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选修3-5

第十九章原子核1/86第一节

原子核组成2/86电子（负电）质量很小原子

正电荷（大部分质量）

原子核？3/86

人们经过什么现象或试验发觉原子核是由更小微粒组成？人们认识原子核结构就是从天然放射性开始。4/861896年，法国物理学家贝克勒尔发觉，铀和含铀矿物能够发出看不见射线，这种射线能够穿透黑纸使摄影底片感光，物质发射射线性质称为放射性．含有发射性元素称为放射性元素．元素这种自发放出射线现象叫做天然放射现象．一、天然放射现象5/86

放射性不是少数几个元素才有，研究发觉，原子序数大于82全部元素，都能自发放出射线，原子序数小于83元素，有也含有放射性．放大了1000倍铀矿石天然放射现象6/86α射线β射线γ射线依据图判断这三种射线都带何种电荷？二、天然放射现象中三种射线正电负电不带电7/86三种射线特点γ射线β射线α射线电离能力贯通能力速度成份氦核电子流电磁波（光子）1/10光速近光速光速弱较强很强很轻易较弱更小都来自于原子核内部！！！8/86三、原子核组成三种射线都是高速运动粒子，能量很高，都来自于原子核内部，这也使我们认识到原子核蕴藏有巨大核能，天然放射现象说明原子核内有复杂结构原子核内终究还有什么结构？原子核又是由什么粒子组成呢？9/861、质子发觉1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，得到了质子。经过研究证实，质子带正电荷，其电量和一个电子电量相同，它质量等于一个电子质量1836倍.深入研究表明，质子性质和氢原子核性质完全相同，所以质子就是氢原子核10/86

一样方法，从氟、钠、铝原子核中打出了质子。------质子是原子核组成部分。原子核是否只是由质子组成呢？

卢瑟福进而猜测原子核内存在不带电中子，这一猜测被他学生查德威克用试验证实，并得到公认．核质量质子质量核电量质子电量>11/862、中子发觉1932年英国物理学家查德威克又发觉了中子

，经过研究证实中子质量和质子质量基本相同，不过不带电.是中性粒子.在对各种原子核进行试验中，发觉质子和中子是组成原子核两种基本粒子.12/8613/861931年，约里奥·居里夫妇——居里夫人女儿和女婿公布了他们关于石蜡在“铍射线”照射下产生大量质子新发觉。查德威克立刻意识到，这种射线很可能就是由中性粒子组成，这种中性粒子就是解开原子核正电荷与它质量不相等之谜钥匙！查德威克立刻着手研究约里奥·居里夫妇做过试验，用云室测定这种粒子质量，结果发觉，这种粒子质量和质子一样，而且不带电荷。他称这种粒子为“中子”。“机遇只偏爱有准备头脑”14/86法国物理学家约里奥•居里夫妇（freedorie

joliotcurie，1900—1958；irene

joliot

curie，1897—1956）是著名科学家皮埃尔•居里夫妇（pierre

curie，1859—1906；marie

sklodowska

curie

1867—1934）女婿和大女儿。后人习惯称为小居里夫妇。他们都是著名科学伴侣、试验物理学家。阅读材料：小居里夫妇三次后悔15/86小居里夫妇是处于二三十年代之交核物理“危机”时代，自从卢瑟福发觉人工核嬗变后，因为物理学家注意力多集中于量子力学上，在二十年代早期，对原子核物理研究进展十分迟缓。1926年量子力学建立，原子物理学中困难基本处理。于是，人们开始把注意力集中到原子核内。使物理学家们感到诧异是：量子力学在原子核中应用造成了许多困难。量子力学在核物理领域碰到了严峻挑战，但与经过放弃量子论建立量子力学来处理量子论危机不一样，量子力学在核物理领域危机是以经过三个新粒子：中子、正电子和中微子发觉处理。

