第7章核物理

1、7原子核物理原子核物理 核外電子運(yùn)動(dòng)核外電子運(yùn)動(dòng)原子物理學(xué)原子物理學(xué)原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng)原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng) 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 1932年人們發(fā)現(xiàn)中子，以此作為原子核物理的年人們發(fā)現(xiàn)中子，以此作為原子核物理的開端，那么今天我們對(duì)核的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到開端，那么今天我們對(duì)核的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到80年前對(duì)原子的了解程度。年前對(duì)原子的了解程度。 研究微觀結(jié)構(gòu)的三個(gè)分支學(xué)科研究微觀結(jié)構(gòu)的三個(gè)分支學(xué)科 原子物理原子物理 原子核物理原子核物理 粒子物理粒子物理A A 粒子物理與宇宙學(xué)粒子物理與宇宙學(xué)B B 核物理與加速器物理核物理與加速器物理C C 原子分子物理原子分子物理D D 光物理光物理E E 等離子體

2、物理等離子體物理F F 納米與介觀物理納米與介觀物理G G 表面與低維物理表面與低維物理H H 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理I I 強(qiáng)關(guān)聯(lián)與超導(dǎo)物理強(qiáng)關(guān)聯(lián)與超導(dǎo)物理物理分類物理分類（中國物理秋季會(huì)議）J J 磁學(xué)磁學(xué)K K 軟凝聚態(tài)物理與生物軟凝聚態(tài)物理與生物物理物理L L 量子信息量子信息M M 計(jì)算物理計(jì)算物理N N 統(tǒng)計(jì)物理與復(fù)雜體系統(tǒng)計(jì)物理與復(fù)雜體系O O 電介質(zhì)物理電介質(zhì)物理P P 液晶液晶Q Q 物理教學(xué)物理教學(xué)歷史回顧 1896 1896年法國年法國物理學(xué)家貝克勒物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾放射爾發(fā)現(xiàn)了鈾放射現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 這是人類歷這是人類歷史上第一次在實(shí)史上第一次在實(shí)驗(yàn)室里觀察到原驗(yàn)室里觀

3、察到原子核現(xiàn)象。子核現(xiàn)象。19031903年貝克勒爾獲得年貝克勒爾獲得諾貝爾獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)。歷史回顧 1897 1897年，居里年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性素夫婦發(fā)現(xiàn)放射性素釙釙( (Po)Po)和鐳和鐳( (Ra)Ra)，19031903年獲得諾貝爾年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。 女兒女兒和女婿和女婿因因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲發(fā)現(xiàn)人工放射性獲19341934年諾貝爾獎(jiǎng)。年諾貝爾獎(jiǎng)。歷史回顧 英國物理學(xué)家英國物理學(xué)家RutherfordRutherford，18991899發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn) , , 射線射線, ,19031903證證實(shí)了實(shí)了 射線為射線為HeHe核核， 射線為電子射線為電子, ,19081908年獲得諾貝爾獎(jiǎng)

4、。年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 1911 1911年提出了年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，原子的核式結(jié)構(gòu)模型，19191919首次實(shí)現(xiàn)人工核首次實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)。培養(yǎng)了反應(yīng)。培養(yǎng)了1010位諾位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。貝爾獎(jiǎng)獲得者。歷史回顧 19321932英國物理學(xué)英國物理學(xué)家家ChadwickChadwick發(fā)現(xiàn)了中發(fā)現(xiàn)了中子，子， 1935 1935年獲得諾年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。貝爾獎(jiǎng)。 中子的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)中子的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是原子核物理進(jìn)入為是原子核物理進(jìn)入大發(fā)展的起始點(diǎn)。大發(fā)展的起始點(diǎn)。重要事件 1939 1939年，發(fā)現(xiàn)重核裂變年，發(fā)現(xiàn)重核裂變 1942 1942年，年，E.FermiE.Fermi發(fā)明熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆發(fā)

5、明熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆 （是人類掌握核能源的開端）（是人類掌握核能源的開端） 1945 1945年，原子彈試爆成功年，原子彈試爆成功 19521952年，氫彈試爆成功年，氫彈試爆成功 1961 1961年，蘇聯(lián)新地島試驗(yàn)場年，蘇聯(lián)新地島試驗(yàn)場50005000萬噸級(jí)核爆萬噸級(jí)核爆 （歷史上最大的核爆）（歷史上最大的核爆） 1963 1963年，美蘇英在莫斯科簽訂停止核試驗(yàn)條約年，美蘇英在莫斯科簽訂停止核試驗(yàn)條約 1994-1996 1994-1996年間年間6161國簽署國簽署全面禁止核試驗(yàn)全面禁止核試驗(yàn) 1996 1996年至今有年至今有155155個(gè)國家簽約個(gè)國家簽約重要事件 19581958：

