原子核物理概论

原子核物理概论第1页/共172页§32原子核物理的对象(1)原子的中心：原子核线度、质量(2)历史回顾1896年,贝克勒尔发现铀的放射现象；第2页/共172页1897年,居里夫妇发现钋和镭；1899-1900年，发现、、射线；1903年，卢瑟福证实射线是氦核，射线是电子；1911年，卢瑟福提出原子核式模型；1919年，卢瑟福首次实现人工核反应：用粒子从氮核中打出质子；

第3页/共172页1932年，查德威克发现中子，海森伯提出原子核由质子和中子组成；1934年，小居里夫妇发现人工放射性；1939年，重核裂变现象被发现，玻尔和惠勒提出重原子核裂变的液滴模型理论；1942年，费米等发明热中子链式反应堆；第4页/共172页

1945年，美国制造出原子弹；原子弹在日本广岛分裂；1952年，美国实现轻元素的热核爆炸；1954年，苏联建成第一个原子能发电站；1958年，我国建成第一座重水型原子反应堆；1964年，我国成功试爆原子弹；1967年，我国成功试爆氢弹。第5页/共172页（3）原子核(nucleus)的组成★原子核由质子和电子组成微观粒子的波动性核自旋★原子核由质子和中子组成nucleon第6页/共172页第7页/共172页（4）核素(nuclide)图第8页/共172页第9页/共172页第10页/共172页§33

核的基态特性之一：核质量第11页/共172页质量亏损(massdefect)（2）结合能EB(bindingenergy)第12页/共172页第13页/共172页原子核平均结合能曲线第14页/共172页第15页/共172页（3）半经验质量公式液滴(liquiddroplet)模型

依据:原子核大小有限，形状近于球形；核力的短程性和饱和性；原子核的不可压缩性第16页/共172页原子核的结合能：体积能表面能库仑能

体积能EBV（volumeenergy）第17页/共172页

表面能EBS（surfaceenergy）（surfacetensioncoefficient）第18页/共172页库仑能EBC（coulombenergy）第19页/共172页原子核结合能的半经验公式：原子核质量的半经验公式：第20页/共172页结合能的主要部分第21页/共172页（4）较完整的质量公式体积能表面能库仑能对能对称能第22页/共172页第23页/共172页§34核力(nuclearforces）（1）一般性质核力:核子与核子之间的强相互作用力。短程力;饱和性;强相互作用;第24页/共172页与核子电荷无关;在极短程内存在斥心力;与自旋有关.核子作用势第25页/共172页核子作用势第26页/共172页（2）核力的介子理论两个电子的相互作用第27页/共172页汤川秀树：介子(meson)场理论核子间的相互作用第28页/共172页第29页/共172页

π介子作为核力的传播子第30页/共172页线系限主线系（1）核自旋§35

核的基态特性之二：

核矩第31页/共172页

基态原子核的自旋规律偶偶核的自旋为零奇偶核的自旋为半整数奇奇核的自旋为非零整数第32页/共172页（2）核子磁矩电子的磁矩：第33页/共172页核的玻尔磁子（简称核磁子）

nuclearmagnetron质子的磁矩：第34页/共172页第35页/共172页第36页/共172页第37页/共172页（3）核磁矩(磁偶极矩)第38页/共172页（4）电四极矩第39页/共172页第40页/共172页对任意带电体：第41页/共172页原子核电四极矩的定义：第42页/共172页原子核的形状与电四极矩的关系第43页/共172页一些核素的核矩实验值第44页/共172页§37放射性衰变的基本规律

(decay)放射性(radioactivity)衰变：不稳定原子核自发地放射出各种射线后,转变为另一种原子核的现象.第45页/共172页已发现的放射性衰变模式:衰变-衰变、+衰变、电子俘获(EC)衰变（跃迁）、内转换（IC）自发衰变（SF）几种罕见的衰变模式

