原子核物理_1

1、第七章 原子核物理概论,1.原子核物理的研究对象 2.原子核的基态特性 3.天然放射性 4.核反应及原子能的利用,主要内容:,29 原子核物理的研究对象,一、历史回顾,1896年,贝克勒尔发现了铀的放射现象; 1897年,居里夫妇发现放射性元素钋和镭; 1899年,1900年发现 射线和 射线;,1903年,卢瑟福证实了 射线是带正电的氦原子, 射线是电子; 1911年,卢瑟福提出原子的核式模型; 1919年,卢瑟福首次实现人工核反应;,1932年,查德威克发现中子;海森伯提出原子核由质子和中子组成; 1934年,约里奥.居里夫妇发现人工放射性;,1939年,哈恩和史特拉斯曼在用中子轰击重元素铀的实验中,发现有中间质量的元素产生;梅特纳和弗里什提出用铀原子核分裂成两半的产物解释实验结果;玻尔和惠勒提出了重核裂变的液滴模型理论;,1942年,费米等发明热中子链式反应堆; 1945年,奥本海默领导的美国洛斯.阿拉莫斯实验室制成快中子链式反应装置; 1952年,泰勒等实现了轻元素的热核爆炸; 1954年,苏联建成第一个原子能发电站;,二、原子核的组成,1919年,卢瑟福发现了质子：,质子：带

2、一个单位正电荷,1932年，查德威克发现了中子 :,一种原子核，用符号,例如符号：,表示。,同位素： Z 相同而 N 不相同的原子核。,例如：,同中子异位素： N 相同而 Z 不相同的原子核。,例如：,同量异位素： A 相同而 Z 和 N 不相同的原子核。,例如：,原子核是由质子p和中子n组成，质子和中子统称为核子。原子核中的核子数、质子数和中子数分别以 A、Z 和 N 表示，它们满足关系,A=Z+N,三、核素图,兰州近代物理研究所利用HIRFL合成的新核素、首次建立的核衰变纲图及部分研究过的核素,原子核质量亏损 m,一、 原子核的质量亏损和结合能,原子核的结合能，用 B 表示,核子的平均结合能(比结合能) : B/A,B 也代表把原子核拆散时所需做的最小功的数值。,30 核的基态特性之一:核质量,讨论,质量数A,轻核和重核的比结合能都小于中等质量原子核的比结合能，这一事实是核能得以利用的基础。 获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变。,(3) 在质量数小于30 的原子核中，比结合能的数值就其总的趋势来讲是随 A 的增大而增大，但有明显的起伏。,(2) 质量数在 30 以上的原子核中

3、，比结合能随 A 的变化不大，近似为一常量。这显示了核子只与邻近核子作用，核力具有饱和性。,二、半经验质量公式,1935年,魏扎克(Weizacker)根据液滴模型给出了一个半经验核质量公式.将原子核比作一个密度极大的、不可压缩的液滴。,原子核结合能的半经验公式:,体积能,表面能,库仑能,对称能,对能,魏扎克(Weizacker)公式:,从实验定出:,31 核力,一、核力的基本性质,(1) 短程、强相互作用。,(2) 饱和性。,核子只与它相邻的核子有相互作用。,大于 , 核力消失。,(4) 核力与自旋有关。,二、核力的介子理论,1935年，汤川秀树提出了核力的介子理论：核力是一种交换力，核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用，并估计这种媒介粒子的质量约为电子静止质量的200倍，介于质子和电子质量之间，故称为介子。,1947年，鲍威尔在宇宙射线中发现了介子，称为 介子，有 、 、 三种，质量分别为:,(3) 核力与电荷无关。,两核子之间的核力与它们的自旋的相对取向有关。,不同核子的相互作用通过发射或吸收 介子而产生，相当于两核子之间的位置发生交换，核力为交换力。,一、核自旋,32 核