6、我國建成第一座重水型原子反應(yīng)堆：我國建成第一座重水型原子反應(yīng)堆 1964 1964：我國第一顆原子彈試爆成功：我國第一顆原子彈試爆成功 1967 1967：我國第一顆氫彈試爆成功我國第一顆氫彈試爆成功 1969 1969：我國首次成功地下核實(shí)驗(yàn)：我國首次成功地下核實(shí)驗(yàn) 1984 1984：我國受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置順利啟動(dòng)：我國受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置順利啟動(dòng) 1988 1988：北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次對(duì)撞成功：北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次對(duì)撞成功 1991 1991：秦山核電站發(fā)電成功：秦山核電站發(fā)電成功 歷史回顧原子彈 相當(dāng)相當(dāng)2萬噸萬噸TNT，產(chǎn)生上千，產(chǎn)生上千萬度的高溫和數(shù)百億個(gè)大氣壓，萬度的高溫

7、和數(shù)百億個(gè)大氣壓，致使一座致使一座30米高的鐵塔被熔化為米高的鐵塔被熔化為氣體，并在地面上形成一個(gè)巨大氣體，并在地面上形成一個(gè)巨大的彈坑。的彈坑。 “原子彈之父原子彈之父” 奧本海默在核奧本海默在核爆觀測(cè)站里感到十分震驚，他想爆觀測(cè)站里感到十分震驚，他想起了印度一首古詩：起了印度一首古詩：“漫天奇光漫天奇光異彩，有如圣靈逞威，只有一千異彩，有如圣靈逞威，只有一千個(gè)太陽，才能與其爭輝。我是死個(gè)太陽，才能與其爭輝。我是死神，我是世界的毀滅者。神，我是世界的毀滅者?！睔v史回顧原子彈中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖歷史回顧原子彈 原子彈突襲廣島和長崎原子彈突襲廣島和長崎

8、,在長在長崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團(tuán)，高達(dá)菇狀云團(tuán)，高達(dá)12英里。英里。 廣島市區(qū)廣島市區(qū)80%的建筑化為灰的建筑化為灰燼，燼，64000人喪生，人喪生，72000人受傷，人受傷，傷亡總?cè)藬?shù)占全市總?cè)丝诘膫隹側(cè)藬?shù)占全市總?cè)丝诘?3%。 長崎市長崎市60%的建筑物被摧毀，的建筑物被摧毀，傷亡傷亡86000人，占全市總?cè)丝诘娜耍既锌側(cè)丝诘?7%。7.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)1. 核質(zhì)量核質(zhì)量原子核的質(zhì)量原子核的質(zhì)量 =原子的質(zhì)量原子的質(zhì)量 - 外電子的質(zhì)量外電子的質(zhì)量AMAmeZmeAAZmMm通常采用質(zhì)量單位通常采用質(zhì)量單位 kgu2710

9、66054. 112/5016.931cMeV忽略電子的結(jié)合能忽略電子的結(jié)合能 中子的發(fā)現(xiàn)中子的發(fā)現(xiàn): : 1930 1930年年BotheBothe完成了實(shí)驗(yàn)完成了實(shí)驗(yàn) 9 9Be+Be+ 1212C+ nC+ n 但他認(rèn)為產(chǎn)生的中性射線是但他認(rèn)為產(chǎn)生的中性射線是 射線。射線。質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的發(fā)現(xiàn): : 19191919年年RutherfordRutherford用用 粒子轟擊粒子轟擊1414N N發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。 14 14N +N + 1 17 7O + O + p p 19321932年年ChadwickChadwick用這種穿透力很強(qiáng)的未知中性流轟擊用這種穿透力很強(qiáng)的未知中性

10、流轟擊氮和氫核，測(cè)量到核的反沖動(dòng)能氮和氫核，測(cè)量到核的反沖動(dòng)能, ,由此估算出中性射線的由此估算出中性射線的質(zhì)量并大膽預(yù)言該射線是中子。質(zhì)量并大膽預(yù)言該射線是中子。 19351935年獲諾獎(jiǎng)。年獲諾獎(jiǎng)。人類首次實(shí)現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變?nèi)祟愂状螌?shí)現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變2.2.核的組成核的組成pnNnmmmmvvNHmn = 1.008665ump = 1.007277u練習(xí)：練習(xí)：用這種中性射線輻照氮核和氫核，測(cè)量到反用這種中性射線輻照氮核和氫核，測(cè)量到反沖速度，由此估算中性射線的質(zhì)量。沖速度，由此估算中性射線的質(zhì)量。 0122201111222nnHHnHHnm vm vm vm vm vm v 0v

11、1vHv02nHnHmvvmm14Npmmpm原子核的符號(hào)表示：原子核的符號(hào)表示：A AZ ZX XN N ， A A= =N N+ +Z Z 為核子數(shù)為核子數(shù)（i i） Z Z相同相同N N不同的核素稱為不同的核素稱為同位素同位素（iiii） N N相同相同Z Z不同的核素稱為不同的核素稱為中子異核素中子異核素（iiiiii） A A相同相同Z Z不同的核素稱為不同的核素稱為同量異位素同量異位素中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子, ,可理解為可理解為核子的兩個(gè)不同狀態(tài)。核子的兩個(gè)不同狀態(tài)。核素圖核素圖質(zhì)子結(jié)合能為零的線為質(zhì)子滴線；質(zhì)子結(jié)合能為零的線為質(zhì)子滴線；中子結(jié)合能為零的線為中子滴

