1、7 原子核物理,核外电子-原子物理学,原子核-原子核物理学,7.1 原子核的基本性质,一.原子核的质量和大小,(一)、原子核的质量,原子的质量 =原子核的质量 +核外电子的电子的质量 -电子的结合能(可以忽略),1原子质量单位,原子核的质量通常采用作为单位,2原子核的质量数,3质谱仪,能通过狭缝的离子：,离子在磁场中作圆周运动,由此可以算出离子的质量，进而算出原子及原子核的质量。,(二)、原子核的大小,数量级：,(三)、原子核的密度,原子核的密度为一常数，而且核的密度非常大。,二、原子核的电荷,是核外电子数，即原子序数，也称核电荷数。,e=1.6021773310-19C，,三.原子核的组成-
2、质子和中子组成,1919年卢瑟福发现了质子：,氢核-质子：带一个单位正电荷,1932年，查德威克发现了中子,核子-中子和质子,核素和核素图,核素：凡具有相同的原子序数Z、中子数N 及能量状态的原子核称为一种核素。,元素：Z一定的原子。,同位素：Z相同、N不同的核素,、 是H的三种同位素。,同中子素：N相同、Z不同的核素， 、 。,同质异能素：N、Z相同、而能量状态不同的核素，如 、,同量异位素：A相同、Z不同的核，如,四.原子核的自旋和磁矩,1、原子核自旋,原子核的角动量称为核自旋,原子核的自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和,：原子核角动量量子数，称为核自旋量子数，它可以是整数，也
3、可以是半整数。,原子核角动量在空间某一选定方向的投影：,也是量子化的。,：核自旋磁量子数,共个值。,1A为奇数的核(奇A核)，I为半整数 2Z、N都为偶数的核(偶-偶核)， 3Z、N都为奇数的核(奇-奇核)，I为整数,2、原子核的磁矩,电子的角动量与相应的磁矩之间的关系为：,原子核也有磁矩，它与角动量的关系为：,核磁子远小于玻尔磁子，可见原子核的磁矩比电子的磁矩小得多，因此产生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。,在外场方向的取向也是量子化的，它在外场方向的投影：,在外场方向的最大值为：,测量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振。,7.2 原子核力和结合能,核力：核子之间的相互作用力。,
4、一、核力的基本性质,1核力是短程力，只在 数量级的范围内发生作用。,： 引力 ： 消失,2核力是一种强相互作用,核力的强度比库仑力大一百倍,3核力近似地与电荷无关,4核力是具有饱和性的交换力,核力的饱和性：核子只与它最靠近的几个核子有相互作用。,核的密度近似地为一常数，,核的结合能近似地与核子数成正比，,核力是交换力：核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用。,1935年，汤川秀树提出了核力的介子理论：核力是一种交换力，核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用，并估计这种媒介粒子的质量约为电子静止质量的200倍，介于质子和电子之间，故称为介子。,1947年，鲍威尔在宇宙射线中发现了介子，称
5、为 介子，有 、 、 三种，质量分别为,不同核子的相互作用通过发射或吸收 介子而产生，相当于两核子之间的位置发生交换，核力为交换力。,二、原子核的结合能,1原子核的质量亏损,2原子核的结合能,研究发现：当核子与核子结合成原子核时，将释放能量,3平均结合能,表示将一个核子放到原子核中平均释放的能量，或把一个核子从原子核中所需的能量。,的大小表示核子之间结合的紧密程度。大，表示核子结合的紧密。,(1)A30的轻核，平均结合能表现出周期性的变化，凡A等于4的倍数的核， 有最大值。(2)中等核(A=30120)的 结合能较大，轻核和重核的 较小 获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变。(3)中等核
