1、原子核物理概论原子核物理概论 原子核的组成原子核的组成 放射性衰变的基本规律 衰变 衰变 衰变 核反应 原子核质量 裂变与聚变原子核组成原子核组成原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成 umprotonumneutronpn007277.1)(008665.1)(：质子质子：中子中子核子核子 AAZNXX原子核表示符号：（或）原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和电荷电荷。元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有关，而放射性现象则归因于原子核。外电子有关，而放射性现象则归因于原子核。(核素）核素）核素图
2、 核力：使核子组成原子核的作用力，属于强相互作用的类型，属于短程力。核结构模型“液滴模型”“费米气体模型”“壳层模型”“集体模型”。原子核物理概论原子核物理概论 原子核的组成原子核的组成 放射性衰变的基本规律 衰变 衰变 衰变 核反应 原子核质量 裂变与聚变放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律放射性(radioactivity)衰变：不稳定原子核自发地放射出各种射线后,转变为另一种原子核的现象.（1 1）指数衰变律）指数衰变律NdtdN 发生衰变的原子核数目 t 时刻未发生衰变的原子核数目时间间隔tNN 0e 是衰变常数，代表单个原子核在单位时间内发生衰变的概率，（2 2）半衰期）半衰期
3、半衰期半衰期T1/2 (half life period)：放射性核素的原放射性核素的原子核数目衰变到原来的一半所需要的时间。子核数目衰变到原来的一半所需要的时间。2 021NNTt 时，时，即：即：1/2001/21/2ln2ln2 eor=2TNNTT（）放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律（3 3）平均寿命）平均寿命平均寿命：平均寿命：放射性原子核在衰变前的平均生存时间。放射性原子核在衰变前的平均生存时间。212100 44.12 ln1 d TTNtNt 0100%37eeNNNN .在在t时刻，时刻，dt时间内发生衰变的原子核数目：时间内发生衰变的原子核数目：.（从初始时刻开始计
4、时）这些发生衰变的原子核原子核均存（从初始时刻开始计时）这些发生衰变的原子核原子核均存在了时间在了时间t，因此这部分原子核的总存在时间：，因此这部分原子核的总存在时间：0|ttdNNdt，N=N e,为 时刻原子核数目N ttd.所有原子核的总寿命：所有原子核的总寿命：0000tNtdtN etdtN.单个原子核寿命：单个原子核寿命：若将若将=1/代入代入N=N(t)：估算地球的年龄估算地球的年龄与数目相同，均为设设地地球球形形成成时时:N:N2382350UUat9109.5 目前目前238238U(TU(T1/21/2=4.5x10=4.5x109 9a a)占占99.3%99.3%，而而
5、235235U(TU(T1/21/2=0.70 x10=0.70 x109 9a)a)占占0.72%.0.72%.于是于是放射性衰变的基本规律的应用放射性衰变的基本规律的应用原子核物理概论原子核物理概论 原子核的组成原子核的组成 放射性衰变的基本规律 衰变 衰变 衰变 核反应 原子核质量 裂变与聚变24422,HeAAZZXYHe为的原子核（）能量守恒：rYXEEcmcmcm 222 衰变（衰变（He2+离子）离子）2 cmmmEEQYXr :衰变能衰变能 eHeeYYeXXmMmmZMmZmMm22 2)(cMMMQHeYX 0Q衰变条件原子核物理概论原子核物理概论 原子核的组成原子核的组成
6、 放射性衰变的基本规律 衰变 衰变 衰变 核反应 原子核质量 裂变与聚变1 ,AAZZeeXYe 衰变（电子）：为反中微子是核内一个中子转化为质子，放出电子和反中微子的过程。衰变衰变1 AAZZeeXYe 衰变：为中微子是核内一个质子转化为中子，放出正电子和中微子的过程。1 AAZZeECXeY轨道电子俘获（）：中子质子粒粒子子 )(ee 同一核子的两个不同的量子态开始注水时的超级神冈探测器萨德伯里中微子观测站原子核物理概论原子核物理概论 原子核的组成原子核的组成 放射性衰变的基本规律 衰变 衰变 衰变 原子核质量 核反应 裂变与聚变 衰变衰变,ululEhEEEE为原子核的上下能级（1 1）
7、一般性质）一般性质衰衰变变-d de ec ca ay y：从从放放射射性性核核素素的的原原子子核核内内放放射射出出 射射线线的的过过程程。60Co 的衰变纲图的衰变纲图MeV 50.2MeV 331.01 1 2 2%).(100 MeV3090 (T.)60601 21 2Co5 27 aCo5 27 a6060NiNi原子核物理概论原子核物理概论 原子核的组成原子核的组成 放射性衰变的基本规律 衰变 衰变 衰变 原子核质量 核反应 裂变与聚变原子核质量原子核质量 1 12 “”1.008 6651.007 2772.015 92.024213 55dnpnpmumummumu中子质量：质
8、子质量：两者氘核质量：之和：2/225.2390 002.0 cMeVummmmdnp 2()/AHnBMZMNmEc原子质量：忽略电子的结合能2:BHnAEZMNmMmc 或2mcEEB 结合能：结合能：2 2B B核核子子的的平平均均结结合合能能（比比结结合合能能）：E EE Emcmc =AAAAAA原子核质量原子核质量原子核平均结合能曲线原子核平均结合能曲线原子核物理概论原子核物理概论 原子核的组成原子核的组成 放射性衰变的基本规律 衰变 衰变 衰变 原子核质量 核反应 裂变与聚变核反应核反应原子核与原子核或原子核与其原子核与原子核或原子核与其它粒子（例如质子、中子、光子它粒子（例如质
