核物理基础与辐射防护(2)ppt课件

1、核物理根底与辐射防护核物理根底与辐射防护能源与机械工程学院颜廷志纲要原子核的根本性质原子核放射性与核衰变原子核反响原子核的裂变与聚变射线与物质的相互作用核辐射防护核物理开展史原子核物理学是原子核物理学是20世纪新建立的一个物理学分支。它研讨原子核的构造和变世纪新建立的一个物理学分支。它研讨原子核的构造和变化规律，射线束的产生、探测和分析技术，以及同核能、核技术运用有关的化规律，射线束的产生、探测和分析技术，以及同核能、核技术运用有关的物理问题。它是一门既有深化实际意义又有艰苦实际意义的学科。物理问题。它是一门既有深化实际意义又有艰苦实际意义的学科。一、一、 初期初期 十九世纪末十九世纪末二十世

2、纪四十年代左右二十世纪四十年代左右 1896年，贝可勒尔发现天然放射性年，贝可勒尔发现天然放射性 核物理学的核物理学的开端开端 主要任务：人们主要从事放射性衰变规律和射线性质主要任务：人们主要从事放射性衰变规律和射线性质的研讨，的研讨， 并且利用放射性射线对原子核做了初步的并且利用放射性射线对原子核做了初步的讨论。讨论。 主要成果：原子的核式构造主要成果：原子的核式构造 、质子和中子的发现、人、质子和中子的发现、人工放射性工放射性 核素的合成核素的合成 、鉴别射线种类并测定其能量，、鉴别射线种类并测定其能量，初步创初步创 建了一系列探测方法和丈量仪器，如云室、建了一系列探测方法和丈量仪器，如云

3、室、气泡室、气泡室、 计数管、电离室等。计数管、电离室等。二、大开展时期二、大开展时期20世纪世纪40年代前后年代前后70年代年代主要得益于粒子加速器和粒子探测技术的开展。 主要成果：11939年 哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变景象。 1942年 费米建立了第一个链式裂变反响堆核能源的开端。 2合成天然不存在的超铀元素和新的放射性核素 3核天体物理：核过程是天体演化中起关键作用的过程 4粒子物理学：高能和超高能射线束与原子核的相互作用 短寿命的轻粒子，即重子、介子、轻子和共振态粒子等 5核技术的广泛运用：普及理工农医各部门 如核磁共振、穆斯堡尔谱学等 三、完善和提高阶段：20世纪70年代 由于粒

4、子物理逐渐成为一门独立的学科，核物理已不再是研讨物质构造的最前沿，核物理进入了一个纵深开展和广泛运用的新的更成熟的阶段。 在此期间两个方面的技术开展对核物理研讨产生了深化的影响。1计算机技术的运用：微机处置和在线数据获取和处置系统的运用，可以 让上百个探测设备协作运转，同时记录和处置成上百个参量，这就大大扩展 了我们的观测才干，从而可以对比较复杂的核景象进展全面的观测和研讨。 2重离子加速技术的开展：可以有效的加速从氢到铀一切元素的离子， 其能量从每个核子几个兆电子伏到几千兆电子伏甚至几百GeV的能量。 1eV=1.6*10-19J，1keV=103eV，1MeV=106eV，1GeV=109

5、eV，1TeV1012eV 比较有名的重离子加速器中心：美国RHIC、德国GSI、法国GANIL、日本RIKEN、 俄罗斯DUBUNA、我国中科院兰州近代物理研讨所CSR欧洲核子中心LHC目前最高能1. 原子核的组成原子核的组成2. 原子核的大小原子核的大小3. 原子核的结合能原子核的结合能4. 核力核力5. 原子核的矩原子核的矩上世纪初的原子模型发现原子核之前上世纪初的原子模型发现原子核之前J.J.J.J.汤姆生的原子模型枣糕模型：汤姆生的原子模型枣糕模型： 正电荷均匀分布在一个球体内，电正电荷均匀分布在一个球体内，电子镶嵌在其中某些平衡位置上，并作简子镶嵌在其中某些平衡位置上，并作简谐振动

6、。谐振动。I.I.原子核的发现与组成原子核的发现与组成19061906年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖1.1 1.1 原子核的组成原子核的组成 19081908年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖OHN17114卢瑟福散射实验结论：卢瑟福散射实验结论： 正电荷集中在原子的中心，即原子核；正电荷集中在原子的中心，即原子核； 估算出原子核直径约为估算出原子核直径约为101510-14m101510-14m量级，量级，而原子直径约为而原子直径约为1010m1010m量级；通常用量级；通常用fmfm表表示：示：1fm=10-15m 1fm=10-15m 质量为整个原子的质量为整个原子的99.9%99.9%以上；以

