原子物理第七章大學(xué)物理

1、第七章第七章 原子核物理概論原子核物理概論 Chapter 7 Nucleus physics conspectus本章要點(diǎn)：本章要點(diǎn)：1 1、原子核結(jié)構(gòu)與組成，核的模型；、原子核結(jié)構(gòu)與組成，核的模型；2 2、原子核的基本性質(zhì)；、原子核的基本性質(zhì)；3 3、放射性衰變的基本規(guī)律；、放射性衰變的基本規(guī)律；4 4、原子核反應(yīng)與原子能的利用、原子核反應(yīng)與原子能的利用。第七章第七章 原子核物理概論原子核物理概論第一節(jié)第一節(jié) 原子核物理的對(duì)象原子核物理的對(duì)象一、原子的中心：原子核一、原子的中心：原子核原子核質(zhì)量占原子質(zhì)量的原子核質(zhì)量占原子質(zhì)量的9999以上；以上；核外電子的行為對(duì)原子核的性質(zhì)幾乎無(wú)影響；核

2、外電子的行為對(duì)原子核的性質(zhì)幾乎無(wú)影響；原子與原子核為微觀系統(tǒng)的兩個(gè)不同層次。原子與原子核為微觀系統(tǒng)的兩個(gè)不同層次。二、歷史回顧二、歷史回顧18961896： 鈾的放射現(xiàn)象；鈾的放射現(xiàn)象； 19321932：中子；：中子；18971897： 放射性元素釙和鐳；放射性元素釙和鐳； 19341934：人工放射性；：人工放射性；18991899： 射線；射線； 19391939：中子轟擊鈾，有中間物質(zhì)產(chǎn)生；：中子轟擊鈾，有中間物質(zhì)產(chǎn)生；19001900： 射線；射線； 19421942：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；19111911：原子的核式結(jié)構(gòu)；：原子的核式結(jié)構(gòu)；19451945：原子彈；：原子彈；原子核

3、半徑：原子核半徑： ；原子半徑：；原子半徑：)(1015fmmr核)1 . 0(1010nmmr原,eAAZmMm三、原子核的組成三、原子核的組成 原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶電原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶電e e；中子不帶電。質(zhì)；中子不帶電。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子子和中子統(tǒng)稱核子幾個(gè)概念幾個(gè)概念 原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位u u： 規(guī)定的質(zhì)量為規(guī)定的質(zhì)量為12u.126C 1u=1.6605410-27 kg =931.5016 MeV/c2 mn=1.007825 u, mp=1.007727 u原子核的符號(hào)原子核的符號(hào)AZNXX：元素符號(hào)；：元素符號(hào)；Z：原子序數(shù)（質(zhì)子數(shù)）；：原子序數(shù)（質(zhì)

4、子數(shù)）；N：中子數(shù)；：中子數(shù)；A：核質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）：核質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)） A=N+Z 同位素：同位素： 元素周期表中位置相同的元素元素周期表中位置相同的元素如：如： 均為氫的同位素均為氫的同位素 均為鈾的同位素均為鈾的同位素HHH312111,UUU238922359223392,四、核素圖四、核素圖按原子序數(shù)按原子序數(shù)Z Z把核素排在一張圖上把核素排在一張圖上核素圖核素圖N N橫坐標(biāo)；橫坐標(biāo)；Z Z縱坐標(biāo)。縱坐標(biāo)。 核素圖中，核素圖中，300300多個(gè)天然核素（多個(gè)天然核素（280280多個(gè)穩(wěn)定），多個(gè)穩(wěn)定），16001600多多個(gè)人工制備的放射性元素，共個(gè)人工制備的放射性元素，共20002

