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(jì)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(jì)元。(2)重要理論和模型1931年，泡利提出了中微子假說1934年，費(fèi)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(jì)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(dòng)力、輻射防護(hù)、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(jì)性質(zhì)和同位旋等內(nèi)容可以作為補(bǔ)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(shí)際質(zhì)量1.6726×10-27kg1.6748×10-27kg1.0071.008(1.6748×10-27)kg1836（帶正電）（帶負(fù)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)確定的，即1個(gè)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(shí)放出的能量或原子核分解為核子時(shí)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(gè)：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(qiáng)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(diǎn):(1)是一種比庫侖力大得多的強(qiáng)相互作用力(2)是一種短程力，僅當(dāng)核子間距＜2×10-15m時(shí)，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(gè)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(bǔ)充講解吸收劑量及單位，個(gè)人劑量限制等輻射防護(hù)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(qiáng)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?。ㄔ趲r石中只有0.001cm，在空氣中為3~8cm,一張普通的紙就能把它擋?。婋x作用很強(qiáng)。（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(dāng)t=0時(shí)，放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目為N0，經(jīng)過t時(shí)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(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，稱為衰變常數(shù)

（2）半衰期當(dāng)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(shí)所經(jīng)過的時(shí)間叫半衰期。2/2/202320Dr.LeRenchang核衰變放射性活度放射性活動(dòng)（A）：放射性物質(zhì)在單位時(shí)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(jìn)行了細(xì)化。核裂變2/2/202322Dr.LeRenchang重核的裂變裂變機(jī)制（液滴模型）：當(dāng)中子轟擊重核時(shí)，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(shí)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(jìn)一步增大，形成啞鈴狀。當(dāng)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(shí)，形變不能恢復(fù)，原子核分裂成兩塊，放出中子，同時(shí)釋放能量。核裂變定義：原子核裂變是一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)質(zhì)量相差不遠(yuǎn)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(gè)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(dāng)于2000t的標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所釋放的能量。2/2/202324Dr.LeRenchang鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：重的原子核俘獲一個(gè)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(jìn)行下去，釋放出越來越多的能量。核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：（1）中子產(chǎn)額（2個(gè)以上）和慢化（重水和石墨）；（2）臨界體積。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)2/2/202325Dr.LeRenchang裂變反應(yīng)堆用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?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(qiáng)）。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(shí)使反應(yīng)堆冷卻，保證安全）。⑸水泥防護(hù)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(hù)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(gè)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(gè)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(dá)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(dá)幾百萬度時(shí)，原子離解為正離子和電子。當(dāng)溫度升高到上億(108)度時(shí)，形成正離子與等量電子同時(shí)存在的等離子體。要使高溫等離