7、上； 从此建立了原子的有核模型。从此建立了原子的有核模型。 原子的电中性，要求：原子的电中性，要求： 原子核所带电量与核外电子电量相等，原子核所带电量与核外电子电量相等， 核电荷与核外电子电荷符号相反。核电荷与核外电子电荷符号相反。即：核电荷即：核电荷ZeZe，核外电子电荷，核外电子电荷ZeZe。但也遇到了不可抑制的困难。与实验和实际不符。但也遇到了不可抑制的困难。与实验和实际不符。 1932 1932年查德威克年查德威克(J. Chadwick)(J. Chadwick)发现中子。发现中子。( (据此据此获获19351935年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖) )用用 粒子轰击铍，铍放射出穿透

8、力很强的中性粒子，可以将粒子轰击铍，铍放射出穿透力很强的中性粒子，可以将含氢物质中的质子击出，并证明其有与质子相近的质量。含氢物质中的质子击出，并证明其有与质子相近的质量。实验中放出的不是高能实验中放出的不是高能 ，而是中子。，而是中子。CnBe129 小居里夫妇错失诺贝尔奖！小居里夫妇错失诺贝尔奖！中子和质子统称为核子。中子和质子统称为核子。1电子电子1质子质子0中子中子电荷电荷(e)质量质量(u)ume)1836/1(umn00866492.1ump00727646.1kggNNguAA2724231066057. 11066057. 110022045. 611121121Ce19106

9、02176462. 112/5016.931cMeVII. II. 原子核的表示原子核的表示ZANX核子数核子数A A质子数质子数Z Z中子数中子数N N元素符号元素符号X XIII. III. 原子核表示常用术语及意义原子核表示常用术语及意义1 1、核素、核素nuclidenuclide核子数、中子数、质子数和能态只需有一个不同，就是不同的核素核子数、中子数、质子数和能态只需有一个不同，就是不同的核素NAZX1266C126C12CTl20886Pb20882 两种核素，两种核素，A同，同，Z、N不同。不同。Sr9038Y9139两种核素，两种核素，N同，同，A、Z不同。不同。60Co58C

10、o两种核素，两种核素，Z同，同，A、N不同。不同。60Co60mCo两种核素，两种核素，A、Z、N同，能态不同。同，能态不同。 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。同位素丰度。 具有一样原子序数但质量数不同的核素称为某元素具有一样原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。的同位素。( (即即Z Z一样，一样，N N不同，在元素周期表中处于同不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有根本一样化学性质。一个位置，具有根本一样化学性质。) )2 2、同位素、同位素isotopeisotope和同位素丰度和同位素丰度23592U23892U

11、铀的二种同位素。铀的二种同位素。11H21H31H氢的三种同位素；氢的三种同位素；16O17O18O99.756%、0.039%、0.205%11H21H99.985%、0.015%3 3、同中子异荷素、同中子异荷素isotoneisotone4 4、同量异位素、同量异位素isobarisobar质量数质量数A A一样，质子数一样，质子数Z Z不同的核素。不同的核素。 中子数中子数N N一样，质子数一样，质子数Z Z不同的核素。不同的核素。121H231He6148C8168O也称为同中子素或同中异位素。也称为同中子素或同中异位素。1840Ar1940K4095Zr4195Nb5 5、同质异能

12、素、同质异能素isomerisomer质子数质子数 Z Z 和中子数和中子数 N N 均一样，而能态不均一样，而能态不同的核素。同的核素。8738Sr同质异能态：同质异能态： 同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。8738mSr激发态半衰期为激发态半衰期为2.81hr2.81hr。8738mSr6 6、偶、偶A A核：核：奇奇A A核：偶奇核核：偶奇核(e-o(e-o核核) )、奇偶核、奇偶核(o-e(o-e核核) )。奇中子核，奇中子核， 奇质子核。奇质子核。6137C173518Cl镜像核：中子数镜像核：中子数N N、质子数、质子数Z Z互

