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1、第十三章 原子核物理（Nuclear Physics ） 1PPT课件2PPT课件原子的构成原子的构成中子中子质子质子3PPT课件第一节原子核的基本性质（ ）质质子子中中子子原子核原子核带单位正电荷 e=1.60210-19C质量数为1(mp=1.623 10-27kg=1836.1me） 核质子数=核外电子数=原子序数不带电 质量数为1(mn=1.675 10-27kg=1838.6me）中子数=核质量数质子数(原子序数)一 、原子核的组成与符号表示：原子核是由质子（proton）和中子（neutron）组成。质子和中子统称核子（nucleon）。质子与中子可以互变。4PPT课件*原子核的符

2、号表示法：原子核质量数原子核质量数 元素符号元素符号原子序数原子序数这一符号表达了原子核的两大特征：这一符号表达了原子核的两大特征： 质量质量和和电量。电量。XAZC1465PPT课件*核素、同位素：核素：具有相同的Z值，A值和能量状态的一类原 子称为同一种核素。 比如：同位素同位素：具有相同的具有相同的Z值而值而A值不同的一类核值不同的一类核素称为同位素。同位素具有相同的化学性质素称为同位素。同位素具有相同的化学性质.比如：比如： 氧的三种氧的三种同位素同位素 氢的三种氢的三种同位素同位素O168He42C126O168O178O188H11H21H316PPT课件*同量异位素：具有相同A值

3、而Z值不同的核素。*同质异能素：具有相同A值和Z值但能量状态不同的核素。 基态基态激发态激发态0.14260.14050.000099TcmTc9943Ar4018Ca4020(氩)(钙)(锝)TcTcm99439943和表示：比如:7PPT课件二、原子核的性质1 1、 原子核的大小和密度原子核的大小和密度*原子核的形状和大小：近似为半径R 的球体（重核 呈椭球体） R=R0A 1/3 R0=1.210-15 m*原子核的平均密度：原子核的平均密度： =2. 3 1017kg.m-3 (地球平均密度 =6 103kg.m-3 ）VM8PPT课件3 3、 核能级。核能级。 核力属于短程力，其作用

4、范围：核力属于短程力，其作用范围：10-15 m核力是一种强相互作用。核力是一种强相互作用。核力具有饱和性。核力具有饱和性。核力与电荷无关。核力与电荷无关。 原子核可以处于不同的能量状态且可发生核能原子核可以处于不同的能量状态且可发生核能级间的跃迁。级间的跃迁。特征2、 核力核力：核子间强相互作用力，称为核力。核子间强相互作用力，称为核力。9PPT课件三、原子核的结合能和质量亏损1、原子核的结合能原子核的结合能*核子结合成原子核时释放的能量，称为核子结合成原子核时释放的能量，称为原子核的结合能。原子核的结合能。*释放的能量越多，结合就越紧密，原子核就越稳定释放的能量越多，结合就越紧密，原子核就

5、越稳定。例子：例子：2H（氘核）的结合能（氘核）的结合能（2 .22 MeV）+P（质子质子）n（中子中子）2H（氘核氘核）释放能量为释放能量为2.22 MeV的一个光子的一个光子（反之亦然）（反之亦然）10PPT课件2、原子核的质量亏损、原子核的质量亏损（mass defectmass defect）。* 原子核的静质量比组成它的核子的静质量总和要原子核的静质量比组成它的核子的静质量总和要小一些，这样减少的质量（小一些，这样减少的质量（ m）称为质量亏损）称为质量亏损。* * 质量亏损（质量亏损（ m) )的计算的计算： m = = mi i- - m* 质量亏损的原因：质量亏损的原因： 由

6、质能公式由质能公式 E E = =c c2 2 m 知，知，释放释放的能量变化的能量变化（ E E）相当于一定的相当于一定的质量质量变化变化（ m）。( (各个核子的静质量总和）各个核子的静质量总和）( (原子核的静质量原子核的静质量) ) 11PPT课件* * 微观粒子的能量单位称为（统一）原子质量单微观粒子的能量单位称为（统一）原子质量单位（位（atomic mass unit,unifiedatomic mass unit,unified）, ,以以u u表示。表示。3.3.原子质量单位（原子质量单位（atomic mass unitatomic mass unit）：）：* 一个原子质

7、量单位原子质量单位等于等于1212C C原子质量的原子质量的1/121/12； 即即 1u=1.66061u=1.6606 1010-27-27 kg kg*用用u u为为质量单位质量单位，用，用MeVMeV为为能量单位能量单位表示的质能公表示的质能公式式： 1u1u931.5MeV m(u)(u) = 1.0735= 1.0735 1010-3-3 E E(MeV)(MeV) E E(MeV) = 931.5 (MeV) = 931.5 m(u)(u)或C212PPT课件四、原子核的稳定性四、原子核的稳定性*平均结合能平均结合能：= E E/ /A A平均结合能表示的松紧程度平均结合能表示的

