第十章-原子核PPT课件

.,1,第十章原子核,核外电子-原子物理学,原子核-原子核物理学,.,2,10.1原子核的基本性质,一、原子核的电荷和电荷数,二、原子核的质量和质量数,三、原子核的成分,四、原子核的大小,五、原子核的自旋和磁矩,六、原子核的宇称、电四极矩、统计性和同位旋,七、原子核的结合能,.,3,一、原子核的电荷与电荷数,原子核的一个重要特征是它的电荷。由卢瑟福的原子核式结构模型可知：原子序数为Z的原子的中心有一个带有正电量为Ze的原子核。即aq=+ZeZ是原子序数，e是基本电荷，其数值为一个电子电量的绝对值。,.,4,二、原子核的质量与质量数,原子核的另一重要特征是它的质量。MN=MAZme,原子质量=原子量原子质量单位,原子质量单位：,.,5,核素质量数核素质量,1H11.00782522H22.01410223H33.016049712C1212.00000013C1313.00335414N1414.003074415N1515.000108,.,6,早先人们只知电子和质子这两种基本粒子，当发现原子核可放出电子（衰变），自然使人们推测核是由电子和质子组成的。但这引起许多矛盾。其中，不确定关系指出核“装不下”电子。1932年查德威克发现了中子后，才知核是由质子和不带电的中子组成的，它们的质量相近,海森伯统称它们为核子，并认为质子和中子仅仅是核子的两种不同状态（同位旋）。,三、原子核的成分,.,7,质子，中子统称为核子。用A表示一个原子核中所含的核子数，N表示中子数Z表示质子数，显然：,原子核是由质子和中子组成的多粒子系统。,A=Z+N,1、成分：,2、核子：,3、核素符号：,.,8,4、同位素：Z相同，N不同的核素。,5、同量异位素：A相同，Z不同的核素。,7、核素图：是以Z为横坐标，以N为纵坐标构成的图。每一个核素在图中有一确定的位置。,6、目前已知的核素：约2000个，其中有300多个是天然存在的，280个是稳定的，30多个是放射性的；1600多个是人工制造的理论上预言能够制造出Z=114的超重元素。,.,9,核素图,.,10,核素图,质子数,可能的超重元素岛,不,稳,定,海,洋,已知核素半岛,Z,N,Z=114,.,11,1、稳定核素集中在Z=N的直线上或紧靠它的两侧，构成稳定核素区。,3、Z84的以及质子数或中子数过多的核都是不稳定的放射性的同位素。,2、稳定核素中质子数与中子数之比：轻核为1；最重的核N/Z1.6,.,12,四、原子核的大小,多数原子核基本上是球形，实验测量出原子核的半径，得到核半径的经验公式：,原子核的体积近似地与质量数成正比：,R=r0A1/3r0=1.410-15m=1.4fm,1、半径：,2、体积：,.,13,3、密度：,u=1.6610-27Kg;r0=1.4fm,1017Kg/m3=1014/m3,密度大得惊人！原子核是物质紧密集中之处！核的质量密度是水的密度的1014倍，也是地球平均密度的1014倍。,.,14,五、原子核的角动量和磁矩,1.原子核的角动量,2.原子核的磁矩,.,15,原子核和原子一样也具有角动量，这是因为每个核子都有自旋，且自旋都为1/2，因此具有固有角动量（自旋角动量），与电子一样，都是。,核子在核内还有轨道运动，核子的自旋和轨道角动量的矢量和就是原子核的角动量,习惯上也称它为原子核的自旋，并用PI表示，PI是量子化的。,I称为核自旋量子数。,（1）原子核的角动量,1.原子核的角动量,.,16,MI称为核磁量子数。PIZ的最大值：PI=I通常用来表示核角动量的大小.若以为单位,则角动量的大小就可用I来表示。,（2）PI在某特殊方向投影的数值为；,根据角动量的相加规则，容易证明，A为奇数的原子核，它的I一定是半整数，A为偶数的原子核，它的I一定是整数。这和前面讲的，A为奇数的原子核是费米子，A为偶数的原子核为玻色子一致。下表列出了一些原子核的I值。,.,17,.,18,14N1+0.4036515N1/2-0.2829920Ne0023Na3/2+2.2171139K3/2+0.30940K4-1.29141K3/2+0.215,原子核II（核磁子）,.,19,原子核的角动量（核自旋）可以从原子光谱的超精细结构，或从分子光谱测得。例如，当用分辨本领更高的光谱仪观察钠的光谱时，会发现钠主线系第一条谱线D双线的D1线（）由相距为0.023埃的两条线组成,D2线由相距为0.021埃的两条线组成.这就是原子光谱的超精细结构。,3P3/23P1/2F2=I+1/2FI=I-1/2,3P3S,5893AD,5896AD1,5890AD2,3P3/2,3P1/2,3S1/2,(a)(b)(c),（3）原子光谱的超精细结构,.,20,PF的数值也是量子化的,其值为：,F=I+J,I+J-1,I-J,如果JI,F有2I+1个值;如果IJ,F有2J+1个值。