13、换的核素。互换的核素。374Li473Be中子数中子数N N、质子数、质子数Z Z均为偶数的核素。均为偶数的核素。 242He204626Ca偶偶核偶偶核(e-e(e-e核核) )363Li中子数中子数N、质子数、质子数Z均为奇数的核素。均为奇数的核素。 153217P奇奇核奇奇核(o-o(o-o核核) )IV. IV. 核素图及核素图及稳定曲线稳定曲线稳定的核素都分布在一条光滑曲线上或紧靠曲线的两侧，即为稳定线 实际预言，能够存在的核素至少应有5000种，分布在两条实线范围内。上面的一条实线为质子滴线，线上核素的质子结合能为零；下面一条实线为中子滴线，线上核素的中子结合能为零。核素图及核素图

14、及稳定曲线的特点：稳定曲线的特点：).).核素图包括核素图包括300300多个天然存在的核素多个天然存在的核素( (其中稳定其中稳定核素核素280280多个，放射性核素多个，放射性核素3030多个多个) )及及16001600多个人工多个人工放射性核素。放射性核素。).).稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定曲线在轻核接近曲线在轻核接近 Z ZN N 线，而对重核那么线，而对重核那么 N Z.N Z.3).3).偏离稳定曲线下方的核素为丰中子核素，易发生偏离稳定曲线下方的核素为丰中子核素，易发生衰变；上方的核素为缺中子核素，易发生衰变；上方的核素为缺

15、中子核素，易发生衰变。发生衰变后都趋向于稳定线，故称衰变。发生衰变后都趋向于稳定线，故称稳定线。稳定线。1.2 1.2 原子核的大小原子核的大小 原子核外形可近似看作球形，由于角动量，略呈旋转椭球形。 根据丈量方法可分为：根据丈量方法可分为：核力作用半径：核力有一作用半径，在半径之外核力为核力作用半径：核力有一作用半径，在半径之外核力为0 0； 经过中子、质子或其他原子核与经过中子、质子或其他原子核与核的作用所测得。核的作用所测得。 电荷分布半径：其实就是质子分布半径电荷分布半径：其实就是质子分布半径 ； 利用高能电子在原子核上的散利用高能电子在原子核上的散射。射。 fmAR3130. 020

16、. 1 电荷半径：电荷半径： fmAR3110. 040. 1 核力半径：核力半径：310ArR AArRV3033434 原子核半径近似正比于原子核半径近似正比于A1/3，原子核体积近似正比于，原子核体积近似正比于A。原子核的密度：原子核的密度：338303/10433/4cmrRAVAN 代入：代入：gmN241066.1得：得：38/1066. 1cmtnmNN 结论：原子核密度近似为常数，且非常大。结论：原子核密度近似为常数，且非常大。1.3 1.3 原子核的结合能原子核的结合能1 1、原子核结合能的概念、原子核结合能的概念当假设干质子和中子结合成一个核时，由于核力的当假设干质子和中子

17、结合成一个核时，由于核力的作用，将释放一部分能量叫结合能。作用，将释放一部分能量叫结合能。 222,cAZmcmZAcZmAZBnp 2221,cAZMcmZAcHZMAZBn 以原子质量以原子质量M M 表示，且忽略原子电子的结合能，得：表示，且忽略原子电子的结合能，得：2 2、质量亏损与质量过剩、质量亏损与质量过剩质量亏损和原子核结合能是同一个物理量的质量和能质量亏损和原子核结合能是同一个物理量的质量和能量表示。它们的联络就是质能关系。量表示。它们的联络就是质能关系。原子核的质量总是小于组成它的一切核子的质量之和的，原子核的质量总是小于组成它的一切核子的质量之和的，少的那部分质量称为质量亏

18、损少的那部分质量称为质量亏损(Mass Defect)(Mass Defect)。表示。表示为为 。 AZm, 2,cAZBAZmmZAZmAZmnp 2),(cAZmAZB ,一切的核都存在质量亏损，即一切的核都存在质量亏损，即 0, AZm计算中，常用原子质量替代核质量：计算中，常用原子质量替代核质量： AZMmZAHZMAZmn, 1为了计算方便，定义质量过剩为：为了计算方便，定义质量过剩为： 2,cAAZMAZ 也称为质量盈余也称为质量盈余(Mass Excesses)(Mass Excesses)，单位为，单位为 MeVMeV，在核数据手册中可查到在核数据手册中可查到5016.931

19、,AZAAZM由它可求出原子质量由它可求出原子质量 3 3、比结合能及比结合能曲线、比结合能及比结合能曲线比结合能：比结合能：平均结合能平均结合能 AAZBAZ, 单位是单位是 MeV/NuMeV/Nu，NuNu代表核子。代表核子。比结合能的物理意义：比结合能的物理意义： 原子核拆散成自在核子时，外界对每个核子所做的最小原子核拆散成自在核子时，外界对每个核子所做的最小的平均功。的平均功。 或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。个核子所释放的能量。 比结合能表征了原子核结合的松紧程度：比结合能表征了原子核结合的松紧程度： 比结合能大，

