原子核物理概論

原子核物理概論第1頁/共172頁§32原子核物理的對象(1)原子的中心：原子核線度、質(zhì)量(2)歷史回顧1896年,貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射現(xiàn)象；第2頁/共172頁1897年,居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳；1899-1900年，發(fā)現(xiàn)、、射線；1903年，盧瑟福證實射線是氦核，射線是電子；1911年，盧瑟福提出原子核式模型；1919年，盧瑟福首次實現(xiàn)人工核反應：用粒子從氮核中打出質(zhì)子；

第3頁/共172頁1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子，海森伯提出原子核由質(zhì)子和中子組成；1934年，小居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性；1939年，重核裂變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，玻爾和惠勒提出重原子核裂變的液滴模型理論；1942年，費米等發(fā)明熱中子鏈式反應堆；第4頁/共172頁

1945年，美國制造出原子彈；原子彈在日本廣島分裂；1952年，美國實現(xiàn)輕元素的熱核爆炸；1954年，蘇聯(lián)建成第一個原子能發(fā)電站；1958年，我國建成第一座重水型原子反應堆；1964年，我國成功試爆原子彈；1967年，我國成功試爆氫彈。第5頁/共172頁（3）原子核(nucleus)的組成★原子核由質(zhì)子和電子組成微觀粒子的波動性核自旋★原子核由質(zhì)子和中子組成nucleon第6頁/共172頁第7頁/共172頁（4）核素(nuclide)圖第8頁/共172頁第9頁/共172頁第10頁/共172頁§33

核的基態(tài)特性之一：核質(zhì)量第11頁/共172頁質(zhì)量虧損(massdefect)（2）結合能EB(bindingenergy)第12頁/共172頁第13頁/共172頁原子核平均結合能曲線第14頁/共172頁第15頁/共172頁（3）半經(jīng)驗質(zhì)量公式液滴(liquiddroplet)模型

依據(jù):原子核大小有限，形狀近于球形；核力的短程性和飽和性；原子核的不可壓縮性第16頁/共172頁原子核的結合能：體積能表面能庫侖能

體積能EBV（volumeenergy）第17頁/共172頁

表面能EBS（surfaceenergy）（surfacetensioncoefficient）第18頁/共172頁庫侖能EBC（coulombenergy）第19頁/共172頁原子核結合能的半經(jīng)驗公式：原子核質(zhì)量的半經(jīng)驗公式：第20頁/共172頁結合能的主要部分第21頁/共172頁（4）較完整的質(zhì)量公式體積能表面能庫侖能對能對稱能第22頁/共172頁第23頁/共172頁§34核力(nuclearforces）（1）一般性質(zhì)核力:核子與核子之間的強相互作用力。短程力;飽和性;強相互作用;第24頁/共172頁與核子電荷無關;在極短程內(nèi)存在斥心力;與自旋有關.核子作用勢第25頁/共172頁核子作用勢第26頁/共172頁（2）核力的介子理論兩個電子的相互作用第27頁/共172頁湯川秀樹：介子(meson)場理論核子間的相互作用第28頁/共172頁第29頁/共172頁

π介子作為核力的傳播子第30頁/共172頁線系限主線系（1）核自旋§35

核的基態(tài)特性之二：

核矩第31頁/共172頁

基態(tài)原子核的自旋規(guī)律偶偶核的自旋為零奇偶核的自旋為半整數(shù)奇奇核的自旋為非零整數(shù)第32頁/共172頁（2）核子磁矩電子的磁矩：第33頁/共172頁核的玻爾磁子（簡稱核磁子）

nuclearmagnetron質(zhì)子的磁矩：第34頁/共172頁第35頁/共172頁第36頁/共172頁第37頁/共172頁（3）核磁矩(磁偶極矩)第38頁/共172頁（4）電四極矩第39頁/共172頁第40頁/共172頁對任意帶電體：第41頁/共172頁原子核電四極矩的定義：第42頁/共172頁原子核的形狀與電四極矩的關系第43頁/共172頁一些核素的核矩實驗值第44頁/共172頁§37放射性衰變的基本規(guī)律

(decay)放射性(radioactivity)衰變：不穩(wěn)定原子核自發(fā)地放射出各種射線后,轉變?yōu)榱硪环N原子核的現(xiàn)象.第45頁/共172頁已發(fā)現(xiàn)的放射性衰變模式:衰變-衰變、+衰變、電子俘獲(EC)衰變（躍遷）、內(nèi)轉換（IC）自發(fā)衰變（SF）幾種罕見的衰變模式

★

p放射性

★

14C放射性

★延遲p發(fā)射★延遲n發(fā)射★雙-衰變

第46頁/共172頁（1）指數(shù)衰變律發(fā)生衰變的原子核數(shù)目

t

時刻未發(fā)

