【核科学】核科学基础知识.doc

核科学基础知识概述核科学是研究原子核的结构、特性和相互作用的科学普通物质的质量儿乎全部都集中 在原子核了解核物质在常态和极端状态下的表现非常不易极端状态存在于早期的宇宙中、 存在于当今星球的内核，也可在实验室中通过原子核的相互碰撞实现核子科学家藉由测量静止时和碰撞状态下核子的性能、形状和衰退來进行研究他们要 解决的问题有：核子为什么停留在核心中？质子与中子有哪些对能的组合方式？当核被挤压 的时候什么发生？地球上的核子起源于何外？核子科学家使用以下方法进行理论和实验研 究：高能粒子加速器、创新的检测仪器和最前沿的计算设备原子在20世纪早期，已经有极具说服力的证据表明物质可以由原子理论加以描述，也就是 说，物质是由一些种类不多的、我们称为原子的建筑模块组成这一-理论为当吋已知的化学 反应提供了一致的、统一的解释然而，这个原子理论无法解释一些神秘现彖1896年, A.H.Becquerel （贝克勒尔）发现了具有穿透力的放射线在1897年，J.J.Thomson （汤 姆逊）指出电子带有负电荷，并且來自于普通物质之中物质要呈电中性，必定在某处有正 电荷潜藏那么正电荷究竞在哪里，被什么携带呢？Indivisible Plum ・pudding Atom Atom(hard sphere)1911年出现了-*次里程碑的突破。

当时，Ernest Rutherford （卢瑟福）和他的同事想 要通过实验找到一束阿尔法粒子（氮核）的穿过薄的金箔厉的散射角度RutherfordAtom原子的模型在Rutherford模型中，原子中心的点是原子核核的大小被扩大以使在图像中可以看 到Rutherford实验的预期结果本来是什么？它取决于原子的纽织结构当时流行的 Thomson模型（或称为"葡萄干一布丁 ”原子）认为带负电荷的电子（葡萄干）与四 处填满的、带正电荷的质子（布丁）混合在一起这个模型能够解释海最物质的电中性，而 且能够解释电荷的流动按照这一模型，一个阿尔法粒子发生散射时，散射角儿乎不可能人 于零点儿度，而绝大部分儿乎不会发生散射Rutherford实验的结果是令人惊讶的：绝大多数的阿尔法粒子正如所期望的那样，儿乎 不会散射但也有阿尔法粒子发生了人于90度的散射，这对“葡萄T•布丁”模型來说是不 可思议的主要就是由于这一类型的实验，导致了原子有一个核心的模型的捉出与 Rutherford试验唯一兼容的模型是：一个很小的位于中心的核（原子核）带有正电荷，并具 有原子质量的绝人多数，而原子的绝人多数体积却是由绕原子核转动的、分散的电子占据。

按照经典电磁理论，一个以圆形轨迹运行的电荷会丢失能量在Rutherford模型，电 子绕原子核的运行类似于行星绕太阳运行然而，在这一模型下，没有任何东西阻止电子由 于丢失能量而在库伦引力的作用下陋入原子核这一•稳定性的问题在1913年被Niels Bohr 用一个新模型解决这个模型中电子以特定的轨道绕核旋转，而不会因为丢失能量以螺旋轨 道歴入核子里这个模型是量子力学的开始，量子力学成功地揭示了原子的许多特性 Bohr 的原子模型能够很方便地解释氢原子能级原子核•亠・—— -IN ucleus原子核是由核子构成，核子有质子和中子质子和中子由夸克组成，并被夸克之间胶子 交换而产生的强作用力结合在一•起在由多个核子构成的原子核中，强作用力可以用介子（由 夸克・反夸克粒子对组成）交换来描述一个质子由两个上夸克和一个下夸克及寿命很短 的强作用域组成中子与质子相似，但它有两个下夸克和一个上夸克虽然科学家确信核子 由夸克组成，但还从未在实验中成功分离岀-•个单一夸克往核子内部加入能景以图分离夸 克将增加它们之间的结合力而在能量足够高时，能源的增加将产生新的粒子而非释放令克放射能ta Minu Decay":He 暑RfRadioactivitybefore如果原子核内中子和质子以一•种不稳定的方式组合，那么原子就具有放射性。

对于质 子数（Z ）小的原子，维持原子稳定所需的中子数（N ）人约与质子数相筹举例來说, 在绝人多数碳原子的原子核中，有6个质子和6个中子对质子数多的原子核，质子之间 的排斥电荷力致使需要更多的中子才能构成稳定的原子核，一■个稳定的铅原子核中包括126 个中子和82个质子一个放射性的原子，在质子数量和中子数量之间缺乏适当的平衡，就 会经过放射性的衰变而达到一个较稳定的组合这种衰变在时间上是随机发生的，但是人量 放射性材料可预期寿命常见的衰变产物依希腊字母的前三个來命名・阿尔法（a ）,贝塔 （b）,和伽玛（g）在阿尔法衰退方面，一个氨核从一个原子核分裂出來阿尔法放射使 原子核减少两个质子数字和两个中子数贝塔衰变可以如下任何一种方式进行：发射一个电 子和一个反中微子，或者发射它们的反粒子，即正电子和中微子贝塔衰变将原子核中的一 个质子变成中子，或将一•个中子变成一个质子，从而改变原子核中的质子、中子数量反贝 塔衰变过程中原子核则获得一个电子在gamma衰变中，一个高能光子离开核子，从而原 子核形成更稳定的、低能结构一个人原子核白然分裂生成小质量原子核也是放射的一•种形 式阿尔法衰变阿尔法粒子衰变在图中所示的阿尔法衰变中，原子核发出一个4 He核，即一个阿尔法粒子。

