1 在中等质量数 A 30 120 的原子核中平均结合能较大 在8 6MeV上下 56Fe核到达极大 e 8 79MeV 结合最紧密 轻核和重核的较小 因此 获得核能的途径有两个 重核裂变和轻核聚变 2 中等核平均结合能变化不大 原子核的结合能B差不多与质量数A成正比 显示了核力的饱和性 3 A 30的轻核 平均结合能显出随A值有周期性变化 e最大值落在A等于4 2质子 2中子 的倍数上 显示这样的结构比较稳定 13 例94Be原子质量是9 0121858u 其原核是4个质子和5个中子构成的 解 9个粒子的质量1 0078252 4 1 0086654 5 9 0746278u4个质子用氢原子的质量 包括了4个电子的质量 质量差数是9 07463 9 01219 0 06244u 1u质量单位结合能为931 5MeV 94Be结合能为58MeV 14 四 核力 原子核由核子构成 核子之间的强吸引作用力称为核力 核力的基本性质1 核力是短程力 表明作用力程很小 约为 10 15m2 核力是强作用力比电磁相互作用约大2 3个数量级3 核力与电荷无关性 把质子间库仑作用影响扣除后 4 核力具有饱和性一个核子只同附近几个核子有作用力 15 18 2原子核的放射性衰变 核素分为 稳定性核素和放射性核素放射性核素有 天然放射性核素人工放射性核素原子核的衰变 放射性核素发出某种射线而转变为另一种核素的现象 核衰变可分为 衰变 衰变和 衰变 特点1 放射性原子核衰变是一个统计过程 2 核衰变过程严格遵守质量守恒 能量守恒 动量守恒 核子数守恒和电荷守恒等基本定律 3 与其组成的原子的化学和物理状态无关 16 一 衰变 放射性核素的原子核放射出 射线而变为另一种核素的现象称为 衰变 1 射线氦核 24He 粒子流 带 2e电荷能量 5MeV 9MeV速度 1 6 109 2 2 109cm s空气中的射程 3 10cm电离本领强 穿透本领弱 式中X表示衰变前的母核 Y表示衰变后的子核 Q表示衰变能 衰变能被子核和 粒子共同分得 粒子从原子核中放射出来是一种量子隧道效应 17 2 核衰变过程能级图 212Bi 能谱 实验发现 在 衰变中 粒子的能谱是不连续的线状谱 而且常伴有 射线 18 二 衰变和电子俘获 核电荷改变 1 而质量数不变的核衰变过程 衰变有三种形式 衰变 衰变和电子俘获 1 衰变 净过程 反中微子是不带电的中性微粒 它的静止质量可视为零 是中微子 00v 的反粒子 例 19 衰变图 衰变条件 衰变的必要条件 Mz Mz 1 20 2 衰变 净过程 例如 21 衰变条件 衰变的必要条件 Mz Mz 1 2me 衰变能谱 1 能量连续分布 2 能量有一确定的最大值Emax Q 3 射线强度最高处的能量E Emax 3 22 粒子能谱引发的困难对原子这样的量子体系 原子核具有分立能级 粒子能量应是分立的 不是连续的能谱 如前的 粒子的能谱 注意到能谱中绝大部分 粒子的能量小于衰变能 Q Emax 似乎 衰变前后能量不守恒 1930年 泡利提出了中微子假设 原子核发射 电子时 同时发出一个自旋为1 2 质量很小或几乎是零的中性粒子 称为中微子 中微子分为两种 它们的质量完全相同 都不带电荷 但自旋方向不同 有了中微子假设 上述困难迎刃而解 23 由于三者之间的分配是任意的 所以粒子的能量是连续的 形成了连续谱 3 电子俘获 核素俘获一个核外电子 使核内一个质子转变为一个中子 同时又放出一个中微子而变为原子序数减1的核素 这一过程称为电子俘获 常用符号EC表示 如果母核俘获一个K层电子称K俘获 同理有L俘获和M俘获 净过程 24 例如 5526Fe的电子俘获衰变图 在电子俘获过程中 内层轨道出现空位 外层轨道电子填补内层空位而产生标识X射线或俄歇电子 25 三 衰变和内转换 处于激发态的原子核向较低能态或基态跃迁时 把多余的能量以 光子的形式辐射出来 这种过程称为 跃迁 也称 衰变 