不同F的状态具有不同能量，于是原来不考虑核自旋（F=J为定值）的能级又分裂成（2I+1）或（2J+1）个子能级。,PF=PJ+PI,产生超精细结构的原因是因为原子核有角动量(核自旋)。原子的角动量，在考虑了核自旋后，应当等于电子的角动量与核自旋的矢量和，即,.,21,2.原子核的磁矩,原子核内的质子带电，它的“轨道”运动产生“轨道磁矩”，另外质子和中子本身还有与自旋相关的磁矩，理论和实验都证明原子核和核子都具有磁矩，中子和质子的磁矩为：,mN为核子质量，gp和gn是朗德因子。,（1）核子的磁矩,.,22,（2）核磁子：,实验上测出：,p=2.79276Nn=-1.191315N,=0.50503810-27焦耳/特斯拉,则可算出,所以核磁子N比玻尔磁子B小了三个数量级。,玻尔磁子：,由于电子的质量,.,23,3、原子核的磁矩：就是质子的轨道磁矩，质子、中子的自旋磁矩的总和。,gI因子的数值不能通过公式计算,只能由实验测得。,I在给定正方向的投影值为：,在Z方向最大投影值为：,若以N为单位,则核磁矩的大小为：gII。,MI=I,I-1,-I+1,-I,.,24,.,25,14N1+0.4036515N1/2-0.2829920Ne0023Na3/2+2.2171139K3/2+0.30940K4-1.29141K3/2+0.215,原子核II（核磁子）,.,26,（1）质子的磁矩不是一个核磁子；中子虽然不带电但也有磁矩。这都清楚的表明，它们不是点粒子，肯定是有内部结构的粒子。,上表给出了某些原子核的磁矩,（2）氘核是由一个质子和一个中子组成的。质子和中子磁矩值之和虽然非常接近于氘核的磁矩值，但并不完全相等，而是多出0.0222个核磁子。其它原子核的磁矩也是如此，都不等于组成它的所有核子的磁矩之和。这一事实说明了核内各核子间存在着复杂的相互作用。,从表中可以看出：,要正确计算原子核的磁矩数值，必须考虑核内核子的运动状态。核的磁矩除了自旋磁矩外,还要考虑轨道磁矩。核磁矩可用核磁共振等方法测定。,.,27,六、原子核的宇称、电四极矩、统计性和同位旋,1.原子核的宇称2.原子核的电四极矩3.原子核的统计性4.同位旋,.,28,（1）空间反演变换：（x，y，z）（-x，-y，-z）（2）宇称：是表示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）（3）宇称守恒：孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性或从奇性变为偶性。,1.原子核的宇称,.,29,i=,一个原子核的宇称不会改变、除非发射或吸收具有奇宇称的光子或其它粒子（光子宇称是奇性）。=123.;（x，y，z）=(-1)（-x，-y，-z）(.ri.)=(-1)i(.-ri),偶数,宇称为偶奇数,宇称为奇,（4）原子核的宇称：,.,30,（5）弱相互作用中宇称不守恒：,1956年，李政道和杨振宁提出后,经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。,实验上发现原子核总是具有确定的宇称，不是奇，就是偶。而且N，Z都为偶数的核，它基态的宇称总是偶的。原子核激发态的宇称既有和基态宇称相同的，也有相反的。,.,31,2.原子核的电四极矩,（1）原子核的电偶极矩：D=erp0（2）电四极矩：,（3）椭球形核：Q是核偏离球形的量度,.,32,b,a,对称轴,ab,Q0ab,Q30的原子核，平均结合能变化不大。说明EA显示出核力的饱和性。（C）质量数A30的原子核，平均结合能随A的变化显示周性，最大值都在A等于4的倍数处。,.,43,核素结合能B（MeV）比结合能（MeVNu-1)2.2241.1128.4812.82728.307.0731.995.3339.245.6192.17.68104.667.48115.497.70111.957.46127.617.98131.767.75,一些核素的结合能和比结合能,.,44,核素结合能B（MeV）比结合能（MeVNu-1)128.227.54147.807.78342.058.55492.38.79915.28.551087.68.431103.58.421112.48.431636.47.871783.87.591801.67.57,返9.1,.,45,10.1原子核的基本性质,一.原子核的质量和大小,(一)、原子核的质量,原子的质量=原子核的质量+核外电子的电子的质量-电子的结合能(可以忽略),1原子质量单位,原子核的质量通常采用作为单位,.,46,2原子核的质量数,3质谱仪,能通过狭缝的离子：,离子在磁场中作圆周运动,由此可以算出离子的质量，进而算出原子及原子核的质量。,.,47,(二)、原子核的大小,数量级：,(三)、原子核的密度,原子核的密度为一常数，而且核的密度非常大。,二、原子核的电荷,是核外电子数，即原子序数，也称核电荷数。