普通认为，中子概念最早是由卢瑟福于1920年提出，他在那年6月一次演讲中指出：“在一些条件下，一个电子有可能更紧密地与氢核相结合，从而形成一个中性偶极子。”第一个显示出存在于中子迹象试验是玻特和贝克进行，他们用α粒子轰击铍，发觉从铍中发射出一个贯通力很强中性辐射，其辐射能量几乎是入射α射线能量十倍。玻特和贝克工作引发了许多物理学家兴趣。1931年，约里奥•居里与我国出色科学家、教育家严济慈教授同时被法国物理学会选为理事，在此期间，约里奥夫妇重复了玻特试验，并用这种从铍中放出新射线轰击石腊，结果竟从石腊中打出速度为3×107m／s质子束来，假如认为这些质子产生是因为原子核受到γ光子碰撞结果，那么计算表明，这种γ光子能量最少应该含有50百万电子伏，不然就不可能给质子那么大速度，然而，这跟实际测得数据10百万电子伏有矛盾，遗憾是这一矛盾并没有引发约里奥•居里夫妇深思，他们依然勉强地认可这种新射线就是γ射线，把这一矛盾解释为γ光子同质子康普顿散射。在1932年1月11日，他们向巴黎科院提交了反应这一结果论文。1月底，查德威克知道了约里奥夫妇试验马上意识到：光子不可能打出这么大能量质子，这很可能是自己寻找了十二年之久中子，经过重复试验，正式命名为中子，于1932年2月发表了试验结果，仅半个月时间就取得了成功。查德威克也所以取得了1935年诺贝尔物理学奖。1937年到1947年我国著名物理学家钱三强在约里奥夫妇身边工作，谈及此事，约里奥说：“当我文章发表以后，卢瑟福学生查德威克马上意识到，也就是卢瑟福预言新粒子，于是，他马上进行试验，一个月后就发表了论文，点出了中子存在，哎，我真笨呀！中子存在证据80％已经被我们得到了。但就没有把它点明白。当我看了查德威克论文，后悔得用拳头打自己脑袋。”16/86不幸是，小居里夫妇在研究中子过程中，还发觉一个新粒子。为了判断粒子运动方向，在粒子行径中放一块铅板，结果发觉粒子在铅板下部曲率半径变小，对这一改变，居里夫妇未能抓住进行深入分析，更未做深入研究，却把它解释为放射源运动电子，其实这正是人们寻觅已久正电子。到1932年8月2日，安德森从拍摄到五室径迹中发觉了一张奇特照片，他敏感地意识到，这必定不是普通负电子轨迹，经过屡次试验和认真分析、推论，最终确认为正电子，为此，安德森摘走了1936年诺贝尔物理奖桂冠。科学家们为探索微观世界而竟相拼搏，其间交织着艰难思索与灵感火花。成功欢乐和痛失良机懊恼……。17/861938年9月，小居里夫妇在萨维奇合作下应用放射化学方法分析中子轰击铀产物，发觉其中有一个放射性元素，半衰期为3.5小时，化学性质靠近镧。假如按当初关于超铀元素概念，这个产物性质应靠近锕。不过镧原子序数只有57，而锕原子序数却是89，原子量也相差甚远，这显然是一个矛盾。可惜他们没有抓住这个矛盾深入研究下去，就急忙发表了结果，岂不知这正是核裂变产生结果，很快便被科学家所证实。对新生事物缺乏深入研究，再一次使小居里夫妇成功机会失之交臂。18/86诚然，小居里夫妇不愧是一位伟大科学家，他们十分重视物理试验，精通试验技术，聪敏、好学。有过人毅力。小居里夫妇首先发觉了人工放射性现象，取得人工放射性同位素。为核物理学研究提供了更多放射性物质。他们所以而取得1935年度诺贝尔化学奖19/86实际上试验室传统是一个相当主要原因，是剑桥物理传统和巴黎化学传统促使中子和人工放射发觉发生在美国和法国。1933年，小居里夫妇与安德林和布莱克特等人一起观察到了正电子——电子正确湮灭产生现象，深入确认了正电子存在。1939年，小居里夫妇、费米、匈牙利物理学家西拉德等人分别证实了链式反应不但可能，而且速率极高，两次反应时间间隔只有五十万亿分之一秒。这表明铀裂变链式反应一旦实现，极短时间内将有巨大能量释放出来。这一试验证实了人类从此进行利用原子能新纪元。尽管小居里夫妇存在许多失误，就其个人来说是一个遗憾，但就整个物理学发展来说起到了极大推进作用。在近代核物理研究方面，小居里夫妇贡献是空前，他们在核物理方面新发觉促进了核物理危机处理，造成了核物理大革命。约里奥教授没有回避自己疏忽和缺点，而由衷地钦佩自已竞争对手。又把自己教训讲给自己学生听，这种高尚道德情操是多么令人钦佩呀！当钱三强回国时，居里夫人伊伦娜教授语重心长地说：“我们俩（指与约里奥教授）经常讲，要为科学服务，科学要为人民服务。希望你把这两句话带回去吧！”女导师殷切嘱托，成了钱三强一生座右铭。20/86原子核组成中子质子统称核子UHeH114223592XAZ（核）电荷数质量数3、原子核组成10－15m

