第十章原子核1

1、10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì) 10.2 原子核的放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ?0.3 射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用射線同實(shí)物的相互作用和放射性的應(yīng)用10.4 核力核力10.5 原子核結(jié)構(gòu)模型原子核結(jié)構(gòu)模型10.6 原子核反應(yīng)原子核反應(yīng)10.7 原子核的裂變和原子能原子核的裂變和原子能10.8 原子核的聚變和原子能利用展望原子核的聚變和原子能利用展望第十章第十章 原子核原子核1. 原子核的電荷原子核的電荷Zeq2. 原子核的質(zhì)量原子核的質(zhì)量 10.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)eAAZmMm原子的質(zhì)量原子的質(zhì)量MA=原子核的質(zhì)量原子核的質(zhì)量mA+核外電子的核外電子的電子

2、的質(zhì)量電子的質(zhì)量Zme-電子的結(jié)合能電子的結(jié)合能 原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位u kgu271066054. 112mcE MeVuc5016.931122/5016.9311cMeVu 原子核的質(zhì)量數(shù)原子核的質(zhì)量數(shù)A 以以u(píng)為單位后，原子核的質(zhì)為單位后，原子核的質(zhì)量接近于某一整數(shù)量接近于某一整數(shù)A .NAZXZNA 核素：核素：凡具有相同的原子序數(shù)凡具有相同的原子序數(shù)Z、中子數(shù)、中子數(shù)N及能量狀態(tài)及能量狀態(tài)的原子核稱為一種核素。的原子核稱為一種核素。元素：元素：Z一定的原子。一定的原子。同位素：同位素：Z相同、相同、N不同不同的核素的核素H11H21H31H21He32同中子素：同中子素：N相同

3、、相同、Z不同的核素不同的核素*6027CoCo6027同質(zhì)異能素：同質(zhì)異能素：N、Z相同、而能量狀態(tài)不同的核素相同、而能量狀態(tài)不同的核素Ar4018K4019Ca4020同量異位素：同量異位素：A相同、相同、Z不同的核不同的核核素圖核素圖 超重原子的核素圖超重原子的核素圖豐中子區(qū)豐中子區(qū)缺中子區(qū)缺中子區(qū)Z=N ZZ的方向偏移的方向偏移 所有穩(wěn)定核都在所有穩(wěn)定核都在穩(wěn)定穩(wěn)定線上或緊靠線上或緊靠穩(wěn)定穩(wěn)定線的兩側(cè)，這線的兩側(cè)，這個(gè)區(qū)域稱為核素穩(wěn)定區(qū)。個(gè)區(qū)域稱為核素穩(wěn)定區(qū)。 中子和質(zhì)子靠核力組成原子核。中子和質(zhì)子靠核力組成原子核。 庫侖力是長(zhǎng)程力，正比于庫侖力是長(zhǎng)程力，正比于Z(Z+1) 核力是短程

4、力，正比于核力是短程力，正比于A 穩(wěn)定島、穩(wěn)定的海洋穩(wěn)定島、穩(wěn)定的海洋 超重元素穩(wěn)定島超重元素穩(wěn)定島(Z=114)穩(wěn)定洲穩(wěn)定洲3.原子核的成分原子核的成分 海森堡和伊凡寧柯提出：海森堡和伊凡寧柯提出：原子核由質(zhì)子和中子組成原子核由質(zhì)子和中子組成 質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷，中子不帶電質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷，中子不帶電 1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子 質(zhì)子和中子質(zhì)量相差很?。嘿|(zhì)子和中子質(zhì)量相差很小：A=N+Zump007276470. 1umn008664904. 14.原子核的大小原子核的大小 3/10ArR mr150102 . 13173030/103 . 24334mkgr

5、uArAuVmA原子核的密度為一常數(shù)，而且核的密度非常大。原子核的密度為一常數(shù)，而且核的密度非常大。 m14151010數(shù)量級(jí)：數(shù)量級(jí)：AArRV30334343034r核中核中每個(gè)核子所占的體積為一常數(shù)每個(gè)核子所占的體積為一常數(shù):增加核子就要增大體積增加核子就要增大體積 二者除帶電不同外，其余性質(zhì)十分相似，統(tǒng)稱為核子，二者除帶電不同外，其余性質(zhì)十分相似，統(tǒng)稱為核子，并把中子和質(zhì)子看成核子的兩個(gè)不同的狀態(tài)。并把中子和質(zhì)子看成核子的兩個(gè)不同的狀態(tài)。5.原子核自旋原子核自旋 原子核的自旋是所有核子的自旋和軌道角動(dòng)量的矢量和原子核的自旋是所有核子的自旋和軌道角動(dòng)量的矢量和 ) 1( IIPII：核自