6、的变化不大， ，显示了核力的饱和性，即一个核子只同附近的几个核子有作用力，而不是同所有的核子都有作用。,7.3原子核结构模型,一、液滴模型,将原子核比作一个密度极大的、不可压缩的核液滴，而将核子比作液滴中的分子。,1实验依据,（1）核力是饱和力，即原子核中的每个核子只与其邻近 地几个核子有相互作用。,（2）原子核的密度几乎是一个常数，故原子核具有不可 压缩性。,2原子核结合能的半经验公式,7.4 原子核放射衰变,一、 放射性衰变规律,（一）、放射性的发现,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现：铀矿物能自发地发射穿透力很强并能使照相底版感光的不可见射线。,1898年，居里夫妇又发现了钋和镭，并发
7、现它们也能自发地放射出射线。,放射性衰变：核素自发地放射出某种射线而变成另一种核素、或同激发态过渡到基态的现象。凡能发生放射性衰变的核素叫放射性核素。,放射性物质放出的射线主要有三种：,1射线：即氦原子核 ，贯穿本领很小，电离作用很强。,2射线：是电子流，有较大的贯穿本领和较小的电离作用，其贯穿本领大约是射线的100倍。,3射线：是光子流，即波长很短的电磁波，在电磁波谱上排在x射线之后，有最大的贯穿本领和最小的电离作用。,放射性现象的研究是获悉原子核内部状况的重要途径之一,（二）、放射性衰变的基本规律,放射性衰变要遵守：电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒。,1指数衰变规律,代表一个
8、原子核在单位时间内发生衰变的几率，称为衰变常数,2半衰期,放射性物质的原子核的数目衰变到原来数目的一半时所经过的时间叫半衰期。,3平均寿命,一个原子核在衰变前存在的时间叫做它的寿命。,所有原子核寿命的平均值称为平均寿命。,当 时,各个原子核的寿命不同，但平均寿命却具有确定的值。,放射性核素的 和 ，它们是每个核素的特征量，不同的核素差别很大。我们可以根据测量的判断它属于哪种核素,例1：已知 的衰变常数 为 ，试求它的半衰期 和平均寿命。,（三）、放射性活度,表明放射性活度随时间的衰变仍服从指数衰变规律。,单位：国际单位制中，放射性活度的单位为“贝克勒尔”，记作“Bq”，1Bq=1次衰变/秒,1
9、居里(Ci)= 次衰变/秒= Bq,放射源所含放射性物质的原子核数：,放射源所含放射性物质的质量：,二、 衰变,原子核自发地放射出粒子而发生的衰变,（一）、衰变条件和衰变能,、衰变能：,原子核在衰变过程中释放的能量，用Q表示,、衰变条件,、衰变能的释放形式,例：判断 是否发生衰变。,（二）、能谱和原子核能级,测得粒子的动能有六种，,此外有能量不同五种 射线。,粒子能谱具有分立特性原子核具有分立的能量状态。,三、 衰变,（一）、 衰变能谱与中微子微设,1 衰变能谱,(1) 粒子能量连续分布,(2) 具有确定的最大值，且,(3)曲线有一极大值，此处,粒子能谱引发的困境：,第一， 粒子能谱是连续的，
10、而原子核具有分立能级。,第二，能量不守恒？,第三，角动量不守恒？,2中微子假设,1930年，泡利提出了中微子假设，成功地解释了上述矛盾，并被以后的实验所证实,泡利认为：当放射性物质发生衰变时，除了放出粒子外，还要 放出一个中性粒子，其静止质量几乎为0，故称为中微子。,中微子分为两种：中微子 和反中微子 ，它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向不同。,由于三者之间的分配是任意的，所以 粒子的能量是连续的，形成了连续谱。,假设中微子的自旋和电子一样为 ，则衰变前后的角动量守恒。,由于， ， ，衰变能主要在电子和中微子之间分配，当 时， ，其余情况下，,1956年，从实验上发现了中微子。,（二）
11、、衰变的三种类型及衰变条件,衰变时核电荷数改变而核子数不变的衰变,1 衰变：,能量守恒：,衰变条件： 0，即,2 衰变：,3K俘获：原子核俘获一个核外轨道上的电子而转变为另一 个原子核的过程。,能量守恒：,发射X标识谱,产生俄歇电子,四、 衰变,（三）、 衰变的机制,费米认为：衰变的本质在于衰变时在原子核中受束缚的一个中子转变为质子或一个质子转变为中子，而对轨道俘获来说，其本质就是俘获轨道电子而转变为中子：,粒核子的不同状态之间跃迁的产物，事先并不存在于核内。衰变是电子-中微子场与原子核的相互作用-弱相互作用。,原子核通过发射光子从激发态跃迁到较低能态的过程,五、 放射系,1钍( )系,2铀(
