1、第第 二十二二十二 章章 1 原子核物理简介原子核物理简介研究对象：原子核研究对象：原子核 主要内容：核的基本特性：核质量、核矩主要内容：核的基本特性：核质量、核矩核力核力 核模型核模型 核的放射现象核的放射现象 核反应核反应 原子能原子能 2 历史的回顾历史的回顾:1896 贝克勒尔贝克勒尔(A.H.Becquerel)铀铀 1897 居里夫妇居里夫妇(P.&M.Curie)钋、镭钋、镭 1899-1900?，?，?1903 卢瑟福卢瑟福?He，?e 1911 卢瑟福卢瑟福 原子的核式模型原子的核式模型 1919 卢瑟福卢瑟福?+14N?p+17O 1932 查德威克查德威克(J.Chadw
2、ick)发现中子发现中子 n 海森堡海森堡 原子核：质子、中子原子核：质子、中子n 放射现象放射现象 3 22-1 原子核的结构和基本性质 一、原子核的组成一、原子核的组成 原子核原子核 质子、中子组成质子、中子组成 1)1)核子核子 中子中子 mn=1.008665u q=0 质子质子 mp=1.007277u q=e 1 u?1.660566?10?24g2)原子核的符号表示：原子核的符号表示：AZ X (A=Z+Nn)Z为电荷数、为电荷数、Nn为中子数、为中子数、A为质量数为质量数(A=Z+Nn)24He,147N,168O,.,235U,238U4 22-1 原子核的结构和基本性质 1
3、23同位素：同位素：Z相同而相同而A不同的核素。如：不同的核素。如：1H1H1H3同量异位素：同量异位素：A相同而相同而Z不同的核素。如：不同的核素。如：1 H32H二、核素图二、核素图 5 22-1 原子核的结构和基本性质 三、原子核的大小三、原子核的大小?153r?r A原子核的半径：原子核的半径：01r0?1.2?10m?1.2 fm质量：质量：99.9%(原子质量原子质量)?27核密度：核密度：?m43?R3?141.66?10A4?151 3 3?(1.2?10A)3?36?2.3?10 g?cm22-1 原子核的结构和基本性质 四、四、原子核的结合能原子核的结合能 1.1.1+1?
4、2 1.氘核氘核(2H)的结合能的结合能 mp=1.007277u mn=1.008665u md=2.013552u=m +m-m=0.002388u pn d?mmp+mn=2.015942u 质量亏损质量亏损 2.原子核的结合能：原子核的结合能：当所有核子当所有核子(质子和中子质子和中子)由于相互吸引聚集成原由于相互吸引聚集成原子核时，会释放能量，以致出现子核时，会释放能量，以致出现“质量亏损质量亏损”，所释放的能量即定义为原子核的结合能。所释放的能量即定义为原子核的结合能。7 22-1 原子核的结构和基本性质 结合能结合能B：B?mc2?(Zmp?Nnmn)?m c222例如，一个质子
5、和一个中子组成氘核，则氘核的结合能：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)?mdc2?1.007825?1.008665?2.014102uc?0.002388uc?2.224(兆电子伏)比结合能：比结合能：原子核中每个核子的平均结合能。原子核中每个核子的平均结合能。?B/A比结合能越大，原子核结合越紧密比结合能越大，原子核结合越紧密;也越稳定。也越稳定。8 22-1 原子核的结构和基本性质 比结合能图比结合能图 (两头低、中间高两头低、中间高)获得原子能量的两种方法：获得原子能量的两种方法：(1)重核裂变。重核裂变。(2)轻核聚变。轻核聚变。9 22-1 原子核
6、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。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(He)?Nnc?0.018794uc?17.6(兆电子伏)聚变反应：聚变反应：2422?2.014102?3.016049?4.002603?1.008665ucD?T?He?n?17.6(兆电子伏)10 422-1 原子核的结构和基本性质 1938年，德国物理学家年，德国物理学家奥托奥托哈恩发现核裂变哈恩发现核裂变，开创了人类利用原子能的开创了人类利用原子能的新纪元。新纪元。美籍意大利裔物理美籍意大利裔物理学家恩里科学家恩里科费米的费米的“链链式反应式反应