6、旋：核自旋量子數(shù)，它可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)量子數(shù)，它可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù) A為奇數(shù)的核為奇數(shù)的核(奇奇A核核)，I為半整數(shù)為半整數(shù); IIzMP IIIMI1, 原子核角動(dòng)量在空間某一選定方向的投影：原子核角動(dòng)量在空間某一選定方向的投影：I在外場(chǎng)方向上的投影的最大值為在外場(chǎng)方向上的投影的最大值為 ，習(xí)慣上用它表示核的自旋，習(xí)慣上用它表示核的自旋 原子核的角動(dòng)量稱為核自旋原子核的角動(dòng)量稱為核自旋 核自旋核自旋磁磁量子數(shù)量子數(shù) Z、N都是偶數(shù)的核都是偶數(shù)的核(偶偶-偶核偶核)，I為為0; Z、N都是奇數(shù)的核都是奇數(shù)的核(奇奇-奇奇核核)，I為整數(shù)。為整數(shù)。 6.原子核磁矩原子核磁矩 )

7、1() 1(22IIgIImegPmegpIpI7.原子核的電四極矩原子核的電四極矩 mp：質(zhì)子的質(zhì)量質(zhì)子的質(zhì)量 ：核磁子核磁子 eBme2JIg因子不能通過公式計(jì)算，只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，其數(shù)值有正有負(fù)因子不能通過公式計(jì)算，只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，其數(shù)值有正有負(fù) 球?qū)ΨQ分布時(shí)的電勢(shì)：球?qū)ΨQ分布時(shí)的電勢(shì)： Rq04 非球?qū)ΨQ分布時(shí)的電勢(shì)：非球?qū)ΨQ分布時(shí)的電勢(shì)： 332211RaRaRa 第一項(xiàng)：?jiǎn)坞姾傻碾妱?shì)，第二項(xiàng)：偶極子的電勢(shì)，第一項(xiàng)：?jiǎn)坞姾傻碾妱?shì)，第二項(xiàng)：偶極子的電勢(shì)， 第三項(xiàng)：四極子的電勢(shì)第三項(xiàng)：四極子的電勢(shì))(5222baZQ 實(shí)驗(yàn)證明原子核有電四極矩，說明原子核的電荷分布是橢球式的實(shí)驗(yàn)證明原子核有

8、電四極矩，說明原子核的電荷分布是橢球式的8. 原子核的統(tǒng)計(jì)性原子核的統(tǒng)計(jì)性 A為奇數(shù)的核為奇數(shù)的核(奇奇A核核)是費(fèi)米子是費(fèi)米子;A為偶數(shù)的核為玻色子。為偶數(shù)的核為玻色子。 旋轉(zhuǎn)橢球式分布時(shí)的電勢(shì)：旋轉(zhuǎn)橢球式分布時(shí)的電勢(shì)： 3311RaRa等效于一個(gè)單電荷和一個(gè)四極子的疊加等效于一個(gè)單電荷和一個(gè)四極子的疊加eaQ32)()(11njinijxxxxxxxx兩個(gè)粒子的位置和自旋互換；兩個(gè)粒子的位置和自旋互換；“-”費(fèi)米子，費(fèi)米子，“+”玻色子玻色子9. 原子核的宇稱原子核的宇稱 坐標(biāo)反映對(duì)稱性坐標(biāo)反映對(duì)稱性)(),(),(偶性szyxszyx)(),(-),(奇性szyxszyx原子核的原子核的

9、質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損AEB/npANmZmmAnHmNmZMm平均結(jié)合能平均結(jié)合能 原子核的原子核的結(jié)合能結(jié)合能22)(cmNmZMmcEAnHB 表示核子結(jié)合為原子核時(shí)一個(gè)核子平均釋放的能量，或表示核子結(jié)合為原子核時(shí)一個(gè)核子平均釋放的能量，或把一個(gè)核子從原子核中取出所需的能量。把一個(gè)核子從原子核中取出所需的能量。的大小表示的大小表示核子之間結(jié)合的緊密程度。核子之間結(jié)合的緊密程度。大，表示核子結(jié)合緊密大，表示核子結(jié)合緊密10. 原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能 宇稱守恒：宇稱守恒：孤立體系的宇稱不會(huì)從偶性變?yōu)槠嫘?，或作相反的改變孤立體系的宇稱不會(huì)從偶性變?yōu)槠嫘裕蜃飨喾吹母淖?1)A30的輕核，平均的