12、 )系,3锕( )系,4镎( )系，,六、放射性衰变规律在地质考古上的应用,在考古工作中， 可以用来推算年代,射线应用在医学，农业，工业,7. 原子核反应,原子核反应：用具有一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而转变为新原子核的过程。,一、 核反应的一般规律,（一）、核反应的守恒律,1几个著名的核反应,(1) 历史上第一个人工核反应,()第一个在加速器上实现的核反应,3核反应中的守恒定律,电荷数守恒：反应前后总电荷数不变,质量数守恒：反应前后总质量数不变,质量守恒：反应前后总的运动质量 保持不变,能量守恒：反应前后粒子的总能量是守恒的,动量守恒：即反应前后体系的总动量守恒,此外还有角
13、动量、宇称、统计性、同位旋等都是守恒量。,（二）、核反应的机制,、复合核过程,、直接反应过程,（三）、核反应中的能量,1反应能Q：核反应中所放出的能量,静质量：,总质量：,动能：,总能量：,+ - = + - - ,右边表示反应前后物质总静止质量差所相应的能量；左边表示反应前后总动能之差，称为反应能,(1) Q0 放能反应,例1 试计算 反应的反应能。,(2) Q0 吸能反应,例2 由静止质量计算 的Q值。,2Q方程,Q= + -,动量守恒：,3反应阈能,能使核反应得以实现的入射粒子的所必须具有的最小动能，即只有当 时反应才能发生。,4核反应的类型,按入射粒子的类型分：(粒子、质子、中子、氘核
14、、光子)引起的核反应。,按入射粒子的能量分：低能( )、中能( )、高能( )核反应。,按靶核质量分：轻核(A80)核反应。,7.6 原子核裂变,原子核裂变是一个重原子核分裂成两个质量相差不远的碎块的现象。,一、裂变过程,A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV,一个铀核：,一克铀：,这相当于2.5t煤完全燃烧时放出的能量。,二、裂变机制液滴模型,在裂变前，原子核处于能量最低的基态，呈球形。核内的质子、中子在不停地运动。核子之间有核力，质子之间有库仑斥力。,当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，能量增加，核子振荡加剧，由球形变成椭球形。这时核内各核子间距离增加核力减小
15、，而库仑斥力则使原子核进一步增大，形成哑铃状。,当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，原子核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。,三、链式反应,实现核裂变的链式反应条件,1.中子产额和慢化,减速剂-重水和石墨,2.临界体积,倍增系数：,方法1是浓缩天然铀中 的比例。,方法2是加大铀堆的体积至临界体积，增加中子数。,四.原子反应堆,堆芯核燃料、中子减 速剂和冷却剂,由堆芯、中子反射层、控制系统和屏蔽层等,五.原子弹,临界体积约1公斤.,达到超临界状态的方法：,7.7 原子核聚变,核聚变：几个轻核聚合成较重核的过程,重核 中等质量核放出能量,轻核 中等质量核放
16、出能量,1.聚变能约为裂变能的四倍,2.聚变反应的原料是氘.而核裂变的原料是铀,怎样实现核聚变？,考虑到以下两个因素： (1) 热运动的能量是麦克斯韦分布。(2) 隧道效应,热核反应温度要求：,劳逊判据,任何物质在温度高达几百万度时，原子离解为正离子和电子。当温度升高到上亿(108)度时，形成正离子与等量电子同时存在的等离子体。,等离子态的物质是很难被稳定地约束起来的，但是为了热核聚变的反应能够有效地进行，对等离子体的密度和被约束的时间有一定的要求。,等离子体约束引力约束、惯性约束和磁约束,惯性约束聚变材料自身惯性,引力约束用引力,磁约束,二、太阳能的来源,来源于太阳中的热核反应。,太阳内部主要有两种核反应：,1氢链反应：,2碳氢循环,2碳氢循环,太阳的核聚变是引力约束,三、氢弹,氢弹用氘和氚等轻核聚变反应,用原子弹激发热核反应,氢弹中的聚变反应是不可控制,氢弹用氘和氚等轻核聚变反应,氢弹核聚变是惯性约束,四、激光核聚变受控核聚变,1.可为人类找到一种取之不尽的清洁能源2.可以研制真正干净的核武器.3.可以用它代替部分核试验。,五、激光冷却与原子搏陷,铷原子系统中的 玻色爱因斯坦凝聚,