生衰變的原

子核數(shù)目時間間隔第47頁/共172頁（2）半衰期()

半衰期

(halflifeperiod)

：放射性核素的原子核數(shù)目衰變到原來的一半所需要的時間。第48頁/共172頁13N衰變第49頁/共172頁（3）平均壽命()平均壽命：放射性原子核在衰變前的平均生存時間。第50頁/共172頁(4)是放射性核素的特征量估算地球的年齡：第51頁/共172頁（5）放射性活度(activity)

放射性活度(放射性強度):指放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。第52頁/共172頁第53頁/共172頁比活度(SpecificActivity):第54頁/共172頁（6）長半衰期的測定1、測量放射性活度A2、算出產(chǎn)生A的原子核的數(shù)目N3、利用求出第55頁/共172頁（7）簡單的級聯(lián)衰變天然衰變鏈之一：釷系第56頁/共172頁天然衰變鏈之二：镎系第57頁/共172頁天然衰變鏈之三：鈾系第58頁/共172頁天然衰變鏈之四：錒系第59頁/共172頁第60頁/共172頁第61頁/共172頁（8）同位素(isotope)生產(chǎn)第62頁/共172頁第63頁/共172頁同位素生產(chǎn)圖第64頁/共172頁

§38衰變能量守恒：第65頁/共172頁第66頁/共172頁

衰變的條件：第67頁/共172頁例如：第68頁/共172頁動量守恒：子核反沖動能：第69頁/共172頁第70頁/共172頁第71頁/共172頁相對強度6.0846.20127.2%6.0446.1610.04069.9%5.7635.8740.3271.7%5.6215.7300.4710.15%5.6015.7090.4921.1%5.4805.5850.6160.016%第72頁/共172頁6.0846.0445.7635.621(27.20%)(69.81%)(1.80%)(0.15%)00.0400.3270.4920.3270.4710.6165.6015.480(1.10%)(0.016%)0.4710.4920.0400.6166.203第73頁/共172頁衰變前母核處于激發(fā)態(tài)105501600727169018009537271074180010432109499348785106第74頁/共172頁（5）補注質(zhì)子放射性：原子核在衰變過程中釋放出質(zhì)子。質(zhì)子衰變：質(zhì)子本身不穩(wěn)定，要發(fā)生衰變。第75頁/共172頁

§38

衰變(-decay)能譜為何連續(xù)？電子（正電子）從何而來？第76頁/共172頁相對粒子數(shù)端點能量第77頁/共172頁（2）中微子(neutrino)假說第78頁/共172頁第79頁/共172頁第80頁/共172頁中微子存在的實驗證明間接證明：直接證明：第81頁/共172頁中子質(zhì)子同一核子的兩個不同的量子態(tài)第82頁/共172頁（3）衰變第83頁/共172頁

衰變的條件：第84頁/共172頁（4）衰變第85頁/共172頁

衰變的條件：第86頁/共172頁Nucleonnumber(A)Protonnumber(Z)A,Z+1A,Z-1A-4,Z-2b+b-aA,Za

decayb+

decayb-

decay第87頁/共172頁（5）軌道電子俘獲(EC)第88頁/共172頁發(fā)生EC的條件：第89頁/共172頁EC發(fā)生的實驗依據(jù)：特征X射線的發(fā)射俄歇電子的發(fā)射第90頁/共172頁64Cu的衰變綱圖第91頁/共172頁（4）與衰變有關的其他衰變方式1、中微子吸收第92頁/共172頁第93頁/共172頁第94頁/共172頁

§38

衰變（1）一般性質(zhì)第95頁/共172頁60Co的衰變綱圖第96頁/共172頁（2）內(nèi)轉換電子

內(nèi)轉換（IC）：原子核把激發(fā)能直接交給核外電子，使其脫離原子核的束縛而成為自由電子的過程。被發(fā)射的電子稱為內(nèi)轉換電子。第97頁/共172頁內(nèi)轉換系數(shù)：

第98頁/共172頁內(nèi)轉換內(nèi)轉換電子第99頁/共172頁俄歇電子俄歇電子的產(chǎn)生第100頁/共172頁（3）同質(zhì)異能躍遷(IT)第101頁/共172頁(4)穆斯堡爾效應第102頁/共172頁第103頁/共172頁第104頁/共172頁第105頁/共172頁穆斯堡爾效應第106頁/共172頁第107頁/共172頁（5）幾種衰變特性本性電子電磁輻射第108頁/共172頁機制勢壘貫穿弱相互