10、輕核，平均結(jié)合能表現(xiàn)出周期性的結(jié)合能表現(xiàn)出周期性的變化，凡變化，凡A等于等于4的倍數(shù)的倍數(shù)的核，的核，有最大值。有最大值。(2)中等核中等核(A=30120)的的結(jié)合能較大，輕核和結(jié)合能較大，輕核和重核的重核的較小較小(3)質(zhì)量數(shù)在質(zhì)量數(shù)在30以上的以上的核核的變化不大，顯示了的變化不大，顯示了核力的飽和性，即一個(gè)核力的飽和性，即一個(gè)核子只同附近的幾個(gè)核核子只同附近的幾個(gè)核子有作用力，而不是同子有作用力，而不是同所有的核子都有作用所有的核子都有作用獲得核能的途徑有兩個(gè)：獲得核能的途徑有兩個(gè)：重核裂變和輕核聚變。重核裂變和輕核聚變。一、放射性衰變的基本規(guī)律一、放射性衰變的基本規(guī)律 1. 1. 放

11、射性衰變：放射性衰變：核素核素自發(fā)地自發(fā)地放射出某種射線而變成放射出某種射線而變成另一種核素、或從激發(fā)態(tài)過渡到基態(tài)的現(xiàn)象另一種核素、或從激發(fā)態(tài)過渡到基態(tài)的現(xiàn)象HeThU422349023892放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種：放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種： 射線：即氦原子核射線：即氦原子核，貫穿本領(lǐng)很小，電離作用很強(qiáng)。，貫穿本領(lǐng)很小，電離作用很強(qiáng)。 射線：即電子流，有較大的貫穿本領(lǐng)和較小的電離作用射線：即電子流，有較大的貫穿本領(lǐng)和較小的電離作用 其貫穿本領(lǐng)大約是其貫穿本領(lǐng)大約是 射線的射線的100100倍。倍。 射線：即光子流，波長(zhǎng)很短的電磁波，在電磁波譜上射線：即光子流，波長(zhǎng)很短的電磁波，在

12、電磁波譜上 排在排在x x射線之后，有最大的貫穿本領(lǐng)和最小的電離作用射線之后，有最大的貫穿本領(lǐng)和最小的電離作用10.2 原子核的放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ兎材馨l(fā)生放射性衰變的核素叫凡能發(fā)生放射性衰變的核素叫放射性核素放射性核素。2.放射性衰變的基本規(guī)律放射性衰變的基本規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律NdtdNdtNdNNNtdtNdN00tNN0lnteNN0NdtdN / 衰變常數(shù)衰變常數(shù):一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率 半衰期：半衰期：放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目衰變到原來數(shù)目放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目衰變到原來數(shù)目 的一半時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間。的一半時(shí)所經(jīng)過的

13、時(shí)間。210021TeNN693. 02ln21T 平均壽命：平均壽命：一個(gè)原子核在衰變前存在的時(shí)間叫做它的一個(gè)原子核在衰變前存在的時(shí)間叫做它的 壽命。所有原子核壽命的平均值稱為平均壽命。壽命。所有原子核壽命的平均值稱為平均壽命。0000011dtetNNNtdtNt01dttet212144. 12ln1TT 由一種天然放射性核素開始，而產(chǎn)生一代一代的核由一種天然放射性核素開始，而產(chǎn)生一代一代的核素，直到形成穩(wěn)定的核素為止，構(gòu)成了一個(gè)放射系。素，直到形成穩(wěn)定的核素為止，構(gòu)成了一個(gè)放射系。 2 ZZ1 ZZ1 ZZ1 ZZZZ 不動(dòng)不動(dòng)二、放射系：二、放射系：位移：位移：發(fā)生衰變后，原子在周期

