第17章 原子核物理簡介

原子核物理簡介原子核物理簡介第17章本章內(nèi)容原子核的衰變原子核的結構和基本性質(zhì)核反應與核能利用基本粒子簡介(

自學閱讀)第一節(jié)原子核的結構和基本性質(zhì)第1節(jié)nuclearcompositionandbasiccharacter1908年盧瑟福榮獲諾貝爾化學獎。盧瑟福粒子散射實驗

“桃李滿天下”：學生或助手獲得8次諾貝爾獎一、原子核的組成與大小實驗表明，原子核是由一定數(shù)目的質(zhì)子和中子組成的一個復雜系統(tǒng)，對質(zhì)子和中子而言，雖然帶電情況不同，但質(zhì)量、自旋等特性以及在核內(nèi)的相互作用中，有許多性質(zhì)是相近的，因此我們常把質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。重要結論：從上述原子核密度近乎相同的事實表明，無論原子核中核子數(shù)目有多少，每一個核子在核內(nèi)幾乎都占有相同大小的體積。原子核的半徑：——輕、重核半徑量級都在10-15米。是實驗測定的常數(shù)。核子數(shù)：——原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和。核的質(zhì)量密度：原子核內(nèi)核子之間存在核力，核力是短程力，具有飽和性。二、原子核的電荷與質(zhì)量質(zhì)量與電荷是物質(zhì)的固有屬性，不同原子核有不同的質(zhì)量和電荷,因而,質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)是標示原子核的特征參量。原子核的電荷：其中：Z表示質(zhì)子數(shù)，又稱原子核的電荷數(shù)，也等于元素的原子序數(shù)。

Q=+Ze原子核的質(zhì)量：原子核質(zhì)量等于所有核子質(zhì)量之和嗎？——原子核都有結合能。例：原子質(zhì)量單位：質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和，稱為質(zhì)量數(shù)A：原子核的標示：推廣：質(zhì)子質(zhì)量：中子質(zhì)量：所以常用標記不同的原子核。三、原子核的自旋與磁矩實驗表明，組成原子核的質(zhì)子和中子都有內(nèi)稟角動量,即自旋。質(zhì)子和中子的自旋量子數(shù)均為1/2。

此外，核子在核內(nèi)的空間運動有軌道角動量，核子自旋角動量與軌道角動量之和稱總角動量。核自旋：——J為原子核的自旋量子數(shù)。核磁矩：——

為實驗測定的朗德因子。原子核的自旋對原子能級的影響較小，根據(jù)原子核的自旋與磁矩，可以分析光譜的超精細結構。原子核既具有角動量，又帶有正電荷，因此也就具有磁矩。其z方向的投影核磁子：四、原子核的核力與結合能

原子核內(nèi)，核子之間的距離都在以內(nèi)，因而質(zhì)子之間有很強的靜電斥力，這種斥力有拆散原子核的趨勢；另一方面，把原子核拆散成質(zhì)子和中子需要耗費巨大的功。可見在核子之間一定還存在一種比靜電斥力更強的相互作用力，以使質(zhì)子和中子集結在一起，形成穩(wěn)定的核，這種力稱為核力。

核力是一種短程力。在大于的距離，核力遠比庫侖力小，在小于的距離，核力比庫侖力增加得更快，這時核力起主要作用。

核力具有“飽和”的性質(zhì),亦即一個核子僅與它相緊鄰的核子之間才有核力相互作用，而不能與核內(nèi)所有更遠的核子都以核力相互作用。

無論是質(zhì)子與質(zhì)子、中子與中子或質(zhì)子與中子之間都有核力相互作用，而且任意兩個核子之間的核力大致相等。

在核子之間的作用范圍內(nèi)，如核子之間的距離較大，核力表現(xiàn)為引力，而當核子間的距離小到時,核力就由吸力變?yōu)閺姶蟮某饬?

這種斥力的存在使得核子不可能非常接近。四、原子核的核力與結合能

實驗測定的原子核的質(zhì)量總是小于組成核的質(zhì)子和中子的質(zhì)量之總和，其差額為稱為質(zhì)量虧損。結合能：Emc2由質(zhì)子和中子形成原子核時所放出的能量，稱為結合能。反之，使原子核分裂為單個的質(zhì)子和中子時，外界就必須供給與結合能等值的能量或做這樣多的功。例：He原子核的質(zhì)量虧損與結合能分別為形成1mol的氦原子核所放出的能量為（相當于燃燒100噸煤）四、原子核的核力與結合能

原子核的結合能與它包含的核子數(shù)有關，重核比輕核的結合能大，為比較不同原子核的結合能，需要定義平均結合能。以為平均結合能縱坐標，核子數(shù)為橫坐標，可得兩者的關系，如圖所示：平均結合能：——描述原子核結合的緊密

