原子物理-原子核物理.ppt

1、第7章原子核物理学，7.1原子核的基本性质7.1.1原子核的电荷，质量和密度1 .原子核的电荷和电荷的数量，2 .原子核的质量和质量的数量，3 .原子核的大小和密度，核半径与A 1/3成比例，这说明以下两点： (1)。 因此，各种核内的核数密度(单位体积内的核数) n必须大致相等： (2)不同原子核的核物质密度(单位体积内的核质量)也大致一定，其密度非常巨大。 核物质密度约为水密度的1014倍，每立方厘米的核物质质量约为2.3亿吨，是高密度物质。 一些晚期类星体，在这些核中的氢耗尽后，由星体巨大的质量产生的引力定律可以把自身压缩成密度极大的天体，这个过程称为重力衰变或超新星爆发，在这种情况下原

2、子被破坏，电子离开核形成电子海洋，核形成电子海洋也称为白矮星，密度约为1091011kg/m3，质量更大的晚期类星体引力将电子压入核内，还可以与核内的质子形成中子，整个星球主要由中子组成，称为中子星。 典型的中子星质量是太阳的两倍，半径仅为10公里，密度为10171018 kg/m3，7.1.2原子核的电四极矩，大头针和自旋磁矩，宇称和统一性质1 .原子核的电四极矩通过实验发现原子核的电荷分布并不一定是球形对称的，例如图7.1 如图所示，箭头方向的电位是q带电的体的总电荷，非球形对称分布的电荷所产生的电位一般能够表现为图7.1.1的2号同质点电荷及其等效电荷分布，如果将图7.1.1 .电荷设为

3、旋转椭球体的分布，则对称轴上的电位为、图7.1 设Q=2a3/e，称为电四极矩。 原子核的电四极矩可以证明2 .原子核的大头针在4.8节描述了原子核的大头针和自旋磁矩的内容。 在这里，通过实验测量原子核基底状态时的大头针I有(1)所有的偶a核(核数a是双位数的核)的I是整数还是零的规则。 其中偶核(z和n均为双位数核)的I均为零。 奇奇核的I是整数。 (2)所有奇数a核的I是半整数，而双位数奇数核(z和n分别为双位数)或奇数核的I是半整数。 表7.1.1部分核的大头针，3 .原子核的自旋磁矩(1)核力矩我们在第6章学习了电子的自旋磁矩：预测，斯特恩提出问题2个月后，他得出的实验结果是，对于中子

4、，由于中子不带电，所以传统的理论不仅仅是gn。 但是实验结果显示，中子不带电，与轨道动量矩相关的自旋磁矩为零是很自然的。 但是，与大头针动量矩相关的自旋磁矩不为零，表示中子整体不带电，但在其内部存在电荷分布。 中子的大头针自旋磁矩的符号与电子一致，因此与电子一样，大头针指向与自旋磁矩相反。 不论是质子的自旋磁矩还是中子的自旋磁矩，已经证明它们不是点粒子，相反，它们一定是具有内部结构的粒子。 我们需要使用更深层次的理论夸克模型来解释这一点。 表7.1.1所示的质子、中子和原子核的自旋磁矩的大小都以自旋磁矩在z方向的心理投射最大值表示其自旋磁矩的大小。 所以质子和中子的自旋磁矩值，p=2.79N

5、n=-1.91N，(2)核磁共振测量，图7.1.3核磁共振原理图，b，由量子力学可知，费米系统和沃尔沃系统具有不同的修正性质。费米子系统遵循费米-狄拉克的统一修正，每个量子态最多只能有1个粒子的沃尔沃系统遵循沃尔沃爱因斯坦的统一修正，每个量子态可以被多个粒子占据。 量子力学还指出，全同费米体系满足粒子交换反对称，全同玻色体系满足粒子交换对称性，4 .原子核的宇称，5 .原子核的统一性质，费米体系，玻色体系分别在第I个粒子和第j个粒子的坐标和大头针中。 偶a核、大头针是整数，应该是波森。 这个结论可以从波函数的交换对称性来论述。 假设有两个相同的原子核，每个核有a个核。 核子是费米子，两个完全相