4、的基态特性之二:核矩,原子核具有角动量，常称为核自旋，它是核内 A 个核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和。,实验发现,原子核基态的自旋量子数有如下规律:,偶 A 核的自旋量子数都是整数，其中偶偶核的自旋 都为零；,奇A 核的自旋量子数都是半整数。,二、核子磁矩,核磁子,三、核磁矩,质子、中子和原子核都具有磁矩，核磁矩为,四、电四极矩,电四极矩是量度原子核电荷偏离球对称的程度.,当 Q = 0 时，核电荷分布呈球形,Q 0 时，呈长椭球形,Q 0 时，呈扁椭球形,对于任意的带电体系,它在x 处产生的电势为,原子核的电偶极矩恒等于零,电四极矩定义为:,33 放射性衰变的基本规律,放射性衰变：核素自发地放射出某种射线而变成另一种核素的现象。,已经发现的放射性衰变模式：,1衰变：放出带两个正电荷的氦原子核。,2衰变：放出电子(或正电子),同时放出反中微子(或中微子)。,3衰变：放出波长很短(小于0.01nm)的电磁辐射。,4自发裂变：原子核自发分裂为两个或几个质量相近的原子核。,放射现象的研究是获悉原子核内部状况的重要途径之一。,衰变常数 : 代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率。,一、

5、 指数衰变律,平均寿命 ：每个原子核衰变前存在时间的平均值。,二、半衰期和平均寿命,(1) 平均寿命为衰变常量的倒数，是半衰期的 1.44 倍,(2) 经过时间 后，剩下的原子核数约为原来的 37,说明,半衰期 ： 放射性核素衰变其原有核数一半所需时间。,三、放射性活度,单位：贝克勒尔(Bq), 居里(Ci).,1Ci = 次核衰变/秒 = Bq,放射性活度A:放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数。,1Bq=1次核衰变/秒,四、半衰期的测定,对于半衰期特别长的核素,一、衰变条件,衰变条件:,衰变能,二、衰变能与核能级图,34 衰 变,根据能量守恒定律:,测得粒子的动能有六种,此外有能量不同的五种 射线。,粒子能谱具有分立特性原子核具有分立的能量状态。,T1/2=60.5min,一、衰变面临的难题, 射线能谱引发的难题:,(1) 原子核是个量子体系,它应具有分立的能级,而核衰变则是不同原子核能态之间的跃迁,由此释放的能量必然是分立的.而射线能谱却是连续的?,(2) 不确定关系不允许核内有电子, 来自何方?,35 衰 变,二、 中微子假说,1930年，泡利提出了中微子假说:当放射性核素

6、发生衰变时，除了放出电子外，还伴随着放出一个轻的中性粒子(称为中微子)。,中微子分为两种：中微子 和反中微子 ，它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向不同。,由于三者之间能量的任意分配均不违反动量守恒定律，所以 射线的能量是连续的，形成了连续谱。,假设中微子的自旋和电子一样为 ，则衰变前后的角动量守恒。,由于 ， ，衰变能主要在电子和中微子之间分配. 当 时， ;当 时, ;其余情况下, .,( 衰变),( 衰变),1956年，从实验上发现了中微子。,费米认为： 正像光子是原子或原子核不同状态之间跃迁的产物，电子和中微子是原子核中质子和中子之间转换产生的; 质子和中子可视为核子的两个不同状态; 导致光子产生的是电磁相互作用，而导致电子和中微子产生的是弱相互作用。,三、衰变的三种类型及衰变条件,(a) 衰变：,能量守恒：,衰变条件：E00，即,(b) 衰变：,(c) K俘获：原子核俘获一个核外轨道上的电子而转变为另一 个原子核的过程。,能量守恒：,衰变条件： E00，即,衰变条件： E00，即,一、衰变,衰变: 原子核通过发射光子从激发态跃迁到较低能态的过程。,36 衰 变,二. 穆

