第七章 原子核物理

第七章原子核物理第1页，课件共82页，创作于2023年2月原子核物理学的发展：1．探索阶段(1896~1930)1896年，贝克勒尔发现了天然放射性1911年，卢瑟福提出了原子的核式结构模型1919年，卢瑟福发现了质子1920年，卢瑟福提出了原子核中可能存在中性粒子的猜测。1928年，盖革和米勒制成了探测粒子的计数器2．形成阶段(1931~1945)(1)重大发现和假说1932年，德威克发现了中子，海森堡和伊万宁柯提出原子核由质子和中子组成的假设，安德森从宇宙射线中发现了正电子。1934年，哈恩和史特拉斯曼发现了铀核裂变现象，开创了人类获取核能的新纪元。第2页，课件共82页，创作于2023年2月(2)重要理论和模型1931年，泡利提出了中微子假说1934年，费米提出了

衰变理论1935年，汤川秀树提出了核力的介子交换理论，奥本海默提出了核反应的直接相互作用理论。1936年，玻尔提出了核反应的复合核模型1939年，玻尔等提出了液滴模型理论。1940年，泡利建立了自旋与统计性之间的关系理论。1942年，坂田昌一提出了两种介子和两种中微子理论。(3)工程技术1931年，范德格拉夫发明了静电加速器1932年，莱里斯发明了回旋加速器1942年，美国建立了第一座反应堆1944年，威克斯列尔提出了同步加速器的原理1945年，美国爆炸了原子弹。第3页，课件共82页，创作于2023年2月3．发展阶段(1946~1986)(1)基础研究：发现新核素，研究核物理的基本问题(2)应用研究：核武器、核燃料、能源与动力、辐射防护、核技术应用第4页，课件共82页，创作于2023年2月§7.1原子核的基本性质一.原子核的组成--质子和中子组成1919年．卢瑟福发现了质子：氢核---质子：带一个单位正电荷第5页，课件共82页，创作于2023年2月1932年，查德威克发现了中子

核子--中子和质子

第6页，课件共82页，创作于2023年2月核素和核素图核素：凡具有相同的原子序数Z、中子数N及能量状态的原子核称为一种核素。元素：Z一定的原子。同位素：Z相同、N不同的核素是H的三种同位素。

同中子素：N相同、Z不同的核素，、。同质异能素：N、Z相同、而能量状态不同的核素，如、同量异位素：A相同、Z不同的核，如第7页，课件共82页，创作于2023年2月核素：凡具有相同的原子序数Z、中子数N及能量状态的原子核称为一种核素。第8页，课件共82页，创作于2023年2月二.原子核的质量和大小

(一)、原子核的质量原子的质量=原子核的质量+核外电子的质量-电子的结合能(可以忽略)1．原子质量单位原子核的质量通常采用作为单位

第9页，课件共82页，创作于2023年2月2．原子核的质量数3．质谱仪

能通过狭缝的离子：

离子在磁场中作圆周运动

由此可以算出离子的质量，进而算出原子及原子核的质量。

第10页，课件共82页，创作于2023年2月(二)、原子核的大小数量级：

(三)、原子核的密度原子核的密度为一常数，而且核的密度非常大。三、原子核的电荷是核外电子数，即原子序数，也称核电荷数。e=1.60217733×10-19C，第11页，课件共82页，创作于2023年2月四.原子核的自旋和磁矩

1、原子核自旋原子核的角动量称为核自旋

原子核的自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和

：原子核角动量量子数，称为核自旋量子数，它可以是整数，也可以是半整数。原子核角动量在空间某一选定方向的投影：

也是量子化的。：核自旋磁量子数共个值。

1．A为奇数的核(奇A核)，I为半整数2．Z、N都为偶数的核(偶-偶核)，3．Z、N都为奇数的核(奇-奇核)，I为整数第12页，课件共82页，创作于2023年2月2、原子核的磁矩电子的角动量与相应的磁矩之间的关系为：原子核也有磁矩，它与角动量的关系为：

核磁子远小于玻尔磁子，可见原子核的磁矩比电子的磁矩小得多，因此产生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。第13页，课件共82页，创作于2023年2月在外场方向的取向也是量子化的，它在外场方向的投影：

