第九章原子核和基本粒子简介.ppt

第九章原子核和基本粒子简介,9.1原子核的基本性质,1.原子核的电荷,原子核带正电，原子核的电荷数就是这化学元素的原子序数，也等于中性原子的核外电荷数。,2.原子核的组成,由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带电。质子和中子统称为核子。核子的自旋为1/2。质子（p)、中子(n)的质量：,原子质量单位,3.原子核的质量,原子核的质量，可以由原子质量推算，也可以由核子的数目推算。,原子的质量=原子核的质量+所有电子质量相当于所有电子结合能的数值（可忽略）。,原子核的质量=所有核子的质量相当于所有核子结合能的数值。,采用原子质量单位，原子（核）的质量接近一整数，这整数称为原子（核）的质量数，A。,它们的化学和一般物理性质几乎相同，但核性质完全不同！,4.原子核的大小和形状,原子核的形状一般为近似椭球，其长短半轴之比一般不大于5/4，可近似看作球形。核电四极矩是核偏离球形的量度。,由实验得到核半径的经验公式：,原子核的密度近似为一常数，而且核的密度非常大。,5.核自旋和核磁矩,核自旋质子和中子都是费米子，具有自旋角动量量子数1/2。核的角动量是中子的自旋、质子的轨道和自旋之和。习惯上也称它为原子核的自旋。原子核自旋角动量:,I：核自旋角动量量子数。为整数或半整数。实验发现：,偶-偶核（中子和质子数都为偶数）自旋为零；,奇-偶核自旋为半整数；,奇-奇核自旋为整数；,核磁矩,g由实验确定，有正有负。,6.核的统计性质和宇称,统计性质：描述全同粒子交换时波函数的对称性。两个全同原子核对换，即将两核中的核子一一交换。核子每交换一次，体系波函数改变一次符号（核子是费米子），总的符号改变次数（-1）A。,对质量数A为奇数的核，交换两核，体系波函数符号改变，即该种核属费米子。,对质量数A为偶数的核，交换两核，体系波函数符号没改变，即该种核属玻色子。,宇称：描述微观粒子体系状态的波函数在空间反演变换下的奇偶性的物理量。（x，y，z）=（-x，-y，-z）（偶宇称）（x，y，z）=-（-x，-y，-z）（奇宇称）,在电磁和强相互作用情形，孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性或从奇性变为偶性。-宇称守恒。,在弱相互作用中，宇称不守恒。1956年，李政道和杨振宁提出,1957年吴键雄用衰变的实验加以证实，是近代物理学史中的一个重大突破。1957年，李、杨获诺奖。,6.原子核的结合能,氘核由一个质子和一个中子组成。,质量亏损：核子质量与组成的原子核质量的差值。,核子结合成原子核过程中亏损的质量，以能量的形式放出。-原子核的结合能。,以原子质量来计算结合能（忽略电子结合能）：,每个核子的平均（比）结合能：58.163/9=6.463Mev,核子的结合能越大，原子核越稳定。,中等质量核（A=40-120）的结合能约为8.6Mev，原子核稳定。,质量数小于30的核结合能有周期性变化，最大值在A等于4的倍数。,质量数30以上的核，平均结合能变化不大，显示了核力的饱和性。,历史回顾重要人物,H.Becquerel,法国物理学家（1852-1908），1903年获得诺贝尔奖。发现了铀(U)放射现象，这是人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象。,历史回顾重要人物,M.Curie，法国物理学家（1867-1934），波兰人，1903年获得诺贝尔奖。发现钋(Po)和镭(Ra);她的女儿(I.Joliot-Curie,1897-1956)和女婿(F.Joliot-Curie,1900-1958)因发现人工放射性获1934年诺贝尔奖。,历史回顾重要人物,E.Rutherford，英国物理学家(1871-1937)，新西兰人，1908年获得诺贝尔奖。证实了a射线为He2+，b射线为电子；提出了原子的核式模型；首次实现人工核反应；培养了10诺贝尔奖获得者。,历史回顾重要人物,J.Chadwick，英国物理学家(1891-1974)，1935年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。,历史回顾重要人物,E.Fermi，意大利物理学家(1901-1954)，1938年获得诺贝尔奖。发明了热中子链式反应堆。,历史回顾重要人物,R.L.Mossbauer,德国物理学家(1929-1976)。1961年因为对辐射的共振吸收的研究和发现的Mossbauer效应获诺贝尔物理学奖。,历史回顾重要人物,李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄的实验所证实。,历史回顾重要人物,丁肇中，(1936)与B.Richter,(1931)分别发现J粒子，找到了美夸克存在的证据，1976年获诺贝尔奖。,9.2原子核的放射性衰变,1896年：贝克勒耳，铀的放射性现象；1898年：居里夫妇，Po，Ra;1934年：约里奥.