6、同的核子(如质子和质子、中子和中子)只要交换波函数，符号就必定改变。 两个原子核交换相当于a对核子交换，波函数的符号变成(-)A。 因此，a为奇数时，波函数的变量，即费米a是双位数时波函数，7.2原子核的结合能和核力7.2.1原子核的结合能1 .质量损失，2 .原子核的结合能，例题7.2.1氦原子(42He )原子和铍(94Be ) 已知原子的质量分别为4.002 605u和1uc2=931.5MeV，相对结合能，图7.2.1原子核的平均结合能，1:(1)相对于a150的重核区域，相对结合能随着a的增加不怎么变化，稍微降低， 这表明结合能EB与核数a大致成比例2 :从上述3点可以看出，得到原子

7、核能有两种方法：一是稍小于结合能的重核分裂成大于结合能的中质量核， 另一个是分裂成比结合能大的中等质量的核；第二个是比结合能小的轻核聚合成比结合能大的核，例题7.2.2求出基态氢原子的质量损失。 解：当静止的自由电子和静止的自由质子结合成一个基态的氢原子时，释放出13.6eV的能量。 这就是氢原子基态的结合能。 因此，相应的质量损失可以看作M=E/c2=13.6eV/c21.4610-8u，因为它非常微小，所以通常可以忽略。 例题7.2.3:知道235U原子的质量是235.043 944u，尝试修正其结合能和比结合能。 解：由(7.2.1)式和(7.2.2)式可知，235U的结合能为EB (2

8、35，92 )=(921.0078251431.008665-235.043 )的核力及其基本性质1 .核力(1)核力为短距离的核间距为0.810-15m以下时，核力作为斥力出现的间距为(0.82)10-15m时，核力表示吸引力的间距超过1010-15m时，核力完全消失。 (2)核力的电荷非依赖性(3)核力具有饱和性的交换力(4)非有心力的存在3 .以核力的介子理论、P=n n=p - p=p0 n=n0、图7.2.2介子为核力(2)核物质密度几乎恒定，表示原子核不能压缩，这也类似于液体不能压缩构成它的质子数和中子数与2、8、20、28、50、82、126的数字相等时，原子核特别稳定，这在很多

9、实验事实中证明的这些个数字称为幻数。 幻数的存在被认为原子核内也可能存在与原子相似的壳层构造，核内的质子和中子以泡利不相容原理和能量最低原理分别填充自各儿的壳层，质子数和中子数如果是幻数则正好填充一个壳层。 如果将上述势函数代入薛定谔方程，并要求r=R且波函数等于0，则得到不同的径向量子数和用三角量子数l表示的一系列能量状态。对于核外电子，一般能量取决于主量子数n和角量子数l，而对于原子核，核能源取决于径向量子数和角量子数l，=nl。 对于原子核，角量子数l=0、1、2、3，的能级还是用s、p、d、f，等符号表示。 根据具体的修正运算，核准从低到低的顺序是1s、1p、1d、2s、1f、2p、1

10、g，这里的左边的数字不是n而是代表性的。 但是，仅考虑中心力场的话，最多只能给出2、8、20这3个幻数，这样的中心场近似不能完全表现核内的实际情况是显而易见的。 在此基础上，1949年迈尔(MMyer )和简(AJensen )加入了核的大头针轨道结合项，引入了总动量矩量子数j=l1/2(l0 )或j=1/2(l=0)，核的大头针轨道结合非常强，从而导致能级分裂间距大由于泡利不相容的原理，对于给定的(，l，j )，能级的子壳层最多可以填充2j 1个核。 另外，根据能量的最低原理，核从低能量水平向高能量水平阶段性地填充，形成原子核的壳构造，但满壳的同种核数为2、8、20、28、50、82、126

11、等，这正是幻数。 可以看出原子核的壳层模型完全说明了幻数的形成。 迈尔和简森在1963年获得了诺贝尔物理学奖。 图7.3.1显示的是核能级分裂产生的幻数。 壳层模型成功地解释了幻数和原子核基态的许多性质(例如，大头针、自旋磁矩、宇称等)，该模型将核视为独立粒子在平均场运动，这大大简化，实际情况比这复杂得多。 壳层模型和液滴模型各有成功之处，各有局限性，它们只反映了一部分实际情况，7.4原子核的放射性衰变，在发现的两千种以上的核素中，大部分是不稳定的，它们自发蜕变，变成别的核素，向云同步放出各种放射性射线，这种现象放射性核素发射的放射性射线主要有3种：由放射性射线、氦原子原子核组成，其对物质的电