12、線。中子結(jié)合能為零的線為中子滴線。b b穩(wěn)定線的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：穩(wěn)定線的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律： 輕核區(qū)：輕核區(qū)：N=ZN=Z的核素比較穩(wěn)定的核素比較穩(wěn)定理論預(yù)言：理論預(yù)言：Z=114Z=114附近有超重元素穩(wěn)定島。附近有超重元素穩(wěn)定島。3/20155. 098. 1AAZ3. 核的大小核的大小1/301501.2 101.2VARr Armfm核的密度核的密度330143304433110/43AAAmmmVRr Ag cmr N(AAmNN一個(gè)原子質(zhì)量克） 為阿伏伽德羅常數(shù)實(shí)驗(yàn)表明核體積與核子數(shù)成正比實(shí)驗(yàn)表明核體積與核子數(shù)成正比4310萬噸 厘米原子核電荷分布原子核電荷分布a a表示表面厚度參量表示表面厚度參

13、量R = rR = r0 0A A1/3 1/3 r r0 0 1.2fm1.2fm 0.02.04.06.08.010.00.000.250.500.751.001.251.50a = t /(4ln3)tc電荷密 度 (相對(duì) 值 )r ( fm )exp(1)(0aRrr7.2 原子核力和結(jié)合能原子核力和結(jié)合能什么力能使核子不顧庫侖斥力而緊密結(jié)合？什么力能使核子不顧庫侖斥力而緊密結(jié)合？ 1. 核力的基本性質(zhì)核力的基本性質(zhì)(ii)短程性短程性0.820.810fmrfmrfmrfm吸引力斥力消失(i)強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用核力的強(qiáng)度比庫侖力大一百倍核力的強(qiáng)度比庫侖力大一百倍0.820.82fm

14、rfmrfmrfm有一點(diǎn)認(rèn)識(shí)不清楚較清楚(iii) 飽和性飽和性pnnnppFFF3H(iii) 電荷無關(guān)性電荷無關(guān)性3HepnnMeVHnH48. 832 實(shí)驗(yàn)表明每個(gè)核子只與它相鄰實(shí)驗(yàn)表明每個(gè)核子只與它相鄰 的幾個(gè)的幾個(gè)核子有相互作用，就像液體中的分子。核子有相互作用，就像液體中的分子。 核內(nèi)核內(nèi)p-p庫侖斥力能為庫侖斥力能為0.72Mev，若，若 內(nèi)不存內(nèi)不存在此庫侖斥力，則結(jié)合能應(yīng)為在此庫侖斥力，則結(jié)合能應(yīng)為7.72+0.72=8.44Mev，與與 的結(jié)合能很接近。的結(jié)合能很接近。3He3HppnMeVHepH72. 7322. 原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能 核由中子和質(zhì)子組成，但核質(zhì)

15、量不等于核內(nèi)核由中子和質(zhì)子組成，但核質(zhì)量不等于核內(nèi)中子中子和質(zhì)子質(zhì)量之和。和質(zhì)子質(zhì)量之和。 例如例如，氘核，氘核 由一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子組成由一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子組成2H221.0086651.0072772.0135520.0023902.225/npdnpdmumuHmummmmuMeV c中子質(zhì)子 中子和質(zhì)子組成氘核時(shí)會(huì)釋放中子和質(zhì)子組成氘核時(shí)會(huì)釋放2.225MeV的能量，逆過程的能量，逆過程也成立。也成立。 自然界的普遍現(xiàn)象。自然界的普遍現(xiàn)象。問題：問題：一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子組成物會(huì)釋放多少能量？一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子組成物會(huì)釋放多少能量？ 核的質(zhì)量虧損核的質(zhì)量虧損pnAmZmNmm原子核的結(jié)合

16、能原子核的結(jié)合能核的結(jié)合能核的結(jié)合能核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量2BEmc 練習(xí)：練習(xí)：估算一個(gè)鈾核（估算一個(gè)鈾核（A=235A=235，平均結(jié)合能為，平均結(jié)合能為7.6 MeV7.6 MeV）俘）俘獲一個(gè)熱中子后裂變?yōu)槠骄Y(jié)合能為獲一個(gè)熱中子后裂變?yōu)槠骄Y(jié)合能為8.5 MeV8.5 MeV的兩個(gè)中的兩個(gè)中等質(zhì)量的核所放出的能量。等質(zhì)量的核所放出的能量。 平均結(jié)合能平均結(jié)合能/8BEAMeV獲得核能的途徑獲得核能的途徑:重核裂變和輕核聚變重核裂變和輕核聚變 中等核中等核(A=30-120)(A=30-120)的平均結(jié)合能較大，的平均結(jié)合能較大，輕核和重核的平均結(jié)輕核

