原子物理第七章大學(xué)物理

第七章原子核物理概論

Chapter7Nucleusphysicsconspectus本章要點(diǎn)：1、原子核結(jié)構(gòu)與組成，核的模型；2、原子核的基本性質(zhì)；3、放射性衰變的基本規(guī)律；4、原子核反應(yīng)與原子能的利用。第七章原子核物理概論第一節(jié)原子核物理的對(duì)象一、原子的中心：原子核原子核質(zhì)量占原子質(zhì)量的99％以上；核外電子的行為對(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。二、歷史回顧1896：鈾的放射現(xiàn)象；1932：中子；1897：放射性元素釙和鐳；1934：人工放射性；1899：射線；1939：中子轟擊鈾，有中間物質(zhì)產(chǎn)生；1900：射線；1942：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；1911：原子的核式結(jié)構(gòu)；1945：原子彈；原子核半徑：；原子半徑：三、原子核的組成原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶電＋e；中子不帶電。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子幾個(gè)概念①原子質(zhì)量單位u：

規(guī)定的質(zhì)量為12u.

1u=1.66054×10-27kg=931.5016MeV/c2

mn=1.007825u,mp=1.007727u②原子核的符號(hào)X：元素符號(hào)；Z：原子序數(shù)（質(zhì)子數(shù)）；N：中子數(shù)；A：核質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）A=N+Z③同位素：元素周期表中位置相同的元素如：均為氫的同位素均為鈾的同位素四、核素圖按原子序數(shù)Z把核素排在一張圖上—核素圖N－橫坐標(biāo)；Z－縱坐標(biāo)。核素圖中，300多個(gè)天然核素（280多個(gè)穩(wěn)定），1600多個(gè)人工制備的放射性元素，共2000多個(gè)核素的穩(wěn)定區(qū)：輕核：大致滿足Z=N；重核：N>Z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)；第二節(jié)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

中子質(zhì)量：；質(zhì)子質(zhì)量：氘核質(zhì)量：差值：二、結(jié)合能定義：原子的結(jié)合能：或平均結(jié)合能：比結(jié)合能的意義：原子核的穩(wěn)定性(1)A<30的輕核，平均結(jié)合能表現(xiàn)出起伏變化，凡A等于4的倍數(shù)的核，平均結(jié)合能出現(xiàn)峰值。(2)中等核(A=30—120)的B結(jié)合能較大，輕核和重核的B較小獲得核能的途徑有兩個(gè)：重核裂變和輕核聚變。三、比結(jié)合能曲線(3)中等核平均結(jié)合能的變化不大,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都有作用。四、半經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量公式1、體積能：2、表面能：3、庫(kù)侖能：4、對(duì)稱能：5、奇偶能：第三節(jié)核力核力：核子之間的相互作用力。

一、核力的基本性質(zhì)1．核力是短程力

~：引力

<：斥力

>：消失3．核力是一種強(qiáng)相互作用2.核力具有飽和性核子只與它最靠近的幾個(gè)核子有相互作用。

核力的強(qiáng)度比庫(kù)侖力大一百倍4．核力與電荷無(wú)關(guān)5．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)，核的結(jié)合能近似地與核子數(shù)成正比，核力是交換力：核子之間通過(guò)交換某種媒介粒子而發(fā)生相互作用。

1935年，湯川秀樹提出了核力的介子理論：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)量的200倍，介于質(zhì)子和電子之間，故稱為介子。二、核力的介子理論1947年，鮑威爾在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了介子，稱為介子，有、、三種，質(zhì)量分別為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)原子核的自旋和磁矩

1、核自旋原子核的角動(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

：原子核角動(dòng)量量子數(shù)，稱為核自旋量子數(shù)，它可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)。原子核角動(dòng)量在空間某一選定方向的投影：

