核物理基礎(chǔ)與輻射防護(hù)1課件

核物理基礎(chǔ)與輻射防護(hù)2009-05-301綱要原子核的基本性質(zhì)原子核放射性與核衰變?cè)雍朔磻?yīng)原子核的裂變與聚變射線與物質(zhì)的相互作用核輻射防護(hù)2009-05-302核物理發(fā)展史原子核物理學(xué)是20世紀(jì)新建立的一個(gè)物理學(xué)分支。它研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，射線束的產(chǎn)生、探測(cè)和分析技術(shù)，以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。它是一門既有深刻理論意義又有重大實(shí)踐意義的學(xué)科。一、初期

（十九世紀(jì)末~二十世紀(jì)四十年代左右）1896年，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性——核物理學(xué)的開端

主要工作：人們主要從事放射性衰變規(guī)律和射線性質(zhì)的研究，并且利用放射性射線對(duì)原子核做了初步的探討。

主要成果：原子的核式結(jié)構(gòu)、質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)、人工放射性核素的合成、鑒別射線種類并測(cè)定其能量，初步創(chuàng)建了一系列探測(cè)方法和測(cè)量?jī)x器，如云室、氣泡室、計(jì)數(shù)管、電離室等。2009-05-303三、完善和提高階段：20世紀(jì)70年代——

由于粒子物理逐漸成為一門獨(dú)立的學(xué)科，核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿，核物理進(jìn)入了一個(gè)縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新的更成熟的階段。

在此期間兩個(gè)方面的技術(shù)發(fā)展對(duì)核物理研究產(chǎn)生了深刻的影響。（1）計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用：微機(jī)處理和在線數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)的應(yīng)用，可以讓上百個(gè)探測(cè)設(shè)備協(xié)作運(yùn)行，同時(shí)記錄和處理成上百個(gè)參量，這就大大擴(kuò)展了我們的觀測(cè)能力，從而可以對(duì)比較復(fù)雜的核現(xiàn)象進(jìn)行全面的觀測(cè)和研究。

（2）重離子加速技術(shù)的發(fā)展：能夠有效的加速?gòu)臍涞解櫵性氐碾x子，其能量從每個(gè)核子幾個(gè)兆電子伏到幾千兆電子伏甚至幾百GeV的能量。1eV=1.6*10-19J，1keV=103eV，1MeV=106eV，1GeV=109eV，1TeV~1012eV

比較有名的重離子加速器中心：美國(guó)RHIC、德國(guó)GSI、法國(guó)GANIL、日本RIKEN、俄羅斯DUBUNA、我國(guó)中科院蘭州近代物理研究所CSR歐洲核子中心LHC（目前最高能）2009-05-305第一章原子核的基本性質(zhì)1.原子核的組成2.原子核的大小3.原子核的結(jié)合能4.核力5.原子核的矩2009-05-306上世紀(jì)初的原子模型（發(fā)現(xiàn)原子核之前）J.J.湯姆生的原子模型（棗糕模型）：

正電荷均勻分布在一個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中某些平衡位置上，并作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。I.原子核的發(fā)現(xiàn)與組成1856～19401906年諾貝爾物理獎(jiǎng)1.1原子核的組成2009-05-307盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)結(jié)論：正電荷集中在原子的中心，即原子核；估算出原子核直徑約為10–15~10-14m量級(jí)，而原子直徑約為10–10m量級(jí)；通常用fm表示：1fm=10-15m

質(zhì)量為整個(gè)原子的99.9%以上；從此建立了原子的有核模型。原子的電中性，要求：原子核所帶電量與核外電子電量相等，核電荷與核外電子電荷符號(hào)相反。即：核電荷Ze，核外電子電荷–Ze。2009-05-3092、中子的發(fā)現(xiàn)與原子核的組成

發(fā)現(xiàn)中子之前，人們猜測(cè)原子核是由質(zhì)子和電子組成的。

這個(gè)假設(shè)可以解釋原子核的質(zhì)量和電荷。但也遇到了不可克服的困難。與實(shí)驗(yàn)和理論不符。1932年查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子。(據(jù)此獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))用粒子轟擊鈹，鈹放射出穿透力很強(qiáng)的中性粒子，可以將含氫物質(zhì)中的質(zhì)子擊出，并證明其有與質(zhì)子相近的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中放出的不是高能，而是中子。小居里夫婦錯(cuò)失諾貝爾獎(jiǎng)?。?！2009-05-3010中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子。中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出，原子核由質(zhì)子和中子組成，并得到實(shí)驗(yàn)支持。－1電子＋1質(zhì)子0中子電荷(e)質(zhì)量(u)2009-05-3011III.原子核表示常用術(shù)語(yǔ)及意義1、核素（nuclide）