元素符号21/86原子核组成各种原子核内质子个数（核电荷数）和核外电子个数都相同，它也等于该种元素在元素周期表中原子序数；原子核内质子和中子总数叫做核质量数，它等于该元素原子量整数部分.在某种核反应中，一个中子变成一个电子和一个质子——这就是原子核内没有电子，又会放出电子，产生β射线原因.22/86第二节放射性元素衰变23/86一、原子核衰变

原子核放出α粒子或β粒子转变为新核改变叫做原子核衰变α衰变：放出α粒子衰变，如β衰变：放出β粒子衰变，如

1.定义：2.3.24/86原子核发生衰变时，衰变前后电荷数和质量数都守恒．α衰变：

β衰变：

说明：1.中间用单箭头，不用等号2.是质量数守恒，不是质量守恒规律：衰变方程25/864.本质：α衰变：原子核内少两个质子和两个中子β衰变：原子核内一个中子变成质子，同时放出一个电子γ射线产生：γ射线是伴伴随α射线和β射线产生电磁波（光子）（能量），没有γ衰变。26/86二、半衰期(T)

意义：表示放射性元素衰变快慢物理量1.定义：放射性元素原子核有半数发生衰变所需时间2.公式：

27/8628/86注意：(1)半衰期长短是由原子核内部本身原因决定，与原子所处物理、化学状态无关

(2)半衰期是一个统计规律，只对大量原子核才适用，对少数原子核是不适用．29/86考古学家确定古木年代方法是用放射性同位素作为“时钟”，来测量漫长时间，这叫做放射性同位素鉴年法．30/86第三节探测射线方法31/861、粒子使气体或液体电离，以这些离子为关键，过饱和汽会产生云雾，过热液体会产生气泡2、使摄影底片感光3、使荧光物质产生荧光射线中粒子与其它物质作用会产生现象：32/86一、威尔逊云室：结构：一个圆筒状容器，低部能够上下移动，上盖是透明，内有洁净空气试验时，加入少许酒精，使酒精蒸汽到达过饱和状态。利用射线电离本事33/86a射线在云室中径迹：直而粗原因：a粒子质量大，不易改变方向，电离本事大，沿涂产生粒子多ß射线在云室中径迹：比较细，而且经常弯曲原因：粒子质量小，跟气体碰撞易改变方向，电离本事小，沿途产生离子少34/86二、气泡室-----高能物理试验最风靡探测设备