17、和重核的平均結(jié)合能較小合能較小原子核的自旋原子核的自旋 核自旋核自旋 核自旋是所有核子的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的矢量和核自旋是所有核子的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的矢量和 , ,在空間某一方向的投影：在空間某一方向的投影： (1)IIPPI I量子數(shù)可以是整數(shù)或半整數(shù)量子數(shù)可以是整數(shù)或半整數(shù)IzIPM核自旋核自旋磁磁量子數(shù)量子數(shù)IIIMI1,1 1A A為奇數(shù)的核為奇數(shù)的核( (奇奇A A核核) ) 2 2Z Z、N N都為偶數(shù)的核都為偶數(shù)的核( (偶偶- -偶核偶核) )3 3Z Z、N N都為奇數(shù)的核都為奇數(shù)的核( (奇奇- -奇核奇核) )核子是費(fèi)米子，遵從費(fèi)米核子是費(fèi)米子，遵從費(fèi)米- -狄

18、拉克統(tǒng)計(jì)狄拉克統(tǒng)計(jì)原子核的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)：奇原子核的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)：奇A A核是費(fèi)米子，偶核是費(fèi)米子，偶A A核是玻色子核是玻色子2353233 8.5 235 7.6 195U nX YnEMev 原子核原子核也有磁矩也有磁矩, , 核磁矩比電子的磁矩小得多，因此產(chǎn)核磁矩比電子的磁矩小得多，因此產(chǎn)生的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線也比精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線間距小得多。生的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線也比精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線間距小得多。 原子核的磁矩原子核的磁矩Ssxxsxgme,2Lgmelxxlx,2質(zhì)子磁矩質(zhì)子磁矩g gp,l p,l = 1, g= 1, gp,s p,s = 5.58= 5.58中子磁矩中子磁矩g gn,l n,l = 0,

19、g= 0, gn,s n,s = -3.82= -3.82超精細(xì)結(jié)構(gòu)的原因超精細(xì)結(jié)構(gòu)的原因 磁超精細(xì)相互作用磁超精細(xì)相互作用 E = - gE = - gI I N N M MI IB Be le l 超精細(xì)分裂相當(dāng)于核角動(dòng)量超精細(xì)分裂相當(dāng)于核角動(dòng)量 I I 在外磁在外磁場場B Be le l作用作用下發(fā)生的塞曼效應(yīng)下發(fā)生的塞曼效應(yīng)+3/2+1/2- 1/2- 3/2- 1/2+1/23/21/2MI =0,157Fe原子核的電四極距電勢(shì)電勢(shì)電偶極距電偶極距電四極電四極距距d1rd12zr)d-3 (1223rzr+-+- 原子核電偶極距為零原子核電偶極距為零 原子核有電四極距原子核有電四極距

20、)(5222acZQAB 現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：電磁相互作用是帶電粒子間交現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：電磁相互作用是帶電粒子間交換換“虛光子虛光子”而產(chǎn)生的交換力。而產(chǎn)生的交換力。 1935年，湯川秀樹年，湯川秀樹（Yakawa）提出核力的介子理論。）提出核力的介子理論。 核力的核力的介子理論介子理論能量能量xccxtE/xcmeemmmmm2643 .2730 1947 1947年年P(guān)owellPowell在宇宙線實(shí)驗(yàn)中在宇宙線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) + +介子，介子，19501950年又發(fā)現(xiàn)了年又發(fā)現(xiàn)了 0 0介介子，子，YakawaYakawa與與PowellPowell分別于分別于19491949和和19501

21、950年獲諾獎(jiǎng)。年獲諾獎(jiǎng)。虛粒子質(zhì)量：虛粒子質(zhì)量： 設(shè)核力的力程設(shè)核力的力程 x x 2fm,2fm,據(jù)此可據(jù)此可估出介子質(zhì)量是電子的估出介子質(zhì)量是電子的200200倍。倍。 請(qǐng)估光子質(zhì)量？請(qǐng)估光子質(zhì)量？1. 液滴模型液滴模型:實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)依據(jù)7.3原子核結(jié)構(gòu)模型原子核結(jié)構(gòu)模型（1 1）核力具有飽和性，核子只與它周圍幾個(gè)核子作用，如）核力具有飽和性，核子只與它周圍幾個(gè)核子作用，如 同液體中的分子。強(qiáng)相互作用使核子易同液體中的分子。強(qiáng)相互作用使核子易“流動(dòng)流動(dòng)”。（2 2）核密度不隨核子數(shù)變化，如同液體密度是常數(shù)一樣。）核密度不隨核子數(shù)變化，如同液體密度是常數(shù)一樣。 19351935年年 Wei

22、zsacker Weizsacker 提出了核的質(zhì)量公式提出了核的質(zhì)量公式 B=BB=BV V + B + BS S + B + BC C + B + BSymSym + B + BP P 體積能：體積能： B BV V = a = aV VA A 表面能：表面能： B BS S =-a =-aS SA A2/3 2/3 庫侖能：庫侖能： B BC C = -a = -aC CZ Z2 2/A/A1/3 1/3 對(duì)稱能：對(duì)稱能： B BSymSym = -a = -aSymSym(N - Z)(N - Z)2 2/A/A對(duì)能：對(duì)能： 偶偶核偶偶核 B BP P = a = aP PA A-1/

