原子核物理及應(yīng)用(基礎(chǔ)部分)

原子核物理與應(yīng)用

(基礎(chǔ)部分）樂仁昌教授福建師范大學(xué)2/2/20231Dr.LeRenchang目錄1核物理的發(fā)展2原子核的組成3原子核的結(jié)合能4核力5核衰變6核裂變7核聚變2/2/20232Dr.LeRenchang核物理的發(fā)展第一階段探索階段(1896~1930)1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射性1911年，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子1920年，盧瑟福提出了原子核中可能存在中性粒子的猜測。1928年，蓋革和米勒制成了探測粒子的計數(shù)器H.BecquerelE.Rutherford2/2/20233Dr.LeRenchang核物理的發(fā)展第二階段形成階段(1931~1945)(1)重大發(fā)現(xiàn)和假說1932年，德威克發(fā)現(xiàn)了中子，海森堡和伊萬寧柯提出原子核由質(zhì)子和中子組成的假設(shè)，安德森從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子。1934年，哈恩和史特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了鈾核裂變現(xiàn)象，開創(chuàng)了人類獲取核能的新紀元。(2)重要理論和模型1931年，泡利提出了中微子假說1934年，費米提出了衰變理論J.Chadwick

E.Fermi

2/2/20234Dr.LeRenchang核物理的發(fā)展1935年，湯川秀樹提出了核力的介子交換理論，奧本海默提出了核反應(yīng)的直接相互作用理論。1936年，玻爾提出了核反應(yīng)的復(fù)合核模型1939年，玻爾等提出了液滴模型理論。1940年，泡利建立了自旋與統(tǒng)計性之間的關(guān)系理論。1942年，坂田昌一提出了兩種介子和兩種中微子理論。2/2/20235Dr.LeRenchang核物理的發(fā)展(3)工程技術(shù)1931年，范德格拉夫發(fā)明了靜電加速器1932年，萊里斯發(fā)明了回旋加速器1942年，美國建立了第一座反應(yīng)堆1944年，威克斯列爾提出了同步加速器的原理1945年，美國爆炸了原子彈。2/2/20236Dr.LeRenchang核物理的發(fā)展第三階段發(fā)展階段(1946~現(xiàn)在)(1)基礎(chǔ)研究：發(fā)現(xiàn)新核素，研究核物理的基本問題（主要針對未發(fā)現(xiàn)的或不能解釋的事物）(2)應(yīng)用研究：核武器、核燃料、能源與動力、輻射防護、核技術(shù)應(yīng)用奧本海默美國“小男孩”原子彈蘇聯(lián)原子彈2/2/20237Dr.LeRenchang原子核的組成本節(jié)有關(guān)原子核組成、核素與同位素等內(nèi)容在中學(xué)物理選修教材《物理》（選修3-5）第3章第1節(jié)有描述。本節(jié)有關(guān)核素、質(zhì)子和中子的質(zhì)量以及原子質(zhì)量單位等內(nèi)容在中學(xué)物理選修教材《物理》（選修3-5）第4章第1節(jié)及課后作業(yè)中有描述。本節(jié)有關(guān)元素、原子核的密度等是新增內(nèi)容。原子核的半徑、自旋、磁矩、電四極矩、宇稱、統(tǒng)計性質(zhì)和同位旋等內(nèi)容可以作為補講內(nèi)容。2/2/20238Dr.LeRenchang原子核的組成相對質(zhì)量原子原子核核外電子質(zhì)子中子電荷+10-1實際質(zhì)量1.6726×10-27kg1.6748×10-27kg1.0071.008(1.6748×10-27)kg1836（帶正電）（帶負電）不顯電性2/2/20239Dr.LeRenchang原子核的組成原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子；質(zhì)子帶一個單位的正電荷，中子不帶電荷；核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)稱為原子序數(shù)，用符號Z表示；核內(nèi)質(zhì)子和中子數(shù)之和即原子質(zhì)量數(shù)，用A表示。質(zhì)量數(shù)（A）=質(zhì)子數(shù)（Z）+中子數(shù)（N）原子核的電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)