气泡室是由一密闭容器组成，容器中盛有工作液体35/86液体在特定温度和压力下进行绝热膨胀，因为在一定时间间隔内（比如50ms）处于过热状态，液体不会马上沸腾，这时假如有高速带电粒子经过液体，在带电粒子所经轨迹上不停与液体原子发生碰撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在复合时会引发局部发烧，从而以这些离子为关键形成胚胎气泡，经过很短时间后，胚胎气泡逐步长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。假如这时对其进行拍照，就能够把一连串气泡拍摄下来，从而得到统计有高能带电粒子轨迹底片。摄影结束后，在液体沸腾之前，马上压缩工作液体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状态，准备作下一次探测。36/86气泡室中带电粒子径迹气泡室优点：它空间和时间分辨率高；工作循环周期短，本底洁净、径迹清楚，可重复操作。但也有不足之处：那就是扫描和测量时间还嫌太长；体积有限，而且甚为昂贵，37/86三、盖革-米勒计数器一个能自动把放射微粒计数出来仪器，利用了射线电离本事38/86第四节放射性应用与防护39/86卢瑟福在试验中发觉，往容器Ｃ中通入氮气后，在荧光屏Ｓ上出现了闪光，这表明，有一个新能量比α粒子大粒子穿过铝箔，撞击在Ｓ屏上，这种粒子必定是在α粒子轰击氮核而使该核发生改变时放出。这么，卢瑟福第一次经过人工方法实现了原子核转变，人类第一次打开了原子核大门。一、人工核反应40/86与天然放射性物质相比，人造放射性同位素：1、放射强度轻易控制2、能够制成各种需要形状3、半衰期更短4、放射性废料轻易处理二、人工放射性同位素41/86（1）利用它射线三、放射性同位素应用A、因为γ射线贯通本事强，能够用来γ射线检验金属内部有没有砂眼或裂纹，所用设备叫γ射线探伤仪．B、利用射线穿透本事与物质厚度密度关系，来检验各种产品厚度和密封容器中液体高度等，从而实现自动控制C、利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上静电D、利用射线照射植物，引发植物变异而培育良种，也能够利用它杀菌、治病等42/86被不一样剂量γ射线照射后马铃薯8个月后情况，左上方马铃薯没经过γ射线照射，右下方被γ射线照射剂量最大，左下方保留最好马铃薯被γ射线照射剂量适中。43/86“鲁棉一号”就是山东省棉花研究所科技人员应用放射性同位素钴-60放出伽玛射线处理棉花杂交后代育成．44/86（2）作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等.棉花在结桃、开花时候需要较多磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收．不过，什么时候吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内分布情况等，用通常方法极难研究．假如用磷放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位放射性强度，上面问题就很轻易处理．45/86人体甲状腺工作需要碘．碘被吸收后会聚集在甲状腺内．给人注射碘放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织放射强度，有利于诊疗甲状腺器质性和功效性疾病．46/86（3）放射性污染和防护原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重污染，在利用放射性同位素给病人做“放疗”时，假如放射性剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈，造成病人因放射性损害而死去。有些矿石中含有过量放射性物质，假如不注意也会对人体造成巨大危害。47/86核反应堆外层厚厚水泥建筑48/86小结：1、核反应基本上可分为两大类：一是自然衰变（天然放射性衰变），二是人工衰变（人工转变）（发觉质子核反应）（发觉中子核反应）2、放射性同位素应用49/86第五节核力与结合能50/86一、核力与四种基本作用万有引力电磁力核力弱力二、结合能原子核凭借核力结合，分开需要能量——结合能平均结合能（比结合能）51/86三、质量亏损1、原子核质量小于组成它核子质量之和——质量亏损52/862、爱因斯坦质能方程E=mc2ΔE=Δmc253/86第六节核裂变54/86一、重核裂变1、

