第16章-原子核物理.ppt

第十六章 原子核物理 16 1原子核的基本性质 16 1 1原子核的构成 1919年 卢瑟福在实验中首先实现了原子核的人工破裂 并发现了质子 记作p 1932年 英国物理学家查德威克在实验中发现了中子 记作n 原子核是由质子和中子构成 核子 质子 中子 核子半径 约0 8 10 15m 质子质量 中子质量 原子质量单位 定义 碳同位素12C的质量为12u 质子质量 中子质量 核素 各种原子核的统称 X 元素符号 A 核素的质量数 核子数 Z 核电荷数 核内质子数 例如 铝 A 27 Z 13 原子核的平均半径 飞米 fm 氢原子核密度 16 1 2核的自旋和磁矩 质子和中子的自旋角动量 质子和中子的自旋角动量的z分量 原子核的自旋角动量 j为原子核的自旋量子数 原子核的自旋角动量的z分量 基态 A 偶数 j 整数 A 奇数 j 半整数 A Z 偶数 N 偶数 j 0 结论 核子的自旋分量两两反向 核磁子 质子的磁矩 中子的磁矩 负号表示磁矩方向与自旋角动量方向相反 16 2原子核的结合能核力 16 2 1原子核的结合能 质量亏损 核子结合成原子核以后的质量损失 相应的能量值 结合能 比结合能 比结合能越大 核子之间结合得越紧密 原子核越稳定 A 60 结合能最大 重核裂变轻核聚变 释放能量 16 2 2核力 核力 核子之间的相互作用力 核力的几个重要性质 自然界最强的一种基本力 其相互作用强度是电磁力的100多倍 又称作强相互作用 核力是一种短程力 它的作用半径约为3fm 核力与电荷无关 无论是 p p p n 或 n n 作用 核力的作用性质完全相同 核力的大小与参与相互作用的核子的相对自旋取向有关 量子电动力学指出 电磁力是通过交换 光子 来传递的 介子 1935年 汤川秀树提出核力是一种交换力的观点 p p n n 作用 介子 p n 作用 介子 16 3原子核的稳定性和放射性 16 3 1原子核的稳定性 现今发现核素 约2500种 稳定核素 300种 放射性衰变 一种核素自发地放出射线而衰变成其他核素的现象 16 3 2放射性 三种射线 射线 氦核束 穿透能力最差 约0 01mm厚的铅薄片就能阻止它穿过 射线 电子束 穿透力稍强 可以穿透0 1mm厚的铅板 射线 光子束 穿透能力最强 它可以穿透大约100mm厚的铅板 放射性衰变时遵循 能量守恒 动量守恒 角动量守恒 电荷数守恒 核子数守恒等一些基本物理学定律 衰变式 衰变条件 衰变前 母核原子的质量必须大于衰变后子核原子和氦原子质量之和 例如 衰变 1 衰变 衰变中原子核释放出的是负电子 例如 2 衰变 衰变中原子核释放出的是正电子 例如 3 电子俘获 K俘获 原子核自发地俘获一个核外轨道电子 例如 如何解释 射线的连续能谱 中微子假设 在衰变中放出每一个电子的同时会伴随一个中微子 轻的中性粒子 出射 三种 衰变的一般形式 中微子特性 不带电 质量几乎为零 自旋量子数为1 2 衰变 射线是一种高能电磁辐射 衰变式 Y 表示处于激发态的原子核 例如 16 3 3放射性衰变规律半衰期 放射性衰变规律 衰变恒量 积分可得 越大 衰变越快 半衰期计算式 定义半衰期 T1 2 放射性核素衰减到原来数目的一半所需要的时间 半衰期 反映放射性核素稳定性的物理量 平均寿命 描述放射性核素衰变快慢的物理量 将 代入 得 结论 经过平均寿命后 剩下的核素数目约为原来的37 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目 贝克 Bq 每秒产生一次核衰变 居里 Ci 夜光表中放射性物质的放射性活度 4 104Bq 用于癌症治疗的放射性活度约为 4 1013Bq 单位 例1放射性元素镭的半衰期是1600年 1 它的衰变常数是多少 2 若t 0时样品中含有3 0 1016个镭核 试确定2000年后其放射性活度 解 16 3 4放射性辐射的生物效应 辐射剂量测定法 定量描述射线对活组织作用效应的方法 吸收剂量 单位质量的受照物质吸收射线的平均能量 吸收剂量的国际单位制单位 戈瑞 gray Gy 吸收剂量的常用单位 拉德 rad 相对生物学效应 RBE 几种辐射的RBE值 当量剂量 衡量射线生物效应及危险度的辐射剂量 当量剂量 Sv RBE 吸收剂量 Gy 希沃特 Sv 当量剂量 rem RBE 吸收剂量 rad 雷姆 rem 1rem 0 01Sv 普通X射线胸透的当量剂量 0 20 0 40mSv 公众每年的有效剂量限值为1mSv 接触射线的职业人员 5年内平均每年的有效限值剂量为每年20mSv 任何一年不得超过50mSv 16 4原子核裂变和聚变 16 4 1原子核裂变 A 240 7 6MeV A 120 8 5MeV 比结合能差 0 9MeV 释放能量 铀裂变碎片按质量数分布图 裂变反应式 k 1 2 常见的反应式 二分裂变 分裂成两块碎片 三分裂变 分裂成三块碎片 平均一个铀核裂变产生2 5个中子 链式反应 16 4 2核聚变 核聚变 当两个或两个以上的轻核结合成较重原子核时 会有能量释放出来的过程 目前实验室研究的核聚变反应 聚变核子平均 3 6MeV 裂变核子平均 0 85MeV Ek 0 6 10 13J 按经典理论估算 引发聚变反应 热核反应 的一般温度 108K 聚变反应条件 等离子体