從右圖可以看出，對應于中等原子量元素的核，核子的平均結合能最大，且近似地均等于，因此最穩(wěn)定。而對于輕核和重核，每個核子的平均結合能都比上述數(shù)值小，因此當輕核聚合成中等質(zhì)量的核或重核分裂成中等質(zhì)量的核時,都有大量能量放出，這種能量稱為原子核能，簡稱原子能。五、原子核的結構與模型液滴模型（玻爾）：

質(zhì)子和中子是如何結合組成原子核的呢？到目前為止,原子核的結構還沒有精確、全面的理論描述，因此,只能利用一些模型來近似說明。液滴模型最初是由玻爾根據(jù)核力和液體的分子力的相似而提出的。核子距離很小→斥力，使得核液不可壓縮核子距離很大→引力，使得核液維持一定形狀類似于普通的液滴由于表面張力而聚成球形。殼層模型：邁耶和金森提出了類似于原子能級那樣的殼層模型（1963年諾貝爾獎），該模型給出的核子的能級，如圖所示。由圖可知，對于質(zhì)子或中子數(shù)為2,8,20,28,50,82,126的核稱為幻數(shù)核，分布有核子的最高能級到其上邊沒有核子的能級的差都比較大。說明這些幻數(shù)核都特別穩(wěn)定，這一結果與實驗相符。五、原子核的結構與模型第一節(jié)原子核的衰變第2節(jié)一、天然放射性現(xiàn)象

1896年貝克勒爾（H.Becquerel)在研究鈾鹽的性質(zhì)時，偶然發(fā)現(xiàn)鈾鹽（鈾化鉀）不斷地放出一些射線。接著居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳和釙也都能夠放出類似的射線，而且強度比鈾放出的更強。

人們后來又發(fā)現(xiàn)了位于門捷列夫元素周期表末尾的一些其它重元素都具有放射性。這些元素不用人工處理，就會自發(fā)地放出上述射線，故稱為天然放射性。

1903年諾貝爾物理獎放射性射線的性質(zhì)：1、能使氣體電離；2、能激發(fā)熒光；3、能使相片底片感光；4、可以貫穿可見光所無法穿透的一些物體；5、射線足夠強時，能破壞細胞組織；6、放射性物質(zhì)的溫度總是高于周圍物質(zhì)的溫度，并且周圍物質(zhì)吸收了射線之后，溫度也會升高。放射是一個能量釋放的過程天然放射性元素的衰變方式有下列三種：

在這三種射線中，射線的電離本領最強，射線的電離本領最弱；射線貫穿物體的本領最弱，而射線貫穿物體的本領最強；射線的電離本領和貫穿本領都介于和射線之間。衰變——從核中放出光子的過程。衰變——從核中放出粒子的過程；粒子：衰變——核中放出電子的過程；粒子：電子粒子：光子二、原子核衰變的規(guī)律

原子核是否具有放射性及其衰變方式,取決于核的內(nèi)在性質(zhì)，與溫度、壓強、電場或磁場等外界條件無關。理論和實驗證明，在核衰變的過程中，原子核的數(shù)目隨時間按指數(shù)規(guī)律而減少。衰變規(guī)律：

為衰減常數(shù)放射性活度：以單位時間內(nèi)發(fā)生核衰變的次數(shù)來表示物體放射性的強弱，稱為放射性活度，以A表示。單位：半衰期：放射性活度減弱為原來的一半時所經(jīng)歷的時間，稱為放射性元素的半衰期

各種放射性元素半衰期的長短相差很大，例如，鈾（）的半衰期為a(a表示以年為單位),鐳的半衰期為1600a,釙的半衰期為s。

此外，和其它物理過程一樣，原子核的衰變過程也要遵從電荷守恒、動量守恒和能量守恒等自然界的普遍規(guī)律。衰變前各原子核的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)的總和應分別等于衰變后的總和。

（衰變）（衰變）例如：

——這兩個公式通常稱為核衰變過程中的位移定則。平均壽命：或：例

的半衰期為1600a，10g純的活度是多少？這一樣品經(jīng)過400a和6000a時的活度又分別是多少？解法提要10g純的核數(shù)為：鐳的衰變常量為：起始活度為：再由活度衰減公式：三、放射性的應用

1934年，約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)，用粒子轟擊各種物質(zhì)時，經(jīng)過核反應所產(chǎn)生的新元素是不穩(wěn)定的，是一種放射性元素。這種用人為方法產(chǎn)生放射性元素的現(xiàn)象，稱為人工放射性現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)對產(chǎn)生人為放射性同位素提供了重要的實驗基礎。例如：