5、000多個(gè)多個(gè)核素的穩(wěn)定區(qū)：輕核：大致滿足核素的穩(wěn)定區(qū)：輕核：大致滿足 Z=NZ=N； 重核：重核：N ZN Z位于穩(wěn)定線上方缺中子區(qū)；位于穩(wěn)定線上方缺中子區(qū)；位于穩(wěn)定線下方豐中子區(qū)；位于穩(wěn)定線下方豐中子區(qū)；第二節(jié)第二節(jié) 核的基態(tài)特性之一：核質(zhì)量核的基態(tài)特性之一：核質(zhì)量一、核子的結(jié)合質(zhì)量虧損一、核子的結(jié)合質(zhì)量虧損 中子質(zhì)量：中子質(zhì)量： ；質(zhì)子質(zhì)量：；質(zhì)子質(zhì)量：ump007276. 1umn008665. 12/225. 2002390. 0cMeVummmdnp氘核質(zhì)量：氘核質(zhì)量：差值：差值：umd013553. 2二二、結(jié)合能、結(jié)合能定義：原子的結(jié)合能：定義：原子的結(jié)合能： 或或 平均結(jié)合能

6、：平均結(jié)合能：2)(cmNmZmEAnpB2)(cMNmZMEAnHB2)(1cmNmZmAAEnpB比結(jié)合能的意義：原子核的穩(wěn)定性比結(jié)合能的意義：原子核的穩(wěn)定性sm(1)A30(1)A30的輕核，平均結(jié)合能的輕核，平均結(jié)合能表現(xiàn)出起伏變化，凡表現(xiàn)出起伏變化，凡A A等于等于4 4的倍的倍數(shù)的核，平均結(jié)合能出現(xiàn)峰值。數(shù)的核，平均結(jié)合能出現(xiàn)峰值。(2)(2)中等核中等核(A=30(A=30120)120)的的B B結(jié)結(jié)合能較大，輕核和重核的合能較大，輕核和重核的B B 較小較小獲得核能的途徑有兩個(gè)：重核獲得核能的途徑有兩個(gè)：重核裂變和輕核聚變。裂變和輕核聚變。三、比結(jié)合能曲線三、比結(jié)合能曲線 (

7、3) (3)中等核平均結(jié)合能的變化不大中等核平均結(jié)合能的變化不大, ,顯示了核力的飽和性，即顯示了核力的飽和性，即一個(gè)核子只同附近的幾個(gè)核子有作用力，而不是同所有的核子一個(gè)核子只同附近的幾個(gè)核子有作用力，而不是同所有的核子都有作用。都有作用。四、半經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量公式四、半經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量公式MeVaAaEVVBV8 .15MeVaAaESsBS3 .18321 1、體積能：、體積能：2 2、表面能：、表面能：3 3、庫(kù)侖能：、庫(kù)侖能：4 4、對(duì)稱能：、對(duì)稱能：5 5、奇偶能：、奇偶能：MeVaAZaECCBC72. 0312奇奇核奇奇核核核奇奇偶偶核偶偶核21212 .110AaMeVaAAaEPPPBpM

8、eVaAZaEsymsymBsym2 .23)N(12BpBsymBCBSBVBEEEEEE第三節(jié)第三節(jié) 核力核力核力：核子之間的相互作用力。核力：核子之間的相互作用力。 一、核力的基本性質(zhì)一、核力的基本性質(zhì)1 1核力是短程力核力是短程力r ： 引力引力 ： 消失消失rm1510) 28 . 0(m15108 . 0rm151023 3核力是一種強(qiáng)相互作用核力是一種強(qiáng)相互作用2. 2. 核力具有飽和性核力具有飽和性核子只與它最靠近的核子只與它最靠近的幾個(gè)核子有相互作用。幾個(gè)核子有相互作用。 核力的強(qiáng)度比庫(kù)侖力大一百倍核力的強(qiáng)度比庫(kù)侖力大一百倍4 4核力與電荷無(wú)關(guān)核力與電荷無(wú)關(guān)pnnnppFFF

9、5 5核力在極短程內(nèi)存在斥心力核力在極短程內(nèi)存在斥心力核的密度近似地為一常數(shù)，核的密度近似地為一常數(shù)，AV 核的結(jié)合能近似地與核子數(shù)成正比，核的結(jié)合能近似地與核子數(shù)成正比，AEB核力是交換力：核力是交換力：核子之間通過(guò)交換某種媒介粒子而發(fā)生核子之間通過(guò)交換某種媒介粒子而發(fā)生相互作用。相互作用。 1935 1935年，湯川秀樹(shù)提出了核力的介子理論：年，湯川秀樹(shù)提出了核力的介子理論：核力是核力是一種交換力，核子之間通過(guò)交換某種媒介粒子而發(fā)生相一種交換力，核子之間通過(guò)交換某種媒介粒子而發(fā)生相互作用，互作用，并估計(jì)這種媒介粒子的質(zhì)量約為電子靜止質(zhì)量并估計(jì)這種媒介粒子的質(zhì)量約為電子靜止質(zhì)量的的20020