9、子、中子、光子等）之间的相互作用引起的各种等）之间的相互作用引起的各种变化。变化。产生核反应的途径：产生核反应的途径：用放射源产生的高速粒子轰击原用放射源产生的高速粒子轰击原子核；子核；利用宇宙射线利用宇宙射线(cosmic ray)来进行来进行核反应；核反应；利用粒子加速器利用粒子加速器(accelerator)或反或反应堆应堆(reactor)来进行核反应来进行核反应核反应的表示方法：核反应的表示方法：R i ,l TRlTi)(或 入射粒子出射轻粒子靶原子核生成核（剩余核）（Target）(incoming particle)（outgoing light-weight particle
10、）(Residue nucleus)守恒量：守恒量：能量，动量，角动量能量，动量，角动量电荷数，核子数电荷数，核子数（1 1）著名的核反应）著名的核反应1 1、历史上、历史上第一个人工核反应第一个人工核反应2、第一个在加速器上实现的核反应第一个在加速器上实现的核反应 O p ,N OpN17141714 He p,LiLip477 第一个人工核反应实验简图第一个人工核反应实验简图氮气氮气荧光屏银箔显微镜源源 3、产生第一个人工放射性核素的产生第一个人工放射性核素的反应反应4、导致发现中子的核反应导致发现中子的核反应 P n ,Al PnAl30273027 C n ,Be CnBe129129
11、 （2 2）Q方程方程l)RT(i RlTi,根据能量守恒：R2R2T2T2 KcmKcmKcmKcmllii 定义反应能定义反应能Q：2()()()iTlRlRiTQmm(mmc KKKKQ0Q0Q0：放放能能核核反反应应Q=0:Q=0:弹弹性性散散射射2/ApnBmZmNmEc回顾：原子核质量（能量）关系：222222222()()()()()()()()()()()()()iTlRpnBpnBpnBpnBQmm(mmc Z i m cN i m cEiZ T m cN T m cETZ l m cN l m cElZ R m cN R m cER(R)()(T)BBBBQElEEiE（）
12、l)RT(i RlTi,原子核物理概论原子核物理概论 原子核的组成 原子核质量 原子核的自旋和磁矩 放射性衰变的基本规律 衰变 衰变 衰变 核反应 裂变与聚变裂变与聚变（1 1）裂变）裂变(fission)的发现的发现重核的裂变：一个重原子核分裂为两个或两个以上中等质量碎片的现象。原子核裂变的特点：原子核裂变的特点：裂变产物中含中子数很多裂变产物中含中子数很多裂变产物的质量分布很广裂变产物的质量分布很广3nKrBaUUn189144*236235 、YSrRbKr NdPrCeLaBa89898989144144144144144 n2SrXeUUn294140*236235 、BrYSr C
13、eLaBaCsXe949494140140140140140 （2 2）裂变机制）裂变机制液滴模型(4)裂变能量及其利用裂变能量及其利用(3)自发裂变自发裂变(SF)(R)()(T)(Kr)()BBBBBBBQElEEiEEEEU（）（Ba）l)RT(i RlTi,链式反应链式反应(chain reaction)U235U235U235中子维持链式反应的条件：维持链式反应的条件：10 NNK前前一一代代中中子子数数每每一一代代中中子子数数增增殖殖系系数数：临临界界体体积积：能能保保证证 的的裂裂变变物物的的最最小小体体积积。临临界界质质量量：临临界界体体积积的的裂裂变变物物所所具具有有的的质质
14、量量。K1 反应堆反应堆(reactor)减速剂控制棒控制棒屏蔽体燃料元件反应堆用途：反应堆用途：原子能动力原子能动力 制造放射性同位素制造放射性同位素 产生大量中子产生大量中子 产生核燃料产生核燃料原子弹原子弹(A-bomb)（5 5）轻核聚变）轻核聚变(fusion)(R)()(T)BBBBQElEEiE（）l)RT(i RlTi,（5 5）轻核聚变）轻核聚变(fusion)轻核的聚变（核聚变）：轻核的聚变（核聚变）：轻原子轻原子核聚合成较重原子核的核反应。核聚合成较重原子核的核反应。MeV 3.81HHeHeHMeV 17.6nHeHHMeV 4.0HHHHMeV 3.25nHeHH11
15、423221104231211131212110322121 核聚变的特点：核聚变的特点：-与核裂变相比，释放的能量更大（与核裂变相比，释放的能量更大（4 4倍）倍）-聚变材料十分丰富聚变材料十分丰富-聚变产物基本上是稳定氦核，无放聚变产物基本上是稳定氦核，无放射性，不污染环境。射性，不污染环境。MeV 1534n2H2He2H610114221.库伦势能：库伦势能：每一个每一个d核核72keV，对应温度，对应温度108K！除温度外，还需要：密度足够大，维除温度外，还需要：密度足够大，维持时间足够长。持时间足够长。因此，聚变反应更难发生。因此，聚变反应更难发生。(6)太阳能太阳能引力约束聚变引
16、力约束聚变碳氮循环 He42C126C136N137N147N157O158PPPP e e 14124 HHe2226.7 MeVe14124 HHe2226.7 MeV2 2、质子、质子质子循环质子循环（7）氢弹氢弹(h-bomb)惯性约束聚变惯性约束聚变1643032123411120nLiHeH4.9 MeVHHHen17.58 MeV上上述述反反应应条条件件是是裂裂变变产产生生的的高高温温高高压压环环境境，因因此此目目前前人人类类还还无无法法控控制制聚聚变变的的反反应应速速率率。稳定器稳定器引爆装置引爆装置弹壳弹壳氘和锂氘和锂铀或钚块铀或钚块裂变与聚变的和平利用裂变与聚变的和平利用国际原子能机构
