核物理基础与辐射防护.ppt

核物理基础与辐射防护 能源与机械工程学院颜廷志 2009 05 30 2 纲要 原子核的基本性质原子核放射性与核衰变原子核反应原子核的裂变与聚变射线与物质的相互作用核辐射防护 2009 05 30 3 核物理发展史 原子核物理学是20世纪新建立的一个物理学分支 它研究原子核的结构和变化规律 射线束的产生 探测和分析技术 以及同核能 核技术应用有关的物理问题 它是一门既有深刻理论意义又有重大实践意义的学科 一 初期 十九世纪末 二十世纪四十年代左右 1896年 贝可勒尔发现天然放射性 核物理学的开端主要工作 人们主要从事放射性衰变规律和射线性质的研究 并且利用放射性射线对原子核做了初步的探讨 主要成果 原子的核式结构 质子和中子的发现 人工放射性核素的合成 鉴别射线种类并测定其能量 初步创建了一系列探测方法和测量仪器 如云室 气泡室 计数管 电离室等 2009 05 30 4 二 大发展时期 20世纪40年代前后 70年代 主要得益于粒子加速器和粒子探测技术的发展 主要成果 1 1939年哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象 1942年费米建立了第一个链式裂变反应堆 核能源的开端 2 合成天然不存在的超铀元素和新的放射性核素 3 核天体物理 核过程是天体演化中起关键作用的过程 4 粒子物理学 高能和超高能射线束与原子核的相互作用短寿命的轻粒子 即重子 介子 轻子和共振态粒子等 5 核技术的广泛应用 遍及理工农医各部门如核磁共振 穆斯堡尔谱学等 2009 05 30 5 三 完善和提高阶段 20世纪70年代 由于粒子物理逐渐成为一门独立的学科 核物理已不再是研究物质结构的最前沿 核物理进入了一个纵深发展和广泛应用的新的更成熟的阶段 在此期间两个方面的技术发展对核物理研究产生了深刻的影响 1 计算机技术的使用 微机处理和在线数据获取和处理系统的应用 可以让上百个探测设备协作运行 同时记录和处理成上百个参量 这就大大扩展了我们的观测能力 从而可以对比较复杂的核现象进行全面的观测和研究 2 重离子加速技术的发展 能够有效的加速从氢到铀所有元素的离子 其能量从每个核子几个兆电子伏到几千兆电子伏甚至几百GeV的能量 1eV 1 6 10 19J 1keV 103eV 1MeV 106eV 1GeV 109eV 1TeV 1012eV 比较有名的重离子加速器中心 美国RHIC 德国GSI 法国GANIL 日本RIKEN 俄罗斯DUBUNA 我国中科院兰州近代物理研究所CSR欧洲核子中心LHC 目前最高能 2009 05 30 6 第一章原子核的基本性质 1 原子核的组成2 原子核的大小3 原子核的结合能4 核力5 原子核的矩 2009 05 30 7 上世纪初的原子模型 发现原子核之前 J J 汤姆生的原子模型 枣糕模型 正电荷均匀分布在一个球体内 电子镶嵌在其中某些平衡位置上 并作简谐振动 I 原子核的发现与组成 1856 1940 1906年诺贝尔物理奖 1 1原子核的组成 2009 05 30 8 1 原子的核式模型 1871 1937 1908年诺贝尔化学奖 1909年卢瑟福 散射试验 实验现象 绝大多数的 粒子平均只有2 3度的偏转 但是有1 8000的 粒子偏转大于90度 甚至有接近180度的 2009 05 30 9 卢瑟福散射实验结论 正电荷集中在原子的中心 即原子核 估算出原子核直径约为10 15 10 14m量级 而原子直径约为10 10m量级 通常用fm表示 1fm 10 15m质量为整个原子的99 9 以上 从此建立了原子的有核模型 原子的电中性 要求 原子核所带电量与核外电子电量相等 核电荷与核外电子电荷符号相反 即 核电荷Ze 核外电子电荷 Ze 2009 05 30 10 2 中子的发现与原子核的组成 发现中子之前 人们猜测原子核是由质子和电子组成的 这个假设可以解释原子核的质量和电荷 但也遇到了不可克服的困难 与实验和理论不符 1932年查德威克 J Chadwick 发现中子 据此获1935年诺贝尔物理学奖 用 粒子轰击铍 铍放射出穿透力很强的中性粒子 可以将含氢物质中的质子击出 并证明其有与质子相近的质量 实验中放出的不是高能 而是中子 小居里夫妇错失诺贝尔奖 2009 05 30 11 中子和质子统称为核子 中子发现后 海森堡 W Heisenberg 很快提出 原子核由质子和中子组成 