10、0倍，介于質(zhì)子和電子之間，故稱為介子。倍，介于質(zhì)子和電子之間，故稱為介子。二、核力的介子理論二、核力的介子理論19471947年年，鮑威爾在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了介子，稱為，鮑威爾在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了介子，稱為 介子，介子，有有 、 、 三種，質(zhì)量分別為三種，質(zhì)量分別為0emmm7 .273emm2640np0 pppn0 nn不同核子的相互作用通過(guò)發(fā)射或吸收不同核子的相互作用通過(guò)發(fā)射或吸收 介子而產(chǎn)生，相介子而產(chǎn)生，相當(dāng)于兩核子之間的位置發(fā)生交換，核力為交換力。當(dāng)于兩核子之間的位置發(fā)生交換，核力為交換力。第四節(jié)第四節(jié) 原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩 1 1、核自旋、核自旋原子核的角動(dòng)量稱為核自

11、旋原子核的角動(dòng)量稱為核自旋 原子核的自旋是所有核子的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的矢量和原子核的自旋是所有核子的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的矢量和 ) 1( IILI：原子核角動(dòng)量量子數(shù)，稱為：原子核角動(dòng)量量子數(shù)，稱為核自旋核自旋量子量子數(shù)，它可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)。數(shù)，它可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)。I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： IIzML 也是量子化的。也是量子化的。：核自旋核自旋磁磁量子數(shù)量子數(shù)IMIIIMI1,共共 個(gè)值。個(gè)值。 12 I（1 1）A A為奇數(shù)的核為奇數(shù)的核( (奇奇A A核核) )，I I為半整數(shù)為半整數(shù)（2 2）Z Z、N

12、N都為偶數(shù)的核都為偶數(shù)的核( (偶偶- -偶核偶核) )，（3 3）Z Z、N N都為奇數(shù)的核都為奇數(shù)的核( (奇奇- -奇核奇核) )，I I為整數(shù)為整數(shù)0I2 2、原子核的磁矩、原子核的磁矩電子電子的角動(dòng)量與相應(yīng)的磁矩之間的關(guān)系為的角動(dòng)量與相應(yīng)的磁矩之間的關(guān)系為：BjjgmejjgJmeg) 1(2) 1(2meB2原子核原子核也有磁矩，它與角動(dòng)量的關(guān)系為：也有磁矩，它與角動(dòng)量的關(guān)系為： NIpIIpIIIIgmeIIgLmeg) 1(2) 1(21837/1005. 52227BpNmAme核磁子遠(yuǎn)小于玻爾磁子核磁子遠(yuǎn)小于玻爾磁子，可見(jiàn)原子核的磁矩比電子的磁矩，可見(jiàn)原子核的磁矩比電子的磁

13、矩小得多，因此產(chǎn)生的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線也比精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線間小得多，因此產(chǎn)生的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線也比精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線間距小得多。距小得多。在外場(chǎng)方向的取向也是量子化的，它在外場(chǎng)方向的投影：在外場(chǎng)方向的取向也是量子化的，它在外場(chǎng)方向的投影： INIIIzpIIzMgLmeg2IIIMI1,在外場(chǎng)方向的最大值為：在外場(chǎng)方向的最大值為：NIMIg測(cè)量原子核磁矩的重要方法測(cè)量原子核磁矩的重要方法之一是之一是核磁共振核磁共振。第五節(jié)第五節(jié) 核模型核模型1 1、費(fèi)米氣體模型、費(fèi)米氣體模型將核子看成無(wú)相互作用的獨(dú)立費(fèi)米氣體。將核子看成無(wú)相互作用的獨(dú)立費(fèi)米氣體。對(duì)核內(nèi)的核子的運(yùn)動(dòng)約束：泡利原理對(duì)核內(nèi)的核子的運(yùn)動(dòng)約束：泡利原理