在外场方向的最大值为：测量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振。第14页，课件共82页，创作于2023年2月§7.2原子核力和结合能核力：核子之间的相互作用力。

一、核力的基本性质1．核力是短程力，只在数量级的范围内发生作用。

~：引力<：斥力>：消失第15页，课件共82页，创作于2023年2月2．核力是一种强相互作用核力的强度比库仑力大一百倍3．核力近似地与电荷无关第16页，课件共82页，创作于2023年2月4．核力是具有饱和性的交换力核力的饱和性：核子只与它最靠近的几个核子有相互作用。

核的密度近似地为一常数，核的结合能近似地与核子数成正比，核力是交换力：核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用。

1935年，汤川秀树提出了核力的介子理论：核力是一种交换力，核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用，并估计这种媒介粒子的质量约为电子静止质量的200倍，介于质子和电子之间，故称为介子。第17页，课件共82页，创作于2023年2月1947年，鲍威尔在宇宙射线中发现了介子，称为介子，有、、三种，质量分别为、、

不同核子的相互作用通过发射或吸收介子而产生，相当于两核子之间的位置发生交换，核力为交换力。第18页，课件共82页，创作于2023年2月二、原子核的结合能

1．原子核的质量亏损2．原子核的结合能当核子与核子结合成原子核时，将释放能量3．平均结合能将一个核子放到原子核中平均释放的能量，或把一个核子从原子核中所需的能量。的大小表示核子之间结合的紧密程度。大，表示核子结合的紧密。

第19页，课件共82页，创作于2023年2月(1)A<30的轻核，平均结合能表现出周期性的变化，凡A等于4的倍数的核，有最大值。(2)中等核(A=30~120)的结合能较大，轻核和重核的较小.获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变。(3)中等核的变化不大，，显示了核力的饱和性，即一个核子只同附近的几个核子有作用力，而不是同所有的核子都有作用。第20页，课件共82页，创作于2023年2月§7.3原子核结构模型一、液滴模型将原子核比作一个密度极大的、不可压缩的核液滴，而将核子比作液滴中的分子。1．实验依据（1）核力是饱和力，即原子核中的每个核子只与其邻近地几个核子有相互作用。（2）原子核的密度几乎是一个常数，故原子核具有不可压缩性。

2．原子核结合能的半经验公式第21页，课件共82页，创作于2023年2月二、壳层模型原子核内的核子也是按壳层分布的。当质子数或中子数为2、8、20、28、50、82和中子数数126时，原子核特别稳定，这些数叫做幻数。第22页，课件共82页，创作于2023年2月第23页，课件共82页，创作于2023年2月§7.4原子核放射衰变一、

放射性衰变规律（一）、放射性的发现

1896年，法国物理学家贝克勒尔发现：铀矿物能自发地发射穿透力很强并能使照相底版感光的不可见射线。1898年，居里夫妇又发现了钋和镭，并发现它们也能自发地放射出射线。

放射性衰变：核素自发地放射出某种射线而变成另一种核素、或同激发态过渡到基态的现象。凡能发生放射性衰变的核素叫放射性核素。第24页，课件共82页，创作于2023年2月放射性物质放出的射线主要有三种：

1．

射线：即氦原子核，贯穿本领很小，电离作用很强。2．

射线：是电子流，有较大的贯穿本领和较小的电离作用，其贯穿本领大约是

射线的100倍。3．

射线：是光子流，即波长很短的电磁波，在电磁波谱上排在x射线之后，有最大的贯穿本领和最小的电离作用。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第25页，课件共82页，创作于2023年2月（二）、放射性衰变的基本规律

放射性衰变要遵守：电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒。

1．指数衰变规律

代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，称为衰变常数

第26页，课件共82页，创作于2023年2月2．半衰期放射性物质的原子核的数目衰变到原来数目的一半时所经过的时间叫半衰期。第27页，课件共82页，创作于2023年2月3．平均寿命－各个原子核的寿命不同，但平均寿命却具有确定的值。

