原子与原子核能

1、核工程导论 第二章 原子与原子结构,上海交通大学 2010年,原子核为什么会裂变/聚变？,什么条件下易发生裂变/聚变？,核能从哪里来？,放射性是怎样来的？,第二章 原子与原子核能,2.1 原子内部特性 2.2 物质的放射性特性 2.3 核裂变原理 2.4 核聚变原理,2.1原子内部特性,现代原子结构 原子模型 核素及符号表示 同位素 原子核的质量,现代原子结构,原子模型,原子,原子的尺寸：10-10m,原子核的尺寸：10-15m,一张纸的厚度相当于10000个原子的厚度,核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素 核素是原子核的一种统称,核素及符号表示,同位素,同一个元素家族，带有不同的中子数，就是同位素。 同位素具有相同的化学特性，但可能有不同的物理特性 同位素中有的会放出射线，称为放射性同位素或放射性核素，其余叫做稳定同位素,1H,2H,3H,氕,氘,氚,氢原子家族,235U,238U,233U,铀原子家族,132,铯原子家族,2D,3D,电子 me = 9.110-31 kg = 5.4810-4 u = 0.511 MeV/c2 质子 mp = 1.007276 u = 9

2、38.256 MeV/c2 中子 mn = 1.008665 u = 939.550 MeV/c2,原子核质量 = 原子质量 全部电子的质量 MN(Z,A) = Ma(Z,A) Z me 忽略了电子的结合能 （ eV 量级） 原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查) 原子核质量可以精确确定,原子核的质量,2.2 物质的放射性特性,放射性 放射性衰变 基本衰变-衰变 基本衰变-衰变 基本衰变-衰变 放射性衰变基本规律 半衰期 放射性活度 物质和射线的相互作用,放射性,原子核自发地放射各种射线的现象,放射性,主要射线种类,氦原子,负或正电子,电磁波,物质的放射性和原子核的衰变,衰变,衰变,衰变,例如，核素X的衰变用下式表示 上式中Y为新产生的核素。,产生新核素,原子核为什么会发生放射性现象呢？,如果某种核素是稳定的，它的核内中子数与质子数的比例必须在某一狭窄范围之内。 当质量数（即中子与质子的总和）较小时，稳定核素的中子一质子比基本为1， 随着质量数的增加，稳定核的中子一质子比例由1.00一直增加到大约1.56 当某种原子核内中子数与质子数的比例超出与质量数相应的稳定界限以外时，这种核就

3、具有放射性。 不稳定的核向着更稳定的方向自发,从母核中射出 的4He原子核,粒子得到大部分衰变能,238U4He + 234Th,放射性母核!,基本衰变 衰变,衰变的性质,能辐射射线的物质的原子序数都大于82 母核放出的粒子具有一定的动能 5兆电子伏的粒子在空气中的射程约7厘米，在铅中约 0.06毫米，在人体组织中约 43微米。所以一般 辐射的粒子对人体外照射的损伤很小，通常不予考虑。 但是，粒子的电离本领很大，所以要防止放射性物质进入体内产生内照射 粒子能被一张薄纸阻挡 在热中子反应堆中，对反应堆材料的影响不重要,衰变241Am(镅) 237Np（镎）,基本衰变 衰变,发生原因：母核中子或质子过多,质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷,中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷,基本衰变衰变,衰变3H 3He,负衰变,中子,质子,正衰变11C 11B,正衰变,衰变的性质,带电粒子、质量小 射线的能量对不同的核是不同的，大致为十几千电子伏到3兆电子伏 由于这种粒子的质量小，只带一个电荷，其射程比粒子长，但产生电离的能力比粒子弱 完全吸收射线所需要的物质长度：铝约5毫米，铅约1毫米