12、离作用最强，但穿透能力最弱的放射性射线是高速电子流，电离作用弱，还有被称为衰变发射的电量为e的正电子流，放射性射线是波长短的电磁波，穿透能力最大，电离作用使放射性射线通过磁场时，放射性射线不偏转，而是向与放射性射线相反的方向偏转。除了三种放射性射线之外，还有释放出含有质子和中子等粒子的放射性射线的核素，也有7.4.1放射性衰变的统一规则。 1 .根据基本法则，由于在dt时间内发生了核衰变的原子核的数量dN必定与存在于时刻t的原子核的数量N(t )成比例，与衰变时间的长度dt成比例，所以1.1kg的23892U估计在与地球年龄(t=2.5109年)相同的时间内，将解设23892U的质量数设为a，

13、开始图7.4.1铀系(A=4n 2)、图7.4.2金属钍系(A=4n )，图7粒子的能量越大(图中Ek=8.8MeV )，透射的势垒越薄，透射的可能性越高，即崩溃的概率越高，相反，粒子的能量越低(图中Ek=8.8MeV ) 对量子力学的详细修正可以给出符合盖革努塔定律的结果。 Auger俄歇电子、粒子的能量在连续分布的能谱中有最大能量值Em (该曲线Em=1.2MeV )，根据理论修正运算，Em和崩溃能e在大致相等的能量分布曲线中有极大值，具有对应能量的粒子从粒子光谱和其他实验结果可知原子核的能量被量子化了。 放射性射线来源于原子核，其能谱为何连续？ 为了解决这个问题，1930年，泡利提出了中

14、微子假说。在衰变过程中原子核会释放出粒子，还会释放出静质量几乎等于零的中性粒子(称为中微子)。 就这样，在母核静止的参照系中，衰变问题为粒子，中微子与布洛克子核的三体问题，根据动量守恒三者间的动量关系，如图7.4.9所示。 在保证动量守恒的基础上，衰变能可在子核、电子与中微子之间任意分配. 根据能量守恒定律，中微子带走更多的能量时，粒子的能量变小的粒子有最大能量时，中微子的能量为零。 因此，粒子的能量可以从零到最大值Em形成连续能谱。 此外，当中微子的能量为零时，如果忽略子核的排斥能量，则由于粒子的能量等于崩溃能量，所以Em和崩溃能量大致相等，、PY、p、Pe、PY、p、Pe。 中微子的引进，

15、也解决了崩溃前后的动量矩保存问题。 由于衰变时原子核的质量数不变，原子核的动量矩不变整数或半奇数的性质。 但由于释放的粒子大头针为12，子核与母核的大头针不再相等。 泡利假定中微子的大头针为12，保证了塌陷前后的总动量矩保存。 中微子和反中微子的区别只是中微子左转，即大头针和运动量相反，反中微子右转，斯大头针和运动量相同。 在自然段中不存在右旋中微子和左旋逆中微子。 左旋中微子、右旋反中微子、图7.4.12发射谱线的宽度和谐振吸收， 图7.4 7.5.1遵循核反应的守恒定律1 .历史上第一次人工核反应利用卢瑟福在1919年以212Po放出的7.68MeV粒子与氮瓦斯气体碰撞的结果，以五万分之一

16、的概率发生了如下反应：2.第一次在加速器实现的核反应， 3 .假设第一次人工放射性发生的反应后也是2个粒子，核反应多为核反应的类型，根据入射粒子的种类不同，有粒子、质子(p )、中子(n )、重阳子(d )等的核反应、光子的核反应、有比粒子重的核的入射粒子的能量成分， 入射粒子的能量在100MeV以下的称为低能量核反应，从100MeV到1GeV的称为中能量核反应。1GeV以上的称为高能量核反应。 许多实验表明，所有核反应都遵循以下守则。 (1)电荷保存：作为反应前后体系总电荷数的粒子和核的电荷数代数和不变。 (2)质量数保存：反应前后体系的总质量数不变。 (3)质量和能量守恒：反应前后粒子的运动质量(相对论质量)的总和不变粒子的能量(相对性能量包含静能量)的和不变。 一般来说，核反应前后体系的静止质量不被保存，这个静止质量的差反映了结合能的变