20、核结合紧，稳定性高；比结合能大，核结合紧，稳定性高； 比结合能小，核结合松，稳定性差。比结合能小，核结合松，稳定性差。 比结合能曲线：比结合能曲线：8.797.071.112裂变裂变聚变聚变4 4、原子核最后一个核子的结合能、原子核最后一个核子的结合能原子核最后一个核子的结合能，是一个自在核子与核原子核最后一个核子的结合能，是一个自在核子与核的其他部分组成原子核时所释放的能量。也就是从核的其他部分组成原子核时所释放的能量。也就是从核中分别出一个核子所需求给予的能量。中分别出一个核子所需求给予的能量。显然，质子与中子的分别能是不等的。显然，质子与中子的分别能是不等的。原子核最后一个核子的结合能的

21、大小，反映了这种原原子核最后一个核子的结合能的大小，反映了这种原子核对临近的那些原子核的稳定程度。子核对临近的那些原子核的稳定程度。 最后一个质子的结合能为：最后一个质子的结合能为： 21,1,1,cAZMHMAZMAZSp AZHAZ,1, 11 1,1,AZBAZBAZSp或或 最后一个中子的结合能为：最后一个中子的结合能为： 2,1,cAZMmAZMAZSnn AZnAZ,1, 或或 1,AZBAZBAZSn4.15MeV127.61131.768,16B8,17BOS17n.66MeV1111.95127.618,15B8,16BOS16n50.61MeV127.61128.228,1

22、6B9,17BFS17p12.12MeV115.49127.617,15B8,16BOS16p例如：例如：最后一个核子结合能的物理意义：反映了这种原子最后一个核子结合能的物理意义：反映了这种原子核相对临近的那些原子核的稳定程度。核相对临近的那些原子核的稳定程度。阐明阐明16O与临近的原子核与临近的原子核17O、17F相比，稳定性要大得相比，稳定性要大得多。多。 5 5、核结合能的阅历公式、核结合能的阅历公式原子核模型实际：原子核模型实际： 从实验入手对原子核作各种各样的想象，把从实验入手对原子核作各种各样的想象，把它类比为人们曾经熟习的某种事物，来研讨原子它类比为人们曾经熟习的某种事物，来研讨

23、原子核的性质、构造和相互作用的规律，解释已有的核的性质、构造和相互作用的规律，解释已有的实验景象实验景象( (如结合能、核力、核衰变、核反响如结合能、核力、核衰变、核反响等等) ) ，探求预告新的实验结果。，探求预告新的实验结果。在原子核的模型实际中，较早提出并且获得极大胜利的在原子核的模型实际中，较早提出并且获得极大胜利的模型是玻尔模型是玻尔(N.Bohr)(N.Bohr)提出的液滴模型。提出的液滴模型。 除液滴模型外，还有壳模型、集体模型、费米气体模型等。除液滴模型外，还有壳模型、集体模型、费米气体模型等。 一种模型实际能否胜利，根本在于能否能经受实验一种模型实际能否胜利，根本在于能否能经

24、受实验的检验。的检验。1).1).核力具有饱和性，与液体中分子的饱和性类似。核力具有饱和性，与液体中分子的饱和性类似。 液滴模型：液滴模型：把原子核类比为一个液滴。把原子核类比为一个液滴。主要根据有两个：主要根据有两个：2).2).原子核是不可紧缩的，与液体的不可紧缩性相类似。原子核是不可紧缩的，与液体的不可紧缩性相类似。 由于质子带正电，原子核的液滴模型把原子核由于质子带正电，原子核的液滴模型把原子核当作带正电荷的液滴。当作带正电荷的液滴。根据液滴模型，结合能半阅历公式为：根据液滴模型，结合能半阅历公式为：psymCSVBBBBBB 体积能项体积能项外表能项外表能项库仑能项库仑能项对称能项对

25、称能项对能项对能项AaBVV 32AaBSS 体积能项：结合能中的主导项，由于核力的饱和性，体积能项：结合能中的主导项，由于核力的饱和性，它正比于核体积它正比于核体积V V A A。外表能项：外表核子的核力没有饱和。外表核子的结合外表能项：外表核子的核力没有饱和。外表核子的结合弱，要从体结合能减去一部分。该部分正比于核的外表弱，要从体结合能减去一部分。该部分正比于核的外表积积 (S (S A2/3) A2/3)312 AZaBCC库仑能项：核内有库仑能项：核内有Z Z个质子，它们之间存在库仑斥力，个质子，它们之间存在库仑斥力，使结合能变小。使结合能变小。122 AZAaBsymsym对称能项：