7、”理论使原子核理论使原子核裂变反应成为现实。裂变反应成为现实。11 22-1 原子核的结构和基本性质 五、核力五、核力 核力是把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳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定的原子核(也包括不稳定的原子核也包括不稳定的原子核)的强大的束缚力。的强大的束缚力。核力出现于质子质子、中子中子、质子中子核力出现于质子质子、中子中子、质子中子之间，强度相等。之间，强度相等。1.1.核力一般性质核力一般性质 (1)核力是核力是强相互作用强相互作用，主要是，主要是吸引力。吸引力。(2)核力是短程力，作用半径核力是短程力，作用半径为为310-15m。(3)核力是与粒子
8、的带电状态完核力是与粒子的带电状态完全无关的强大的吸引力。全无关的强大的吸引力。f 0 12 r 22-2 原子核的衰变和衰变规律 一、一、指数衰变律指数衰变律 若：若：t=0时，时，N=N0；在；在dt内核衰变数为内核衰变数为-dN 则：则：?dN?Ndt?为比例系数，表示一个原子核在单位时为比例系数，表示一个原子核在单位时间内发生衰变的几率间内发生衰变的几率 称为衰变恒量。称为衰变恒量。?t指数衰变律指数衰变律 N?N e0二、二、半衰期半衰期 T1/2:放射性原子核衰减到原来数放射性原子核衰减到原来数目的一半所需要的时间目的一半所需要的时间.?T1N02?N0e2T1?2ln2?0.69
9、3?13 22-2 原子核的衰变和衰变规律 三、三、平均寿命平均寿命?dN?Ndt?N0edt?t?t?dN?N0?0?N0te dtN02?t?1?T1ln22?1.44 T1当当 t=?时时 N?N0e?1?37%N014 平均寿命后平均寿命后,剩下的原子核数目约为原来的定剩下的原子核数目约为原来的定 .37%22-3 核反应 核反应：核反应：一种元素在具有一定能量的粒子的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。轰击下衰变成另一种元素的现象。核反应一般表示式：核反应一般表示式：A?a?B?b如：如：第一个人工核反应：第一个人工核反应：?14N17?p?O78发现中子的核
10、反应：发现中子的核反应：?9Be?n?12C4615 22-4 原子核能的利用 一、原子核的裂变一、原子核的裂变?裂变分类：裂变分类：自发裂变自发裂变 诱发裂变诱发裂变?裂变机制：裂变机制：中子被核俘获后形成复合核，处于激发态的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。力使核的形变增大，最终发生裂变。?裂变能的利用：裂变能的利用：原子弹原子弹 反应堆反应堆 16 22-4 原子核能的利用 二、轻核聚变二、轻核
11、聚变 当二个轻核聚变为重核时，观察比结合能图，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比裂变大得多 实现聚变的途径：实现聚变的途径：1、引力约束聚变、引力约束聚变太阳能太阳能?质子质子-质子反应链质子反应链 碳碳-氮反应链氮反应链 2、惯性约束聚变、惯性约束聚变氢弹、激光氢弹、激光 3、磁约束、磁约束可控聚变反应可控聚变反应 17 22-5 基本粒子简介 一、一、“基本粒子基本粒子”的发现的发现?长期以来，人们一直在孜孜不倦地探索着物质的基长期以来，人们一直在孜孜不倦地探索着物质的基本组成，对物质结
12、构的认识有一个本组成，对物质结构的认识有一个 逐步深入逐步深入的过程。的过程。?人们曾经把当时所认识到的组成物质的最小基本单人们曾经把当时所认识到的组成物质的最小基本单元，称为元，称为“基本粒子基本粒子”，现在知道，基本粒子，现在知道，基本粒子 未必未必基本基本。?电子、光子、质子、中子的发现，相继为原子物理电子、光子、质子、中子的发现，相继为原子物理?子、子、介介学和原子核物理学奠定了基础，正电子、学和原子核物理学奠定了基础，正电子、子、中微子的发现，使人们感受到粒子物理的丰富子、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，促使内涵与独特的研究方式，促使 粒子物理粒子物理作