4、,基本衰变 衰变,从原子核中发射出光子 常常在 或 衰变后核子从激发态退 激时发生 产生的射线能量不连续 可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别,衰变特点,衰变3He 3He,衰变, 衰变,- 衰变,+ 衰变, 衰变,1 指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 :放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快,放射性衰变基本规律,半衰期 (T1/2) 定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间,经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n,放射性衰变规律,半衰期,部分核素的放射性半衰期,定义：放射性核素在单位时间(dt)内发生核衰变 的数目(dN),A=dN/dt,单位： SI: Becquerel(Bq) 贝克勒尔 1Bq=1s-1 居里 1Ci=3.71010Bq 实际上1Ci就相当于1克镭与它的子系氡在平衡时的放射性,放射性活度（activity, A),。 。 。 。原子。, n,物 质：气体 液体 固体 包括人

5、体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 1 电离作用 2 电离效应,核辐射与物质的相互作用,光电效应示意图,-刀，治癌,改良品种,射线的穿透性,PET-正电子发射断层扫描机,XCT-X射线CT扫描机,带电粒子与射线,、 、 射线穿过物质时的特性 物质发生电离或者电子激发 扰动物质中的原子或电子 粒子 正电荷： 4He 质量重：能量大，但穿透能力差，射程短 在反应堆中的影响可以忽略 粒子 负正电荷：-+ 质量轻，但穿透能力强，射程长 射线 不带电 穿透能力极强,电离的作用,作用 使化合物的化学键破坏而分建成单体 共价键结合的化合物 有机化合物及水等无机化合物，外层电子由两个原子共用，抗分解能力差 分解一个共价键需25ev 离子键结合的化合物 较活泼的金属元素和活泼的非金属元素，电子从一个原子转移到另一个原子，形成阴离子和阳离子，分子间靠离子间的强烈静电吸力，分解能力差 金属键结合的金属 自由电子 不会产生永久的辐射效应,中子的辐照损伤,几个基本概念： 间隙原子、空穴：一个原子从点阵平衡位置移到两个平衡位置之间的不平衡位置时称间隙原子，它留下的空位称空穴。每一间隙原子必有一个相应的空穴。

6、 辐照损伤定义：由于辐射作用而产生间隙原子及点阵中相应留下空穴，就或多或少会在晶体中造成永久的缺陷，从而引起材料物理性质的永久变化。这样的效应通常称为辐照损伤。,2.3 核裂变原理,中子 自发裂变 核 反 应 核 力 质能方程 结合能 重核裂变 裂变临界能量 裂变产物 裂变产生的中子 裂变能量 链式裂变反应 维持链式裂变的条件-临界质量 裂变维持的条件临界,自发裂变,自发裂变是原子核在没有受到外界激发下而自行分裂的过程，它是一种特殊类型的核衰变。这个现象是由前苏联物理学家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年发现的。 质量为中等以上的核，尤其是一些重元素，如铀-236，从能量的角度讲都具有自发裂变的可能性 例如，在1克的铀中每小时约有20个铀核会发生自发裂变 这对于反应堆的启动有明显的帮助,中子,裂变产生的中子,定义 两个原子核或一个原子核和一个粒子（如中子、光子等）接近到1015米量级时，两者之间的相互作用所引起的各种变化过程称为核反应 性质 核反应所涉及的能量变化比一般的核衰变大得多，通常大于一个核子的结合能，可以高达1001000兆电子伏，因而它是研究原子核高激发能级的重要手段,核 反

7、应,中子核反应,（n，）反应 （n，p ）反应 （n，）反应 （n，n）反应 （n，2n）反应 （n，f ）反应,质子,中子,粒子，氦原子核,（n，）反应,中子辐射俘获反应 例如113Cd（n，）114Cd 当中子能量为0.176电子伏时，镉吸收中子的能力远远大于能量小于这个数值时的能力，即出现共振吸收 因此经常采用镉作为吸收热中子的物质。在反应堆中常用镉作控制棒的材料，吸收中子以调节反应堆功率 由于中子辐射俘获反应使原子核的中质比增大，反应产物常具有放射性，所以（n、）反应是人工制造放射性同位素的有效方法 瞬间产物为靶核的同位素，因此对被辐射物质没有影响 例如，利用铀-238中子辐射俘获反应，可以制造出核燃料钚,出射粒子是质子 例如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。 产生杂质原子 （n，p）反应使剩余核的中质比增加，中子过多，所以也是具有放射性的，例如上例中产生的剩余核碳-14就具有放射性 由于出射粒子是质子，它除了需要足够大的分离能以外，还需要有相当大能量用来克服库仑位垒，所以一般慢中子引起这种反应的几率较小，重靶核发生这种反应的几率很小，而轻核的几率就比较大,（n，

