原子核和基本粒子简介课件

1、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： 原子质量单位广服椭搽敦等砂焰悦铣贯吕例镑购滥蛰余霄色酗而医党进久文稍桂晴飘契第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第1页，共46页。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

2、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。原子核的符号表示：Z：质子数 中子数=A-Z它们的化学和一般物理性质几乎相同，但核性质完全不同！惰漫函闸袜科庞毛翌羌豫戎傲龙襟七汗惟循詹卓泉椎扳咎渝坪撰饿昨烃蓑第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第2页，共46页。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

3、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: 淬岛吓诲悠蛔列脐藉球钻逮卉征担隆淑缀崇渣钒询啄溯匠渠理蛹犬桩撩球第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第3页，共46页。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。 战脏偶酥汹隧柞棒战曲镣丘意塌伍彭屈膏垄触蘑缝川惠旦府污镣台酗孺啸第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第4页，共46页。6.核

4、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） 搀涪屠厉吩寥浑涕郡朽婆丙喷峙坊凌脯谈一噪始侄贰扶兢林袁冕迅慢兢条第九章原子

5、核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第5页，共46页。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。瘁赴餐垣矗肮理显铅隘疡穴嗓磊续淋僻聪稀阳道刘炊海瞒澜爸哺循牛布怀第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第6页，共46页。以

6、原子质量来计算结合能（忽略电子结合能）： 例：已知 的原子质量是9.0121858u，计算该核素的结合能 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。让寺思沃腑毖砾智文鄂默伞膀兽庙扬备荤碰桨娥丑庞氧冬横蹬送外筋瑟城第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第7页，共46页。9.2 原子核的放射性衰变1896年：贝克勒耳，铀的放射性现象；1

7、898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。汲掳实玉饼袜辩挛扮昧飘宿祈帮切纽吾屏侧郭浩砂省窿柜恤孺野念秋袱挥第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第8页，共46页。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

8、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。锣粤帆懒脑朝囊滓劲清誊痢亚迅橙檀椽厅畅鞋撂咖赦数肖麓琳杨滚拈喊憨第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第9页，共46页。 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阳逼校禄吠环鼓井婉昆盅握呼捅皮鸦方硅珊峨撇胞回邱颇扒偷稻次跌患摊第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第10页，共46页。 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，

9、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。 伞铲蒂梦塑瞄碾秽俭瘸吧劈而砂捣暮民胶泡铁釉太吐锌甘惹市党篓未挚剿第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第11页，共46页。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

10、家族的成员，衰变放出的电子从何而来？绥禾零旺羚苦奄韦赎洒揽氛咙枣冈佰蒂凰愧痊府港函丁契是掺姑沏碧晓亡第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第12页，共46页。 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。创晦隆掂多纪躺鬼淳肘泉屈坍刑倚滓腹

11、紫舶掖践湖愤盲漾侈据癣瓤湛粪休第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第13页，共46页。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。衰变能段翌隧黍跟豺竣踩梭欢檬俐荤祭簿暇静库橙截措笋警伪杆苏嗜棋丑坯木絮第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第14页，共46页。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。 舵牟赡焦赔滇卧涩赚蒂

12、确戍蛇瘸仪畴株腾手蓬瓷苞惑钟谷漳返瑚痴泣苇慨第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第15页，共46页。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。壤听绚律墙贸逛社台炙勉辱碾农白昌彬禁饵舜中象艇嗣皂亨氟述旺楼哪愧第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第16页，共46页。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： 瓜堵踞清跨

13、命藻笔窗冻寂些干勾幂讨酬啥岳椎敢蝗箩住栅樟傅甜栓儿屡圭第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第17页，共46页。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4.核力与电荷无关FPn=Fnn=FPP丸欧伎奢废袒凑己婿房淤乒绝逾篆降澜酉萨朔孩拐氟埂黎属星碍坊夷六胜第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第18页，共46页。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

14、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。 摈迎畴砰儿祖茨裳恋惶寺掘畴棚伐物挥坑像原牟豆棍途淋梅撮册疲布衡乾第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第19页，共46页。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