具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個(gè)不同，就是不同的核素兩種核素，A同，Z、N不同。兩種核素，N同，A、Z不同。兩種核素，Z同，A、N不同。兩種核素，A、Z、N同，能態(tài)不同。2009-05-3013

某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。

具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱為某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中處于同一個(gè)位置，具有基本相同化學(xué)性質(zhì)。)2、同位素（isotope）和同位素豐度鈾的二種同位素。氫的三種同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%2009-05-30143、同中子異荷素（isotone）4、同量異位素（isobar）質(zhì)量數(shù)A相同，質(zhì)子數(shù)Z不同的核素。

中子數(shù)N相同，質(zhì)子數(shù)Z不同的核素。也稱為同中子素或同中異位素。2009-05-30156、偶A核：奇A核：偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。奇中子核，奇質(zhì)子核。鏡像核：中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z互換的核素。中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z均為偶數(shù)的核素。

偶偶核(e-e核)中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z均為奇數(shù)的核素。

奇奇核(o-o核)2009-05-3017IV.核素圖及β穩(wěn)定曲線穩(wěn)定的核素都分布在一條光滑曲線上或緊靠曲線的兩側(cè)，即為β穩(wěn)定線

理論預(yù)言，可能存在的核素至少應(yīng)有5000種，分布在兩條實(shí)線范圍內(nèi)。上面的一條實(shí)線為質(zhì)子滴線，線上核素的質(zhì)子結(jié)合能為零；下面一條實(shí)線為中子滴線，線上核素的中子結(jié)合能為零。2009-05-3018核素圖及β穩(wěn)定曲線的特點(diǎn)：１).核素圖包括300多個(gè)天然存在的核素(其中穩(wěn)定核素280多個(gè)，放射性核素30多個(gè))及1600多個(gè)人工放射性核素。２).穩(wěn)定同位素幾乎全落在一條光滑的曲線，穩(wěn)定曲線在輕核靠近Z＝N線，而對(duì)重核則N>Z.3).偏離穩(wěn)定曲線下方的核素為豐中子核素，易發(fā)生β－衰變；上方的核素為缺中子核素，易發(fā)生β＋衰變。發(fā)生衰變后都趨向于穩(wěn)定線，故稱β穩(wěn)定線。2009-05-3019原子核的密度：代入：得：結(jié)論：原子核密度近似為常數(shù)，且非常大。2009-05-30211.3原子核的結(jié)合能1、原子核結(jié)合能的概念當(dāng)若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一個(gè)核時(shí)，由于核力的作用，將釋放一部分能量叫結(jié)合能。

以原子質(zhì)量M表示，且忽略原子電子的結(jié)合能，得：2009-05-30222、質(zhì)量虧損與質(zhì)量過剩質(zhì)量虧損和原子核結(jié)合能是同一個(gè)物理量的質(zhì)量和能量表示。它們的聯(lián)系就是質(zhì)能關(guān)系。原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和的，少的那部分質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損(MassDefect)。表示為。所有的核都存在質(zhì)量虧損，即

2009-05-30233、比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線比結(jié)合能：（平均結(jié)合能）單位是MeV/Nu，Nu代表核子。比結(jié)合能的物理意義：原子核拆散成自由核子時(shí)，外界對(duì)每個(gè)核子所做的最小的平均功。

或者說，它表示核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均一個(gè)核子所釋放的能量。

比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度：

比結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；

比結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。

2009-05-3025比結(jié)合能曲線：8.797.071.112裂變聚變2009-05-3026例如：最后一個(gè)核子結(jié)合能的物理意義：反映了這種原子核相對(duì)臨近的那些原子核的穩(wěn)定程度。表明16O與鄰近的原子核17O、17F相比，穩(wěn)定性要大得多。

2009-05-30295、核結(jié)合能的經(jīng)驗(yàn)公式原子核模型理論：

從實(shí)驗(yàn)入手對(duì)原子核作各種各樣的設(shè)想，把它類比為人們已經(jīng)熟悉的某種事物，來研究原子核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和相互作用的規(guī)律，解釋已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(如結(jié)合能、核力、核衰變、核反應(yīng)等)

，探索預(yù)告新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在原子核的模型理論中，較早提出并且取得極大成功的模型是玻爾(N.Bohr)提出的液滴模型。除液滴模型外，還有殼模型、集體模型、費(fèi)米氣體模型等。一種模型理論是否成功，根本在于是否能經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。2009-05-30301).核力具有飽和性，與液體中分子的飽和性相似。