★

p放射性

★

14C放射性

★延迟p发射★延迟n发射★双-衰变

第46页/共172页（1）指数衰变律发生衰变的原子核数目

t

时刻未发

生衰变的原

子核数目时间间隔第47页/共172页（2）半衰期()

半衰期

(halflifeperiod)

：放射性核素的原子核数目衰变到原来的一半所需要的时间。第48页/共172页13N衰变第49页/共172页（3）平均寿命()平均寿命：放射性原子核在衰变前的平均生存时间。第50页/共172页(4)是放射性核素的特征量估算地球的年龄：第51页/共172页（5）放射性活度(activity)

放射性活度(放射性强度):指放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数。第52页/共172页第53页/共172页比活度(SpecificActivity):第54页/共172页（6）长半衰期的测定1、测量放射性活度A2、算出产生A的原子核的数目N3、利用求出第55页/共172页（7）简单的级联衰变天然衰变链之一：钍系第56页/共172页天然衰变链之二：镎系第57页/共172页天然衰变链之三：铀系第58页/共172页天然衰变链之四：锕系第59页/共172页第60页/共172页第61页/共172页（8）同位素(isotope)生产第62页/共172页第63页/共172页同位素生产图第64页/共172页

§38衰变能量守恒：第65页/共172页第66页/共172页

衰变的条件：第67页/共172页例如：第68页/共172页动量守恒：子核反冲动能：第69页/共172页第70页/共172页第71页/共172页相对强度6.0846.20127.2%6.0446.1610.04069.9%5.7635.8740.3271.7%5.6215.7300.4710.15%5.6015.7090.4921.1%5.4805.5850.6160.016%第72页/共172页6.0846.0445.7635.621(27.20%)(69.81%)(1.80%)(0.15%)00.0400.3270.4920.3270.4710.6165.6015.480(1.10%)(0.016%)0.4710.4920.0400.6166.203第73页/共172页衰变前母核处于激发态105501600727169018009537271074180010432109499348785106第74页/共172页（5）补注质子放射性：原子核在衰变过程中释放出质子。质子衰变：质子本身不稳定，要发生衰变。第75页/共172页

§38

衰变(-decay)能谱为何连续？电子（正电子）从何而来？第76页/共172页相对粒子数端点能量第77页/共172页（2）中微子(neutrino)假说第78页/共172页第79页/共172页第80页/共172页中微子存在的实验证明间接证明：直接证明：第81页/共172页中子质子同一核子的两个不同的量子态第82页/共172页（3）衰变第83页/共172页

衰变的条件：第84页/共172页（4）衰变第85页/共172页

衰变的条件：第86页/共172页Nucleonnumber(A)Protonnumber(Z)A,Z+1A,Z-1A-4,Z-2b+b-aA,Za

decayb+

decayb-

decay第87页/共172页（5）轨道电子俘获(EC)第88页/共172页发生EC的条件：第89页/共172页EC发生的实验依据：特征X射线的发射俄歇电子的发射第90页/共172页64Cu的衰变纲图第91页/共172页（4）与衰变有关的其他衰变方式1、中微子吸收第92页/共172页第93页/共172页第94页/共172页

§38

衰变（1）一般性质第95页/共172页60Co的衰变纲图第96页/共172页（2）内转换电子

内转换（IC）：原子核把激发能直接交给核外电子，使其脱离原子核的束缚而成为自由电子的过程。被发射的电子称为内转换电子。第97页/共172页内转换系数：

第98页/共172页内转换内转换电子第99页/共172页俄歇电子俄歇电子的产生第100页/共172页（3）同质异能跃迁(IT)第101页/共172页(4)穆斯堡尔效应第102页/共172页第103页/共172页第104页/共172页第105页/共172页穆斯堡尔效应第106页/共172页第107页/共172页（5）几种衰变特性本性电子电磁辐射第108页/共172页机制势垒贯穿弱相互