23、2-1/2 奇奇A A 核核 B BP P = 0 = 0 奇奇核奇奇核 B BP P = - a = - aP PA A-1/2-1/2 實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明： 核的質(zhì)子和中子數(shù)為核的質(zhì)子和中子數(shù)為2,8,20,28,50,82,126 2,8,20,28,50,82,126 時(shí)，原子核特別穩(wěn)定，這些數(shù)叫幻數(shù)（時(shí)，原子核特別穩(wěn)定，這些數(shù)叫幻數(shù)（Magic Magic number)number)。在自然界中它們的含量明顯比其附近。在自然界中它們的含量明顯比其附近核素的含量多，穩(wěn)定性強(qiáng)。核素的含量多，穩(wěn)定性強(qiáng)。 幻數(shù)核結(jié)合能比鄰近核結(jié)合能大，其中雙幻數(shù)核結(jié)合能比鄰近核結(jié)合能大，其中雙幻數(shù)核結(jié)合能

24、特別大?；脭?shù)核結(jié)合能特別大。 幻數(shù)存在說明核內(nèi)部有某種結(jié)構(gòu)，如同原子幻數(shù)存在說明核內(nèi)部有某種結(jié)構(gòu)，如同原子情況。情況。 原子核殼層結(jié)構(gòu)條件：存在一個(gè)平均場原子核殼層結(jié)構(gòu)條件：存在一個(gè)平均場, ,每每個(gè)核子在場中獨(dú)立運(yùn)動(dòng)個(gè)核子在場中獨(dú)立運(yùn)動(dòng), ,服從泡利原理。服從泡利原理。2. 殼層模型殼層模型 方位阱模型方位阱模型 勢(shì)函數(shù)：勢(shì)函數(shù)：0( )0VrRV rrR 邊界條件：邊界條件： r=R, r=R, =0=0 量子數(shù)量子數(shù) n=1,2,3,l=0,1,2,3,n=1,2,3,l=0,1,2,3, 能級(jí)用能級(jí)用vlvl標(biāo)記，標(biāo)記，v=n-lv=n-l。 如：核的如：核的2p2p態(tài)，態(tài)， v=2,

25、l=1.v=2,l=1.核的能級(jí)次序核的能級(jí)次序: : 1s 1p 1d 2s 1f 1s 1p 1d 2s 1f 2 6 10 2 14 2 6 10 2 14 只能解釋前三個(gè)幻數(shù)，只能解釋前三個(gè)幻數(shù)，2,8,202,8,20 2221( )( )21 / 21( )(1)1 / 22spVC rC rjlsljlC rljls l 1949 1949年，年，MayerMayer和和JensenJensen在勢(shì)阱中加入了自旋在勢(shì)阱中加入了自旋- -軌軌道耦合項(xiàng)，成功地解釋了幻數(shù)的存在，道耦合項(xiàng)，成功地解釋了幻數(shù)的存在，19651965年獲諾貝年獲諾貝爾獎(jiǎng)。爾獎(jiǎng)。 殼層模型可以解釋雙幻殼層模型

26、可以解釋雙幻數(shù)核附近：數(shù)核附近： 偶偶核的低激發(fā)能級(jí)規(guī)律偶偶核的低激發(fā)能級(jí)規(guī)律: : 離雙幻數(shù)核稍遠(yuǎn)：具有離雙幻數(shù)核稍遠(yuǎn)：具有諧振子能級(jí)的特點(diǎn)。諧振子能級(jí)的特點(diǎn)。 遠(yuǎn)離雙幻數(shù)核：遠(yuǎn)離雙幻數(shù)核： 具有具有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的特點(diǎn)。E0E2E4E6024601h2h3. 集體模型集體模型 19521952年年BohrBohr和和MottelsonMottelson提出描述核集體振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的提出描述核集體振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的“幾何模型幾何模型”，19751975年獲諾貝爾獎(jiǎng)。年獲諾貝爾獎(jiǎng)。核的轉(zhuǎn)動(dòng)：核的轉(zhuǎn)動(dòng)：, 4 , 2 , 0) 1(22IIIEI)0() 1() 1(22BIBIIAIEI 1(

27、1)1IEabI I轉(zhuǎn)動(dòng)譜修正公式：轉(zhuǎn)動(dòng)譜修正公式：W-ZW-Z公式：公式：偶偶核的振動(dòng)能偶偶核的振動(dòng)能, 2 , 1 , 0)2/5(NNEv7.4 原子核放射衰變?cè)雍朔派渌プ?. 衰變規(guī)律衰變規(guī)律 18961896年，法國物理學(xué)家年，法國物理學(xué)家貝克勒爾貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾礦物發(fā)現(xiàn)鈾礦物能能自發(fā)地自發(fā)地發(fā)射穿透力很強(qiáng)并能使照相底版感光的發(fā)射穿透力很強(qiáng)并能使照相底版感光的不可見射線。不可見射線。 18981898年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳 放射性衰變：放射性衰變：核素核素自發(fā)地自發(fā)地放射出某種射線而變成放射出某種射線而變成另一種核素的過程另一種核素的過程HeThU422