,e=1.6021773310-19C，,.,48,三.原子核的组成-质子和中子组成,1919年卢瑟福发现了质子：,氢核-质子：带一个单位正电荷,1932年，查德威克发现了中子,核子-中子和质子,.,49,核素和核素图,核素：凡具有相同的原子序数Z、中子数N及能量状态的原子核称为一种核素。,元素：Z一定的原子。,同位素：Z相同、N不同的核素,、是H的三种同位素。,同中子素：N相同、Z不同的核素，、。,同质异能素：N、Z相同、而能量状态不同的核素，如、,同量异位素：A相同、Z不同的核，如,.,50,四.原子核的自旋和磁矩,1、原子核自旋,原子核的角动量称为核自旋,原子核的自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和,：原子核角动量量子数，称为核自旋量子数，它可以是整数，也可以是半整数。,原子核角动量在空间某一选定方向的投影：,也是量子化的。,：核自旋磁量子数,共个值。,1A为奇数的核(奇A核)，I为半整数2Z、N都为偶数的核(偶-偶核)，3Z、N都为奇数的核(奇-奇核)，I为整数,.,51,2、原子核的磁矩,电子的角动量与相应的磁矩之间的关系为：,原子核也有磁矩，它与角动量的关系为：,核磁子远小于玻尔磁子，可见原子核的磁矩比电子的磁矩小得多，因此产生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。,.,52,在外场方向的取向也是量子化的，它在外场方向的投影：,在外场方向的最大值为：,测量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振。,.,53,10.2原子核力和结合能,核力：核子之间的相互作用力。,一、核力的基本性质,1核力是短程力，只在数量级的范围内发生作用。,：引力：消失,2核力是一种强相互作用,核力的强度比库仑力大一百倍,.,54,3核力近似地与电荷无关,4核力是具有饱和性的交换力,核力的饱和性：核子只与它最靠近的几个核子有相互作用。,核的密度近似地为一常数，,核的结合能近似地与核子数成正比，,核力是交换力：核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用。,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，介于质子和电子之间，故称为介子。,.,55,1947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,、,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。,.,56,二、原子核的结合能,1原子核的质量亏损,2原子核的结合能,研究发现：当核子与核子结合成原子核时，将释放能量,3平均结合能,表示将一个核子放到原子核中平均释放的能量，或把一个核子从原子核中所需的能量。,的大小表示核子之间结合的紧密程度。大，表示核子结合的紧密。,.,57,(1)A0放能反应,例1试计算反应的反应能。,(2)Q0吸能反应,例2由静止质量计算的Q值。,.,75,2Q方程,Q=+-,动量守恒：,.,76,3反应阈能,能使核反应得以实现的入射粒子的所必须具有的最小动能，即只有当时反应才能发生。,4核反应的类型,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。,.,77,10.6原子核裂变,原子核裂变是一个重原子核分裂成两个质量相差不远的碎块的现象。,一、裂变过程,A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV,一个铀核：,一克铀：,这相当于2.5t煤完全燃烧时放出的能量。,.,78,二、裂变机制液滴模型,在裂变前，原子核处于能量最低的基态，呈球形。核内的质子、中子在不停地运动。核子之间有核力，质子之间有库仑斥力。,当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，能量增加，核子振荡加剧，由球形变成椭球形。这时核内各核子间距离增加核力减小，而库仑斥力则使原子核进一步增大，形成哑铃状。,当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，原子核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。,.,79,三、链式反应,实现核裂变的链式反应条件,1.中子产额和慢化,减速剂-重水和石墨,2.临界体积,倍增系数：,方法1是浓缩天然铀中的比例。,方法2是加大铀堆的体积至临界体积，增加中子数。,.,80,四.原子反应堆,堆芯核燃料、中子减速剂