14、2 2、殼層模型、殼層模型類似于原子的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)依據(jù)：幻數(shù)的存在。類似于原子的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)依據(jù)：幻數(shù)的存在。可解釋的問(wèn)題：大多數(shù)核的基態(tài)核宇稱；可解釋的問(wèn)題：大多數(shù)核的基態(tài)核宇稱； 對(duì)核的基態(tài)宇稱的預(yù)測(cè)大致正確；對(duì)核的基態(tài)宇稱的預(yù)測(cè)大致正確； 可以解釋可以解釋 衰變。衰變。存在的困難：存在的困難： 對(duì)電四極矩的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)差距太大；對(duì)電四極矩的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)差距太大； 對(duì)能級(jí)間躍遷的速率計(jì)算低于實(shí)驗(yàn)值。對(duì)能級(jí)間躍遷的速率計(jì)算低于實(shí)驗(yàn)值。3 3、液滴模型、液滴模型實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)依據(jù)核力是飽和力，即原子核中的每個(gè)核子只與其鄰近地幾個(gè)核力是飽和力，即原子核中的每個(gè)核子只與其鄰近地幾個(gè)核子有相互作用。核子有相互

15、作用。原子核的密度幾乎是一個(gè)常數(shù)，故原子核具有不可壓縮性。原子核的密度幾乎是一個(gè)常數(shù)，故原子核具有不可壓縮性。 解決的問(wèn)題：解決的問(wèn)題： 原子核的結(jié)合能；原子核的結(jié)合能； 核反應(yīng)過(guò)程中的復(fù)合核過(guò)程；核反應(yīng)過(guò)程中的復(fù)合核過(guò)程； 重核的裂變。重核的裂變。存在的困難：存在的困難： 原子核的能級(jí)結(jié)構(gòu)；原子核的能級(jí)結(jié)構(gòu)； 原子核的動(dòng)量。原子核的動(dòng)量。4 4、集體運(yùn)動(dòng)模型、集體運(yùn)動(dòng)模型 綜合模型。綜合模型。 處理方法：量子流體力學(xué)。處理方法：量子流體力學(xué)。第六節(jié)第六節(jié) 放射性衰變的基本規(guī)律放射性衰變的基本規(guī)律一、一、 放射性衰變規(guī)律放射性衰變規(guī)律 放射性的發(fā)現(xiàn)放射性的發(fā)現(xiàn) 18961896年，法國(guó)物理學(xué)家

16、年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾貝克勒爾發(fā)現(xiàn)：鈾礦物能發(fā)現(xiàn)：鈾礦物能自發(fā)地自發(fā)地發(fā)射穿透力很強(qiáng)并能使照相底版感光的不可見(jiàn)發(fā)射穿透力很強(qiáng)并能使照相底版感光的不可見(jiàn)射線。射線。 1898 1898年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳，并發(fā)現(xiàn)它們也年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳，并發(fā)現(xiàn)它們也能能自發(fā)地自發(fā)地放射出射線。放射出射線。 放射性衰變：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另一放射出某種射線而變成另一種核素、或同激發(fā)態(tài)過(guò)渡到基態(tài)的現(xiàn)象。凡能發(fā)生放射種核素、或同激發(fā)態(tài)過(guò)渡到基態(tài)的現(xiàn)象。凡能發(fā)生放射性衰變的核素叫放射性核素。性衰變的核素叫放射性核素。HeThU422349023892放射性物質(zhì)放出的射線

17、主要有三種：放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種： 1 1 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)。He422 2 射線：是電子流，有較大的貫穿本領(lǐng)和較小的電離作用，射線：是電子流，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。3 3 射線：是光子流，即波長(zhǎng)很短的電磁波，在電磁波譜上排射線：是光子流，即波長(zhǎng)很短的電磁波，在電磁波譜上排在在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。放射性現(xiàn)象的研究是獲悉原子核內(nèi)部狀況的重要途徑之一放射性現(xiàn)象的研究