液滴模型：把原子核類比為一個(gè)液滴。主要根據(jù)有兩個(gè)：2).原子核是不可壓縮的，與液體的不可壓縮性相類似。由于質(zhì)子帶正電，原子核的液滴模型把原子核當(dāng)作帶正電荷的液滴。2009-05-3031根據(jù)液滴模型，結(jié)合能半經(jīng)驗(yàn)公式為：體積能項(xiàng)表面能項(xiàng)庫(kù)侖能項(xiàng)對(duì)稱能項(xiàng)對(duì)能項(xiàng)2009-05-3032體積能項(xiàng)：結(jié)合能中的主導(dǎo)項(xiàng)，由于核力的飽和性，它正比于核體積（V

A）。表面能項(xiàng)：表面核子的核力沒有飽和。表面核子的結(jié)合弱，要從體結(jié)合能減去一部分。該部分正比于核的表面積(SA2/3)庫(kù)侖能項(xiàng)：核內(nèi)有Z個(gè)質(zhì)子，它們之間存在庫(kù)侖斥力，使結(jié)合能變小。對(duì)稱能項(xiàng)：反映核內(nèi)的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)是否相等，若它們相等時(shí)為零。2009-05-3033對(duì)能項(xiàng)：由核內(nèi)N，Z的奇偶性確定。不同奇偶性的核有不同的對(duì)能項(xiàng)。偶偶核奇A核奇奇核理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較：1、理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較相符；2、僅當(dāng)Z，N＝20，28，50，82等幻數(shù)時(shí)有偏離；3、輕核的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)差別也較大?！颍阂旱文Ｐ徒o出的是統(tǒng)計(jì)的平均結(jié)果2009-05-30341.4核力1、核力的一般性質(zhì)A、核力是強(qiáng)相互作用力。核力約比庫(kù)侖力大一百倍。

B、核力的電荷無關(guān)性。p、p，n、n，n、p之間的核力近似相等。

C、核力具有短程性和飽和性。短程性：核力是短程力，其有效力程小于3fm。飽和性：核力只作用于相鄰核子，而相鄰核子數(shù)目是有限的。D、核力主要是吸引力，在極短程內(nèi)有排斥芯。0.8-2fm時(shí)，核力表現(xiàn)為吸引力；在小于0.8fm時(shí)，有較強(qiáng)的排斥力；在大于10fm時(shí)核力幾乎完全消失。

2009-05-30352、核力的介子理論電磁相互作用通過交換光子而發(fā)生相互作用。1935年，日本湯川秀樹提出了核力的介子理論。核子間通過交換介子而發(fā)生相互作用?？捎珊肆Φ淖饔梅秶安淮_定關(guān)系估計(jì)介子質(zhì)量的量級(jí)約為電子的200多倍。后來發(fā)現(xiàn)，在核力作用中，

介子是核子相互作用的傳播子。

2009-05-30363、原子核的勢(shì)壘α粒子與原子核作用過程的勢(shì)能曲線。

核力為零，僅為庫(kù)侖勢(shì)位，稱為庫(kù)侖勢(shì)壘勢(shì)壘最高，為庫(kù)侖勢(shì)壘高度

核力大大超過庫(kù)侖力，勢(shì)能迅速下降并改變符號(hào)。

粒子進(jìn)入靶核，合力為零，勢(shì)能為常數(shù)值稱為勢(shì)阱深度。

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量子力學(xué)中穿透勢(shì)壘的概率在經(jīng)典力學(xué)中是難以解釋的。量子力學(xué)中，能量大于勢(shì)壘的入射粒子有可能越過勢(shì)壘，但也可能被反射回來。而能量小于勢(shì)壘的粒子有可能被勢(shì)壘反射回來，也有可能穿透勢(shì)壘進(jìn)入核勢(shì)阱，這種效應(yīng)稱之為隧道效應(yīng)。

隧道效應(yīng)：2009-05-30381.5原子核的矩(自旋、磁矩和電四極矩)1、原子核的自旋質(zhì)量m，電荷+q的粒子作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于環(huán)形電流，產(chǎn)生磁矩和角動(dòng)量L.+qrv

與L有如下關(guān)系:

核自旋是核內(nèi)所有核子的軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量的矢量和。2009-05-30392、原子核的磁矩1)、核子的自旋磁矩但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中子磁矩不為0，質(zhì)子的磁矩也相差很大。

理論上質(zhì)子帶電，那么質(zhì)子也應(yīng)該具有自旋磁矩。中子不帶電，那么中子的自旋磁矩應(yīng)該為0。

質(zhì)子、中子不是基本粒子，而具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。中子為中性粒子，具有磁矩，說明中子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有電荷。核子反常磁矩的存在說明：核子的夸克理論的誕生?。。?)、原子核的磁矩

原子核的磁矩等于核內(nèi)所有質(zhì)子的軌道磁矩與所有核子自旋磁矩的矢量和。

2009-05-3040電子軌道角動(dòng)量——粗結(jié)構(gòu)+電子自旋角動(dòng)量——精細(xì)結(jié)構(gòu)