26、反映核内的中子数与质子数能否相等，假对称能项：反映核内的中子数与质子数能否相等，假设它们相等时为零。设它们相等时为零。对能项：由核内对能项：由核内 N N，Z Z 的奇偶性确定。不同奇偶性的的奇偶性确定。不同奇偶性的核有核有不同的对能项。不同的对能项。 2/12/10AaAaBppP偶偶核偶偶核奇奇A A核核奇奇核奇奇核实际与实验结果比较：实际与实验结果比较：1、实际与实验结果比较相符；、实际与实验结果比较相符；2、仅当、仅当Z，N20，28，50，82等幻数时有偏离；等幻数时有偏离；3、轻核的实际结果与实验差别也较大。、轻核的实际结果与实验差别也较大。缘由：液滴模型给出的是统计的平均结果缘由

27、：液滴模型给出的是统计的平均结果1.4 1.4 核力核力1 1、核力的普通性质、核力的普通性质A A、核力是强相互作用力。核力约比库仑力大一百、核力是强相互作用力。核力约比库仑力大一百倍。倍。 B B、核力的电荷无关性。、核力的电荷无关性。 p p、p p，n n、n n，n n、p p之间的核力近似相等。之间的核力近似相等。 C C、核力具有短程性和饱和性。、核力具有短程性和饱和性。短程性：核力是短程力，其有效能程小于短程性：核力是短程力，其有效能程小于3 3 fm fm 。饱和性：核力只作用于相邻核子，而相邻核饱和性：核力只作用于相邻核子，而相邻核子数目是有限的子数目是有限的 。D D、核

28、力主要是吸引力，在极短程内有排斥芯。、核力主要是吸引力，在极短程内有排斥芯。0.8-2fm0.8-2fm时，核力表现为吸引力；在小于时，核力表现为吸引力；在小于0.8fm0.8fm时，时，有较强的排斥力；在大于有较强的排斥力；在大于10fm10fm时核力几乎完全消时核力几乎完全消逝。逝。 2 2、核力的介子实际、核力的介子实际电磁相互作用经过交换光子而发生相互作用。电磁相互作用经过交换光子而发生相互作用。1935年，日本汤川秀树提出了核力的介子实际。核子间经过交年，日本汤川秀树提出了核力的介子实际。核子间经过交换介子而发生相互作用。可由核力的作用范围及不确定关系估换介子而发生相互作用。可由核力

29、的作用范围及不确定关系估计介子质量的量级约为电子的计介子质量的量级约为电子的200多倍。多倍。后来发现，在核力作用中，后来发现，在核力作用中， 介子是核子相互作用的传播子。介子是核子相互作用的传播子。 3 3、原子核的势垒、原子核的势垒粒子与原子核作用过程的势能曲线。粒子与原子核作用过程的势能曲线。 核力为零，仅为库仑势位，称为库仑势垒核力为零，仅为库仑势位，称为库仑势垒势垒最高，为库仑势垒高度势垒最高，为库仑势垒高度 RVc 3131204241)(AZerRVc 核力大大超越库仑力，势能迅速下降并改动符号。核力大大超越库仑力，势能迅速下降并改动符号。 粒子进入靶核，合力为零，势能为常数值粒

30、子进入靶核，合力为零，势能为常数值Rr Rr NRrR NRr 0V 称为势阱深度。称为势阱深度。 量子力学中穿透势垒的概率在量子力学中穿透势垒的概率在经典力学中是难以解释的。量子经典力学中是难以解释的。量子力学中，能量大于势垒的入射粒力学中，能量大于势垒的入射粒子有能够越过势垒，但也能够被子有能够越过势垒，但也能够被反射回来。而能量小于势垒的粒反射回来。而能量小于势垒的粒子有能够被势垒反射回来，也有子有能够被势垒反射回来，也有能够穿透势垒进入核势阱，这种能够穿透势垒进入核势阱，这种效应称之为隧道效应。效应称之为隧道效应。 隧道效应：隧道效应：1.5 1.5 原子核的矩原子核的矩( (自旋、磁矩和电四极矩自旋、磁矩和电四极矩) )1 1、原子核的自旋、原子核的自旋质量质量m，电荷，电荷+q的粒子作圆周运动时，相当于环形电的