18、是獲悉原子核內(nèi)部狀況的重要途徑之一二、二、 放射性衰變的基本規(guī)律放射性衰變的基本規(guī)律放射性衰變要遵守：電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、質(zhì)量和能量放射性衰變要遵守：電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、質(zhì)量和能量守恒、動(dòng)量守恒。守恒、動(dòng)量守恒。 1 1指數(shù)衰變規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律NdtdN NdtdNdtNdNNNtdtNdN00tNN0lnteNN0NdtdN /代表一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，稱為代表一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，稱為衰變常數(shù)衰變常數(shù) 2 2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(lái)數(shù)目的一半放射性物質(zhì)的原子核的數(shù)目衰變到原來(lái)數(shù)目的一半時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間叫時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間叫半衰期半衰期。

19、21T210021TeNN212lnT693. 02ln21T13 3平均壽命平均壽命一個(gè)原子核在衰變前存在的時(shí)間叫做它的壽命。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所有原子核壽命的平均值稱為平均壽命平均壽命。0000011dtetNNNtdtNt01dttet212144. 12ln1TT當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) t01037. 0NeNN 各個(gè)原子核的壽命不同，但平均壽命卻具有確定的值。各個(gè)原子核的壽命不同，但平均壽命卻具有確定的值。 放射性核素的和，它們是每個(gè)核素的特征量，不同放射性核素的和，它們是每個(gè)核素的特征量，不同的核素差別很大。我們可以根據(jù)測(cè)量的的核素差別很大。

20、我們可以根據(jù)測(cè)量的 判斷它屬于哪判斷它屬于哪種核素種核素21T825. 33304722ln21sT52. 54768721s 例：例：已知的衰變常數(shù)為，試求它已知的衰變常數(shù)為，試求它的半衰期和平均壽命。的半衰期和平均壽命。Rn222861610097. 2s思考題：思考題： 某放射性核素的半衰期為某放射性核素的半衰期為2 2年，則經(jīng)年，則經(jīng)8 8年衰變掉的核年衰變掉的核數(shù)目是尚存核數(shù)的（數(shù)目是尚存核數(shù)的（ ）倍。）倍。（三）、放射性活度（三）、放射性活度teNN0tteAeNNdtdNA00/00NA表明放射性活度隨時(shí)間的衰變?nèi)苑闹笖?shù)衰變規(guī)律。表明放射性活度隨時(shí)間的衰變?nèi)苑闹笖?shù)衰變規(guī)律。

21、 單位：?jiǎn)挝唬簢?guó)際單位制中，放射性活度的單位為國(guó)際單位制中，放射性活度的單位為“貝克勒貝克勒爾爾”，記作，記作“BqBq”，1Bq=11Bq=1次衰變次衰變/ /秒秒1 1居里居里(Ci)= (Ci)= 次衰變次衰變/ /秒秒= = Bq10107 . 310107 . 3放射源所含放射性物質(zhì)的原子核數(shù)：放射源所含放射性物質(zhì)的原子核數(shù)：2ln21ATAN放射源所含放射性物質(zhì)的質(zhì)量放射源所含放射性物質(zhì)的質(zhì)量： 2ln)(21AANMATNNMm三、三、 放射系放射系2鈾鈾( () )系系3 3錒錒( () )系系 4 4镎镎( () )系，系，1 1釷釷( () )系系Th23290U23892

22、U23592Pu24194四、放射性衰變規(guī)律在地質(zhì)考古上的應(yīng)用四、放射性衰變規(guī)律在地質(zhì)考古上的應(yīng)用在考古工作中，可以用來(lái)推算年代在考古工作中，可以用來(lái)推算年代 C14射線應(yīng)用在醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，工業(yè)射線應(yīng)用在醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，工業(yè)第七節(jié)第七節(jié) 衰變衰變?cè)雍嗽雍俗园l(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HeYX4242AZAZ（一）、衰變條件和衰變能（一）、衰變條件和衰變能、衰變能：、衰變能： 原子核在衰變過(guò)程中釋放的能量，用原子核在衰變過(guò)程中釋放的能量，用Q a表示表示 2)(cmmmQYX2)(cMMMHeyX、衰變條件、衰變條件: : 0QHeyXMMM、衰變能的釋放形式、衰變能的

