原子核物理课件

1911 卢瑟福 原子的核式模型
1919 卢瑟福 ? + 14N ? p + 17O
1932 查德威克(J.Chadwick) 发现中子 n
海森堡 原子核：质子、中子n
3
§22-1 原子核的结构和基本性质
一、原子核的组成
原子核 — 质子、中子组成
1) 核子
中子 mn=1.008665u q=0
质子 mp=1.007277u q=e
弱相互 作用
引力 作用
10-12
10-39
短程， 10-17
长程
10-10
中间玻 色子
W±，Z0
强子、 轻子
引力子 （预言）
一切 物体23
平均寿命后 ,剩下的原子核数目约ຫໍສະໝຸດ Baidu原来的定 37%14 .
§22-3 核反应
核反应： 一种元素在具有一定能量的粒子的
轰击下衰变成另一种元素的现象。
核反应一般表示式：
A? a ? B? b 如：第一个人工核反应： ? ?174N ? p?178O
发现中子的核反应： ? ? 94Be ? n?162C
4 ? (1 .2 ? 10 ? 15 A1 3 ) 3
3
3
? 2.3? 1014 g ?cm?3
6
§22-1 原子核的结构和基本性质
四、 原子核的结合能
1.1+1? 2 1. 氘核(2H)的结合能
mp=1.007277u mn=1.008665u
mp +mn=2.015942u
md=2.013552u
聚变反应：
D ? T? 4He ? n ? 17.6(兆电子伏)
10
§22-1 原子核的结构和基本性质
1938 年，德国物理学家
美籍意大利裔物理
奥托 ·哈恩发现核裂变 ， 学家恩里科 ·费米的“链
开创了人类利用原子能的 式反应”理论使原子核
新纪元。
裂变反应成为现实。
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§22-1 原子核的结构和基本性质
第 二十二 章
原子核物理简介
1
研究对象：原子核
主要内容：核的基本特性：核质量、核矩 核力 核模型 核的放射现象 核反应 原子能
2
历史的回顾:
1896 贝克勒尔(A.H.Becquerel) 铀 1897 居里夫妇(P. & M. Curie) 钋、镭
放射现象
1899-1900 ? ，? ，?
1903 卢瑟福 ? ? He，? ? e
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§22-4 原子核能的利用
一、原子核的裂变
? 裂变分类： 自发裂变
诱发裂变
?裂变机制：
中子被核俘获后形成复合核，处于激发态的 复合核将发生集体振动和形变。根据液滴模型 解释，复合核的表面张力使核恢复球形，库仑 力使核的形变增大，最终发生裂变。
?裂变能的利用： 原子弹 反应堆
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§22-4 原子核能的利用
二、轻核聚变
当二个轻核聚变为重核时，观察比结合能图， 可以得到一个结论：能量释放。而且释放的能量 比裂变大得多
实现聚变的途径：
?质子-质子反应链
1、引力约束聚变 ——太阳能
碳-氮反应链
2、惯性约束聚变 ——氢弹、激光 3、磁约束 ——可控聚变反应
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§22-5 基本粒子简介
一、“基本粒子”的发现
? 长期以来，人们一直在孜孜不倦地探索着物质的基 本组成，对物质结构的认识有一个 逐步深入 的过程。
例如，一个质子和一个中子组成氘核，则氘核的结合能：
B ? [( mp ? mn ) ? md ]c2 ? [1.007825 ? 1.008665 ? 2.014102]uc2 ? 0.002388uc2 ? 2.224( 兆电子伏 )
比结合能： 原子核中每个核子的平均结合能。
? ? B/ A
比结合能越大，原子核结合越紧密 ;也越稳定。 8
（3）强子 参与强相互作用的粒子。强子也参与 弱相互作用，带电的和中性带磁矩的还参与电磁作 用。根据自旋的不同，强子又分为介子和重子：
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§22-5 基本粒子简介
(1) 介子 自旋量子数为零，包括带正、负电荷 和中性的 π 介子，带正、负电荷和中性的 K介子以及 η 介子，它们的静止质量介于电子和质子之间。
2 1
H
13H
同量异位素： A相同而Z不同的核素。如： 13H 23H
二、核素图
5
§22-1 原子核的结构和基本性质
三、原子核的大小
1
原子核的半径： r ? r0 A 3
r0 ? 1.2? 10?15m ? 1.2fm
质量：> 99.9 % ( 原子质量 )
核密度：
??
m
4 ?R3
?
1 .66 ? 10 ? 27 A
引力作用 所有粒子之间都有引力相互作 用，引力相互作用的大小与粒子间的距离平 方成反比。
22
作用 名称
强相互 作用
相对 强度
力程（m）
特征时 间（s）
1
短程， 10-15
10-23
媒介子
胶子g 1 ~g8
作用 对象
夸克,胶 子,重子
电磁相 互作用
10-2
长程 10-20 10-16
光子?