28、349023892放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種：放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種： 1 1 射線：氦核射線：氦核2 2 射線：正負(fù)電子射線：正負(fù)電子3 3 射線：光子射線：光子 放射性衰變放射性衰變遵守：遵守：電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、質(zhì)量和能量守恒、動(dòng)量守恒等。電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、質(zhì)量和能量守恒、動(dòng)量守恒等。 (1). 指數(shù)衰變規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律NdtdN NdtdNteNN0 代表一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾代表一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，稱為率，稱為衰變常數(shù)衰變常數(shù) 0lnlnNtN 放射性活度放射性活度/AdN dt 放射性活度的單位為放射性活度的單位為Bq(貝克貝克)，1

29、Bq=1次衰變次衰變/秒秒1Ci （居里）（居里） Bq103.7 10 1975年第十五屆國際計(jì)量大會(huì)將放射性活度的國年第十五屆國際計(jì)量大會(huì)將放射性活度的國際單位命名為際單位命名為Bq(貝克勒爾貝克勒爾)。1Rd（盧瑟福）（盧瑟福） Bq610(2). (2). 半衰期半衰期核衰變到原來數(shù)目一半時(shí)所需時(shí)間稱核衰變到原來數(shù)目一半時(shí)所需時(shí)間稱半衰期半衰期012TNeNln20.693T2389924.5 10UT 例如：年半衰期測(cè)量半衰期測(cè)量斜率法：斜率法：直接法：例如直接法：例如 實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)測(cè)得1mg1mg鈾鈾238238每分鐘會(huì)放射每分鐘會(huì)放射740740個(gè)個(gè) 粒子，求它粒子，求它的半衰期

30、。的半衰期。tAA0lnlndtdNAteNdtdN0teNN0(3)平均壽命平均壽命 一個(gè)原子核在衰變前存在的時(shí)間叫壽命，所一個(gè)原子核在衰變前存在的時(shí)間叫壽命，所有原子核壽命的平均值稱為有原子核壽命的平均值稱為平均壽命平均壽命。0000()1=()ttdtdNtdNtdNNtdtNNtdtNtdttdNNdN 內(nèi)有-個(gè)核衰變，其壽命為-個(gè)核的總壽命為-個(gè)核的總壽命為平均壽命1183231087.41023810022.660/740/ssNA個(gè)例例1：某核某核的衰變常數(shù)為的衰變常數(shù)為 試求它的半衰期試求它的半衰期 和平均壽命。和平均壽命。1610097. 2sln2330472Ts14768

31、72s例例2: 2: 估算地球年齡估算地球年齡例例2: 2: 估算地球年齡估算地球年齡235235238238238235235238002352350.836002382380099.2%0.72%59(ttUtUUUNNNNeNetNNeN天然鈾礦含量：假定地球形成時(shí)兩者含量大體相當(dāng):億年）A= 4nA= 4n+2釷釷系系鈾系鈾系級(jí)聯(lián)衰變規(guī)律級(jí)聯(lián)衰變規(guī)律錒系錒系镎系镎系A(chǔ)= 4n+3A= 4n+1dd00ttABAABtAABBAABBAAeeNNeNNNNtNABCA衰變服從衰變服從tAAAAAAeNNNtN0ddB衰變服從衰變服從1)(tABAABBAeNN時(shí)間足夠長，且時(shí)間足夠長，且

32、ABAABBNN久期平衡久期平衡 啟示我們保存短壽命核數(shù)的一個(gè)方法。例如，醫(yī)啟示我們保存短壽命核數(shù)的一個(gè)方法。例如，醫(yī)用放射性核素用放射性核素 In（A=113)，半衰期為，半衰期為99.5分鐘，若從分鐘，若從遠(yuǎn)處運(yùn)送則剩下不多。但可以把它與其母體遠(yuǎn)處運(yùn)送則剩下不多。但可以把它與其母體Sn（A=113，SnIn的的半衰期為半衰期為115天）放在一起保存。天）放在一起保存。 )()(,)(dd0CBCABACBABCBABACABBAAtCtBtAACCCBBChhhehehehNNNNtNCBAABC 衰變衰變HeYX4242AZAZ衰變能衰變能22()()XYXyHeEmmm cMMMc衰變

33、條件衰變條件 0XyHeEMMM例：例：判斷判斷 是否發(fā)生是否發(fā)生 衰變。衰變。uC6429HeCoC426027u6429uM9298.63CuuM9338.59CouM0026. 4He63.929859.93384.0026(2)2XXeYYeHeemMZmmMZmmMm()XYmmmm2.幾種核衰變幾種核衰變衰變前母核靜止，根據(jù)動(dòng)衰變前母核靜止，根據(jù)動(dòng)量守恒量守恒 EAAEAEmmEEmmmmvmvmEvmvmYY4)144()1(2121Y0YY22YYY 說明衰變能絕大部分以說明衰變能絕大部分以 粒子動(dòng)能形式粒子動(dòng)能形式放出，子核反沖能只占很少一部分。放出，子核反沖能只占很少一部分

