54_91原子核等.ppt

1,原子核的结合能,提纲,1原子核的一般性质,原子核的组成和基本性质,原子核的大小和形状,2原子核的核力,3放射性衰变的基本规律,4原子能的利用,第四章原子核和原子能的应用,核力的特点和核力的介子理论,放射性衰变的基本规律,衰变、衰变、衰变,原子能的释放形式,原子核裂变和聚变的原子能,作业：4-2,4-3，4-4,2,1原子核的一般性质,原子核的组成和基本性质,原子质量单位：一个碳12原子质量的12分之一,原子核由Z个质子mp和N个中子mN组成,具有相同质子数Z和不同中子数N的原子核，称为同位素。,3,稳定的天然核素300多个，有160个放射性核素是原子核物理的研究对象,核素图：中子数和质子数的关系,4,原子核的大小和形状,实验表明核的半径,56Fe核半径是4.6fm、238U核半径是7.4fm,原子核的质量密度,可见各种核的密度都相同，比水密度大1014倍，也是地球平均密度的1014倍。核物质是不可压缩的。,实验发现有的原子核形状明显地偏离球形而呈椭球形。,5,这个质量亏损就是核子结合成原子核时所释放出的能量，也就是它的结合能（根据质能关系）：,原子核的结合能,精确地测量原子核的质量MN，发现,如氦核（粒子）,6,定义：核的比结合能或核子的平均结合能,核的比结合能反映原子核的结合程度，越大核越稳定。各元素和同位素统称为核素。,因为中等质量核素的最大，所以结合能小(大)的核变成较大(小)结合能的核时，即裂变和聚变都能释放能量,平均结合能与质量数的关系图,原子能就是利用核转变的过程中，结合能变化所释放出的能量。,7,2原子核的核力,核力的特点,在原子核范围，两个质子的万有引力只有10-34N，电磁斥力230N。一定存在有核力。,核力的力程很短（fm），强度是电磁力的137倍。,核力势能曲线表明核有一定的体积而不能塌缩。,核力具有电荷无关性，说明质子和中子是核子的两个不同的状态。,核力具有饱和性（结合能与核子数成正比），说明核子只与附近的核子有相互作用。,8,核力的介子理论,0介子的质量是264.0me,介子的质量是273.3me,实际上，核力机制比汤川模型描述的要复杂得多，至今仍然是一个尚未解决的问题。,9,3放射性衰变的基本规律,放射性的发现,放射性物质可使气体电离、感光、发出荧光，与环境温度、状态等无关，是核内部的过程。,放出的射线有三种：,氦核42He电荷数2，质量数4。电离、感光，穿透本领小。,射线是电子，电离作用小，但穿透本领大。,射线是波长很短的电磁波（MeV）能量高。,衰变过程是自发的过程。遵守电荷数守恒、质量数守恒。,10,放射性衰变的基本规律,放射性衰变遵守同样的统计规律：,设t=0时刻，放射性原子核数为N0，t时刻尚存的原子核数N为,称为衰变常量,表示单位时间内衰变的概率,半衰期t1/2,平均寿命,11,同位素年代学已广泛应用于考古学、地质学中确定文物和地质年代，在天体物理学中估计天体年龄。在考古学中确定文物的年代采用的是14C鉴年法:,14C的衰变,两者相平衡，大气中14C的含量是相当稳定的，其丰度,活着的生物新陈代谢与大气交换时，体内的14C与12C的含量比与大气的相同，固定不变。一旦生物体死亡14C的数量将因衰变而减少。通过测14C与12C的含量比就可知其年代（测量范围4.5万年，精度为100年）。,大气中14C来源于宇宙中的n和14N的核反应,12,例题：已知14C的半衰期t1/2=573030(a),现有粟样品中含有1克碳，测得它的衰变率（也称为活度）为,推算它存放的年代,解,14C丰度,13,衰变,衰变能以粒子的动能形式释放出来。,衰变后生成的子核Y有不同的能量（能级），称为同量异能态。其间的跃迁伴随发射光子。,14,衰变,是核电荷数改变，核子数不变的核衰变。,实际是,衰变,还有+衰变（因为过多的质子处于不稳定态）,另外，“轨道电子俘获”，核俘获核外电子，质子变中子，同时释放中微子。,中微子,反中微子,发射电子和中微子的衰变是核内弱相互作用的结果，弱相互作用宇称不守恒。,海森堡认为质子和中子组成同位旋二重态,15,衰变,衰变、衰变后，子核处于能量较高态，它将自发通过发射射线跃迁到低能态或基态。,跃迁时，核的电荷数、质量数不变。它的波长比X射线的波长还要短。核能级间隔在kevMeV的量级。,另一种跃迁是内转换，它是原子核内的非辐射跃迁，原子从核能级跃迁中直接吸收能量而释放核外电子。,16,医用的60Co放射源衰变图,17,4原子能的利用,原子能的可能释放形式,原子核的衰变,半衰期87.84年。这是小型发电装置,原子核的裂变,自发裂变,其半衰期1.81018年。,中子诱发裂变,18,原子核的聚变,氘核(d)地球上多,氚核(t),原子核碎裂,高能粒子轰击到原子核上，将它击成很多碎块，同时释放能量。,产生的中子在原子能利用中起很重要的作用。,轻核聚变是解决地球能源问题的理想途径。,无污染,19,原子能的数量级在1MeV100MeV，分子的能量变化数量级在1eV,原子核裂变的原子能,结论,原子能为人类可持续发展提供了可行的选择。,目前是人类使用原子能的主要形式。原子弹爆炸的原理就是使用这种不断增殖的链式反应引起的强烈的核爆炸。1克铀全部裂变释放的能量相当于2.5吨煤释放的燃烧热。,如果能控制中子数恒定，链式反应就可以实现连续缓慢地释放能量，这是核反应堆和核电站的工作原理。,原子核反应要遵守电荷守恒、核子数守恒、质能守恒、动量守恒、角动量守恒、宇称守恒。,20,原子核聚变的原子能,聚变的必要条件是要有几千电子伏的初始能量，即要有足够高的温度（几千万度）。其压力常达几亿个大气压，所以这种持续的轻核之间的热核反应，只能在体积远比地球大的天体上实现。如太阳。聚变释放的能量又可提供下一个的聚变。,在当前的技术条件下，在地球上能大规模释放聚变能量的方法，只有用原子弹触发氢弹的热核