第七章-原子核物理.ppt

第七章原子核物理概论 1 原子核物理的研究对象2 原子核的基态特性3 天然放射性4 核反应及原子能的利用 主要内容 29原子核物理的研究对象 一 历史回顾 1896年 贝克勒尔发现了铀的放射现象 1897年 居里夫妇发现放射性元素钋和镭 1899年 1900年发现射线和射线 1903年 卢瑟福证实了射线是带正电的氦原子 射线是电子 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 1932年 查德威克发现中子 海森伯提出原子核由质子和中子组成 1934年 约里奥 居里夫妇发现人工放射性 1939年 哈恩和史特拉斯曼在用中子轰击重元素铀的实验中 发现有中间质量的元素产生 梅特纳和弗里什提出用铀原子核分裂成两半的产物解释实验结果 玻尔和惠勒提出了重核裂变的液滴模型理论 1942年 费米等发明热中子链式反应堆 1945年 奥本海默领导的美国洛斯 阿拉莫斯实验室制成快中子链式反应装置 1952年 泰勒等实现了轻元素的热核爆炸 1954年 苏联建成第一个原子能发电站 二 原子核的组成 1919年 卢瑟福发现了质子 质子 带一个单位正电荷 1932年 查德威克发现了中子 一种原子核 用符号 例如符号 表示 同位素 Z相同而N不相同的原子核 例如 同中子异位素 N相同而Z不相同的原子核 例如 同量异位素 A相同而Z和N不相同的原子核 例如 原子核是由质子p和中子n组成 质子和中子统称为核子 原子核中的核子数 质子数和中子数分别以A Z和N表示 它们满足关系 A Z N 三 核素图 兰州近代物理研究所利用HIRFL合成的新核素 首次建立的核衰变纲图及部分研究过的核素 原子核质量亏损 m 一 原子核的质量亏损和结合能 原子核的结合能 用B表示 核子的平均结合能 比结合能 B A B也代表把原子核拆散时所需做的最小功的数值 30核的基态特性之一 核质量 讨论 质量数A 轻核和重核的比结合能都小于中等质量原子核的比结合能 这一事实是核能得以利用的基础 获得核能的途径有两个 重核裂变和轻核聚变 3 在质量数小于30的原子核中 比结合能的数值就其总的趋势来讲是随A的增大而增大 但有明显的起伏 2 质量数在30以上的原子核中 比结合能随A的变化不大 近似为一常量 这显示了核子只与邻近核子作用 核力具有饱和性 二 半经验质量公式 1935年 魏扎克 Weizacker 根据液滴模型给出了一个半经验核质量公式 将原子核比作一个密度极大的 不可压缩的液滴 原子核结合能的半经验公式 体积能 表面能 库仑能 对称能 对能 魏扎克 Weizacker 公式 从实验定出 31核力 一 核力的基本性质 1 短程 强相互作用 2 饱和性 核子只与它相邻的核子有相互作用 大于 核力消失 4 核力与自旋有关 二 核力的介子理论 1935年 汤川秀树提出了核力的介子理论 核力是一种交换力 核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用 并估计这种媒介粒子的质量约为电子静止质量的200倍 介于质子和电子质量之间 故称为介子 1947年 鲍威尔在宇宙射线中发现了介子 称为介子 有 三种 质量分别为 3 核力与电荷无关 两核子之间的核力与它们的自旋的相对取向有关 不同核子的相互作用通过发射或吸收介子而产生 相当于两核子之间的位置发生交换 核力为交换力 一 核自旋 32核的基态特性之二 核矩 原子核具有角动量 常称为核自旋 它是核内A个核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和 实验发现 原子核基态的自旋量子数有如下规律 偶A核的自旋量子数都是整数 其中偶偶核的自旋都为零 奇A核的自旋量子数都是半整数 二 核子磁矩 核磁子 三 核磁矩 质子 中子和原子核都具有磁矩 核磁矩为 四 电四极矩 电四极矩是量度原子核电荷偏离球对称的程度 当Q 0时 核电荷分布呈球形 Q 0时 呈长椭球形 Q 0时 呈扁椭球形 对于任意的带电体系 它在x处产生的电势为 原子核的电偶极矩恒等于零 电四极矩定义为 33放射性衰变的基本规律 放射性衰变 核素自发地放射出某种射线而变成另一种核素的现象 已经发现的放射性衰变模式 1 衰变 放出带两个正电荷的氦原子核 2 衰变 放出电子 或正电子 同时放出反中微子 或中微子 3 衰变 放出波长很短 小于0 01nm 的电磁辐射 4 自发裂变 原子核自发分裂为两个或几个质量相近的原子核 放射现象的研究是获悉原子核内部状况的重要途径之一 衰变常数 代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率 一 指数衰变律 平均寿命 每个原子核衰变前存在时间的平均值 二 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 半衰期 放射性核素衰变其原有核数一半所需时间 三 放射性活度 单位 贝克勒尔 Bq 居里 Ci 1Ci 次核衰变 秒 Bq 放射性活度A 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数 1Bq 1次核衰变 秒 四 半衰期的测定 对于半衰期特别长的核素 一 衰变条件 衰变条件 衰变能 二 衰变能与核能级图 34 衰变 根据能量守恒定律 测得 