带电 粒子
§22-1 原子核的结构和基本性质
比结合能图 (两头低、中间高 )
获得原子能量的两种方法：
(1)重核裂变。
(2)轻核聚变。
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§22-1 原子核的结构和基本性质
例如，氘核和氚核可聚合为氦核同时放出一个中子。
B ? [M( D ) ? M( T ) ? M( 4He ) ? Nn ]c2 ? [2.014102 ? 3.016049 ? 4.002603 ? 1.008665]uc2 ? 0.018794uc2 ? 17.6( 兆电子伏 )
五、核力
核力是把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳 定的原子核 (也包括不稳定的原子核 )的强大的束缚力。
核力出现于质子～质子、中子～中子、质子～中子
之间，强度相等。
1.核力一般性质
f
(1) 核力是强相互作用，主要是
吸引力。
(2)核力是短程力，作用半径 为3×10-15m。 (3)核力是与粒子的带电状态完 0 全无关的强大的吸引力。
N0 2
?
? ? T1
N0e 2
ln 2 0.693
T1 ? 2
?
?
?
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§22-2 原子核的衰变和衰变规律
三、 平均寿命 ?
? dN ? ?Ndt ? ?N0e??tdt
? ? ? ?
t?? dN?
?
? 0
?
N0te? ?t dt
N0
N0
?
?
1
?
?
T1
2
ln 2
?
1.44T1
2
当t=?时
N ? N0e?1 ? 37%N0
? 人们曾经把当时所认识到的组成物质的最小基本单 元，称为“基本粒子”，现在知道，基本粒子 未必 基本。
? 电子、光子、质子、中子的发现，相继为原子物理
学和原子核物理学奠定了基础，正电子、? 子、π 介
子、中微子的发现，使人们感受到粒子物理的丰富 内涵与独特的研究方式，促使 粒子物理 作为一门独 立的学科出现。
二、基本粒子的相互作用
强相互作用 强相互作用把夸克组成质子、中 子，把质子、中子结合成原子核。高能核反 应中介子和超子的形成过程等都属于强相互 作用。这种相互作用强度最大，比电磁相互 作用强1012倍。
电磁相互作用 所有带电粒子间都存在电磁相
互作用，在经典理论中认为这种作用是通过
电磁场来实现的，在量子电动力学中认为这
种作用是通过交换光子实现的。作用的大小
与带电粒子间的距离平方成反比。
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§22-5 基本粒子简介
弱相互作用 有两种弱相互作用，一种是 有轻子 (电子e，中微子，子以及它们的反粒 子)参与的反应，如β 衰变，μ 子的衰变以及 介子的衰变等；另一种是 Κ 介子和 Λ 超子的 衰变。这两种弱相互作用的强度相同，都比 电磁相互作用弱1010倍。
(2) 重子 自旋量子数绝大部分都是 1/2，包括核 子(中子和质子 )以及超子等。这些粒子的静止质量等 于或大于质子。
超子：
夸克模型：
1960 年前后，盖尔曼提出了一个对当时已知亚
原子粒子分类的方法。根据这个方案推测，质子、
中子等一些粒子可能由一种新的粒子组成，盖尔曼
给它取名夸克。
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§22-5 基本粒子简介
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§22-5 基本粒子简介
?粒子的种类很多，已发现的粒子有 400多种. 分类： (1) 光子 静止质量为零；自旋量子数等于 1
（2）轻子 不参与强相互作用的粒子。有些轻子参与 弱相互作用，带电的轻子参与电磁作用。这些粒子的 静止质量比 π 介子的质量小，自旋量子数为 1/2，包括 中微子、电子及正电子、正负 μ 子。
? m =mp +mn -md =0.002388u
质量亏损
2.原子核的结合能：
当所有核子(质子和中子)由于相互吸引聚集成原
子核时，会释放能量，以致出现“质量亏损”， 所释放的能量即定义为原子核的结合能。
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§22-1 原子核的结构和基本性质
结合能B：B ? ? mc2 ? [( Zmp ? Nnmn ) ? m]c2
r
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§22-2 原子核的衰变和衰变规律
一、 指数衰变律
若：t=0时，N=N0；在dt内核衰变数为 -dN
则： ? dN ? ?Ndt
? 为比例系数，表示一个原子核在单位时
间内发生衰变的几率 ——称为衰变恒量。
N ? N0e? ?t 指数衰变律
二、 半衰期 T1/2: 放射性原子核衰减到原来数
目的一半所需要的时间 .
1u ? 1.660566? 10?24 g
2) 原子核的符号表示：
AZX (A=Z+Nn) Z为电荷数、 Nn为中子数、 A为质量数 (A=Z+Nn)
4 2
He
, 174N
, 186O
,
..., 235U , 238U
4
§22-1 原子核的结构和基本性质
同位素： Z相同而A不同的核素。如： 11H