23、釋放形式 YEEQ例：例：判斷判斷 是否發(fā)生是否發(fā)生 衰變。衰變。uC6429HeCoC426027u6429uM9298.63CuuM9338.59CouM0026. 4He9298.639364.630026. 49338.59Next 事實(shí)上，衰變過(guò)程中，放出的總能量事實(shí)上，衰變過(guò)程中，放出的總能量 應(yīng)該由三部分組成：應(yīng)該由三部分組成：式中式中 是出射是出射 粒子的能量，粒子的能量， 是子核的反沖動(dòng)能是子核的反沖動(dòng)能, , 稱稱衰變能衰變能. .當(dāng)子核到基態(tài)時(shí)，當(dāng)子核到基態(tài)時(shí)， ，此時(shí)的衰變能才等于，此時(shí)的衰變能才等于總衰變能。下面我們尋求總衰變能。下面我們尋求 的表達(dá)式：的表達(dá)式： 設(shè)

24、衰變前母核靜止，動(dòng)量為設(shè)衰變前母核靜止，動(dòng)量為0 0，則，則所以子核反沖動(dòng)能為所以子核反沖動(dòng)能為故故式中式中 A A 是母核質(zhì)量數(shù)是母核質(zhì)量數(shù). . EE子核激發(fā)能子核激發(fā)能子核激發(fā)能子核激發(fā)能QEEEYEEQQE 0EvmvmYYEmmvmmmvmEYYYYYY222121EAEAEmmEmmEEEQ444411YEQ（二）、（二）、 能譜和原子核能級(jí)能譜和原子核能級(jí)HeTlBi422088121283測(cè)得測(cè)得 粒子的動(dòng)能有六種，粒子的動(dòng)能有六種， 此外有能量不同五種射線。此外有能量不同五種射線。 粒子能譜具有分立特性原粒子能譜具有分立特性原子核具有分立的能量狀態(tài)子核具有分立的能量狀態(tài)。 第

25、八節(jié)第八節(jié) 衰變衰變1. 1. 衰變能譜衰變能譜(1) (1) 粒子能量連續(xù)分布粒子能量連續(xù)分布(2) (2) 具有確定的最大值具有確定的最大值 mE粒子能譜引發(fā)的困境粒子能譜引發(fā)的困境： 第一第一 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)。第二第二 能量不守恒？能量不守恒？ QEe第三第三 電子從何而來(lái)？由不確定關(guān)系，核內(nèi)不可能有電子電子從何而來(lái)？由不確定關(guān)系，核內(nèi)不可能有電子2 2中微子假設(shè)中微子假設(shè) 19301930年，泡利提出了中微子假設(shè)，成功地解釋了上年，泡利提出了中微子假設(shè)，成功地解釋了上述矛盾，并被以后的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)述矛盾，并被以后的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)

26、 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 粒粒子外，還要放出一個(gè)中性粒子，其靜止質(zhì)量幾乎為子外，還要放出一個(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，它們的中微子分為兩種：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。質(zhì)量完全相同，都不帶電荷，但自旋方向不同。YeEEEQ由于三者之間的分配是任意的，所以粒子的能量是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，形成了連續(xù)譜。連續(xù)的，形成了連續(xù)譜。假設(shè)中微子的自旋和電子一樣為，則衰變前后角假設(shè)中微子的自旋和電子一樣為，

27、則衰變前后角動(dòng)量守恒。動(dòng)量守恒。 21 由于由于 ， ，衰，衰變能主要在電子和中微子之間分配，當(dāng)變能主要在電子和中微子之間分配，當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，其余情況下，其余情況下，YeMm 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。 衰變時(shí)核電荷數(shù)改變而核子數(shù)不變的衰變衰變時(shí)核電荷數(shù)改變而核子數(shù)不變的衰變 1衰變衰變： YX011eAZAZ能量守恒：能量守恒： QcmcmcmeYX222Q22)()(cMMcmmmYXeYX衰變條件：衰變條件：0 0，即，即QYXMM衰變能衰變能3. 3. 衰變的三種類型及衰變條件衰變的三種類型及衰變條件2 2

