主要內(nèi)容：1.原子核物理的研究對(duì)象2.原子核的基態(tài)特性3.天然放射性4.核反應(yīng)及原子能的利用第七章

原子核物理概論§29原子核物理的研究對(duì)象一、歷史回顧1896

年

，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的放射現(xiàn)象；1897年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素釙和鐳；1899年，1900年發(fā)現(xiàn)α,β射線和γ射線；1903年，盧瑟福證實(shí)了α射線是帶正電的氦原子，B

射線是電子；

1911年，盧瑟福提出原子的核式模型；1919年，盧瑟福首次實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)；1932

年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子；海森伯提出原子核由質(zhì)子和中子組成；1934年，約里奧.居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性；1939年，哈恩和史特拉斯曼在用中子轟擊重元素鈾的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)有中間質(zhì)

量的元素產(chǎn)生；梅特納和弗里什提出用鈾原子核分裂成兩半的產(chǎn)物解釋實(shí)驗(yàn)

結(jié)果；玻爾和惠勒提出了重核裂變的液滴模型理論；1942年，費(fèi)米等發(fā)明熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆；1945

年，奧本海默領(lǐng)導(dǎo)的美國洛斯.阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室制成快中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置；1952年，泰勒等實(shí)現(xiàn)了輕元素的熱核爆炸；1954年，蘇

聯(lián)建成第一個(gè)原子能發(fā)電站；質(zhì)子：帶一個(gè)單位正電荷mp=1.007277u1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子：二、原子核的組成1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子：銀圖5-

1盧瑟福實(shí)現(xiàn)第

一

個(gè)人工核反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖5-3查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)裝置S顯微鏡mn=1.008665u氮?dú)?/p>

氮?dú)庠雍耸怯少|(zhì)子p和中子n組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。原子核

中的核子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)分別以

A.Z和

N表示，它們滿足

關(guān)系A(chǔ)=Z+N·

一種原子核，用符號(hào)

4X

表示。例如符號(hào)：

·

同位素：Z相同而N

不相同的原子核。

例

如

：

2

92U·

同中子異位素：N

相同而Z

不相同的原子核。例

如

：

35P,

·

同量異位素：

A相

同

而Z和

N

不相同的原子核。例如：

3H,HeNumberofneutrons,N三、核素圖Numberof

protons,Z235AmRaRa208已短核素囊定核素近物所笆次合成的重質(zhì)量新旅煮

近物所研究過的核熹重質(zhì)量區(qū)部分核素圖189w185核

素135Gd121Ce69Kr153Er157Yb129Ce130Ce研究內(nèi)容新

核

素新

核素衰變性質(zhì)衰變綱圖衰變綱圖衰變綱圖衰變綱圖半

壽命1.1秒1.1秒32毫秒37.1秒39.0秒4.1分22.9分衰變性質(zhì)B延發(fā)質(zhì)子B延發(fā)質(zhì)子B延發(fā)質(zhì)子B衰變B衰變B衰變B衰變蘭州近代物理研究所利用HIRFL合成的新核素、

首次建立的核衰變綱圖及部分研究過的核素N

中

子

數(shù)稀土區(qū)和中等質(zhì)量區(qū)質(zhì)子滴線附近新核素合成和研究239Pa原子核質(zhì)量虧損△m△m=Zmp+Nm-m=ZMH+Nmn-M原子核的結(jié)合能，用

B表示§30核的基態(tài)特性之一：核質(zhì)量一

、

原子核的質(zhì)量虧損和結(jié)合能B也代表把原子核拆散時(shí)所需做的最小功的數(shù)值。核子的平均結(jié)合能(比結(jié)合能):

B/A(1)輕核和重核的比結(jié)合能都小于中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能，這一事實(shí)是

核能得以利用的基礎(chǔ)。(2)

獲得核能的途徑有兩個(gè)：重核裂變和輕核聚變。(2)質(zhì)量數(shù)在30

以上的原子核中，比結(jié)合能隨

A

的變化不大，近

似為一常量。這顯示了核子只與鄰近核子作用，核力具有飽和性(3)在質(zhì)量數(shù)小于30

的原子核中，比結(jié)合能的數(shù)值就其總的趨勢(shì)來講是隨

A

的增大而增大，但有明顯的起伏。>

討論

質(zhì)量數(shù)A二

、半經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量公式1935年，魏扎克(Weizacker)

根據(jù)液滴模型給出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)

核質(zhì)量公式.將原子核比作一個(gè)密度極大的、不可壓縮的液滴。原子核結(jié)合能的半經(jīng)驗(yàn)公式：體積能ayA表面能2/3庫侖能魏扎克(Weizacker)

公式：對(duì)稱能

對(duì)能a

S

A從實(shí)驗(yàn)定出：av=15.8MeVas=18.3MeVac=0.72MeVas

ym=23.2MeVap=11.2MeV強(qiáng)電磁弱萬有引力相對(duì)強(qiáng)度110-210-1310-39力程~10-15m<∞~10-1?m<0○大于10?1?

