1、第五章第五章 核物理核物理一、原子核的基本性质与组成一、原子核的基本性质与组成二、原子核的结合能和核力二、原子核的结合能和核力三、原子核的衰变三、原子核的衰变四、核反应（自学）四、核反应（自学）5.1 原子核的基本性质与组成原子核的基本性质与组成一、原子核的组成一、原子核的组成 原子核：质子中子原子核：质子中子质子带有与电子等量的正电荷质子带有与电子等量的正电荷质量为电子质量的质量为电子质量的1836.12倍倍中子不带电，质量为电子的中子不带电，质量为电子的1838.65倍。倍。核子核子：质子和中子的统称。：质子和中子的统称。原子序数原子序数Z ：原子核中质子数目。原子核中质子数目。质量数质量
2、数A：原子核中质子和中子的总数。原子核中质子和中子的总数。原子核的表示原子核的表示：XAZ如：如：O;H16811同位数：同位数：原子序数相同而质量数不同的原子。原子序数相同而质量数不同的原子。e.g.自然界中氢有三种同位素，即分别称为自然界中氢有三种同位素，即分别称为氢核、氘核（又称重氢）和氚核。氢核、氘核（又称重氢）和氚核。);T(H);D(H;H3131212111即：即：“原子质量单位原子质量单位”:碳同位素的原子核质量的碳同位素的原子核质量的1/12。以以amu或或u表示：表示：1u=1.66056610-27Kg 二、二、原子核的大小与密度原子核的大小与密度实验发现310ArR r
3、0=1.21015m=1.2fm（飞米）飞米）E.g.和和 的核半径分别为的核半径分别为4.6fm和和7.4 fmF56U238核的密度都相等，比地球平均密度大核的密度都相等，比地球平均密度大1014倍倍)m/kg(103.2A)102.1(34A1067.1Vm31731527 三、三、原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩1.核自旋（原子核的自旋角动量）核自旋（原子核的自旋角动量）核子的轨道角动量与自旋角动量之和。核子的轨道角动量与自旋角动量之和。)1I(IL 自旋量子数自旋量子数质子和中子的自旋量子数均为质子和中子的自旋量子数均为1/2(费米子），费米子），质量数质量数A为奇数，为奇数，I
4、是是1/2的奇数倍，的奇数倍，质量数质量数A为偶数，为偶数，I为正整数或零。为正整数或零。核核自旋（量子数）自旋（量子数）磁矩磁矩1103/23/29/2+0.8565 N-0.8213 N+3.2532 N+2.215 N+5.49 ND21i63Li73LO168a2311Nn11349I核的自旋角动量在任何一方向的分量核的自旋角动量在任何一方向的分量Lz也也是量子化的是量子化的lzmL 自旋磁量子数自旋磁量子数021,),1I(,Iml或或 2.核磁矩核磁矩质子的轨道磁矩质子的轨道磁矩Lm2epL 其在其在z轴方向的投影：轴方向的投影：lNlpzpz,Lmmm2eLm2e T/J1005
5、7.5m2e27pN 核磁子核磁子质子和中子的自旋磁矩质子和中子的自旋磁矩S)m2e(gpss gsg因子因子其在其在z轴方向的投影：轴方向的投影：sNsspsz,smgm)m2e(g 21ms 由于由于 质子质子 gs,p=5.5857 中子中子gs,n=-3.8261 T/J104106.17928.226Nz,p T/J109662.09131.126Nz,n Notice:中子有带正电的内核和带负电的外壳中子有带正电的内核和带负电的外壳核磁矩核磁矩Im2egp 在在z轴方向的分量：轴方向的分量：INIpzpzmgm)m2e(gI)m2e(g 四、四、核磁共振核磁共振核磁矩比原子磁矩还要