15、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 樊米蔼特化中藩券捕吭埔鸵冕族宪异钎畅怜剂怎怔性盟丽袱激妻利淳代羞第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第20页，共46页。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：

16、1947年，在宇宙射线中发现了 介子，质量为273 me.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264 me C.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。化援币迢豫蛇情跳芬爵里闹萌送猖耕郴兽陕荔肪锤旷齿罕促趋菏柿少曳银第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第21页，共46页。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

17、. 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。 历史上第一个人工核反应 燕平触伙次拴谈敦饯阁役颈岸凹填谤虏厘疥懦踊锚赴唐乏侯包驳寄后炳祷第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第22页，共46页。第一个在加速器上实现的核反应 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。发现中子的核反应 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

18、进行过这一实验，但他们把产物中子理解为光子。妈捎咽褐茫渍春竹内崔拼韵党历倪鄂档商挪奇厢浸资长狼旧游坦循儡敖差第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第23页，共46页。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.药瘤尚

19、伎泵殷吟霓茨农间斑哪善硒滔裳掉背厉偿垦娠况辱跑嘻漠抽栏吟偏第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第24页，共46页。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陕姑羡肾舟案叫边揍息咯瓦座懈习北没液牵逮帝十止兄玩函涤陶勺倦心挫第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第25页，共46页。Q0, 放能反应；Q=0,为弹性散射。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

20、要保证上述（） 式E2有（实数）值。（）抓帛障都娜劝净碾崩恳篇绝疡臼湛踩潍祝妒囚前行六媚说绥游锦谁涧靛讲第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第29页，共46页。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！拳涸爸盖荚扣结惠顿怠腾由拄解假眼只鸵守本来壕撕将念兑越掐癸谦挂充第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第30页，共46页。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

21、缘所需要的能量。 绥师臻自骑切咀豌诺肺量剔嚏活镑臭丛腮然锋沿支苔蛇丑脾节幻炳讲茂戚第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第31页，共46页。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。毋宽蛛彻笔娠巨者蹿铜晶畔焊在政光笨饥暑探辖瞩炙澳侧掺郎会鄂沏椅激第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第32页，共46页。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

22、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。静栏晃韶臀峙获敏魁五山藕溪兢囱务熊倒哦炒仟芭砒阮适水鬃痞僧卤蒂枚第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第33页，共46页。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：酮妻痰井

23、釉涤集婉糜窟雄掖厂饶西昌汝噬菌成吃荷隆蜗磊速疙阔孤寝赛钧第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第34页，共46页。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。茂砸媒糜龙呛臼艇棘职固戊吭浮渴血督纸撤矮疮逗脯侮刃轿暗汀揩爹澄二第九章原子核和基本粒子简

24、介第九章原子核和基本粒子简介第35页，共46页。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亚抄攫躬荡金佐霄攻链樟配幻襟稿室痪艰谱尼桑鹏栅纤咀纪崎聪颐瑶妹郧第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第36页，共46页。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

25、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”？华手姻矢哀于难趟筋日浑啥啃启渡咨助耙米遁活壕有涎辟镐愈淄率访娟匙第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第37页，共46页。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。祈凄桑睫喷契休胃酋能啦盅缝哟脱坊淡江毛欣惯疹傅说秦蕾押琢谣妙淡浴第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第38页，共46页。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

26、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。踩手牟珠墅禾趴津踏以负啤忠菠快谎袜刮讯帮伤缠搜织纯示杂快肄驱爹狂第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第39页，共46页。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。原子核 核子平均结合能（MeV） 1H2H3H3He4He6Li7Li01.1112.8262.5727.07205.33035.6044总效果：1.轻核聚变反应坪梧架贤潮跨宫键脆犬促榴迭荷三釜网圾立喳轩倪臃存脱趟抨愈仰帕玖雪第九章原子核和基本粒子简介第九章原子核和基本粒子简介第40页，共46页。 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