8、松紧程度：(图图13-1平均结合能曲线平均结合能曲线）13PPT课件3、重核、重核（质量数质量数A200）： 较小，较小，原子核结合较松；原子核结合较松； 其中其中A 209的核都是放射性核素。的核都是放射性核素。*中等核比重核和轻核都稳定。中等核比重核和轻核都稳定。 由此知道获得核能的两种途径由此知道获得核能的两种途径：轻核聚变轻核聚变和和重核裂变重核裂变。1、轻核、轻核（质量数质量数A30）： 较小，较小，原子核结合较松原子核结合较松 （除偶偶核外）（除偶偶核外）2、中等核、中等核（质量数质量数A 为为40120）： 较大较大，原子原子 核结合较紧核结合较紧。14PPT课件* 轻核聚变：轻

9、核聚变： 轻核聚合成较重的原子核，会释放出大量的能量轻核聚合成较重的原子核，会释放出大量的能量。* 重核裂变：重核裂变： 重核分裂成两个中等核，会释放出大量的能量。重核分裂成两个中等核，会释放出大量的能量。例子例子 铀核裂变及其链式反应铀核裂变及其链式反应: 慢中子轰击慢中子轰击235铀核时，铀核时，会分裂成两个质量大致相等的中等核和会分裂成两个质量大致相等的中等核和1-3个中子，并个中子，并释放出大量的能量；新的中子又引起其他铀核裂变。释放出大量的能量；新的中子又引起其他铀核裂变。这种核反应可持续进行下去。这种核反应可持续进行下去。原子弹（原子弹（我国我国1964年年）和和原子反应堆（原子反

10、应堆（我国我国1958年年）例子例子 氘核聚变及其热核反应：在极高温度（氘核聚变及其热核反应：在极高温度（108K）下，）下，氘核高速运动相互碰撞而发生大量聚合，单位质量氘核聚氘核高速运动相互碰撞而发生大量聚合，单位质量氘核聚变释放能量是单位质量铀核裂变释放能量的变释放能量是单位质量铀核裂变释放能量的4倍左右。倍左右。应用应用 氢弹（氢弹（我国我国1967年年）和和太阳能源太阳能源15PPT课件原子弹的基本构造原子弹的基本构造 110秒蘑菇云秒蘑菇云37秒对流风 11秒振波秒振波0秒爆炸秒爆炸16PPT课件原子弹爆炸原子弹爆炸 氢氢弹弹 美国50年代研制出的第一颗航空投掷型氢弹MK17型氢弹核

11、电站核电站17PPT课件“LittleBoy” 原子弹的照片原子弹的照片18PPT课件第二节原子核的衰变类型* * 核衰变过程严格遵守如下守恒定律： 质量和能量守恒定律， 动量守恒定律， 电荷守恒定律， 核子数守恒定律. . * * 核衰变核衰变: : 放射性核素能自发放出射线变为另一种放射性核素能自发放出射线变为另一种核素的现象，称为核衰变（核素的现象，称为核衰变（nuclear decaynuclear decay）. .* * 衰变能衰变能: : 按照质能关系，核衰变前后的静止按照质能关系，核衰变前后的静止质量的差值，转变为核衰变时质量的差值，转变为核衰变时释放的能量，称释放的能量，称为

12、为衰变能。（衰变能。（decay energydecay energy）, ,记为记为Q Q。 19PPT课件一.衰变 A A 值超过209209的重核发射 核（也称为 粒子），而衰变为A A值较小的原子核。称这种衰变为 衰变( ( decay)decay)。* 衰变衰变式式： * 位移法则：子体核在元素周位移法则：子体核在元素周期表中位于母体核前两位。期表中位于母体核前两位。* 子体核可处于激发态子体核可处于激发态,所以所以有有射线射线和和内转换电子内转换电子伴随伴随 射线射线发射出来。发射出来。XAZQHe4242YAZeH42 1 1(5.5%)(5.5%) 2 2(94.45%)(94

13、.45%)0.1860.000 Ra22688(镭镭)Rn22286(氡氡)20PPT课件21PPT课件二、衰变 中子过多的原子核发射电子（也称- -粒子： ) )，这种衰变过程叫做- -衰变. .1.1.- -衰变衰变( (- - decay) decay)：* 衰变的衰变的实质实质：* 衰变衰变式：式：（反中微子）（反中微子）* 位移法则：子体核在元素周期表中位于母体核后一位。位移法则：子体核在元素周期表中位于母体核后一位。* 子体核处于激发态；所以有子体核处于激发态；所以有射线射线和和反中微子反中微子射线射线伴随伴随射线射线发射出来发射出来。e01n10Qp0011QYAZ001XAZ0