居里夫妇，人工放射性。,不稳定的原子核自发地蜕变，变为另一种状态或另一原子核，同时放出一些射线，这种现象称为原子核的放射性衰变。,一.原子核的放射性衰变,主要模式：,放射性衰变、电子、X射线是十九世纪末的三大重要发现，揭开了近代物理的序幕。,二.衰变,放射性原子核自发地放射出粒子（），而转变成另一种原子核的过程。方程表示为：,衰变过程中，母核要从内能中给出一部分能量转化为子核和粒子动能，这一能量称衰变能（Ed).,母核原子的质量要大于子核原子和氦原子质量之和，才可能发生衰变.一般发生于重原子核。,粒子能谱,大部分原子核放射的粒子的能量不是单一的，而是有几组不同的分立值，构成分立的粒子能谱。,实验上，衰变能也可由测出的粒子的动能算出。,放射性现象的研究是获悉原子核内部状况的重要途径之一,衰变的机制,粒子如何跑出原子核，用经典理论很难解释。,在核内，粒子受到核力吸引（负势能）；在核外，粒子受到库仑力排斥；在核表面形成一个势垒。垒高估计：,(r0=1.2fm,e2=1.44Mev);实验上测得粒子动能为4.2MeV，远低于势垒。只有通过量子隧道效应才有一定的几率逃出。,三.衰变,是核电荷数改变而核子数不变的核衰变。主要有：,-衰变，+衰变，K俘获,1.-衰变能谱与中微子假设,-衰变中，放出负电子，原子核变为原子序数增加1的核。,？原子核内部能量是量子化的，而放出电子的能量却是连续变化的？,？电子不是原子核家族的成员，衰变放出的电子从何而来？,1930年，泡利提出了中微子假设：,当放射性物质发生衰变时，除了放出粒子外，还要放出一个中性粒子，其静止质量几乎为0，故称为中微子。,衰变能：,衰变能可以在电子和中微子间任意分配！,当时已知的基本粒子只有电子和质子。1932年中子发现，海森堡提出原子核由质子和中子组成。1934年，费米提出衰变理论。,指出：-衰变是核内一个中子变为质子，并放出电子和（反）中微子。,1956年，从实验上发现了中微子。,2.-衰变,原子核内一个中子转化为质子，同时放出一个电子和一个反中微子。,衰变能,衰变条件：,3.+衰变,原子核内一个质子转化为中子，同时放出一个正电子和一个中微子。只在人工放射物中出现。,衰变能,原子核俘获一个核外K层上的电子，核内一个质子变为中子，同时放出一个中微子的过程。,4.K电子俘获,四.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。,五.放射性衰变定律,设在t-t+dt时间内发生核衰变的原子核数为dN，它与当时存在的核数N有如下关系：,设t=0时刻，核数N0，积分得:,衰变常数，一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。,半衰期，T：原子核数衰减到原有数目的一半时所需的时间。,例：,平均寿命：在放射性物质衰变时，有些核先，有些核后，即有的寿命短，有的寿命长。平均寿命：,9.3核力和介子,一.核力的性质,原子核内核子之间的作用力，不可能是电磁力和万有引力。而是一种强相互作用力。,1.核力是比电磁力更强的相互作用,2.核力是一种短程力,3.核力具有饱和性,一个核子只同邻近的几个核子有作用力,二.核力的本质-核力的介子论,1.电磁力产生机制,从经典电磁观点看，带电粒子间的相互作用是电磁场传递的。,从量子场观点看，带电粒子间的相互作用是通过交换“虚光子”产生，光子是电磁场中的量子。,交换的光子在传播的过程中，体系变成了三个粒子，如光子能量可观测，则能量不守恒。,按测不准关系，任何可观测的过程，必满足：，反过来，对应的过程是不可观测的。对不可观测过程，允许在时间中，最多可以有的能量不确定值。在这段不可观察的(“虚”）过程中，出现能量的偏差，并不算是能量守恒定律的破坏。,设时间内，虚粒子传播，则在不可观察的虚过程持续时间内,最大的能量转移：,如转为虚粒子的静止能，则虚粒子的质量为：,考虑电磁相互作用，力程为无穷大，相应的交换粒子质量，光子正好符合这一要求。光子是电磁相互作用的传播者。,2.核力的介子论,1935年，日本青年物理学家汤川秀树提出了一个大胆的假设：认为与电子能吸收和发射光子相类似，核子也能吸收和发射某种粒子。这种粒子的交换将伴随能量和动量的转移，从而导致两个核子间的相互作用。,核子间的距离，如：，则,质量介于质子和电子间，称为介子。,介子的进一步研究发现，有带正电、负电和不带电三种：,1947年，在宇宙射线中发现了介子，质量为273me.1949年，汤川秀树获得诺贝尔物理学奖。1950年，又发现了介子，质量为264meC.F.鲍威尔（英国人）开发了用以研究核破坏过程的照相乳胶记录法并发现各种介子，获得诺贝尔物理学奖。,9.4原子核反应,放射性核衰变是不稳定核的自发转变，核反应是用具有一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而转变为新原子核的过程。研究核反应的重要目的之一是获取核能（裂变能，聚变能）。