在质子/ 中子比数太人的重原子核中，最常发生阿尔法衰变一个阿尔法质子带两个质子和两个中子, 是一个非常稳定的粒子结构阿尔法放射减小母核中的质子中子比率，使其成为一个比较稳定的结构许多比铅重的原子祁按这一方式衰变以210 Po的阿尔法衰变为例：反应式可以写成210 Po? 206 Pb + 4HePo原子核 有84个质子和126个中子质子数对中子数的比率是Z/N = 84/126 ,即0.667一个 Pb核子有82个质子和124个中子，质子数对中子数的比是82/124,即0.661质子数 对中子数比率的这-小小改变，己足以使原子核处于较稳定的状态，并且如下图所示，使得 子核（衰变产物）位于核索图中稳定的区域在阿尔法衰变中，原子序数发生改变，因此，最初的（或母）原子和子原子（衰变产 物）是不同的元素，具有不同的化学性质核索图上端原子发生阿尔法衰变时，结合能转变为阿尔法粒子和子核的动能由于能量必须在这两 种粒子Z间分亨，并且阿尔法粒子和子核一定有等量且方向相反的动量，所以衰变之后的阿 尔法粒子和反冲的子核将会有明确的能量因为阿尔法粒子质量较小，大部分动能都传给了 它Beta衰变Beta粒子是电子或正电子（带正电荷的电子，或称反电子）。

个原子核如果带有 太多质子或中子，而其中的一个质子变成了中子，或一个中子变成了质子时，就发生了 Beta 衰变发生beta负衰变时，一•个中子变成一个质子，一个电子和一个反中微子：n?p + e ・+ = Beta正衰变吋，一个质子变成一个中子，一个正电子和一个中微子：p ? n + e+ + n 两种反应都可以发生，因为在核索图的不同区域，这两种反应之一将会使衰变产物移到稳定 的区域按照守恒定律，就会发生某一种反应按照电荷守恒定律，一个电中性的中子变成 一个质子时，必须生成一•个负电荷的粒子（此时为电子）与此相似，按照轻子数守恒定律, 一个中子（轻子数为0）衰变成一个质子（轻子数为0）和一个电子（轻子数为-1）时, 必须生成一个轻子数为・1的粒子（此时为反中微子）Beta衰变发射出的轻粒子在衰变 Z前并不存在于原子核中，它们是在衰变那一•刻生成的我们已知，一个隔离的质子，即一个氢核，不论带不带电子，不发生衰变然而在一个原子核里，Beta衰变过程可以将一•个质子变成一个中子一个隔离中的中子是不稳定的， 而且将会以10.5分钟的半衰期衰变原子核内的一个中子，如果能够使原子核生成 个更 稳定的核，将会衰变；半衰期依同位索不同而异。

原子核中的一个质子，如果能够使原子核 生成一个更稳定的核，则可从原子捕获一个电子（电子抓取），和生成一个中子和一个中微 子质子衰变、中子衰、电子捕获是质子中子互相转变的三种方法在每种衰变中都发生了 原子序数的改变，因此母原子和子原子是不同元索在所有三个过程中，核子的A值保持 不变，而质子数和中子数增加或减少1Beta衰变吋，结合能转变为beta粒子的质量能和动能、中微子的能量、和子核反冲的 动能一个特定的衰变发出的beta粒子的能量可能是某范囤中的任意值，因为三种粒子可 以以多种方式分亨能量，而仍然服从能量和动量守恒定律Gamma衰变Gamma(gamma ray)photon152,“Dy在上图描述的gamma衰变中，一个原子核放射出电磁幅射（光子），从而由较高的能 级变为较低的能级原子核内的质子（和中子）的数目在这一过程中不改变，因此母原子和 子原子是相同的化学元素gamma衰变中，发射出的光子和反冲的原子核各有确定的能量, 特征能量只在二种粒子之间分亨放射能的单位一个放射性样品每秒种衰减的次数，或称活度，以放射强度（Bq）为单位表示该单位 以Henri Becquerel （核物理学家）命名。

IBq二每秒衰减1次一个较旧的单位是居里，以Pierre和吗莉.居里命名一个居里人约相当于1克镭 的活度，恰好等于3.7x10 10 Bq活度仅和每秒钟的衰减次数有关，而与衰减类型、衰减 产物的能量和放射线的生物效果无关。