6、小一千倍左右，如核磁矩比原子磁矩还要小一千倍左右，如何测量核磁矩？何测量核磁矩？拉比拉比(I.I.Rabi)首创了核磁共振法首创了核磁共振法纯水，纯水，水分子中的电子磁矩相互抵消，水分子中的电子磁矩相互抵消，氧原子核的磁矩为零，所以水分子的磁矩氧原子核的磁矩为零，所以水分子的磁矩仅由氢核（质子）提供仅由氢核（质子）提供 磁矩平行于磁场的态为低能态，反平行磁矩平行于磁场的态为低能态，反平行B的为高能态的为高能态热平衡时，处于低能态上质子数稍多于热平衡时，处于低能态上质子数稍多于高能态上的质子数高能态上的质子数将电磁波加于水的样品，当其频率满足B2hp 即即hB2hp 质子将吸收电磁波的能量，在两
7、能态之间发生共振跃迁核磁共振在外磁场中原子核吸收特在外磁场中原子核吸收特定电磁波的现象定电磁波的现象 乙醇（C2H5OH）的核磁共振谱线利用氢核的核磁共振的利用氢核的核磁共振的医疗诊断医疗诊断人体内部大部分是水，这些水以及富含氢的分子的分布可因种种疾病发生变化5.2 原子核的结合能和核力原子核的结合能和核力一、一、原子核的质量亏损和结合能原子核的质量亏损和结合能原子核的质量亏损Dm原子核的质量小于组成它的质子和中子质量之和，两者之差称为。由质能关系E=mc22mcED DD D Nnpm)NmZm(m D D原子核的结合能原子核的结合能Eb质子、中子组成原子质子、中子组成原子核时放出能量核时放
8、出能量反之要使原子核分解为单反之要使原子核分解为单个的质子和中子也必须给个的质子和中子也必须给予等值的能量予等值的能量 2N2npbcmc)NmZm(E 原子核质量原子核质量平均结合能（又称比结合能平均结合能（又称比结合能e e）原子核的结合能原子核的结合能EB与质量数与质量数A之之比比AmcAE2bD De e 核子的比结核子的比结合能愈大，合能愈大，原子核就愈原子核就愈稳定稳定 1.最轻核和最重核比结合能较小，最轻核和最重核比结合能较小，2.大多数中等质量的核，比结合能近似地相大多数中等质量的核，比结合能近似地相等，都在等，都在8MeV左右，中等质量的核最为稳左右，中等质量的核最为稳定。定
9、。3.当重核裂变成为中等质量的核，或轻核聚当重核裂变成为中等质量的核，或轻核聚变为质量较大的核时，都将释放出巨大的变为质量较大的核时，都将释放出巨大的核能核能 长约3cm的“LittleBoy”型原子弹二、二、核力核力核子之间一定存在着另一种很强的核子之间一定存在着另一种很强的相互作用力。相互作用力。它将核子紧密地结合在一起形成原子核。它将核子紧密地结合在一起形成原子核。性质：性质：(1)核力与核子的电荷无关核力与核子的电荷无关。质子与质子之间、中子与中子之间、质子与中子之间的核力都是相同的。(2)核力是短程力。核力是短程力。其作用范围在10-15m以内r(fm)U(r)/Mev1-10010
10、02002核力势能曲线核力势能曲线强力是一种多体力不可叠加强力是一种多体力不可叠加类比：两个原子类比：两个原子残余电磁力残余电磁力两个核子两个核子残余残余色力色力核子由夸克组成核子由夸克组成夸克：色荷作为夸克：色荷作为“内禀性质内禀性质”色荷：色荷：红红、绿绿、蓝蓝具有相互作用力具有相互作用力核力也是一种交换力核力也是一种交换力1935年日本物理学家汤川秀树提出了核力年日本物理学家汤川秀树提出了核力的介子理论的介子理论核子之间的相互作用是通核子之间的相互作用是通过一个核子放出一个过一个核子放出一个 介子、另一个核子介子、另一个核子吸收这个吸收这个 介子而形成的。介子而形成的。介子有三种带电状态
11、：+（带正电）、（带负电）、0（中性）。质子和质子、中子和中子之间交换的是0介子，交换前后各个核子的电荷不变；质子和中子之间交换的是+、介子 核子之间通过交换介子产生核力核子之间通过交换介子产生核力5.3 原子核的衰变原子核的衰变放射性放射性衰变（蜕变）衰变（蜕变）不稳定核通过释放某些粒子而趋于稳定的过程。一、一、a a 衰变衰变a a粒子从原子核内逃逸出的现象粒子从原子核内逃逸出的现象e42Ha a粒子即粒子即如：如：一般有一般有e424A2ZAZHYX 伴随着伴随着a a 衰变有能量释放，释放的能量以衰变有能量释放，释放的能量以a a 粒子的动能形式带走粒子的动能形式带走Mev)mmm(4