粒子的动能有六种 此外有能量不同的五种射线 粒子能谱具有分立特性 原子核具有分立的能量状态 T1 2 60 5min 一 衰变面临的难题 射线能谱引发的难题 1 原子核是个量子体系 它应具有分立的能级 而核衰变则是不同原子核能态之间的跃迁 由此释放的能量必然是分立的 而 射线能谱却是连续的 2 不确定关系不允许核内有电子 来自何方 35 衰变 二 中微子假说 1930年 泡利提出了中微子假说 当放射性核素发生 衰变时 除了放出电子外 还伴随着放出一个轻的中性粒子 称为中微子 中微子分为两种 中微子和反中微子 它们的质量完全相同 都不带电荷 但自旋方向不同 由于三者之间能量的任意分配均不违反动量守恒定律 所以射线的能量是连续的 形成了连续谱 假设中微子的自旋和电子一样为 则衰变前后的角动量守恒 由于 衰变能主要在电子和中微子之间分配 当时 当时 其余情况下 衰变 衰变 1956年 从实验上发现了中微子 费米认为 正像光子是原子或原子核不同状态之间跃迁的产物 电子和中微子是原子核中质子和中子之间转换产生的 质子和中子可视为核子的两个不同状态 导致光子产生的是电磁相互作用 而导致电子和中微子产生的是弱相互作用 三 衰变的三种类型及衰变条件 a 衰变 能量守恒 衰变条件 E0 0 即 b 衰变 c K俘获 原子核俘获一个核外轨道上的电子而转变为另一个原子核的过程 能量守恒 衰变条件 E0 0 即 衰变条件 E0 0 即 一 衰变 衰变 原子核通过发射 光子从激发态跃迁到较低能态的过程 36 衰变 二 穆斯堡尔效应 穆斯堡尔效应 一种原子核无反冲的 射线共振散射或吸收现象 1 射线对核的反冲 一个质量为m的自由核 从激发态E2跃迁到基态E1 发射一个能量为E 动量为P 的光子 设核原来静止 按动量守恒定律 核反冲动能为 根据能量守恒定律 发射的 光子的能量为 一般核发射的 射线能量约为MeV的数量级 ER E 故 发射光子的能量 吸收光子的能量 这正是人们观察不到 射线共振吸收的原因所在 以57Fe为例 激发态能级宽度 反冲能量 可见反冲能量ER比起E 是个小量 但ER比起核激发态的能级宽度 却是个大量 要大约6个数量级 E 偏离E为10 3eV的数量级 表明和相差 2 穆斯堡尔效应的应用 验证了引力红移效应 半径为R 质量为m0的发光星球发出能量为的光子 引力势能为 光子的质量m hn c2 在远离发光星球处接受到的光子能量为 表明频率要变小 波长增大 向红色方向移动 故称之为引力红移 例如 在地球上 高度相差20m 将使频率变化2 10 15 1960年庞德和里布卡利用穆斯堡尔效应在地面上测量了同源吸收体在高度上相距22 5m时的 射线能量位移 57Fe的磁超精细分裂谱 源的速度 mm s 相对计数率 能量改变E 10 1eV 37核反应 核反应 在具有一定能量的粒子轰击下核素性质的改变 一 几个著名的核反应 1 历史上第一个人工核反应 2 第一个在加速器上实现的核反应 按入射粒子的类型分 粒子 质子 中子 氘核 光子引起的核反应 按入射粒子的能量分 低能 中能 高能 核反应 按靶核质量分 轻核 A80 核反应 电荷数守恒 反应前后总电荷数不变 核子数守恒 反应前后核子数不变 能量守恒 反应前后粒子的总能量守恒 动量守恒 反应前后体系的总动量守恒 角动量守恒 反应前后体系的总角动量守恒 核反应的守恒律 核反应一般可用方程表示为 3 产生第一个人工放射性核素的反应 4 导致发现中子的核反应 二 Q方程 静质量 动能 核反应 反应能 Q 0称为放能反应 Q 0称为吸能反应 动量守恒 核反应的Q方程 例1试计算反应的反应能 对于吸热核反应 Q方程的另一种表达形式 入射粒子 核 的动能必须大于反应阈值 要满足 一 核裂变 取得核能的重要途径之一 使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程 称为核裂变 核裂变 例如 235U在慢中子的轰击下 可发生裂变反应 一个235U核裂变 可释放出约211MeV的能量 38裂变与聚变 1964年10月16日我国自行研制的第一颗原子弹 1945年8月6日日本广岛代号 小男孩 原子弹 核反应堆 说明 1 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要小10 7倍 1kg的235U全部裂变所释放出可利用的核能 约相当于2500t标准煤燃烧所释放出的热能 2 1954年6月27日 第一座功率为5000千瓦的核电站在前苏联建成 立陶宛大约82 的电靠核电 此比例为世界之最 3 秦山核电站是我国于1991年自行设计并建成的 其功率为300兆瓦 核电站的工作原理示意图 大亚湾核电站夜景 德国Byron核电站外景 氘核聚变 二 核聚变 取得核能的又一重要途径 使两个很轻的原子核聚集变成为一个稍重的原子核的过程 称为核聚变 实现受控热核聚变的条件 1 10KeV 形成正离子与等量电子同时存在的等离子体 2 劳逊判据 等离子体密度n和存在时间 太阳内部主要有两种聚变反应 1 质子 质子循环 2 碳氮循环 等离子体约束 引力约束 惯性约束和磁约束 两种反应的总效果完全相同 均是 一般认为太阳内质子 质子循环占绝大比例 这主要取决于太阳内部的温度 说明 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 2 人们依靠核聚