作用电磁相互作用产物能量分布单能单能第109页/共172页衰变能：第110页/共172页

§41核反应原子核与原子核或原子核与其它粒子（例如中子、光子等）之间的相互作用引起的各种变化。nuclearreaction第111页/共172页产生核反应的途径：

用放射源产生的高速粒子轰击原子核；利用宇宙射线(cosmicray)来进行核反应；利用粒子加速器(accelerator)或反应堆(reactor)来进行核反应第112页/共172页核反应的表示方法：入射粒子出射

轻粒子靶原子核

生成核

（剩余核）（Target）(incomingparticle)（outgoinglight-weightparticle）(Residuenucleus)第113页/共172页（1）著名的核反应1、历史上第一个人工核反应2、第一个在加速器上实现的核反应第114页/共172页第一个人工核反应实验简图氮气氮气荧光屏银箔显微镜第115页/共172页3、产生第一个人工放射性核素的反应4、导致发现中子的核反应第116页/共172页核反应中的守恒定律电荷守恒质量数守恒宇称守恒动量守恒角动量守恒质量与能量守恒第117页/共172页（2）Q方程能量守恒：第118页/共172页反应能Q：第119页/共172页核反应的Q方程：第120页/共172页第121页/共172页第122页/共172页第123页/共172页第124页/共172页第125页/共172页（3）Q方程应用举例★识别靶核第126页/共172页★减少运动学变宽第127页/共172页（4）反应截面核反应截面：第128页/共172页§42

裂变和聚变：

原子能的利用（1）裂变(fission)的发现

重核的裂变：一个重原子核分裂为两个或两个以上中等质量碎片的现象。第129页/共172页原子核裂变的特点：裂变产物中含中子数很多裂变产物的质量分布很广裂变释放的能量很大发生裂变的原子核种类很多第130页/共172页第131页/共172页第132页/共172页从核素图看裂变过程第133页/共172页（2）裂变机制液滴模型库仑力核力第134页/共172页时间第135页/共172页第136页/共172页（4）裂变能量及其利用(3)自发裂变(SF)第137页/共172页第138页/共172页第139页/共172页链式反应(chainreaction)U235U235U235中子第140页/共172页uraniumnucleusThenuclearchainreactionneutronsfissionfragmentsneutron()第141页/共172页中子在铀块中的五种遭遇不论能量多少，打中235U，引起裂变，中子数增加能量大于1.1MeV，打中238U，引起裂变，中子数增加能量小于1.1MeV，打中238U，不引起裂变，但可能被吸收，中子数减少没有打中铀核，飞出铀块，中子数减少被铀块中的杂质吸收，中子数减少第142页/共172页维持链式反应的条件：第143页/共172页第144页/共172页反应堆(reactor)减速剂控制棒屏蔽体燃料元件第145页/共172页反应堆主要组成部分：-活性区（堆芯）：放置裂变物质和中

子减速剂，发生核裂变的场所。-中子反射层：将飞出活性区的中子挡

回活性区。-冷却系统：传输活性区产生的热量。-控制系统：控制链式反应的速率，调

节反应堆功率以及开堆、停堆。-保护层：防止放射线对人体的伤害。第146页/共172页graphitemoderatorboroncontrolrodheatexchangerfuelelementchannelsteelconcretehotgasreactorcorecoldgaschargeface第147页/共172页第148页/共172页反应堆用途：

原子能动力制造放射性同位素产生大量中子产生核燃料第149页/共172页第150页/共172页原子弹(A-bomb)稳定器引爆装置铀块或钚块中子反射层弹壳第151页/共172页（5）轻核聚变(fusion)轻核的聚变（核聚变）：轻原子核聚合成较重原子核的核反应。第152页/共172页核聚变的特点：-与核裂变相比，释放的能量更大-聚变材料十分丰富-聚变产物基本上是稳定氦核，无放射性，不污染环境。第153页/共172页热核反应：物质的第四态——等离子体第154页