12、8.931c)mmm(Eyx2yxa aa a a a 粒子，在核表面就形成一个势垒（书粒子，在核表面就形成一个势垒（书P211图）图）衰变过程就是衰变过程就是a a 粒子穿过势垒从原子核放粒子穿过势垒从原子核放射出去的一个射出去的一个隧道效应隧道效应过程过程粒子和子核间形成的库仑势能粒子和子核间形成的库仑势能r4Ze2)r(U02ee 逃出的逃出的a a 粒子能量比峰值低得多。粒子能量比峰值低得多。见书（见书（P212例例5.5）二、二、b b 衰变衰变当一个原子核发出一个当一个原子核发出一个b b 粒子后，原粒子后，原子核的原子序数增加子核的原子序数增加1，而质量数不变。，而质量数不变。b
13、 b粒子粒子电子电子1927年泡利，提出年泡利，提出b b 衰变时除放出电子外，衰变时除放出电子外，还同时放出一个还同时放出一个“不可检测的、很轻的、中性不可检测的、很轻的、中性粒子，费米粒子，费米(E.Feimi)将其称为将其称为“中微子中微子”b b衰变有两种衰变有两种1.中子衰变，变成质子，放出电子和中子衰变，变成质子，放出电子和反中微子反中微子自然界中存在自然界中存在2.质子衰变，变成中子放出正电子和中微子质子衰变，变成中子放出正电子和中微子在人工放射性中发现在人工放射性中发现e eepn eenp 电子俘获：电子俘获：即原子核俘获了与它最接近的内即原子核俘获了与它最接近的内层电子，使
14、核内一个质子转变成中子，同时层电子，使核内一个质子转变成中子，同时放出一个中微子。放出一个中微子。b b 衰变的逆过程，即质子吸收反中微子转变衰变的逆过程，即质子吸收反中微子转变成中子，同时放出一个正电子成中子，同时放出一个正电子nenep enpe b b衰变是一种弱相互作用过程，它的衰变是一种弱相互作用过程，它的强度只有电磁相互作用的强度只有电磁相互作用的1012倍倍 三、三、g g 衰变衰变原子核放出光子的过程称为原子核放出光子的过程称为g g 衰变。衰变。当原子核发生当原子核发生a a 、b b 衰变时，往往衰变到衰变时，往往衰变到核的激发态核的激发态向低激发态或基态向低激发态或基态跃
15、迁跃迁，同时放出，同时放出g g 光子，光子，产生产生g g 射线。射线。核的能级间隔为核的能级间隔为100KeV到到1Mevg g 射线的光子能量非常大，其波长比射线的光子能量非常大，其波长比X X射线射线更短。更短。四、四、放射性衰变定律放射性衰变定律单位时间内因衰变而减少的核数单位时间内因衰变而减少的核数-dN/dt，与与衰变前的核数衰变前的核数N成正比成正比NdtdN t0eNN 其中，其中，t=0时，原子核的数目为时，原子核的数目为N0放射性定律放射性定律两个重要参数两个重要参数1.半衰期半衰期放射性同位素的原子核数目衰变减少放射性同位素的原子核数目衰变减少到原有的一半所经历的时间，
16、用到原有的一半所经历的时间，用T1/2表示表示21T0eN2N 693.02lnT21 E.g.Ca发生发生b b 衰变的半衰期是衰变的半衰期是164d（天），（天），而而212Po发生发生a a衰变的半衰期是衰变的半衰期是3107s2.平均寿命平均寿命设在设在t t+dt时间内衰变了（时间内衰变了（dN）个核，每个核，每个核的寿命为个核的寿命为t21210T44.12lnT1NtdteNN)dN(t00t00N0 五、五、放射性强度放射性强度(活度）活度）放射性物质单位时间发生衰变的原放射性物质单位时间发生衰变的原子核数目子核数目t0t0eANeNdtdNA A的单位的单位居里（居里（Ci），），较小的单位有毫居里和微居里较小的单位有毫居里和微居里1Ci=3.71010S100NA 起始活度起始活度1Ci=3.71010Bq放射性强度的另一种单位是放射性强度的另一种单位是Bq(贝克勒贝克勒尔尔)，Bq就是单位时间的衰变一个核就是单位时间的衰变一个核