m,

核力消失。(2)飽和性。核子只與它相鄰的核子有相互作用。

Bα

A§31

核力一、核力的基本性質(zhì)(1)短程、強(qiáng)相互作用。(3)核力與電荷無關(guān)。Fpp=Fnn=Fpn(4)核力與自旋有關(guān)。兩核子之間的核力與它們的自旋的相對(duì)取向有關(guān)。二、核力的介子理論1935年，湯川秀樹提出了核力的介子理論：核力是一種交換力，核子之間通過交換某種媒介粒子而發(fā)生相互作用，并估計(jì)這種媒介

粒子的質(zhì)量約為電子靜止質(zhì)量的200倍，介于質(zhì)子和電子質(zhì)量之間，

故稱為介子。1947

年，鮑威爾在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了介子，稱為π介子，

有

π

、

π

、π

?三種，質(zhì)量分別為：=273.3m

m

。=264mm=m(a)(b)(c)(d)中子和質(zhì)子、中子和中子、質(zhì)子和質(zhì)子的相互作用不同核子的相互作用通過發(fā)射或吸收π介子而產(chǎn)生，相當(dāng)

于兩核子之間的位置發(fā)生交換，核力為交換力?！?2核的基態(tài)特性之二：核矩一、核自旋原子核具有角動(dòng)量，常稱為核自旋，它是核內(nèi)A

個(gè)核子

的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的矢量和。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子核基態(tài)的自旋量子數(shù)有如下規(guī)律：◆奇A

核的自旋量子數(shù)都是半整數(shù)?！襞糀核的自旋量子數(shù)都是整數(shù)，其中偶偶核的自旋◆

都為零；μp,s=2.79μnμn,s=-1.91μn8p,s=5.68n.1=0gn,s=-3.82二、核子磁矩核磁子三、核

磁

矩質(zhì)子、中子和原子核都具有磁矩，核磁矩為μ=

g?

μnIμ,z=g?μN(yùn)m

m

=I,I-1,.

…

-(I-1),-I四

、電四

極

矩對(duì)于任意的帶電體系，它在x

處產(chǎn)生的電勢(shì)為當(dāng)

Q=0

時(shí)，核電荷分布呈球形Q>0

時(shí)，呈長橢球形Q<0

時(shí)，呈扁橢球形電四極矩是量度原子核電荷偏離球?qū)ΨQ的程度.原子核的電偶極矩恒等于零，電四極矩定義為：§33

放射性衰變的基本規(guī)律放射性衰變：核素自發(fā)地放射出某種射線而變成另一種核素的現(xiàn)象。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的放射性衰變模式：1.衰變：放出帶兩個(gè)正電荷的氦原子核。2.

β衰變：放出電子(或正電子),同時(shí)放出反中微子(或中微子)。3.Y衰變：放出波長很短(小于0.01nm)的電磁輻射。4.自發(fā)裂變：原子核自發(fā)分裂為兩個(gè)或幾個(gè)質(zhì)量相近的原子核。放射現(xiàn)象的研究是獲悉原子核內(nèi)部狀況的重要途徑之一。二

、半衰期和平均壽命半衰期放射性核素衰變其原有核數(shù)一半所需時(shí)間。平均壽命:每個(gè)原子核衰變前存在時(shí)間的平均值。(1)平均壽命為衰變常量的倒數(shù)，是半衰期的1.44倍(2)經(jīng)過時(shí)間

后，剩下的原子核數(shù)約為原來的37%衰變常數(shù)λ:代表一個(gè)原子核在

單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率。一

、指數(shù)衰變律dN=-λNdt說明單位：貝克勒爾(Bq),居里(Ci).

1Bq=1次核衰變/秒1Ci=3.7×101?次核衰變/秒=3.7×101?Bq四

、半衰期的測(cè)定In.AlnA=InA?-λth

對(duì)于半衰期特別長的核素三、放射性活度放射性活度A:放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。InN04

8

12

16

20

(天)§34

α

衰

變一、α衰變條件二、α衰變能與核能級(jí)圖myVγ=maVa根據(jù)能量守恒定律：衰變條件：

E?>0測(cè)得α粒子的

動(dòng)能有六種α粒子能譜具

有分立特性

一原子核具

有分立的能

量狀態(tài)。此外有能量不

同的五種Y

射

線

。(MeV)α0α25.7

5.9

6.1212Bi→28T1+α05.3

5.5相

對(duì)

強(qiáng)

度

】6.3α1二、

穆斯堡爾效應(yīng)穆斯堡爾效應(yīng)：一種原子核無反沖的γ射線共振散射或吸收現(xiàn)象。1.