28、衰變：衰變： eAZAZ011YX 3 3K 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?yōu)榱碓雍朔@一個(gè)核外軌道上的電子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)原子核的過(guò)程。一個(gè)原子核的過(guò)程。YX101AZAZe能量守恒：能量守恒： QcmWcmcmYieX222發(fā)射發(fā)射X 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 22)2()(cmMMcmmmQeYXeYX衰變條件：衰變條件：eYXmMM2衰變條件衰變條件：2), 1(),(cWAZMAZMiYX第九節(jié)第九節(jié) 衰變衰變?cè)雍送ㄟ^(guò)發(fā)射原子核通過(guò)發(fā)射 光子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)的過(guò)程光子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)的過(guò)程 XX*hEEEji1 1、一般性質(zhì)、一般性質(zhì)

29、2 2、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子原子核從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)原子核從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)把能量直接交給核外電子，使電把能量直接交給核外電子，使電子離開(kāi)原子內(nèi)轉(zhuǎn)換（子離開(kāi)原子內(nèi)轉(zhuǎn)換（ICIC）。）。3 3、同質(zhì)異能躍遷、同質(zhì)異能躍遷4 4、穆斯堡爾效應(yīng)、穆斯堡爾效應(yīng)即無(wú)反沖即無(wú)反沖 共振吸收共振吸收。第十節(jié)第十節(jié) 核反應(yīng)核反應(yīng)原子核反應(yīng)：原子核反應(yīng)：用具有一定能量的粒子用具有一定能量的粒子轟擊轟擊一個(gè)原子核，使其一個(gè)原子核，使其放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾略雍说倪^(guò)程。放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾略雍说倪^(guò)程。一、幾個(gè)著名的核反應(yīng)一、幾個(gè)著名的核反應(yīng)(1) (1) 歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)

30、 HOHeN1117842147OpN1714),(2)(2)第一個(gè)在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)第一個(gè)在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)HeHepLi42421173HepLi47),(bYXaYbaX),(二、核反應(yīng)中的守恒定律二、核反應(yīng)中的守恒定律電荷數(shù)電荷數(shù)守恒：反應(yīng)前后總電荷數(shù)不變守恒：反應(yīng)前后總電荷數(shù)不變質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)守恒：反應(yīng)前后總質(zhì)量數(shù)不變守恒：反應(yīng)前后總質(zhì)量數(shù)不變質(zhì)量質(zhì)量守恒：反應(yīng)前后總的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量守恒：反應(yīng)前后總的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 保持不變保持不變2201/cmm能量能量守恒：反應(yīng)前后粒子的總能量守恒：反應(yīng)前后粒子的總能量是守恒的是守恒的2mcE 20cmEk動(dòng)量動(dòng)量守恒：即反應(yīng)前后體系的總動(dòng)量守恒守恒：

31、即反應(yīng)前后體系的總動(dòng)量守恒此外還有角動(dòng)量、宇稱、統(tǒng)計(jì)性、同位旋等都是守恒量此外還有角動(dòng)量、宇稱、統(tǒng)計(jì)性、同位旋等都是守恒量。 三、三、Q Q方程方程RliT),(RlTiRlTiKKKKMMMMRlTi)()()()(2TiRlRlTiKKKKCMMMMQ反應(yīng)能反應(yīng)能Q Q：核反應(yīng)中所放出的能量核反應(yīng)中所放出的能量用結(jié)合能表示用結(jié)合能表示)()(TiRlBBBBQ實(shí)驗(yàn)室中，靶核一般靜止，實(shí)驗(yàn)室中，靶核一般靜止，0TKiRlKKKQQ 0Q 0，放能反應(yīng)；，放能反應(yīng)；Q 0, Q 0 放能反應(yīng)2/5 .9311cMeVu Q 0 吸能反應(yīng)例2 計(jì)算的Q值。OpN1714),(應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例例1

32、 計(jì)算反應(yīng)的反應(yīng)能。eiHpL47),(uMMpi007825. 1uMMiLT016004. 7uMMRl002603. 4MeVMeVQ35.175 .931002603. 42)016004. 7007825. 1(uMMi002603. 4uMMNT00307.14uMMpl007825. 1uMMoR99913.16MeVMeVQ19. 15 .931)99913.16007825. 1 ()00307.14002603. 4(3 3閾能閾能 能使核反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)的入射粒子的所必須具有的最小動(dòng)能，即只有能使核反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)的入射粒子的所必須具有的最小動(dòng)能，即只有當(dāng)時(shí)反應(yīng)才能發(fā)生。當(dāng)時(shí)反應(yīng)