作用電磁相互作用產(chǎn)物能量分布單能單能第109頁/共172頁衰變能：第110頁/共172頁

§41核反應原子核與原子核或原子核與其它粒子（例如中子、光子等）之間的相互作用引起的各種變化。nuclearreaction第111頁/共172頁產(chǎn)生核反應的途徑：

用放射源產(chǎn)生的高速粒子轟擊原子核；利用宇宙射線(cosmicray)來進行核反應；利用粒子加速器(accelerator)或反應堆(reactor)來進行核反應第112頁/共172頁核反應的表示方法：入射粒子出射

輕粒子靶原子核

生成核

（剩余核）（Target）(incomingparticle)（outgoinglight-weightparticle）(Residuenucleus)第113頁/共172頁（1）著名的核反應1、歷史上第一個人工核反應2、第一個在加速器上實現(xiàn)的核反應第114頁/共172頁第一個人工核反應實驗簡圖氮氣氮氣熒光屏銀箔顯微鏡第115頁/共172頁3、產(chǎn)生第一個人工放射性核素的反應4、導致發(fā)現(xiàn)中子的核反應第116頁/共172頁核反應中的守恒定律電荷守恒質(zhì)量數(shù)守恒宇稱守恒動量守恒角動量守恒質(zhì)量與能量守恒第117頁/共172頁（2）Q方程能量守恒：第118頁/共172頁反應能Q：第119頁/共172頁核反應的Q方程：第120頁/共172頁第121頁/共172頁第122頁/共172頁第123頁/共172頁第124頁/共172頁第125頁/共172頁（3）Q方程應用舉例★識別靶核第126頁/共172頁★減少運動學變寬第127頁/共172頁（4）反應截面核反應截面：第128頁/共172頁§42

裂變和聚變：

原子能的利用（1）裂變(fission)的發(fā)現(xiàn)

重核的裂變：一個重原子核分裂為兩個或兩個以上中等質(zhì)量碎片的現(xiàn)象。第129頁/共172頁原子核裂變的特點：裂變產(chǎn)物中含中子數(shù)很多裂變產(chǎn)物的質(zhì)量分布很廣裂變釋放的能量很大發(fā)生裂變的原子核種類很多第130頁/共172頁第131頁/共172頁第132頁/共172頁從核素圖看裂變過程第133頁/共172頁（2）裂變機制液滴模型庫侖力核力第134頁/共172頁時間第135頁/共172頁第136頁/共172頁（4）裂變能量及其利用(3)自發(fā)裂變(SF)第137頁/共172頁第138頁/共172頁第139頁/共172頁鏈式反應(chainreaction)U235U235U235中子第140頁/共172頁uraniumnucleusThenuclearchainreactionneutronsfissionfragmentsneutron()第141頁/共172頁中子在鈾塊中的五種遭遇不論能量多少，打中235U，引起裂變，中子數(shù)增加能量大于1.1MeV，打中238U，引起裂變，中子數(shù)增加能量小于1.1MeV，打中238U，不引起裂變，但可能被吸收，中子數(shù)減少沒有打中鈾核，飛出鈾塊，中子數(shù)減少被鈾塊中的雜質(zhì)吸收，中子數(shù)減少第142頁/共172頁維持鏈式反應的條件：第143頁/共172頁第144頁/共172頁反應堆(reactor)減速劑控制棒屏蔽體燃料元件第145頁/共172頁反應堆主要組成部分：-活性區(qū)（堆芯）：放置裂變物質(zhì)和中

子減速劑，發(fā)生核裂變的場所。-中子反射層：將飛出活性區(qū)的中子擋

回活性區(qū)。-冷卻系統(tǒng)：傳輸活性區(qū)產(chǎn)生的熱量。-控制系統(tǒng)：控制鏈式反應的速率，調(diào)

節(jié)反應堆功率以及開堆、停堆。-保護層：防止放射線對人體的傷害。第146頁/共172頁graphitemoderatorboroncontrolrodheatexchangerfuelelementchannelsteelconcretehotgasreactorcorecoldgaschargeface第147頁/共172頁第148頁/共172頁反應堆用途：

原子能動力制造放射性同位素產(chǎn)生大量中子產(chǎn)生核燃料第149頁/共172頁第150頁/共172頁原子彈(A-bomb)穩(wěn)定器引爆裝置鈾塊或钚塊中子反射層彈殼第151頁/共172頁（5）輕核聚變(fusion)輕核的聚變（核聚變）：輕原子核聚合成較重原子核的核反應。第152頁/共172頁核聚變的特點：-與核裂變相比，釋放的能量更大-聚變材料十分豐富-聚變產(chǎn)物基本上是穩(wěn)定氦核，無放射性，不污染環(huán)境。第153頁/共172頁熱核反應：物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體第154頁