13、为一门独作为一门独立的学科出现。立的学科出现。18 22-5 基本粒子简介?粒子的种类很多，已发现的粒子有粒子的种类很多，已发现的粒子有 400多种多种.分类：分类：(1)(1)光子光子 静止质量为零；自旋量子数等于静止质量为零；自旋量子数等于 1 1（2 2）轻子轻子 不参与强相互作用的粒子。有些轻子参与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静止质量比 介子的质量小，自旋量子数为介子的质量小，自旋量子数为 1/21/2，包括，包括中微子、电子及正电子、正负中微子、电子及正电子、正负 子。子。（
14、3 3）强子强子 参与强相互作用的粒子。强子也参与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：用。根据自旋的不同，强子又分为介子和重子：19 22-5 基本粒子简介(1)(1)介子介子 自旋量子数为零，包括带正、负电荷自旋量子数为零，包括带正、负电荷和中性的和中性的 介子，带正、负电荷和中性的介子，带正、负电荷和中性的 K K介子以及介子以及 介子，它们的静止质量介于电子和质子之间。介子，它们的静止质量介于电子和质子之间。(2)(2)重子重子 自旋量子数绝大部分都是自旋量子数绝
15、大部分都是 1/21/2，包括核，包括核子子(中子和质子中子和质子)以及超子等。这些粒子的静止质量等以及超子等。这些粒子的静止质量等于或大于质子。于或大于质子。超子：超子：夸克模型：夸克模型：1960年前后，盖尔曼提出了一个对当时已知亚年前后，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、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，盖尔曼中子等一些粒子可能由一种新的粒子组成，盖尔曼20 给它取名夸克。给它取名夸克。22-5 基本粒子简介 二、基本粒子的相互作用二、基本粒子的相互作用 强相互作用强相互作用 强相互作用把夸克组成质子、
16、中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。这种相互作用强度最大，比电磁相互1212作用强作用强1010 倍。倍。电磁相互作用电磁相互作用 所有带电粒子间都存在电磁相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。作用的大小种作用是通过交换光子实现的。作用的大
17、小与带电粒子间的距离平方成反比。与带电粒子间的距离平方成反比。21 22-5 基本粒子简介 弱相互作用弱相互作用 有两种弱相互作用，一种是有两种弱相互作用，一种是有轻子有轻子(电子电子e e，中微子，子以及它们的反粒，中微子，子以及它们的反粒子子)参与的反应，如参与的反应，如 衰变，衰变，子的衰变以及子的衰变以及介子的衰变等；另一种是介子的衰变等；另一种是 介子和介子和 超子的超子的衰变。这两种弱相互作用的强度相同，都比衰变。这两种弱相互作用的强度相同，都比电磁相互作用弱电磁相互作用弱10101010倍。倍。引力作用引力作用 所有粒子之间都有引力相互作所有粒子之间都有引力相互作用，引力相互作用
18、的大小与粒子间的距离平用，引力相互作用的大小与粒子间的距离平方成反比。方成反比。22 作用作用 名称名称 相对相对 强度强度 强相互强相互作用作用 电磁相电磁相互作用互作用-2-21010 弱相互弱相互作用作用-12-121010 引力引力 作用作用-39-391010 1 1 短程，短程，力程（力程（m m）1010-15-15 特征时特征时-23-231010 间（间（s s）媒介子媒介子 作用作用 对象对象 长程长程 1010-20-20-1010-16-16 光子光子?带电带电 粒子粒子 短程，短程，1010-17-17-10-101010 长程长程 引力子引力子（预言）（预言）一切一切 物体物体 23 胶子胶子g g 1 1 g g 8 8 夸克夸克,胶胶子子,重子重子 中间玻中间玻色子色子 0 0W W，Z Z 强子、强子、轻子轻子