14、.14260.0000(81%)(81%) Mo9942(钼钼)Tc9943(锝锝)22PPT课件2.+衰变衰变(+ decay):有些中子过少的原子核，当其基有些中子过少的原子核，当其基态能量较大时，质子态能量较大时，质子发发射正电子射正电子（也称为（也称为+粒子粒子： )；这种；这种衰变方式称为衰变方式称为+衰变衰变.* 衰变的衰变的实质：实质：* 衰变衰变式：式：* 位移法则：子体核在元素周期表中位于母体核前一位。位移法则：子体核在元素周期表中位于母体核前一位。*子核可以处于激发态；所以有子核可以处于激发态；所以有射线射线伴随伴随+ +射线射线发射。发射。* + +粒子与电子结合转变为粒

15、子与电子结合转变为双光子双光子(能量各为能量各为0.511MeV)发出发出。e01Qn0010p11QYAZ001XAZ0.5460.0000.378EC(43%)+ +(57%) 1.022MeVFe5226(铁铁)Mn5225(锰锰)（中微子）（中微子）23PPT课件- -衰变衰变+衰变衰变24PPT课件 在中子过少的原子核内部，质子可以俘获一个核外电子，发射一个中微子而转变为中子；这个衰变过程称为电子俘获. .3.3.电子俘获（电子俘获（electron captureelectron capture；ECEC）：）：* 衰变衰变式：式：（中微子）（中微子）* 位移法则：子体核在元素周期

16、位移法则：子体核在元素周期 表中位于母体核前一位。表中位于母体核前一位。* 子体核发出标识子体核发出标识X射线。射线。 探测探测电子俘获电子俘获的基础的基础。XAZQYAZ0010.6470.0000.392EC(1.7%)EC(98.2%) Sn11350(锡锡)In11349(铟铟)25PPT课件 K40P30Al28maxE26PPT课件三. 衰变和内转换* * 衰变( ( decay): decay): 射线是从原子核内发出的高能量光子流。原子核激发态的能级通过发出 射线的衰变方式称为 衰变. . 例子例子：99Tc的 衰变。衰变。* *内转换内转换(internal conversi

17、on)(internal conversion)：原子核原子核激发态的能级也可直接传递给核外内层电子，激发态的能级也可直接传递给核外内层电子，使电子从原子中飞出；结果使原子发出标识使电子从原子中飞出；结果使原子发出标识X射线。射线。基态基态激发态激发态能级能级（MeV)0.18110.14260.1405 射线射线0.000099TcmTc994327PPT课件28PPT课件第三节核衰变的规律* 衰变定律： 不稳定核素的衰变率 与现有的原子核个数N成正比，即： 一、衰变定律一、衰变定律* 自发过程遵循统计规律；自发过程遵循统计规律；利用初始条件利用初始条件: :t t=0=0时，时， N N=

18、 =N N0 0；对上式积分得到：；对上式积分得到： * 放射性物质按指数规律衰减放射性物质按指数规律衰减.dtdNNdtdNteNN029PPT课件二、衰变常数和半衰期 1、衰变常数衰变常数 (decay constant) ：单位单位：s-1物理意义物理意义：衰变常数：衰变常数越大的放射性核素，其衰变越大的放射性核素，其衰变越快。越快。2、半衰期半衰期T （half-life） ：定义定义：半衰期是放射性核素减少一半所需的时间。：半衰期是放射性核素减少一半所需的时间。表达式表达式： 物理意义物理意义：半衰期越小的放射性核素，其衰变越快。：半衰期越小的放射性核素，其衰变越快。衰变定律另一表式

19、：衰变定律另一表式：teNN002693. 02lnTTttNeNN)21(0030PPT课件3、平均寿命、平均寿命 T* 定义：放射性核平均生存的时间定义：放射性核平均生存的时间TTTT44. 1 2ln1或31PPT课件在核医学中,采用放射性物质做生物机体示踪剂.进入机体的放射性核素除因自身衰变而减少外,还可以通过机体的代谢排除体外.生物机体排出放射性核素的规律近似服从衰变定律：生物半衰期Tb ( biological half life),生物衰变常量b( biological decay constant).生物机体内放射性原子核的衰变定律：ttNNNebee0)(0其中e= + b称

20、为有效衰变常量(effective decay constant),它对应的半衰期为有效半衰期Te (effective half life).它与物理半衰期T和生物半衰期Tb的关系为be111TTT4、有效半衰期、有效半衰期Te32PPT课件三、放射性活度（radioactivity，A）* 放射性活度的国际单位称为贝可，记为Bq。 1Bq=1核衰变/秒。常用旧单位是居里，用Ci表示。1Ci=10-3mCi=10-6Ci1Ci=3.71010Bq=3.7104MBq* 定义：用单位时间内衰变的原子核数（定义：用单位时间内衰变的原子核数（dN/dt）来来表示放射性活度表示放射性活度 A (即放射性强度即放射性强度)。 A=-dN/dt 单位单位：核衰变核衰变/秒秒* 放射性活度放射性活度A的衰变规律：的衰变规律： tteAeNNdtdNA00TtAA21033PPT课件34PPT课件本章结束35PPT课件