34、。 HeYX4242AZAZ 衰變衰變 1930年，泡利（年，泡利（Pauli）指出：指出：“只有假定在只有假定在 衰變過程衰變過程中，伴隨每一個(gè)電子有一個(gè)輕的中性粒子（中微子）一起被中，伴隨每一個(gè)電子有一個(gè)輕的中性粒子（中微子）一起被發(fā)射出來，才能解釋連續(xù)發(fā)射出來，才能解釋連續(xù) 譜。譜。”中微子假說中微子假說 1956年，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子。年，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子。 當(dāng)當(dāng)衰變物只有兩個(gè)時(shí)，能量可衰變物只有兩個(gè)時(shí)，能量可由動(dòng)量守恒完全確定，而由動(dòng)量守恒完全確定，而衰變物有衰變物有三個(gè)時(shí)，能量可以任意分配。三個(gè)時(shí)，能量可以任意分配。 是守恒定律的問題還是存在第是守恒定律的問題還是存在第三者？

35、三者？ 原子核是量子體系，原子核是量子體系， - -衰變的能量譜是連續(xù)的，衰變衰變的能量譜是連續(xù)的，衰變過程中的電子如何產(chǎn)生？能量守恒關(guān)系是如何滿足的？過程中的電子如何產(chǎn)生？能量守恒關(guān)系是如何滿足的？費(fèi)米認(rèn)為：費(fèi)米認(rèn)為： 正像光子是原子不同狀態(tài)之間躍遷的產(chǎn)物，中正像光子是原子不同狀態(tài)之間躍遷的產(chǎn)物，中微子是核內(nèi)部質(zhì)子和中子之間轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。微子是核內(nèi)部質(zhì)子和中子之間轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。 導(dǎo)致光子產(chǎn)生的是電磁相互作用，而導(dǎo)致中微導(dǎo)致光子產(chǎn)生的是電磁相互作用，而導(dǎo)致中微子產(chǎn)生的是弱相互作用。子產(chǎn)生的是弱相互作用。中微子的電荷為中微子的電荷為0 0, ,自旋為自旋為1/21/2中微子的質(zhì)量：中微子的質(zhì)量：m

36、mv v3eV11MeVMeV）誘發(fā)裂變。誘發(fā)裂變。U U分離技術(shù)是制造原子彈的關(guān)鍵技術(shù)分離技術(shù)是制造原子彈的關(guān)鍵技術(shù)*240239*236235PuPuUUnnPuPu的生產(chǎn)的生產(chǎn)eevevenPuNpNpUUU239239239239239238裂變能量分配：每個(gè)裂變能量分配：每個(gè)235235U U裂變釋放約裂變釋放約200200MeVMeV 碎片動(dòng)能：碎片動(dòng)能： 170 170MeV MeV 中子的能量：中子的能量：5 5MeV; MeV; - -, , 的能量：的能量： 1515MeVMeV 中微子能量：中微子能量：1010MeVMeV可提供可提供2.52.5個(gè)中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。個(gè)中子

37、維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。原子核的裂變 臨界質(zhì)量臨界質(zhì)量 當(dāng)體積太小時(shí)，中當(dāng)體積太小時(shí)，中子容易逃逸，無法維持子容易逃逸，無法維持裂變反應(yīng)。裂變反應(yīng)。 熱熱中子中子 維持維持235235U U裂變裂變的中子的中子能量峰值為能量峰值為1 1MeVMeV。 中子減速中子減速 重水和石墨重水和石墨裂變反應(yīng)堆裂變反應(yīng)堆 MeV3 .18HeHeMeV6 .17HeHMeV0 .4HMeV25.3He434333pdndpddnddMeV15.4322He264npd庫侖勢(shì)壘：庫侖勢(shì)壘：144144KeVKeV5.6 5.6 10108 8K K聚變溫度：聚變溫度：約約10108 8K K（1 1億度），等離子體狀

38、態(tài)億度），等離子體狀態(tài)原子核聚變?cè)雍司圩?.聚變能約為裂變能的聚變能約為裂變能的四四倍倍2.聚變的原料是氘聚變的原料是氘. 裂變的原料是鈾裂變的原料是鈾氫彈方案：高效炸藥氫彈方案：高效炸藥+ +裂變?cè)狭炎冊(cè)? +氘化鋰氘化鋰氫彈是不可控的熱核反應(yīng)裂變彈的能量分配：氫彈是不可控的熱核反應(yīng)裂變彈的能量分配：爆震與沖擊波：爆震與沖擊波： 50% 50% 熱輻射：熱輻射： 35% 35%剩余輻射：剩余輻射： 10% 10% 早期輻射：早期輻射： 5% 5%純聚變不產(chǎn)生剩余輻射。純聚變不產(chǎn)生剩余輻射。引力約束聚變引力約束聚變太陽內(nèi)部太陽內(nèi)部主要有兩種熱核反應(yīng)主要有兩種熱核反應(yīng) 引力約束等離子體，每

