第16章-原子核物理

第十六章原子核物理§16-1原子核的基本性質(zhì)16-1-1原子核的構(gòu)成

1919年，盧瑟福在實驗中首先實現(xiàn)了原子核的人工破裂，并發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，記作p；

1932年，英國物理學(xué)家查德威克在實驗中發(fā)現(xiàn)了中子，記作n。原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成！核子：質(zhì)子、中子核子半徑：約

0.8×10-15m

質(zhì)子質(zhì)量：中子質(zhì)量：原子質(zhì)量單位：定義：碳同位素12C的質(zhì)量為12u質(zhì)子質(zhì)量：中子質(zhì)量：核素：各種原子核的統(tǒng)稱。X：元素符號。A：核素的質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）。Z：核電荷數(shù)（核內(nèi)質(zhì)子數(shù)）例如：鋁：A=27，Z=13原子核的平均半徑：飛米（fm）氫原子核密度:16-1-2核的自旋和磁矩質(zhì)子和中子的自旋角動量：質(zhì)子和中子的自旋角動量的z分量：原子核的自旋角動量：j為原子核的自旋量子數(shù)

原子核的自旋角動量的z分量：基態(tài)：A=偶數(shù)j=整數(shù)A=奇數(shù)j=半整數(shù)A=Z（偶數(shù)）+N

（偶數(shù)）j=0結(jié)論：核子的自旋分量兩兩反向。核磁子：

質(zhì)子的磁矩：中子的磁矩：負(fù)號表示磁矩方向與自旋角動量方向相反?！?6-2原子核的結(jié)合能核力16-2-1原子核的結(jié)合能質(zhì)量虧損：核子結(jié)合成原子核以后的質(zhì)量損失。相應(yīng)的能量值：結(jié)合能：比結(jié)合能：比結(jié)合能越大，核子之間結(jié)合得越緊密，原子核越穩(wěn)定。A

A=60：結(jié)合能最大重核裂變輕核聚變釋放能量16-2-2核力核力：核子之間的相互作用力。核力的幾個重要性質(zhì)：自然界最強(qiáng)的一種基本力，其相互作用強(qiáng)度是電磁力的100多倍，又稱作強(qiáng)相互作用。核力是一種短程力，它的作用半徑約為3fm。核力與電荷無關(guān)。無論是（p-p）、（p-n）或（n-n）作用，核力的作用性質(zhì)完全相同。核力的大小與參與相互作用的核子的相對自旋取向有關(guān)。量子電動力學(xué)指出：

電磁力是通過交換“光子”來傳遞的。介子

1935年，湯川秀樹提出核力是一種交換力的觀點。（p-p）、（n-n）作用：介子（p-n）作用：介子§16-3原子核的穩(wěn)定性和放射性16-3-1原子核的穩(wěn)定性現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)核素：約

2500種穩(wěn)定核素：<300種放射性衰變：一種核素自發(fā)地放出射線而衰變成其他核素的現(xiàn)象。ZN穩(wěn)定核素16-3-2放射性三種射線：射線（氦核束）：穿透能力最差，約0.01mm厚的鉛薄片就能阻止它穿過。

射線（電子束）：穿透力稍強(qiáng)，可以穿透0.1mm厚的鉛板。射線（光子束）：穿透能力最強(qiáng)，它可以穿透大約100mm厚的鉛板。放射性衰變時遵循：能量守恒、動量守恒、角動量守恒、電荷數(shù)守恒、核子數(shù)守恒等一些基本物理學(xué)定律。衰變式：衰變條件：衰變前，母核原子的質(zhì)量必須大于衰變后子核原子和氦原子質(zhì)量之和。例如：衰變：（1）衰變：衰變中原子核釋放出的是負(fù)電子例如：（2）衰變：衰變中原子核釋放出的是正電子例如：（3）電子俘獲（K俘獲）：原子核自發(fā)地俘獲一個核外軌道電子。例如：β粒子數(shù)如何解釋

-射線的連續(xù)能譜？中微子假設(shè)：在衰變中放出每一個電子的同時會伴隨一個中微子（輕的中性粒子）出射

。三種

衰變的一般形式：中微子特性：⑴不帶電；⑵質(zhì)量幾乎為零；

⑶自旋量子數(shù)為1/2。衰變：

射線是一種高能電磁輻射。衰變式：Y*表示處于激發(fā)態(tài)的原子核。例如：16-3-3放射性衰變規(guī)律半衰期放射性衰變規(guī)律：

：衰變恒量

積分可得：

越大，衰變越快。半衰期計算式：定義半衰期（T1/2

）

：放射性核素衰減到原來數(shù)目的一半所需要的時間。半衰期:反映放射性核素穩(wěn)定性的物理量。平均壽命（τ

）

：描述放射性核素衰變快慢的物理量。將代入得結(jié)論：經(jīng)過平均壽命后，剩下的核素數(shù)目約為原來的37％。放射性活度（A

）：放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)目。貝克（Bq）（每秒產(chǎn)生一次核衰變）居里（Ci）夜光表中放射性物質(zhì)的放射性活度：4×104Bq用于癌癥治療的放射性活度約為：4×1013Bq單位：例1

放射性元素鐳的半衰期是1600年，（1）它的衰變常數(shù)是多少？（2）若t=0時樣品中含有3.0×1016個鐳核，試確定2000年后其放射性活度。解⑴⑵16-3-4放射性輻射的生物效應(yīng)輻射劑量測定法：定量描述射線對活組織作用效應(yīng)的方法。吸收劑量：單位質(zhì)量的受照物質(zhì)吸收射線的平均能量。吸收劑量的國際單位制單位：戈瑞（gray，Gy）

吸收劑量的常用單位：拉德（rad

）相對生物學(xué)效應(yīng)（RBE）幾種輻射的RBE值輻射種類RBE/(Sv/Gy)X或γ射線電子慢中子質(zhì)子α粒子重離子11.0-1.53–5102020當(dāng)量劑量：衡量射線生物效應(yīng)及危險度的輻射劑量。當(dāng)量劑量(Sv)=RBE×吸收劑量(Gy)希沃特(Sv)當(dāng)量劑量（rem）=RBE×吸收劑量（rad）雷姆（rem

）1rem=0.01Sv

普通X射線胸透的當(dāng)量劑量：0.20~0.40mSv。公眾每年的有效劑量限值為1mSv。接觸射線的職業(yè)人員：5年內(nèi)平均每年的有效限值劑量為每年20mSv；任何一年不得超過50mSv?！?6-4原子核裂變和聚變16-4-1原子核裂變AA=240，7.6MeV

A=120，8.5MeV

比結(jié)合能差：0.9MeV

釋放能量：7090110130150鈾裂變碎片按質(zhì)量數(shù)分布圖。裂變反應(yīng)式：（k=1，2，…）常見的反應(yīng)式：二分裂變：分裂成兩塊碎片。三分裂變：分裂成三塊碎片。平均一個鈾核裂變產(chǎn)生2.5個中子。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：16-4-2核聚變核聚變：當(dāng)兩個或兩個以上的輕核結(jié)合成較重原子核時，會有能量釋放出來的過程。目前實驗室研究的核聚變反應(yīng)：聚變核子平均：3.6MeV

裂變核子平均：0.85MeV

ppEp=1.2×10-13JEk

=0.6×10-13J按經(jīng)典理論估算：引發(fā)聚變反應(yīng)（熱核反應(yīng)）的一般溫度：

108K聚變反應(yīng)條件：①等離子體溫度和密度必須足夠大；②等離子體的溫度和密