一个原子核在衰变前存在的时间叫做它的寿命。

所有原子核寿命的平均值称为平均寿命。当时

放射性核素的和，它们是每个核素的特征量，不同的核素差别很大。我们可以根据测量的判断它属于哪种核素第28页，课件共82页，创作于2023年2月例1：已知的衰变常数为，试求它的半衰期和平均寿命。第29页，课件共82页，创作于2023年2月（三）、放射性活度放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数。单位：国际单位制中，放射性活度的单位为“贝克勒尔”，记作“Bq”，1Bq=1次衰变/秒1居里(Ci)=次衰变/秒=

Bq放射源所含放射性物质的原子核数：放射源所含放射性物质的质量：

第30页，课件共82页，创作于2023年2月例3：测得某样品的放射性活度经30天减为原来的，求该样品的衰变常数、半衰期和平均寿命。，第31页，课件共82页，创作于2023年2月二、

衰变－原子核自发地放射出

粒子而发生的衰变（一）、衰变条件和衰变能１、衰变能：

原子核在衰变过程中释放的能量，用Q表示

２、衰变条件

３、衰变能的释放形式

第32页，课件共82页，创作于2023年2月例：判断是否发生

衰变。第33页，课件共82页，创作于2023年2月

能谱和原子核能级测得

粒子的动能有六种，

此外有能量不同五种射线。

粒子能谱具有分立特性－原子核具有分立的能量状态。

第34页，课件共82页，创作于2023年2月第35页，课件共82页，创作于2023年2月三、

衰变（一）、衰变能谱与中微子微设

1．衰变能谱(1)粒子能量连续分布(2)

具有确定的最大值，且

(3)曲线有一极大值，此处

粒子能谱引发的困境：

第一，

粒子能谱是连续的，而原子核具有分立能级。第二，能量不守恒？

第三，角动量不守恒？第36页，课件共82页，创作于2023年2月2．中微子假设泡利认为：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。中微子分为两种：中微子和反中微子，它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向不同。由于三者之间的分配是任意的，所以粒子的能量是连续的，形成了连续谱。第37页，课件共82页，创作于2023年2月

假设中微子的自旋和电子一样为，则衰变前后的角动量守恒。

由于，，衰变能主要在电子和中微子之间分配，当时，，其余情况下，1956年，从实验上发现了中微子。第38页，课件共82页，创作于2023年2月（二）、

衰变的三种类型及衰变条件

衰变时核电荷数改变而核子数不变的衰变

1．衰变：

能量守恒：

衰变条件：＞0，即2．衰变：

第39页，课件共82页，创作于2023年2月3．K俘获：原子核俘获一个核外轨道上的电子而转变为另一个原子核的过程。能量守恒：

发射X标识谱

产生俄歇电子

第40页，课件共82页，创作于2023年2月（三）、衰变的机制费米认为：

衰变的本质在于衰变时在原子核中受束缚的一个中子转变为质子或一个质子转变为中子，而对轨道俘获来说，其本质就是俘获轨道电子而转变为中子：

粒－核子的不同状态之间跃迁的产物，事先并不存在于核内。

衰变是电子-中微子场与原子核的相互作用----弱相互作用。衰变：衰变：K俘获：

第41页，课件共82页，创作于2023年2月四、

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

第42页，课件共82页，创作于2023年2月五、

放射系1．钍(

)系2．铀(

)系3．锕(

)系

4．镎(

)系，一、位移定则位移：发生衰变后，原子在周期表中位置的变化。

衰变中：，向前移两位

-衰变中：，向后退一位

+衰变中：，向前移一位K俘获中：，向前移一位

衰变中：，不动第43页，课件共82页，创作于2023年2月1．钍()系

衰变次数：

衰变次数：

第44页，课件共82页，创作于2023年2月2．铀()系

衰变次数：

衰变次数：第45页，课件共82页，创作于2023年2月3．锕()系，俗称锕铀，故称锕系。

衰变次数：

衰变次数：第46页，课件共82页，创作于2023年2月4．镎()系，

衰变次数：

衰变次数：其中半衰期最长的为，故称为镎系。第47页，课件共82页，创作于2023年2月六、放射性衰变规律在地质考古上的应用在考古工作中，可以用来推算年代

射线应用－在医学，农业，工业，科学研究第48页，课件共82页，创作于2023年2月§7.５

原子核反应原子核反应：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。一、

核反应的一般规律（一）、核反应的守恒律1．几个著名的核反应(1)历史上第一个人工核反应

第49页，课件共82页，创作于2023年2月2．核反应的类型按入射粒子的类型分：(

粒子、质子、中子、氘核、光子)引起的核反应。按入射粒子的能量分：低能()、中能()、高能()核反应。按靶核质量分：轻核(A<25)、中等核(25<A<80)、重核(A>80)核反应。(２)．第一个在加速器上实现的核反应第50页，课件共82页，创作于2023年2月3．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是守恒的动量守恒：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。