并得到实验支持 2009 05 30 12 实际上核素符号X和质子数Z具有唯一 确定的关系 所以用符号AX足以表示一个特定的核素 II 原子核的表示 2009 05 30 13 III 原子核表示常用术语及意义 1 核素 nuclide 具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子称为核素 核子数 中子数 质子数和能态只要有一个不同 就是不同的核素 两种核素 A同 Z N不同 两种核素 N同 A Z不同 两种核素 Z同 A N不同 两种核素 A Z N同 能态不同 2009 05 30 14 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度 具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素 即Z相同 N不同 在元素周期表中处于同一个位置 具有基本相同化学性质 2 同位素 isotope 和同位素丰度 铀的二种同位素 氢的三种同位素 99 756 0 039 0 205 99 985 0 015 2009 05 30 15 3 同中子异荷素 isotone 4 同量异位素 isobar 质量数A相同 质子数Z不同的核素 中子数N相同 质子数Z不同的核素 也称为同中子素或同中异位素 2009 05 30 16 5 同质异能素 isomer 质子数Z和中子数N均相同 而能态不同的核素 同质异能态 同质异能素所处的能态 是寿命比较长的激发态 激发态半衰期为2 81hr 2009 05 30 17 6 偶A核 奇A核 偶奇核 e o核 奇偶核 o e核 奇中子核 奇质子核 镜像核 中子数N 质子数Z互换的核素 2009 05 30 18 IV 核素图及 稳定曲线 稳定的核素都分布在一条光滑曲线上或紧靠曲线的两侧 即为 稳定线 理论预言 可能存在的核素至少应有5000种 分布在两条实线范围内 上面的一条实线为质子滴线 线上核素的质子结合能为零 下面一条实线为中子滴线 线上核素的中子结合能为零 2009 05 30 19 核素图及 稳定曲线的特点 核素图包括300多个天然存在的核素 其中稳定核素280多个 放射性核素30多个 及1600多个人工放射性核素 稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线 稳定曲线在轻核靠近Z N线 而对重核则N Z 3 偏离稳定曲线下方的核素为丰中子核素 易发生 衰变 上方的核素为缺中子核素 易发生 衰变 发生衰变后都趋向于稳定线 故称 稳定线 2009 05 30 20 1 2原子核的大小 原子核形状可近似看作球形 由于角动量 略呈旋转椭球形 根据测量方法可分为 核力作用半径 核力有一作用半径 在半径之外核力为0 通过中子 质子或其他原子核与核的作用所测得 电荷分布半径 其实就是质子分布半径 利用高能电子在原子核上的散射 电荷半径 核力半径 原子核半径近似正比于A1 3 原子核体积近似正比于A 2009 05 30 21 原子核的密度 代入 得 结论 原子核密度近似为常数 且非常大 2009 05 30 22 1 3原子核的结合能 1 原子核结合能的概念 当若干质子和中子结合成一个核时 由于核力的作用 将释放一部分能量叫结合能 以原子质量M表示 且忽略原子电子的结合能 得 2009 05 30 23 2 质量亏损与质量过剩 质量亏损和原子核结合能是同一个物理量的质量和能量表示 它们的联系就是质能关系 原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和的 少的那部分质量称为质量亏损 MassDefect 表示为 所有的核都存在质量亏损 即 2009 05 30 24 计算中 常用原子质量代替核质量 为了计算方便 定义质量过剩为 也称为质量盈余 MassExcesses 单位为MeV 在核数据手册中可查到 由它可求出原子质量 2009 05 30 25 3 比结合能及比结合能曲线 比结合能 平均结合能 单位是MeV Nu Nu代表核子 比结合能的物理意义 原子核拆散成自由核子时 外界对每个核子所做的最小的平均功 或者说 它表示核子结合成原子核时 平均一个核子所释放的能量 比结合能表征了原子核结合的松紧程度 比结合能大 核结合紧 稳定性高 比结合能小 核结合松 稳定性差 2009 05 30 