14、表中位置的變化。發(fā)生衰變后，原子在周期表中位置的變化。 衰變中：衰變中：向前移兩位向前移兩位 -衰變中：衰變中：向后退一位向后退一位 +衰變中：衰變中：向前移一位向前移一位 衰變中：衰變中：K俘獲中：俘獲中：向前移一位向前移一位U238921鈾鈾( )系系Pb2068223892U8)206238(416)8292(82 衰變次數(shù)：衰變次數(shù)： 衰變次數(shù)：衰變次數(shù)：24 nATh232902釷釷( )系系Pb2088223290Th6)208232(414)8290(62 衰變次數(shù)：衰變次數(shù)： 衰變次數(shù)：衰變次數(shù)：nA4U235923.錒錒( )系系Pb2078223592U7)207235(4

15、14)8292(72 衰變次數(shù)：衰變次數(shù)： 衰變次數(shù)：衰變次數(shù)：34 nAPu241944.镎镎( )系系BiPb209832098224194Pu8)209241(415)8394(82 衰變次數(shù)：衰變次數(shù)： 衰變次數(shù)：衰變次數(shù)：14 nANp23793其中半衰期最長(zhǎng)的為其中半衰期最長(zhǎng)的為故稱為镎系故稱為镎系三、三、 衰變衰變HeYX4242AZAZ衰變能：衰變能：原子核在衰變過程中釋放的能量，用原子核在衰變過程中釋放的能量，用Q表示，表示， 在在 衰變中表示為衰變中表示為Q 衰變條件：衰變條件：0QHeyXMMM衰變能的釋放形式衰變能的釋放形式 : : YEEQ衰變式：衰變式：原子核原子核

16、自發(fā)地自發(fā)地放射出放射出 粒子而發(fā)生的衰變粒子而發(fā)生的衰變2)(cmmmQYX2)(cMMMHeyX衰變前，母核靜止，總動(dòng)量為衰變前，母核靜止，總動(dòng)量為0 衰變后：衰變后： 1. 衰變條件和衰變能衰變條件和衰變能HeTlBi4220881212832. 能譜和原子核能級(jí)能譜和原子核能級(jí) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在 衰變中，大多數(shù)核素將放射出幾組不衰變中，大多數(shù)核素將放射出幾組不同動(dòng)能的同動(dòng)能的 粒子，例如粒子，例如:測(cè)得測(cè)得 粒子的動(dòng)能有六種粒子的動(dòng)能有六種還有能量不同五種還有能量不同五種射線射線MeV04. 01MeV327. 02MeV471. 03MeV492. 04MeV616. 05、

17、 粒子能譜具有分立粒子能譜具有分立特性原子核具有分特性原子核具有分立的能量狀態(tài)立的能量狀態(tài)。 原子核內(nèi)部的能量是原子核內(nèi)部的能量是量子化的，原子核也量子化的，原子核也具有間隔的能級(jí)。具有間隔的能級(jí)。1MeVQQ040. 0102MeVQQ327. 0203MeVQQ471. 0304MeVQQ492. 0405MeVQQ616. 050：四、四、 衰變衰變1. 衰變的三種類型及衰變條件衰變的三種類型及衰變條件 衰變是核電荷數(shù)改變而核子數(shù)不變的衰變。衰變是核電荷數(shù)改變而核子數(shù)不變的衰變。有三種類型：有三種類型：(1) -衰變：衰變： YX011eAZAZ22)()(cMMcmmmQYXeYX反中

18、微子，右旋中微子，自旋方向和運(yùn)動(dòng)方向相同。反中微子，右旋中微子，自旋方向和運(yùn)動(dòng)方向相同。 011110epn能量守恒：能量守恒： QcmcmcmeYX222衰變衰變能：能： 衰變條件：衰變條件：0QYXMM(2) +衰變：衰變： eAZAZ011YX(3) K俘獲：俘獲：原子核俘獲一個(gè)核外軌道上的電子而轉(zhuǎn)變?cè)雍朔@一個(gè)核外軌道上的電子而轉(zhuǎn)變 為另一個(gè)原子核的過程。為另一個(gè)原子核的過程。YX101AZAZe22)2()(cmMMcmmmQeYXeYX ：中微子，左旋中微子，自旋方向和運(yùn)動(dòng)方向相反。中微子，左旋中微子，自旋方向和運(yùn)動(dòng)方向相反。 enp011011能量守恒：能量守恒： Qcmcmc