8、p）反应,与（n，p）反应类似，慢中子引起重核的（n，）反应的可能也很小，只有轻核才能发生（n，）反应。 例如：10B（n，）7Li反应等，其热中子吸收截面很大，所以常利用硼-10 和锂-6作为中子探测器，利用含硼石蜡作为快中子的屏蔽材料。 产生杂质原子,（n，）反应,（n，n）反应就是中子与原子核的弹性散射，中子在散射后，运动方向和动能都发生了改变，靶核则受到反冲。 中子与物质相撞，物质的质量数愈大，中子损失的能量愈小，这说明在防护中子辐照时，不能像防护射线那样选择重物质作屏蔽材料，而是要选择质量数较小的轻物质才行。,（n，n）反应,当入射中子的能量足够大时，复合核处于很高的激发态，以致足以释放出二个中子，即（n，2n）反应。这种反应是吸能反应，因此具有一定的反应阈。 （n，2n）反应使核的中质比变小，所以剩余核往往具有+放射性。除（n，2n）反应外，当入射中子能量更高时还可以发生（n，3n）反应、（n，2np）反应等。 例如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26AI等，它们的剩余核锰-54、铍-8、铝-26均具有+衰变及轨道电子俘获放射性

9、。,（n，2n）反应,（n，f）反应,中子与重核作用，重核分裂成两个碎片，平均放出23个中子，并放出大量热量。,核反应与化学反应的区别,核反应吸收或释放出来的能量要比化学反应吸收或释放出来的能量大得多，例如，一个铀原子放射出射线的能量比一个碳原于燃烧释放出来的能量几乎大100万倍 核反应只涉及原子核，而与电子无关 碳原子的核特性是相同的，无论是纯净的碳还是碳与其他元素的化合物（二氧化碳、石蜡、碳氢化合物等）,核子的相互吸引力-核 力,核力具有短程强相互作用的能力 它比电磁相互作用强130倍左右，作用距离只在邻近核子之间,为什么这么多的带正电荷的质子能紧密结合？,电磁力,重力,核力,原子核的尺寸：10-15m 原子的尺寸：10-10m,核力的相互作用距离： （1.41.5）1015m,是一种特别强大的，是目前知道的最强大的作用力。它是核能的起源,核力与电荷无关，质子和质子、中子和中子、质子和中子之间，都存在相互吸引的核力,质能方程,爱因斯坦指出： 质量只是物质存在的形式之一 另一种形式就是能量 能量和质量的简单关系： E=mc2,质量能量,原子核结合能：1+12,原子核的质量，小于组成它中于和质子质量之和 核子在结合形成原子核前后的质量差值，称为质量亏损 按质能方程，这部分质量就对应于核子在结合时放出的能量，称为原子核的结合能,结合能的利用核能,每个核子的平均结合能称为为比结合能 元素的比结合能反映该原子核的核子结合紧密程度 中等核比结合能最大(质量亏损大) 轻核和重核的比结合能小(质量亏损小),可被利用的能量,重核裂变,自发裂变:无需外界作用，就有自发分裂的趋势。自然界中某些质量数很大的原子核，如铀-236，有自发裂变的现象。 诱发裂变：在中子轰击下发生的裂变 链式裂变反应：裂变过程中，有中子释放出来，这样就可能形成链式的裂变反应，从而源源不断地产生核能,铀-235,

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