=原子序數(shù)=原子核外電子數(shù)2/2/202310Dr.LeRenchang原子核的組成原子核的表示方法原子質(zhì)量單位：是以碳的同位素12C為標準確定的，即1個原子質(zhì)量單位u為12C靜止質(zhì)量的1/12，也就是1u=mc/12=1.660552×10-27kg。質(zhì)子質(zhì)量為：1.007277u。中子質(zhì)量為：1.008665u。原子核的密度為：2.3×1017kg/m3XAZ元素符號原子序數(shù)質(zhì)量數(shù)XA2/2/202311Dr.LeRenchang原子核的組成原子核模型：液滴模型，氣體模型，殼層模型，集體模型元素：質(zhì)子數(shù)相同的原子稱為一種元素同位素：同一元素中，有些原子質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，則稱為該元素的同位素，如：核素：把質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，核能級處于同一狀態(tài)的一類原子，稱為一種核素。2/2/202312Dr.LeRenchang原子核的結(jié)合能本節(jié)及下一節(jié)“核力”中相關(guān)內(nèi)容是對中學(xué)物理選修教材《物理》（選修3-5）第4章第1節(jié)的總結(jié)與提煉。2/2/202313Dr.LeRenchang原子核的結(jié)合能結(jié)合能

核子結(jié)合成原子核時放出的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，都叫原子核的結(jié)合能。原子核的結(jié)合能與核子數(shù)的比稱為該原子核的平均結(jié)合能（比結(jié)合能）。比結(jié)合能越大，原子中核子結(jié)合的越牢固，原子核越穩(wěn)定。質(zhì)量虧損

把組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差。質(zhì)能方程2/2/202314Dr.LeRenchang原子核的結(jié)合能(1)A<30的輕核，平均結(jié)合能表現(xiàn)出周期性的變化，凡A等于4的倍數(shù)的核有最大值。(2)中等核(A=30~120)的結(jié)合能較大，輕核和重核的較小.所以，獲得核能的途徑有兩個：重核裂變和輕核聚變。2/2/202315Dr.LeRenchang核力核力：組成原子核的核子之間有很強的相互作用力，使核子能夠克服庫侖斥力而緊密結(jié)合在一起，這種力稱為核力。特點:(1)是一種比庫侖力大得多的強相互作用力(2)是一種短程力，僅當核子間距＜2×10-15m時，才明顯發(fā)生作用(r~：0.8-2fm表現(xiàn)為引力；r<：0.8fm表現(xiàn)為斥力；r>：2fm核力消失）(3)是一種飽和力——每個核子僅與它鄰近的核子發(fā)生相互作用，即能與它發(fā)生作用的粒子數(shù)是有限的2/2/202316Dr.LeRenchang核衰變本節(jié)有關(guān)射線的種類及穿透能力、半衰期等內(nèi)容參見中學(xué)物理選修教材《物理》（選修3-5）第3章第2節(jié)。本節(jié)中的衰變公式、衰變常數(shù)以及放射性活度等內(nèi)容為新增內(nèi)容?？梢匝a充講解吸收劑量及單位，個人劑量限制等輻射防護知識內(nèi)容。2/2/202317Dr.LeRenchang核衰變放射性的發(fā)現(xiàn)

1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)：鈾礦物能自發(fā)地發(fā)射穿透力很強并能使照相底版感光的不可見射線。1898年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳，并發(fā)現(xiàn)它們也能自發(fā)地放射出射線。放射性衰變：核素自發(fā)地放射出某種射線而變成另一種核素、或同激發(fā)態(tài)過渡到基態(tài)的現(xiàn)象。凡能發(fā)生放射性衰變的核素叫放射性核素。2/2/202318Dr.LeRenchang核衰變放射性物質(zhì)放出的射線的種類（1）射線：氦核（稱為α粒子），貫穿本領(lǐng)很小（在巖石中只有0.001cm，在空氣中為3~8cm,一張普通的紙就能把它擋?。?，電離作用很強。（2）射線：電子流，有較大的貫穿本領(lǐng)和較小的電離作用，其貫穿本領(lǐng)大約是射線的100倍(在金屬中為0.09cm,在空氣中為10~20cm)。（3）射線：光子流，波長很短的電磁波，在電磁波譜上排在x射線之后，有最大的貫穿本領(lǐng)（穿過幾十厘米厚的鋁板）和最小的電離作用。2/2/202319Dr.LeRenchang核衰變放射性衰變的基本規(guī)律（1）指數(shù)衰變規(guī)律當t=0時，放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目為N0，經(jīng)過t時間后，放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目為N，則：