19、meYX222衰變衰變能：能： 衰變條件：衰變條件：0QeYXmMM2nep100111能量守恒：能量守恒： QcmWcmcmYieX222Wi為在俘獲第為在俘獲第i層電子時(shí)所消耗的能量，稱為電子的結(jié)合能層電子時(shí)所消耗的能量，稱為電子的結(jié)合能衰變衰變能：能： 衰變條件：衰變條件：iYXieYXWcMMWcmmmQ22)()(0Q2/cWMMiYXLKWWh2eKLLEWWhWLKWW ,22cmWei 由于由于 ，所以能發(fā)生，所以能發(fā)生 +衰變衰變的核，一定能發(fā)的核，一定能發(fā) 生軌道電子俘獲生軌道電子俘獲. 發(fā)射發(fā)射X標(biāo)識(shí)譜：標(biāo)識(shí)譜： 產(chǎn)生俄歇電子：產(chǎn)生俄歇電子：-電離能電離能2 粒子粒子能譜

20、能譜(1)(1) 粒子能量連續(xù)分布粒子能量連續(xù)分布(2)具有確定的最大值具有確定的最大值EmQEm(3)(3)曲線有一極大值曲線有一極大值 mEE311 粒子能譜引發(fā)的困境：粒子能譜引發(fā)的困境： 粒子能譜是連續(xù)的，而原子核具有分立能級(jí)。粒子能譜是連續(xù)的，而原子核具有分立能級(jí)。 能量不守恒？能量不守恒？ QEe 角動(dòng)量不守恒？角動(dòng)量不守恒？ 泡利認(rèn)為：泡利認(rèn)為：當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生 衰變時(shí)，除了放出衰變時(shí)，除了放出 粒子外，還粒子外，還要放出一個(gè)中性粒子，其靜止質(zhì)量幾乎為要放出一個(gè)中性粒子，其靜止質(zhì)量幾乎為0 0，故稱為中微子。，故稱為中微子。 中微子分為兩種：中微子和反中微子，它們

21、的質(zhì)量完全相中微子分為兩種：中微子和反中微子，它們的質(zhì)量完全相同，都不帶電荷，但自旋方向不同。同，都不帶電荷，但自旋方向不同。eYQEEE 由于三者之間的分配是任意的，所以由于三者之間的分配是任意的，所以 粒子的能量是連續(xù)的，粒子的能量是連續(xù)的，形成了連續(xù)譜形成了連續(xù)譜: 假設(shè)中微子的自旋和電子一樣為，則衰變前后的角動(dòng)量假設(shè)中微子的自旋和電子一樣為，則衰變前后的角動(dòng)量守恒。守恒。 21YeMm EEEEEQeYe0EeEQ QEe19561956年，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子。年，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子。3.中微子假設(shè)中微子假設(shè) 由于由于 衰變能主要在電子和中微子之間分配。衰變能主要在電子和中微子之間

22、分配。 當(dāng)當(dāng) 其余情況其余情況 五、五、 衰變衰變?cè)雍送ㄟ^發(fā)射原子核通過發(fā)射 光子從激發(fā)態(tài)躍光子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)的過程遷到較低能態(tài)的過程 *XXhEEEji1. 衰變的能量衰變的能量2. 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換 原子核從激發(fā)態(tài)向較低能量狀原子核從激發(fā)態(tài)向較低能量狀態(tài)躍遷時(shí)，將態(tài)躍遷時(shí)，將核的激發(fā)能直接交核的激發(fā)能直接交給核外電子，使這個(gè)電子發(fā)射出給核外電子，使這個(gè)電子發(fā)射出來，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，釋放來，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，釋放的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。內(nèi)轉(zhuǎn)換過程有兩個(gè)伴隨過程：發(fā)射特征內(nèi)轉(zhuǎn)換過程有兩個(gè)伴隨過程：發(fā)射特征X射線和俄歇電子。射線和俄歇電子。一、示蹤原子的應(yīng)用一、示蹤原子的應(yīng)用 由于放射性原子的放射作用，容易用儀器探測(cè)它由于放射性原子的放射作用，容易用儀器探測(cè)它的蹤跡，可以利用它為顯示蹤跡的工具。的蹤跡，可以利用它為顯示蹤跡的工具。v 農(nóng)業(yè)上用農(nóng)業(yè)上用32P研究磷肥對(duì)植物的作用研究磷肥對(duì)植物的作用v工業(yè)上可用來研究磨損量工業(yè)上可用來研究磨損量v 可用來研究半導(dǎo)體中雜質(zhì)的擴(kuò)散可用