第三章原子核-粒子.ppt

3.1原子核的基本性质,一.原子核的组成,1932年查德威克发现了中子,1911年卢瑟福建立了原子核的概念,海森伯提出了原子核是由质子和中子组成的假设,质子和中子统称为核子。实验表明，质子是稳定粒子，自由中子却是不稳定的。,第三章原子核和粒子,原子质量1/12,二.原子核的电荷和质量,原子质量单位u定义为：,原子核的电荷数(即核内质子数)用Z表示。其带电量为+Ze,一个处于基态的中性,一种核素，用符号,例如符号：,表示。,同位素：具有相同原子序数的核素。,例如：,同中子异位素：具有相同中子数的核素。,例如：,原子核的半径可近似地表示为,对所有核都适合的一个常量,白矮星的密度只有10921011kg/m3,中子星的密度可达到1018kg/m3,核物质的平均密度21017kg/m3,三.原子核的形状和大小,I称为核自旋量子数,四.原子核的自旋和磁矩,1.原子核的自旋(角动量),(1)对于不同原子核,I只能取整数或半整数,讨论,(2)原子核基态的自旋量子数有如下规律,偶-偶核的自旋量子数都等于零,奇-奇核的自旋量子数都等于非零整数,奇A核的自旋量子数都等于半整数,2.原子核的磁矩,(3)核自旋,mI为原子核的磁量子数，取值I,(I1),(I1),I,N称为核磁子,gI称为原子核g的因子,(1),讨论,在给定方向的投影为,与核自旋平行和反平行两种情况。,(4)质子的磁矩几乎是核磁子的三倍，而中子具有负磁矩，,最大可能值为,(3)核磁矩在给定方向的投影可能取值为gImIN。其投影的,数值约为核磁子的两倍。这表明不能把质子和中子看成,是无内部结构的粒子。,但并不完全相等，其它原子核的磁矩也是如此，都不等,于组成它的所有核子磁矩之和。这一事实说明核内各核,(5)氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和，,子间存在着复杂的相互作用。,(2)gI是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩,五.原子核的宇称,宇称是波函数的一种特性，它可以是奇的或偶的,偶宇称,奇宇称,宇称是波函数空间反演的特性,原子核的结合能，用B(Z,A)表示,原子核质量亏损，记为m(Z,A)，常用中性原子质量表示,六.原子核的结合能,比结合能B/A随质量数A的变化,个核子所需做的功就越大，原子核就越稳定。,(2)核子的平均结合能(比结合能)B/A越大，从核中拉出一,(1)B(Z,A)也代表把原子核拆散时所需做的最小功的数值。,说明,讨论,(1)在A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)质量数大于30的原子核中，比结合能随A的变化不大，近似为常数。这个近乎不变的特征是核子只与邻近核子作用(即核力具有饱和性)的一个证据。,(3)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。,奇A核是费米子服从费米-狄喇克统计,偶A核是玻色子服从玻色-爱因斯坦统计,七.原子核的统计性和电四极矩,1.原子核的统计性,2.原子核的电四极矩,当Q=0时，核电荷分布呈球形,量度原子核电荷偏离球对称的程度，用Q表示,Q0时，呈长椭球形,Q3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。,3.5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。取得原子能的另一条途径。,总效果：,1.轻核聚变反应,平均每个核子放出3.6MeV的能量，比重核裂变平均每个核子放出0.86MeV的能量要大4倍。,海洋中储有大量的氘核，地表面海水约有1018吨，其中重水约占1/6000。可产生1024千瓦小时的能量。而目前全球每年发电1015千瓦小时。,聚变的放射性污染比裂变小得多。“干净的能源”,2.轻核裂变反应的困难,两氘核都带正电，为使它们聚合必须克服库仑排斥能。,每个氘核至少要有71KeV能量。相应的平动温度：,等离子体态,等离子态物质很难被稳定地约束。但是为了热核聚变的反应能够有效地进行，对等离子体的密度和被约束的时间有一定的要求。,我们需要有个“容器”，它不仅能忍耐108K的高温，而且不能导热，不能因等离子体与容器碰撞而降温，目前世界上还没有这样的容器。,3.太阳能：引力约束聚变,太阳的能量来自轻核聚变。太阳内部主要有两个反应：,质子-质子循环碳循环,以质子-质子循环为太阳主要的能量产生机制。,质子-质子循环,碳循环,太阳每天燃烧50万吨氢，释放出的能量相当于每秒爆炸900亿只百万吨级氢弹。它相对于太阳的总质量（约21027吨)还是一个小数。正是太阳的巨大质量产生的引力,把处于高温的（107K）等离子体约束在一起发生缓慢的热核聚变反应。,3.氢弹：惯性约束聚变,氢弹是热核武器的一种。它是利用氢的同位素氘和氚进行聚变反应的炸弹。不可控制的聚变反应。,氢弹是利用原子弹做为引爆装置，当原子弹爆炸时产生极高的温度，制造出高温等离子体使轻核聚变而释放巨大的能量。,4.可控聚变反应堆：磁约束,大亚湾核电站夜景,1946年美国物理学家珀塞耳和布洛赫等人分别在实验上实现了固体石蜡和液体水分子中氢核的共振吸收。,核磁共振现象,在恒磁场中，磁矩不为零的原子核受射频场(3kHz3000GHz)的激励，发生磁能级间共振跃迁的现象,自旋量子数为I的核由于在磁场,中取向不同，其能,3.6核磁共振(NMR),一.核磁共振基本原理,量有(2I+1)个值，,。即原来的能级分裂,成了(2I+1)个子能级。在同频率为的电磁场相互作用时，,调整仪器达到核磁共振的方法有两种：一是保持射频频率不变，改变磁场的大小，使满足核磁共振条件；二是保持磁场的大小不变，改变射频场频率以达到核磁共振状态。,二.核磁共振的实验装置,时，发生能级间的共振跃迁，即呈现核磁共振现象,当h正好等于两相邻能级间的能量差时，即,核磁共振广泛用于测量核磁矩、电四极矩和自旋等。现代,核磁共振仪的精度可达10-6，许多核磁矩就是用这一方法,测得的。其也是目前精确测量磁场强度的重要方法之一。,所致。图示横轴覆盖范围小于10-4T.,三.