其中，λ代表一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，稱為衰變常數(shù)

（2）半衰期當放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目衰變到原來數(shù)目的一半時所經(jīng)過的時間叫半衰期。2/2/202320Dr.LeRenchang核衰變放射性活度放射性活動（A）：放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。單位：國際單位制中，為“貝克勒爾”，記作“Bq”，1Bq=1次衰變/秒。以前的專用單位是“居里”（Ci）1Ci=3.7×1010Bq2/2/202321Dr.LeRenchang本節(jié)及下一節(jié)“核聚變”中相關(guān)內(nèi)容參見中學(xué)物理選修教材《物理》（選修3-5）第4章第2、3節(jié)。只不過有些內(nèi)容如核反應(yīng)堆等內(nèi)容進行了細化。核裂變2/2/202322Dr.LeRenchang重核的裂變裂變機制（液滴模型）：當中子轟擊重核時，重核吸收中子形成復(fù)合核，能量增加，核子振蕩加劇，由球形變成橢球形。這時核內(nèi)各核子間距離增加核力減小，而庫侖斥力則使原子核進一步增大，形成啞鈴狀。當啞鈴形的兩端之間的庫侖斥力大于中間收縮部分核子間總的核力時，形變不能恢復(fù)，原子核分裂成兩塊，放出中子，同時釋放能量。核裂變定義：原子核裂變是一個重原子核分裂成兩個質(zhì)量相差不遠的碎塊的現(xiàn)象。2/2/202323Dr.LeRenchang核反應(yīng)方程：235U裂變的產(chǎn)物是多種多樣核裂變一個235U裂變?yōu)?41Ba和92Kr釋放的能量放出約200Mev的能量，1kg的235U全部裂變，釋放出的能量約相當于2000t的標準煤完全燃燒所釋放的能量。2/2/202324Dr.LeRenchang鏈式反應(yīng)：重的原子核俘獲一個中子以后發(fā)生裂變放出中子，如果這些中子又引起其他的核裂變，使得裂變不斷地進行下去，釋放出越來越多的能量。核裂變鏈式反應(yīng)的條件：（1）中子產(chǎn)額（2個以上）和慢化（重水和石墨）；（2）臨界體積。鏈式反應(yīng)2/2/202325Dr.LeRenchang裂變反應(yīng)堆用人工方法控制鏈式反應(yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來。它是能維持和控制核裂變的裝置。核裂變反應(yīng)堆的組成：⑴核燃料。濃縮鈾（能吸收慢中子的鈾235約占3%）。⑵減速劑。石墨或重水（使裂變中產(chǎn)生的中子減速，以便被鈾235吸收）。⑶控制棒。用鎘做成（鎘吸收中子的能力很強）。⑷冷卻劑。用水或液態(tài)鈉（把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去用于發(fā)電，同時使反應(yīng)堆冷卻，保證安全）。⑸水泥防護層。用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。2/2/202326Dr.LeRenchang水管鈾棒鎘棒石墨水泥防護層減速劑核原料冷卻劑熱交換

控制反應(yīng)速度防輻射

快中子

→慢中子

吸收慢中子

核反應(yīng)2/2/202327Dr.LeRenchang輕核的聚變核聚變定義：將幾個輕核結(jié)合成較大質(zhì)量的核叫輕核聚變。核反應(yīng)方程：+17.6Mev該反應(yīng)平均每個核子放出的能量在3Mev以上，聚變比裂變能放出更多的能量。發(fā)生聚變的條件：使原子核間的距離達到10-15m。方法有（1）用加速器加速原子核；（2）把原子核加熱到很高的溫度108～109K；21H31H42He10n能量2/2/202328Dr.LeRenchang可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)

任何物質(zhì)在溫度高達幾百萬度時，原子離解為正離子和電子。當溫度升高到上億(108)度時，形成正離子與等量電子同時存在的等離子體。要使高溫等離