第51页，课件共82页，创作于2023年2月（二）、核反应的机制１、复合核过程２、直接反应过程（三）、核反应中的能量1．反应能Q：核反应中所放出的能量静质量：

总质量：

动能：

总能量：

第52页，课件共82页，创作于2023年2月

+

-

=[

+

-

-

]右边表示反应前后物质总静止质量差所相应的能量；左边表示反应前后总动能之差，称为反应能(1)Q>0放能反应例1试计算反应的反应能。(2)Q<0

吸能反应例2由静止质量计算的Q值。第53页，课件共82页，创作于2023年2月2．Q方程Q=

+

-动量守恒：第54页，课件共82页，创作于2023年2月3．反应阈能

能使核反应得以实现的入射粒子的所必须具有的最小动能，即只有当时反应才能发生。4．核反应的类型

按入射粒子的类型分：(

粒子、质子、中子、氘核、光子)引起的核反应。

按入射粒子的能量分：低能(

)、中能(

)、高能(

)核反应。按靶核质量分：轻核(A<25)、中等核(25<A<80)、重核(A>80)核反应。第55页，课件共82页，创作于2023年2月§7.6

原子核裂变

原子核裂变是一个重原子核分裂成两个质量相差不远的碎块的现象。

一、裂变过程A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV一个铀核：

一克铀：

这相当于2.5t煤完全燃烧时放出的能量。

第56页，课件共82页，创作于2023年2月二、裂变机制—液滴模型在裂变前，原子核处于能量最低的基态，呈球形。当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，能量增加，核子振荡加剧，由球形变成椭球形。当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，原子核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。

裂变不仅释放大量能量而且伴随中子的发射－－形成链式反应第57页，课件共82页，创作于2023年2月三、链式反应实现核裂变的链式反应条件1.中子产额和慢化减速剂-重水和石墨2.临界体积倍增系数：

方法1是浓缩天然铀中的比例。

方法2是加大铀堆的体积至临界体积，增加中子数。

吸收中子发生裂变的几率很少吸收热中子发生裂变。热中子的能量大约为第58页，课件共82页，创作于2023年2月四.原子反应堆堆芯－核燃料、中子减速剂和冷却剂由堆芯、中子反射层、控制系统和屏蔽层等五.原子弹

临界体积约1公斤.第59页，课件共82页，创作于2023年2月第60页，课件共82页，创作于2023年2月第61页，课件共82页，创作于2023年2月达到超临界状态的方法：枪法及内爆法第62页，课件共82页，创作于2023年2月§7.7

原子核聚变核聚变：几个轻核聚合成较重核的过程重核中等质量核

放出能量轻核中等质量核

放出能量第63页，课件共82页，创作于2023年2月第64页，课件共82页，创作于2023年2月1.聚变能约为裂变能的四倍2.聚变反应的原料是氘.而核裂变的原料是铀怎样实现核聚变？考虑到以下两个因素：(1)热运动的能量是麦克斯韦分布。(2)隧道效应热核反应温度要求：

第65页，课件共82页，创作于2023年2月劳逊判据

任何物质在温度高达几百万度时，原子离解为正离子和电子。当温度升高到上亿(108)度时，形成正离子与等量电子同时存在的等离子体。

等离子态的物质是很难被稳定地约束起来的，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。等离子体约束－引力约束、惯性约束和磁约束2.惯性约束－聚变材料自身惯性1.引力约束－用引力3.磁约束—利用磁场约束等离子体第66页，课件共82页，创作于2023年2月二、太阳能的来源－来源于太阳中的热核反应。引力约束太阳内部主要有两种核反应：

1．氢链反应：

2．碳氢循环第67页，课件