射線對(duì)核的反沖一個(gè)質(zhì)量為

m的自由核，從激發(fā)態(tài)E2躍遷到基態(tài)E1,發(fā)射

一個(gè)能量為E

、動(dòng)量為

P的光子。設(shè)核原來靜止，按動(dòng)

量守恒定律，核反沖動(dòng)能為一般核發(fā)射的γ射線能量約為MeV

的數(shù)量級(jí)，ER<E

。

故根據(jù)能量守恒定律，發(fā)射的

光子的能量為(發(fā)射光子的能量)

T=1.41×10??sm=56.9354u反沖能量：

ER≈2.0×10?3eV

(

E,

偏離E

為103

eV

的數(shù)量級(jí))激發(fā)態(tài)能級(jí)寬度：

可見反沖能量ER

比起

E是個(gè)小量，但ER

比起核激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度

卻是個(gè)大量，要大約6個(gè)數(shù)量級(jí)。這正是人們觀察不到

γ射線共振吸收的原因所在!

和E,相

差·

以

57Fe為例P(吸收光子的能量)(3)產(chǎn)生第一個(gè)人工放射性核素的反應(yīng)α+27Al→n+30P

2

7Al(a,n)30P(4)導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)α+?Be→n+12C?Be(α,n)12C核反應(yīng)一般可用方程表示為i+T→l+R

T(i,l)R核反應(yīng)的守恒律電荷數(shù)守恒：反應(yīng)前后總電荷數(shù)不變；核子數(shù)守恒：反應(yīng)前后核子數(shù)不變；角動(dòng)量守恒：反應(yīng)前后體系的總角動(dòng)量守恒；動(dòng)量守恒：反應(yīng)前后體系的總動(dòng)量守恒；能量守恒：反應(yīng)前后粒子的總能量守恒；二、Q方程核反應(yīng)

i+T→l+R靜質(zhì)量：

m;

mT

m?

mR動(dòng)

能

：

K

K

K?

KRm;c2+K;+mTc2+K=m,c2+K?+mRc2+K反應(yīng)能

Q=[(m;+m)-(m+mR)]c2=(K?+KR)-(K;+K)Q>0

稱為放能反應(yīng)；Q<0

稱為吸能反應(yīng)。動(dòng)量守恒：P;=P?+PR(Pr=0)p2=p2+p2-2p;p?cosθ

p2=2mK核反應(yīng)的Q

方程例1試計(jì)算6Li(d,α)?He

反應(yīng)的反應(yīng)能。MLi=6.015123u

Ma=4.002603

u

Ma=2.0141022ulu=931.5MeV/c2對(duì)于吸熱核反應(yīng)：

Q<0要滿足：u2+w≥0,入射粒子(核)的動(dòng)能必須大于反應(yīng)閾值Q方程的另一種表達(dá)形式cosθ§38

裂變與聚變一

、核裂變—

—取得核能的重要途徑之一使一個(gè)重原子核分裂成為兩個(gè)或兩個(gè)以上中等質(zhì)量原子核的過程，

稱為核裂變。例如：235U

在慢中子的轟擊下，可發(fā)生裂變反應(yīng)(一個(gè)235U核裂變，可釋放出約211MeV的能量)核裂變1945年8月6日日本廣島代號(hào)“小男孩”292

U→233Np+e?+293

Np→239Pu+e?+V1964年10月16日我國自行

研制的第一顆原子彈232U+n→232U+y·

原

子

彈23U+n→

S6Ba+%Kr+3

。n超臨界質(zhì)量推進(jìn)劑

次臨界質(zhì)量a.

槍

法次臨界

化學(xué)

超臨界b.

內(nèi)

爆

法核彈裝置示意圖質(zhì)量

炸藥質(zhì)

量

、(核反應(yīng)堆)(2)1954年6月27日，第一座功率為5000

千瓦的核電站在前

蘇聯(lián)建成。立陶宛大約82%的電靠核電，此比例為世界之

最。(3)秦山核電站是我國于1991年自行設(shè)計(jì)并建成的，其功率

為300兆瓦。說

明(1)化學(xué)反應(yīng)中一個(gè)原子能夠提供

的化學(xué)能不到10eV,

與一個(gè)核裂變能相比要小10-7倍。1kg

的235U全部裂變所釋放出可

利用的核能，約相當(dāng)于2500t

標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所釋放出的熱能!冷蒸氣

發(fā)電機(jī)雄芯安全殼高壓熱水控制棒熱蒸氣汽輪機(jī)主泵蒸氣

發(fā)生器核電站的工作原理示意圖燃料棒反應(yīng)堆凝汽器給水泵熱水冷水大亞灣核電站夜景德國Byron核電站外景二、核聚變——取得核能的又一重要途徑使兩個(gè)很輕的原子核聚集變成為一個(gè)稍重的原子核的過程，稱為核聚變。氘核聚變

d+d→3He+n+3.25MeVd+d→3H+p+4.0MeVd+3H→4He+n+17.6MeV實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兊臈l件：(1)(10KeV),形成正離子與等量電子同時(shí)存在的等離子體■(2)勞遜判據(jù)：等離子體密度n和存在時(shí)間nτ=101?s/cm36d→2?He+2p+2n+43.15MeVT=108K聚變2H裂變一個(gè)核7.2MeV211.5MeV一個(gè)核子3.6MeV0.9MeV一千克21.6×102?MeV5.418×102?MeVp+14N→

1?0

+γ150→

15N+e++vp+1?N→