39、天燃燒的引力約束等離子體，每天燃燒的氫，相當(dāng)于每秒爆炸氫，相當(dāng)于每秒爆炸900900億顆百萬噸級(jí)億顆百萬噸級(jí)的氫彈。的氫彈。 碳循環(huán)周期碳循環(huán)周期 6 6x x10106 6年。年。 質(zhì)子循環(huán)周期質(zhì)子循環(huán)周期 3 3x x10109 9年。年。 太陽外層溫度太陽外層溫度60006000K,K, 中心溫度中心溫度15,000,00015,000,000K K。碳循環(huán)：碳循環(huán)：CNeNOONNCCNNC121515151514141313131312pvppvepMeV27224vep質(zhì)子質(zhì)子- -質(zhì)子循環(huán)：質(zhì)子循環(huán)： pdpvedpp2HeHeHe333MeV27224vep 激光激光約束聚變約

40、束聚變受控核聚變受控核聚變 在直徑為在直徑為0.40.4mmmm的小球內(nèi)充以的小球內(nèi)充以30-10030-100大氣壓的氘氚混合氣體，用強(qiáng)大氣壓的氘氚混合氣體，用強(qiáng)激光（激光（10101212-10-101414W)W)均勻照射，使氘氚混合氣體的密度達(dá)到液體密度的一均勻照射，使氘氚混合氣體的密度達(dá)到液體密度的一千到一萬倍，溫度達(dá)到千到一萬倍，溫度達(dá)到10108 8K K而引發(fā)聚變。而引發(fā)聚變。磁約束聚變磁約束聚變- -可控聚變反應(yīng)堆可控聚變反應(yīng)堆 萬度以上的氣體是不能用任何材料所構(gòu)成的容器約萬度以上的氣體是不能用任何材料所構(gòu)成的容器約束的，具有閉合磁力線的磁場成為可能的選擇。如何設(shè)束的，具有閉

41、合磁力線的磁場成為可能的選擇。如何設(shè)計(jì)計(jì)“磁籠磁籠”成為研究難點(diǎn)成為研究難點(diǎn) 。上世紀(jì)。上世紀(jì)7070年代，蘇聯(lián)科學(xué)家年代，蘇聯(lián)科學(xué)家提出提出“托克馬克托克馬克”方案，成為可控聚變研究的最佳方案方案，成為可控聚變研究的最佳方案。托克馬克裝置采用強(qiáng)磁場約束高密度等離子體。托克馬克裝置采用強(qiáng)磁場約束高密度等離子體核能利用核能利用 蘇美蘇美5050年代，英法年代，英法6060年代。年代。 中國中國19911991年年1212月秦山核電站發(fā)電。月秦山核電站發(fā)電。 據(jù)據(jù)19951995年資料顯示，我國核能利用占總能年資料顯示，我國核能利用占總能比（比（1.3%1.3%）遠(yuǎn)低于法國（）遠(yuǎn)低于法國（75%7

42、5%），日本（），日本（36%36%），韓國（），韓國（30%30%），臺(tái)灣（），臺(tái)灣（31%31%），甚至低于），甚至低于印度。印度。 2005 2005年，我國核電不到（年，我國核電不到（2%2%）。據(jù)估計(jì)，）。據(jù)估計(jì)，20502050年我國能源需求將達(dá)到相當(dāng)年我國能源需求將達(dá)到相當(dāng)5050億噸煤標(biāo)億噸煤標(biāo)準(zhǔn)，而目前我國年耗準(zhǔn)，而目前我國年耗1515億噸煤，水資源不到億噸煤，水資源不到2 2億噸煤，缺口極大。億噸煤，缺口極大。 在所有的核聚變反應(yīng)中，氘和氚的核聚變反應(yīng)在所有的核聚變反應(yīng)中，氘和氚的核聚變反應(yīng)相對(duì)比較易于實(shí)現(xiàn)。相對(duì)比較易于實(shí)現(xiàn)。 氘在海水中儲(chǔ)量極為豐富，一公升海水里提取出氘在

43、海水中儲(chǔ)量極為豐富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒300300公公升汽油的能量。升汽油的能量。 有人估計(jì)若把海水中的氘都提出來，可用幾百億有人估計(jì)若把海水中的氘都提出來，可用幾百億年。年。 聚變能具有資源無限，不污染環(huán)境，不產(chǎn)生高聚變能具有資源無限，不污染環(huán)境，不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是人類未來能源。放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是人類未來能源。 人類已經(jīng)能控制和利用核裂變能，但由于很難人類已經(jīng)能控制和利用核裂變能，但由于很難將兩個(gè)帶正電的核靠近產(chǎn)生聚變反應(yīng)，控制和利用將兩個(gè)帶正電的核靠近產(chǎn)生聚變反應(yīng)，控制和利用核聚變能則成為研發(fā)的難點(diǎn)。核聚變能則成為研發(fā)的難點(diǎn)。 ITER ITER 計(jì)劃計(jì)劃（International Thermonucle