中子轰击铀核，铀核分裂成质量相近两部分，并释放出能量，这种核反应过程叫做核裂变2、

链式反应55/863、

核电站

核裂变能够在人工控制下进行

核反应堆56/86

第七节核聚变

一、轻核聚变（热核反应）57/86第八节粒子和宇宙58/86比比谁小

分子由______组成，不一样原子组成_______分子，相同原子组成_______分子。原子是由位于中心_______和核外高速旋转______组成。（电子带___电，原子核带___电）原子核是由_____和_____组成。（质子带___电，中子_______电）质子和中子都是由_____组成。原子化合物单质原子核电子负正质子中子不带夸克正59/86盖尔曼（夸克）60/86道尔顿（原子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）查德威克（中子）盖尔曼（夸克）发觉各种微粒科学家61/86一、“基本粒子”不基本62/86

1995美国费米国家加速器试验室证实了顶夸克(TopQuark)存在63/86二、发觉新粒子64/86粒子分类分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子

(电子质子中子各种重子)半整数1/2，3/2，…服从费米—狄拉克统计分布玻色子

(光子

介子K介子、

介子)

整数0或1等不服从玻色—爱因斯坦统计分布1.按自旋分类2.共振态粒子—寿命极短（约10-23s）65/86万有引力电磁力弱相互作用强相互作用引力子＋光子＋＋轻子＋＋＋强子＋＋＋＋4.按相互作用分类(＋——参加)正、反粒子物理量绝对值都相同，但一些物理量(如电荷、磁矩等)符号相反。

引力子自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。

光子自旋为1，是玻色子3.正粒子、反粒子66/86分类正反粒子自旋电荷量e重子数B轻子数寿命10-6s轻子电子μ子τ子1/2-1+1-1+1-1+10000-1+1稳定2.2<2.3中微子稳定轻子（共12种）中微子系中性粒子，质量为零，只参加弱相互作用。说明67/86分类粒子名称自旋介子

、、K介子等整数玻色子重子核子质子、中子及其反粒子1/2(Ω超子3/2)费密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子强子分类K介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发觉以下现象

协同产生:一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。奇异粒子协同产生过程极快(约为10-23s),表明是在强相互作用下进行；而衰变过程很慢(寿命约为10-8～

10-10s)，表明是在弱相互作用下进行。68/86强子结构夸克模型下夸克d

上夸克u

奇夸克

s强子结构夸克模型(1964年)：介子（夸克和反夸克组成）重子（三个夸克组成）粲夸克c

底夸克b

顶夸克

t69/86三、夸克模型70/86比如质子奇异粒子π+介子夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+171/861.质子

(uud)电荷重子数奇异数自旋同位旋夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+172/862.奇异粒子（uus）电荷重子数奇异数自旋夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+173/86夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+11/31/2-1/31/203.π+介子重子数电荷奇异数自旋同位旋分量74/86类别相对强度力程(m)作用时间(s)参加离子强作用1<10-1510-23强子电磁作用~10-2长程10-20~

10-16强子轻子光子弱作用~10-13<10-17~10-8强子轻子引力作用~10-39长程一切物质四种基本相互作用1.四种基本相互作用性质75/86相互作用是经过交换一定粒子实现作用类型引力作用电磁作用弱作用强作用交换粒子引力子光子玻色子

(W+、W–Z0粒子)胶子

引力子还未被试验证实

弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互作用被看作是一个相互作用。大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。76/861983年，鲁比亚试验组在高能质子—反质子对撞试验中发觉了W+、W-和Z0粒子。为60年代提出弱电统一理论提供了试验上支持。欧洲核子中心高能质子同时加速器上UAI探测器77/86四、宇宙演化78/86宇宙——从何而来？大爆炸理论(TheBigBangTheory)宇宙从一个“奇点”爆炸产生大爆炸是在无限宇宙各处同时产生时间零点79/86早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个含有里程碑意义发觉，即不论你往哪个方向看，远处星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不停膨胀。这意味着，在早先星体相互之间愈加靠近。实际上，似乎在大约100亿至200亿年之前某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃发觉暗示存在