26 比结合能曲线 2009 05 30 27 4 原子核最后一个核子的结合能 原子核最后一个核子的结合能 是一个自由核子与核的其余部分组成原子核时所释放的能量 也就是从核中分离出一个核子所需要给予的能量 显然 质子与中子的分离能是不等的 原子核最后一个核子的结合能的大小 反映了这种原子核对邻近的那些原子核的稳定程度 2009 05 30 28 最后一个质子的结合能为 或 最后一个中子的结合能为 或 2009 05 30 29 例如 最后一个核子结合能的物理意义 反映了这种原子核相对临近的那些原子核的稳定程度 表明16O与邻近的原子核17O 17F相比 稳定性要大得多 2009 05 30 30 5 核结合能的经验公式 原子核模型理论 从实验入手对原子核作各种各样的设想 把它类比为人们已经熟悉的某种事物 来研究原子核的性质 结构和相互作用的规律 解释已有的实验现象 如结合能 核力 核衰变 核反应等 探索预告新的实验结果 在原子核的模型理论中 较早提出并且取得极大成功的模型是玻尔 N Bohr 提出的液滴模型 除液滴模型外 还有壳模型 集体模型 费米气体模型等 一种模型理论是否成功 根本在于是否能经受实验的检验 2009 05 30 31 1 核力具有饱和性 与液体中分子的饱和性相似 液滴模型 把原子核类比为一个液滴 主要根据有两个 2 原子核是不可压缩的 与液体的不可压缩性相类似 由于质子带正电 原子核的液滴模型把原子核当作带正电荷的液滴 2009 05 30 32 根据液滴模型 结合能半经验公式为 2009 05 30 33 体积能项 结合能中的主导项 由于核力的饱和性 它正比于核体积 V A 表面能项 表面核子的核力没有饱和 表面核子的结合弱 要从体结合能减去一部分 该部分正比于核的表面积 S A2 3 库仑能项 核内有Z个质子 它们之间存在库仑斥力 使结合能变小 对称能项 反映核内的中子数与质子数是否相等 若它们相等时为零 2009 05 30 34 对能项 由核内N Z的奇偶性确定 不同奇偶性的核有不同的对能项 理论与实验结果比较 1 理论与实验结果比较相符 2 仅当Z N 20 28 50 82等幻数时有偏离 3 轻核的理论结果与实验差别也较大 原因 液滴模型给出的是统计的平均结果 2009 05 30 35 1 4核力 1 核力的一般性质 A 核力是强相互作用力 核力约比库仑力大一百倍 B 核力的电荷无关性 p p n n n p之间的核力近似相等 C 核力具有短程性和饱和性 短程性 核力是短程力 其有效力程小于3fm 饱和性 核力只作用于相邻核子 而相邻核子数目是有限的 D 核力主要是吸引力 在极短程内有排斥芯 0 8 2fm时 核力表现为吸引力 在小于0 8fm时 有较强的排斥力 在大于10fm时核力几乎完全消失 2009 05 30 36 2 核力的介子理论 电磁相互作用通过交换光子而发生相互作用 1935年 日本汤川秀树提出了核力的介子理论 核子间通过交换介子而发生相互作用 可由核力的作用范围及不确定关系估计介子质量的量级约为电子的200多倍 后来发现 在核力作用中 介子是核子相互作用的传播子 2009 05 30 37 3 原子核的势垒 粒子与原子核作用过程的势能曲线 核力为零 仅为库仑势位 称为库仑势垒 势垒最高 为库仑势垒高度 核力大大超过库仑力 势能迅速下降并改变符号 粒子进入靶核 合力为零 势能为常数值 称为势阱深度 2009 05 30 38 量子力学中穿透势垒的概率在经典力学中是难以解释的 量子力学中 能量大于势垒的入射粒子有可能越过势垒 但也可能被反射回来 而能量小于势垒的粒子有可能被势垒反射回来 也有可能穿透势垒进入核势阱 这种效应称之为隧道效应 隧道效应 2009 05 30 39 1 5原子核的矩 自旋 磁矩和电四极矩 1 原子核的自旋 质量m 电荷 q的粒子作圆周运动时 相当于环形电流 产生磁矩 和角动量L 与L有如下关系 核自旋是核内所有核子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和 2009 05 30 40 2 原子核的磁矩 1 核子的自旋磁矩 但实验结果显示 中子磁矩不为0 质子的磁矩也相差很大 理论上质子带电 那么质子也应该具有自旋磁矩 中子不带电 那么中子的自旋磁矩应该为0 质子 中子不是基本粒子 而具有内部结构 中子为中性粒子 具有磁矩 说明中子的内部结构具有电荷 核子反常磁矩的存在说明 核