,一、核反应的一般规律,1.几个著名的核反应,1919年由卢瑟福完成的。这是人类历史上第一次人工实现“点金术”：使一个元素变成了另一个元素。,1932年，英国考克拉夫和瓦尔顿发明高压倍加器，并把质子加速到500千电子伏，实现如下核反应：,释放的粒子每一个具有8.9MeV动能;输入能量为0.5MeV,因此,净输出能量17.8MeV。这是释放核能的一个例子。,1932年，查德威克。在这之前，博思和贝克尔及约里奥居里夫妇都进行过这一实验，但他们把产物中子理解为光子。,2核反应中的守恒定律,电荷数守恒：反应前后总电荷数不变,质量数守恒：反应前后总质量数不变,质量守恒：反应前后总的运动质量保持不变,能量守恒：反应前后粒子的总能量守恒,动量守恒：即反应前后体系的总动量守恒,此外还有角动量、宇称、统计性、同位旋等都是守恒量。,3.核反应的机制,直接反应:入射粒子直接把能量交给了核内一个核子或核子集团,把这个核子或核子集团敲击出来.,复合核反应：入射粒子和靶核形成一个复合核,复合核再衰变.,二、核反应中的能量关系,1.反应能Q,核反应中所放出的净能量.它等于反应前后体系的动能之差。,由粒子的静质量计算Q,例1试计算反应的反应能。,例2由静止质量计算的Q值。,反应前后粒子的结合能差计算Q,例3试计算反应的反应能。,已知比结合能：2H=1.112MeV,6Li=5.332MeV,4He=7.074MeV,上述核反应的反应能：（7.074*4+7.074*4）-（1.112*2+5.332*6)=22.376MeV,由实验测得的粒子动能计算Q,靶核碰前静止，E0=0。入射粒子和出射粒子2（常为轻粒子）的动能可测。由动量守恒：,低能非相对论情形，,反应能：,反过来，如已知反应能Q，也可以求出出射粒子的动能。,此式对E3也成立，只要将23指标对调。,2.反应阈能,激发核反应的入射粒子必须具有的最小动能。,对放能反应：原则上入射粒子没有动能也可以反应，阈能为零。核衰变可作为这一情况的特例。,对吸能反应：入射粒子动能的动能E1要保证上述（）式E2有（实数）值。,（）,当=0时，E1达最小值吸能反应的阈能。,利用Q和静质量的关系式，可进一步得到,仅给入射粒子提供反应能大小的动能是不够引起吸能性核反应的！,例:计算下列反应的阈能。,解:反应阈能：,反应能Q可由静质量求出：,对反应1：,反应阈能：,对反应2：,事实上，对带正电荷的质子入射，还要考虑把质子移到原子核边缘所需要的能量。,对反应1：入射质子具有阈值动能时，核反应几率很大。,对反应2：入射质子具有阈值动能时，核反应几率很小。,9.5原子能的利用,原子能指原子核的结合能发生变化时所释放的核能。从结合能图上可知，重核和轻核的结合能都低于中等核，因此重核裂变和轻核聚变都可释放原子能。,一、重核裂变,1.用中子引起的铀核裂变,1932年中子发现后，人们利用中子研究各种核反应。1939年，哈恩、居里等人发现U被撞击后，分裂为两个具有中等质量的核。这是一种新型的核反应，称之为核裂变。,238U裂变需要1.1Mev以上的快中子；235U裂变只需要0.025ev的慢中子，且效率高。,X，Y为裂变产物（有三、四十种），分布于一较宽的范围。分裂成三、四个产物的几率很小。,裂变产物主要分布在质量数71-158之间。比例高的分布是两质量不相等。典型的有：,碎片一般再经放射性衰变后，达到一稳定的同位素。如：,2.重核裂变能,一个235U核裂变，以分为两个质量相等的中等原子核估算,所放出的能量：E=21188.5-2367.6=210(MeV),一克铀：,相当于2.5吨煤燃烧的能量！,这些能量通常以碎片动能、裂变产生的中子动能、衰变产生的粒子能量等形式放出。,3.链式反应,235U平均每次裂变将产生2.5个中子，这些中子又可引起其它235U核裂变，这样裂变将持续不断的进行。称为裂变的链式反应。,原子弹：裂变时释放中子的过程极快（10-12S），链式反应的过程很快。由于参与裂变的核逐级增加，在极快的瞬间就释放巨大的能量，引起爆炸和极强的放射性污染。,当裂变材料的体积大于临界体积时，可使中子增殖系数K1,世界上第一颗原子弹，以239PU为燃料,于1945年在美国国土上爆炸；,1945年8月6日，在日本广岛爆炸了一颗235U为燃料的名为“小男孩”的原子弹；,1945年9月15日，在日本长崎爆炸了一颗239PU为燃料的名为“胖子”的原子弹；,1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功（铀弹）。,“脏弹”？,核反应堆：设法控制链式反应的速度（如用重水或石墨减速中子，控制棒俘获中子等）使裂变维持在平稳进行的水平，人们就可以利用其能量。,秦山核电站：我国自行设计、建造，1991年12月15日并网发电，装机容量30万千瓦，每年发电18亿度。,秦山核电站二期：装机容量2*60万千瓦，每年发电70亿度。,大亚湾核电站：1994年2月发电，装机容量2*90万千瓦，每年发电约100亿度。,二、轻核聚变,依靠轻核聚合而引起结合能变化，以致获得能量的方法