是放射性同位素,半衰期約為5730a多年后地球大氣中的14C已達到了恒定的豐度，約為

根據(jù)射線能使物質(zhì)的原子、分子電離的性質(zhì),將射線的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷盒盘枺╇娮觾x器采集。目前使用的射線探測器種類很多，從射線在探測器內(nèi)產(chǎn)生的效應和探測器的工作介質(zhì)，可分為氣體電離室、閃爍探測器、半導體探測器和熱釋光劑量計等。例如：蓋革計數(shù)器。測量原理：應用舉例：——放射性的一個重要應用是鑒定古物年齡。(1960年諾貝爾化學獎)解法提要例已知求2003年河北省某地考古遺跡中發(fā)現(xiàn)有古時的粟。一些這種粟的樣品中含有1g碳，它的活度經(jīng)測定為這些粟的年齡？（碳的半衰期：5730a）

1g新鮮碳中的14C核數(shù)為：這些粟的樣品活著的時候，活度應為：由于，按計算可得：據(jù)考證這些粟是世界上發(fā)現(xiàn)的最早的粟。14C在地球大氣中的恒定豐度為：第一節(jié)核反應與核能利用第3節(jié)一、核反應用高能粒子轟擊原子核使原子核發(fā)生改變的過程叫做核反應。其中：a是入射粒子，b是反應后放出的粒子；X是被轟擊的原子核，稱為靶核；Y是形成的新核，稱為反沖核。

——1932年查德威克首次發(fā)現(xiàn)中子；——第一次用加速粒子引發(fā)的核反應；——首次發(fā)現(xiàn)正電子的核反應；例如：——一種可能的鈾核裂變反應；——1919年盧瑟福第一次人工核嬗變；——氫彈爆炸的熱核反應；二、核能的開發(fā)與利用重核的裂變：

把輕核聚合成較重的中等質(zhì)量的原子核，或把重核分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核，都會放出大量能量。前者叫做輕核聚變，后者叫做重核裂變，這是獲得原子核能的兩種途徑。

重核分裂的過程相對較易產(chǎn)生，實際上，天然放射性元素就在自發(fā)地進行這種過程，但是這種過程不容易用人工的方法加以控制；另一方面由于功率太低，所以不能加以大量利用。

利用重核裂變時釋放的原子核能，只是在1938年開始發(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾（）等幾種重核時的分裂現(xiàn)象后，才成為可能。（鈾裂變方式之一）

一個核分裂時放出約的能量，而且分裂時放出的再生中子又能夠引起另外的核的分裂。依次滾雪球似的擴大，可使反應繼續(xù)進行下去，并不斷釋放出大量原子核能。這種反應稱為鏈式反應。要發(fā)生鏈式反應，鈾要到達一定的體積（臨界體積）和質(zhì)量（臨界質(zhì)量）。當幾塊質(zhì)量小于臨界質(zhì)量的鈾很快的合攏起來而總質(zhì)量超過臨界質(zhì)量時,就會發(fā)生極猛烈的鏈式反應而引起爆炸。原子彈的構造就是根據(jù)這個原理制成的。鏈式反應：核電站原理圖：一般反應堆都應該包括三個部分：(1)某種可以分裂的物質(zhì)（即核燃料）,有的用天然鈾，有的用的濃縮鈾；(2)減速劑；(3)冷卻劑。在裂變時放出的原子核能，通過某種冷卻劑吸收熱能使反應堆的溫度不致增高，并把原子核能傳輸?shù)椒磻淹?，以供應用?/p>

為保護工作人員，反應堆外以及其他有放射性的部分都用足夠厚的混凝土壁屏蔽起來，操作則通過遠距離自動控制來實現(xiàn)。

輕核的聚變：

輕核聚變是利用原子核能的另一種方法，在高溫下，使輕核聚合而放出大量原子核能的反應稱為熱核反應。氫同位素氘（）和氚（）聚合形成氦核（）是一個比較容易產(chǎn)生的熱核反應，它的反應式是：聚變釋放的能量比鈾核裂變大10倍。輕核聚變需要巨大的能量克服帶電粒子靠近時的靜電斥力，通過引爆原子彈，產(chǎn)生幾百萬度的高溫，引發(fā)熱核反應，引爆氫彈。太陽利用聚變的熱核武器稱為氫彈。國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是當今世界最大的大科學工程國際科技合作計劃之一，也是迄今我國參加的規(guī)模最大的國際科技合作計劃。

氫彈爆炸是一種不可控制的熱核反應。在人工控制下進行的熱核反應叫做受控熱核反應，它能夠根據(jù)需要控制熱核反應的速度，使之緩慢而均勻地進行，以能適應在生產(chǎn)實踐中的應用。受控核聚變：第17章完！本次課小結小結一、靜電場力的功原子核的基本性質(zhì)原子核的衰變電荷與質(zhì)量：自旋與磁矩：組成與大?。航Y構模型：液滴模型殼層模型平均結合能：放射性活度：單位：半衰期：平均壽命：作業(yè)作業(yè)：P10517-T1,T2,T3,T4認真獨立完成作業(yè)！解法提要作業(yè)提示17-T11s內(nèi)測量到放射源發(fā)出的射線是3700個，設測量效率為10%，求它的放射性活度。已知它的半衰期是5.27年，求它的質(zhì)量。