也是量子化的。：核自旋磁量子數(shù)共個(gè)值。

（1）．A為奇數(shù)的核(奇A核)，I為半整數(shù)（2）．Z、N都為偶數(shù)的核(偶-偶核)，（3）．Z、N都為奇數(shù)的核(奇-奇核)，I為整數(shù)2、原子核的磁矩電子的角動(dòng)量與相應(yīng)的磁矩之間的關(guān)系為：原子核也有磁矩，它與角動(dòng)量的關(guān)系為：

核磁子遠(yuǎn)小于玻爾磁子，可見原子核的磁矩比電子的磁矩小得多，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)方向的最大值為：測(cè)量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振。第五節(jié)核模型1、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。對(duì)核內(nèi)的核子的運(yùn)動(dòng)約束：泡利原理2、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?？山忉尩膯?wèn)題：①大多數(shù)核的基態(tài)核宇稱；②對(duì)核的基態(tài)宇稱的預(yù)測(cè)大致正確；③可以解釋衰變。存在的困難：①對(duì)電四極矩的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)差距太大；②對(duì)能級(jí)間躍遷的速率計(jì)算低于實(shí)驗(yàn)值。3、液滴模型實(shí)驗(yàn)依據(jù)①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。②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：①原子核的結(jié)合能；②核反應(yīng)過(guò)程中的復(fù)合核過(guò)程；③重核的裂變。存在的困難：①原子核的能級(jí)結(jié)構(gòu)；②原子核的動(dòng)量。4、集體運(yùn)動(dòng)模型

綜合模型。處理方法：量子流體力學(xué)。第六節(jié)放射性衰變的基本規(guī)律一、

放射性衰變規(guī)律

放射性的發(fā)現(xiàn)

1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)：鈾礦物能自發(fā)地發(fā)射穿透力很強(qiáng)并能使照相底版感光的不可見射線。1898年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳，并發(fā)現(xiàn)它們也能自發(fā)地放射出射線。

放射性衰變：核素自發(fā)地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)生放射性衰變的核素叫放射性核素。放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種：

1．射線：即氦原子核，貫穿本領(lǐng)很小，電離作用很強(qiáng)。2．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)大約是射線的100倍。3．射線：是光子流，即波長(zhǎng)很短的電磁波，在電磁波譜上排在x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一二、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)量和能量守恒、動(dòng)量守恒。

1．指數(shù)衰變規(guī)律

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)

2．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)目的一半時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間叫半衰期。3．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。

所有原子核壽命的平均值稱為平均壽命。當(dāng)時(shí)

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，不同的核素差別很大。我們可以根據(jù)測(cè)量的判斷它屬于哪種核素例：已知的衰變常數(shù)為，試求它的半衰期和平均壽命。思考題：某放射性核素的半衰期為2年，則經(jīng)8年衰變掉的核數(shù)目是尚存核數(shù)的（）倍。（三）、放射性活度表明放射性活度隨時(shí)間的衰變?nèi)苑闹笖?shù)衰變規(guī)律。單位：國(guó)際單位制中，放射性活度的單位為“貝克勒爾”，記作“Bq”，1Bq=1次衰變/秒1居里(Ci)=次衰變/秒=

Bq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)的質(zhì)量：

三、

放射系2．鈾(

)系3．錒(

)系4．镎(

)系，1．釷(

)系四、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

射線應(yīng)用－在醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，工業(yè)第七節(jié)衰變?cè)雍俗园l(fā)地放射出粒子而發(fā)生的衰變（一）、衰變條件和衰變能１、衰變能：

原子核在衰變過(guò)程中釋放的能量，用Qa表示

２、衰變條件:

３、衰變能的釋放形式

例：判斷是否發(fā)生衰變。Next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：式中是出射粒子的能量，是子核的反沖動(dòng)能,稱衰變能.當(dāng)子核到基態(tài)時(shí)，，此時(shí)的衰變能才等于總衰變能。下面我們尋求的表達(dá)式：設(shè)衰變前母核靜止，動(dòng)量為0，則所以子核反沖動(dòng)能為故式中A是母核質(zhì)量數(shù).（二）、能譜和原子核能級(jí)測(cè)得粒子的動(dòng)能有六種，