原子核经 跃迁后 子核的质量数和原子序数不变 只是能级发生了改变 原子核并没有变成别的核 故 跃迁又称同质异能跃迁 210m83Bi的衰变图 26 处于激发态的原子核向低能态跃迁时 直接把能量传递给电子 使它脱离原子核的束缚而成为自由电子 这种现象称为内转换 放出的电子称为内转换电子 27 18 3核衰变规律 一 放射性衰变规律 核素中绝大部分都是不稳定 会自发地蜕变 变为另一种核素 同时放出各种射线 这现象称为放射性衰变 指数衰变规律 dt时间内发生的核衰变的数目为 dN 称衰变常数 是放射物衰变快慢的标志 28 在t时刻 单位时间内衰变的原子核数占该时刻原子核总数的百分比 注意 这是一个从实验中总结出来的统计规律 当核数目N很大时才成立 衰变过程存在涨落现象 这规律只对单独存放的放射性核素才适用 对于连续衰变过程中的居间物质 如A B C中的B 则不服从这个简单规律 核衰变规律 29 二 半衰期T1 2 放射性原子核因衰变而减少至原来数量的一半所需的时间 通常用T1 2表示 是不同放射物的又一标志 如果用半衰期代替衰变常数 30 三 平均寿命 某种放射性核素中每个原子核衰变前存在时间的平均值 在t t dt内 有dN个原子核发生衰变 它们的寿命都是t 所以它们的总寿命为 衰变常数 半衰期T1 2 平均寿命 之间的关系 31 四 放射性活度I t 放射源单位时间内衰变的核数目称为该放射源的放射性活度 也称放射性强度 它是时间的函数 对于隔离物质 中I N I0 N0 分别表示t时刻和初始时刻的放射性活度 由T与 的关系 还可以得到 32 放射性活度的国际单位是 贝可勒尔 Becquerel 简称贝可 Bq 且1Bq 1次核衰变 s 放射性活度过去常用的单位为 居里 Curie 1Ci 3 7 1010Bq 1居里 Ci 3 7 1010次的核衰变 秒1毫居里 mCi 10 3Ci1微居里 Ci 10 6Ci 33 例 226Ra的半衰期为1602y 1g226Ra的放射性活度为多少 解1g226Ra的原子核数为 2 665 1021 所以 3 66 1010Bq 由上可知 1g镭的放射性活度约等于1Ci 历史上人们正是把1g镭的放射性活度规定为1Ci的 34 例 设一台 刀初装时60Co源的总活度为6040Ci 使用5年后60Co源活度为多少Bq 其平均寿命为多少年 解60Co的半衰期T 5 27y I0 6040 3 7 1010Bq 5年后活度为 1 16 1014Bq 平均寿命为 35 18 4原子核的裂变与聚变 核反应指的就是核的改变 放射衰变是原子核自发的变化 但更多的是原子核受激的变化 即原子核受粒子撞击而转变成另一种原子核的过程 一 核反应的能量 第一个人工核反应是1919年 卢瑟福用212Po放出的7 68MeVa粒子轰击氮气 一般地 反应可由下式表示为 a X Y b反应物是a和X 产物是Y和b 36 m E表示核反应a X Y b中相应静质量质量和动能 能量 质量 守恒 静止能量的释放 动能的增加 反应能Q定义为 反应能等于反应物和生成物之间静能之差 对不同的核反应 Q可正可负 Q 0称为放能反应 Q 0称为吸能反应 37 二 原子核的裂变反应 核裂变 重核分裂成质量不等核的现象 核素能够自身裂变的现象称为自发裂变 入射粒子与重原子核作用发生裂变 称为诱发裂变 1934年 费米用中子轰击原子核 发现许多人工放射性核素 1938年 哈恩和史特拉斯曼发现 当中子轰击铀核时 在产物中存在钡那样的中重核 费米因此获得1938年诺贝尔物理学奖 慢中子打击23592U 235U称为裂变核 141Ba和92Kr核称为裂变产物 38 原子核裂变过程被打击的原子核先吸收中子 形成复核 然后裂开 236U裂变产物 X和Y代表裂开的二碎块 裂变中子 可分为两群 瞬发中子 每次平均放出2 5个 大约有99 2 的中子在10 12秒内放出 缓发中子 在半衰期为秒的数量级 