7、斯堡尔效应,穆斯堡尔效应:一种原子核无反冲的 射线共振散射或吸收现象。,1. 射线对核的反冲,一个质量为 m 的自由核，从激发态 E2 跃迁到基态 E1，发射一个能量为 E 、动量为 P 的光子。设核原来静止，按动量守恒定律，核反冲动能为,根据能量守恒定律，发射的 光子的能量为,一般核发射的 射线能量约为MeV 的数量级, ER E。故,(发射光子的能量),(吸收光子的能量),这正是人们观察不到 射线共振吸收的原因所在!,以 57Fe 为例,激发态能级宽度：,反冲能量：,可见反冲能量 ER 比起 E 是个小量，但 ER 比起核激发态的能级宽度 却是个大量，要大约 6 个数量级。,(E 偏离E 为10-3 eV 的数量级),表明 和 相差,2. 穆斯堡尔效应的应用,验证了引力红移效应,半径为 R，质量为m0 的发光星球发出能量为 的光子。引力势能为,光子的质量 m = hn/ c2 。在远离发光星球处接受到的光子能量为,表明频率要变小，波长增大，向红色方向移动，故称之为引力红移。,例如：在地球上，高度相差20 m ，将使频率变化210-15,1960年庞德和里布卡利用穆斯堡尔效应在地面上

8、测量了同源吸收体在高度上相距 22.5 m 时的 射线能量位移.,57Fe 的磁超精细分裂谱,源的速度 (mm/s),相对计数率,能量改变E / (10-1eV),37 核 反 应,核反应：在具有一定能量的粒子轰击下核素性质的改变。,一、几个著名的核反应,(1) 历史上第一个人工核反应,(2) 第一个在加速器上实现的核反应,按入射粒子的类型分：粒子、质子、中子、氘核、光子引起的核反应。,按入射粒子的能量分：低能( )、中能( )、高能( )核反应。,按靶核质量分：轻核(A80) 核反应。,电荷数守恒：反应前后总电荷数不变;,核子数守恒：反应前后核子数不变;,能量守恒：反应前后粒子的总能量守恒;,动量守恒：反应前后体系的总动量守恒;,角动量守恒:反应前后体系的总角动量守恒;,核反应的守恒律,核反应一般可用方程表示为,(3) 产生第一个人工放射性核素的反应,(4) 导致发现中子的核反应,二、Q方程,静质量：,动能：,核反应,反应能,Q 0 称为放能反应； Q 0 称为吸能反应。,动量守恒：,核反应的Q方程,例1 试计算 反应的反应能。,对于吸热核反应:,Q方程的另一种表达形式,，入射粒子(

9、核)的动能必须大于反应阈值,要满足:,一 、核裂变 取得核能的重要途径之一,使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。,核裂变,例如：235U 在慢中子的轰击下，可发生裂变反应,(一个235U 核裂变，可释放出约 211MeV 的能量),38 裂变与聚变,1964年10月16日我国自行研制的第一颗原子弹,1945年8月6日 日本广岛 代号“小男孩”,原子弹,(核反应堆),说明,(1) 化学反应中一个原子能够提供的化学能不到10eV，与一个核裂变能相比要小10-7 倍。1kg 的 235U 全部裂变所释放出可利用的核能，约相当于 2500t 标准煤燃烧所释放出的热能！,(2) 1954年6月27日, 第一座功率为5000 千瓦的核电站在前苏联建成。立陶宛大约82的电靠核电，此比例为世界之最。,(3) 秦山核电站是我国于1991年自行设计并建成的，其功率为300兆瓦。,核电站的工作原理示意图,大亚湾核电站夜景,德国Byron 核电站外景,氘核聚变,二、核聚变 取得核能的又一重要途径,使两个很轻的原子核聚集变成为一个稍重的原子核的过程，称为核聚变。,实现受控热核聚变的条件:,(1) (10KeV), 形成正离子与等量电子同时存在的等离子体;,(2)劳逊判据:等离子体密度n和存在时间,太阳内部主要有两种聚变反应：,(1) 质子质子循环,(2) 碳氮循环,等离子体约束引力约束、惯性约束和磁约束,两种反应的总效果完全相同， 均是,一般认为太阳内质子质子循环占绝大比例，这主要取决于太阳内部的温度。,说明,(1) 1kg 的氘核聚变时，放出的能量是 1kg 铀裂变时放出能量的 4 倍，相当于104 t 煤燃烧放出的能量。,(2) 人们依靠核聚变取得能量的例子有：太阳能(引力约束核聚变)和氢弹(惯性约束核聚变)。,(3) 惯性约束和磁约束聚变是受

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