此外有能量不同五種射線。

粒子能譜具有分立特性－原子核具有分立的能量狀態(tài)。

第八節(jié)衰變1.衰變能譜(1)粒子能量連續(xù)分布(2)具有確定的最大值粒子能譜引發(fā)的困境：

第一

粒子能譜是連續(xù)的，而原子核具有分立能級(jí)。第二能量不守恒？

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2．中微子假設(shè)

1930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)泡利認(rèn)為：當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生衰變時(shí)，除了放出粒子外，還要放出一個(gè)中性粒子，其靜止質(zhì)量幾乎為0，故稱為中微子。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。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。

假設(shè)中微子的自旋和電子一樣為，則衰變前后角動(dòng)量守恒。

由于，，衰變能主要在電子和中微子之間分配，當(dāng)時(shí)，，其余情況下，1956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

1．衰變：

能量守恒：

衰變條件：＞0，即衰變能3.衰變的三種類型及衰變條件2．衰變：

3．K俘獲：原子核俘獲一個(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。能量守恒：

發(fā)射X標(biāo)識(shí)譜

產(chǎn)生俄歇電子

衰變條件：衰變條件：第九節(jié)衰變?cè)雍送ㄟ^(guò)發(fā)射光子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)的過(guò)程

1、一般性質(zhì)2、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)把能量直接交給核外電子，使電子離開原子－－內(nèi)轉(zhuǎn)換（IC）。3、同質(zhì)異能躍遷4、穆斯堡爾效應(yīng)即無(wú)反沖共振吸收。第十節(jié)核反應(yīng)原子核反應(yīng)：用具有一定能量的粒子轟擊一個(gè)原子核，使其放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾略雍说倪^(guò)程。一、幾個(gè)著名的核反應(yīng)(1)歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)

(2)第一個(gè)在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)二、核反應(yīng)中的守恒定律電荷數(shù)守恒：反應(yīng)前后總電荷數(shù)不變質(zhì)量數(shù)守恒：反應(yīng)前后總質(zhì)量數(shù)不變質(zhì)量守恒：反應(yīng)前后總的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量

保持不變能量守恒：反應(yīng)前后粒子的總能量是守恒的動(dòng)量守恒：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。

三、Q方程反應(yīng)能Q：核反應(yīng)中所放出的能量用結(jié)合能表示實(shí)驗(yàn)室中，靶核一般靜止，Q>0，放能反應(yīng)；Q<0,吸能反應(yīng)。用動(dòng)量守恒定律表示的Q方程：

為入射粒子的偏轉(zhuǎn)角

Q>0

放能反應(yīng)Q<0

吸能反應(yīng)例2

計(jì)算的Q值。應(yīng)用舉例例1計(jì)算反應(yīng)的反應(yīng)能。3．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，即只有當(dāng)時(shí)反應(yīng)才能發(fā)生。4．核反應(yīng)的類型

按入射粒子的類型分：(粒子、質(zhì)子、中子、氘核、光子)引起的核反應(yīng)。

按入射粒子的能量分：低能()、中能()、高能()核反應(yīng)。按靶核質(zhì)量分：輕核(A<25)、中等核(25<A<80)、重核(A>80)核反應(yīng)。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)的碎塊的現(xiàn)象。

一、裂變的發(fā)現(xiàn)A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV一個(gè)鈾核：

一克鈾：

這相當(dāng)于2.5t煤完全燃燒時(shí)放出的能量。

二、裂變機(jī)制—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。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。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)，原子核分裂成兩塊，放出中子，同時(shí)釋放能量。三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)條件1.中子產(chǎn)額和慢化減速劑-重水和石墨2.臨界體積倍增系數(shù)：

方法1是濃縮天然鈾中的比例。

方法2是加大鈾堆的體積至臨界體積，增加中子數(shù)。四.原子反應(yīng)堆堆芯－核燃料、中子減速劑和冷卻劑由堆芯、中子反射層