33、才能發(fā)生。閾EEaTiTiTTMMAAEQQMA閾4 4核反應(yīng)的類型核反應(yīng)的類型 按入射粒子的類型分：按入射粒子的類型分：( ( 粒子、質(zhì)子、中子、氘核、光子粒子、質(zhì)子、中子、氘核、光子) )引起的核反應(yīng)。引起的核反應(yīng)。 按 入 射 粒 子 的 能 量 分 ： 低 能按 入 射 粒 子 的 能 量 分 ： 低 能 ( )( ) 、 中 能、 中 能( )( )、高能、高能( )( )核反應(yīng)。核反應(yīng)。MeVEa100GeVMeVEa1100GeVEa1按靶核質(zhì)量分：輕核按靶核質(zhì)量分：輕核(A25)(A25)、中等核、中等核(25A80)(25A80)(A80)核反應(yīng)。核反應(yīng)。裂變與聚變：原子能的

34、利用裂變與聚變：原子能的利用 原子核裂變是一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)質(zhì)量相差不遠(yuǎn)的碎原子核裂變是一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)質(zhì)量相差不遠(yuǎn)的碎塊的現(xiàn)象。塊的現(xiàn)象。 一、裂變的發(fā)現(xiàn)一、裂變的發(fā)現(xiàn)nSrXenU1095381395410235922LaBaCsXe13957139561395513954ZyYSr954095399538nKrBanU1089361445610235922A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV一個(gè)鈾核：一個(gè)鈾核： MeVMeVMeVE2106 . 72365 . 81182一克鈾一克鈾： MeVMeVE2323總1038. 521010022. 6235

35、1卡1006. 21061. 81010J這相當(dāng)于這相當(dāng)于2.5t2.5t煤完全燃燒時(shí)放出的能量。煤完全燃燒時(shí)放出的能量。 二、裂變機(jī)制二、裂變機(jī)制液滴模型液滴模型 在裂變前，原子核處于能量最低的基態(tài)，呈球形。核在裂變前，原子核處于能量最低的基態(tài)，呈球形。核內(nèi)的質(zhì)子、中子在不停地運(yùn)動(dòng)。核子之間有核力，質(zhì)子內(nèi)的質(zhì)子、中子在不停地運(yùn)動(dòng)。核子之間有核力，質(zhì)子之間有庫(kù)侖斥力。之間有庫(kù)侖斥力。 當(dāng)中子轟擊重核時(shí)，重核吸收中子形成復(fù)合核，能量當(dāng)中子轟擊重核時(shí)，重核吸收中子形成復(fù)合核，能量增加，核子振蕩加劇，由球形變成橢球形。這時(shí)核內(nèi)各增加，核子振蕩加劇，由球形變成橢球形。這時(shí)核內(nèi)各核子間距離增加核力減小，

36、而庫(kù)侖斥力則使原子核進(jìn)一核子間距離增加核力減小，而庫(kù)侖斥力則使原子核進(jìn)一步增大，形成啞鈴狀。步增大，形成啞鈴狀。 當(dāng)啞鈴形的兩端之間的庫(kù)侖斥力大于中間收縮部分當(dāng)啞鈴形的兩端之間的庫(kù)侖斥力大于中間收縮部分核子間總的核力時(shí)，形變不能恢復(fù)，原子核分裂成兩核子間總的核力時(shí)，形變不能恢復(fù)，原子核分裂成兩塊，放出中子，同時(shí)釋放能量。塊，放出中子，同時(shí)釋放能量。三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)條件1.1.中子產(chǎn)額和慢化中子產(chǎn)額和慢化減速劑減速劑- -重水和石墨重水和石墨2.臨界體積倍增系數(shù)：倍增系數(shù)： 10NNK方法方法1 1是濃縮天然鈾中是濃縮天然鈾中 的比例。的比例。 U23592方法方法2 2是加大鈾堆的體積至是加大鈾堆的體積至臨界體積臨界體積，增加中子數(shù)。，增加中子數(shù)。四四. .原子