除放出中子外 碎块往往以b 衰变方式连续衰变到稳定核止 裂变能量 重核裂变成中等A值的原子核时 放出的能量能量的数值大 39 三 原子核的聚变反应 轻核的聚变原子核聚合而成较重原子核时也会放出能量 下列的是几个聚变反应 1 21H 21H 32He 10n 3 25MeV 2 21H 21H 31H 11H 4 0MeV 3 21H 31H 42He 10n 17 6MeV 4 32He 21H 42He 11H 18 3MeV平均每粒2H放出7 2MeV 单位质量的2H放出3 6MeV 平均每粒235U裂变放出200MeV单位质量的235U裂变放出0 85MeV 所以单位质量的2H聚变所放出的能量是单位质量的235U裂变所放出的能量的4倍左右 40 与裂变反应相比 聚变反应有如下特点 1 可释放更大的能量 2 聚变材料十分丰富 3 聚变产物基本上是稳定核素氦 没有放射性 不污染环境 可免去处理放射性废料的麻烦 41 四 热核反应和聚变能的利用 受控热核反应 聚变反应必须在极高的温度 108 109K 下才能发生 在这样高的温度下 原子完全电离 形成原子核和自由电子的混合体 称为等离子体 在高温等离子体中 氘核以高速度无规则运动 连续相互碰撞 发生大量聚变 这样的反应是在原子核的热运动中发生的 所以称为热核反应 如果这种反应能加以控制 则称为受控热核反应 等离子体的约束等离子体被约束 一方面使其脱离器壁 温度不致下降 另一方面还要使等离子体被压缩 使温度上升 磁场约束 惯性约束 引力约束 42 惯性约束 激光聚变反应激光聚变反应是通过所谓 内爆 过程实现的 一个含有聚变材料的小丸受强激光照射 其外层突然加热 发生膨胀 挤压内层材料使它的密度和温度都升高 这所谓惯性约束 这时可能发生核聚变 激光射到氘和氚的混合体 产生高温和高压 促使两种原子核聚合为氦和中子 同时放出巨大能量 43 可控聚变反应堆 磁约束 带电粒子 等离子体 在磁场中受洛仑兹力的作用而绕着磁力线运动 因而在与磁力线相垂直的方向上就被约束住了 同时 等离子体也被电磁场加热 托克马克反应器 44 18 5粒子物理简介 1897年汤姆森发现了第一个基本粒子电子 但从1932年安德孙发现正电子 才是粒子物理学诞生的标志 这个发现所揭示的正反粒子对称性 是粒子物理最基本最重要的对称性 而从这个发现开始 对称性一直是支配粒子物理学研究的基本观念 从发现电子到现在的一个多世纪中 共发现了400余种粒子 包括质子 中子 电子 介子超子等 它们大都属于比原子核更深的层次 45 一 粒子的基本性质 粒子的基本性质主要可用 质量 电荷 自旋 平均寿命描述 在粒子进行反应的过程中 能量 电荷 动量 角动量等仍然守恒此外还有如 重子数及重子数守恒定律 轻子数及轻子数守恒定律 同位旋及同位旋分量守恒定律 宇称守恒定律等等 二 粒子的相互作用及其统一模型 1 粒子之间的四种相互作用引力相互作用 电磁相互作用 强相互作用和弱相互作用 46 四种相互作用的比较 弱电统一理论 1968年格拉肖 温伯格 萨格姆三人在现代高能物理实验的基础上 把弱相互作用和电磁相互作用统一起来 已得到了实验的检验 证明它是正确的理论 但仍存在着不足 能否把电磁相互作用 弱相互作用和强相互作用大统一起来 47 2 粒子分类按参与相互作用的性质 1 规范粒子 规范粒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 2 轻子 轻子的自旋都是3 2 如电子 子等 只参与弱相互作用 带电的轻子也参与电磁作用 3 强子 强子分为介子和重子两类 绝大多数粒子都属于这一类 它们可参与强相互作用 也可参与弱相互作用 两种作用同时存在时 强相互作用是主要的 若按其质量 1 轻子 这些粒子质量都有很小 如电子 中微子 子 48 2 介子 粒子的质量介于电子与质子之间 如 介子 K介子 3 重子 重子可分为核子和超子 核子如质子