1、第九章 原子核和基本粒子簡(jiǎn)介,9.1 原子核的基本性質(zhì),1.原子核的電荷,原子核帶正電，原子核的電荷數(shù)就是這化學(xué)元素的原子序數(shù)，也等于中性原子的核外電荷數(shù)。,2.原子核的組成,由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。核子的自旋為1/2。質(zhì)子（p)、中子(n)的質(zhì)量：,原子質(zhì)量單位,3.原子核的質(zhì)量,原子核的質(zhì)量，可以由原子質(zhì)量推算，也可以由核子的數(shù)目推算。,原子的質(zhì)量 = 原子核的質(zhì)量 + 所有電子質(zhì)量 相當(dāng)于所有電子結(jié)合能的數(shù)值（可忽略）。,原子核的質(zhì)量 = 所有核子的質(zhì)量 相當(dāng)于所有核子結(jié)合能的數(shù)值。,采用原子質(zhì)量單位，原子（核）的質(zhì)量接近一整數(shù)，這整數(shù)稱為原子（

2、核）的質(zhì)量數(shù) ，A。,它們的化學(xué)和一般物理性質(zhì)幾乎相同，但核性質(zhì)完全不同！,4.原子核的大小和形狀,原子核的形狀一般為近似橢球，其長(zhǎng)短半軸之比一般不大于5/4，可近似看作球形。核電四極矩是核偏離球形的量度。,由實(shí)驗(yàn)得到核半徑的經(jīng)驗(yàn)公式：,原子核的密度近似為一常數(shù)，而且核的密度非常大。,5.核自旋和核磁矩, 核自旋 質(zhì)子和中子都是費(fèi)米子，具有自旋角動(dòng)量量子數(shù)1/2。核的角動(dòng)量是中子的自旋、質(zhì)子的軌道和自旋之和。習(xí)慣上也稱它為原子核的自旋。原子核自旋角動(dòng)量:,I ：核自旋角動(dòng)量量子數(shù)。為整數(shù)或半整數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：,偶-偶核（中子和質(zhì)子數(shù)都為偶數(shù)）自旋為零；,奇-偶核自旋為半整數(shù)；,奇-奇核自旋為整數(shù)

3、；, 核磁矩,g 由實(shí)驗(yàn)確定，有正有負(fù)。,6.核的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和宇稱, 統(tǒng)計(jì)性質(zhì)：描述全同粒子交換時(shí)波函數(shù)的對(duì)稱性 。兩個(gè)全同原子核對(duì)換，即將兩核中的核子一一交換。核子每交換一次，體系波函數(shù)改變一次符號(hào)（核子是費(fèi)米子），總的符號(hào)改變次數(shù) （-1）A 。,對(duì)質(zhì)量數(shù)A為奇數(shù)的核，交換兩核，體系波函數(shù)符號(hào)改變，即該種核屬費(fèi)米子。,對(duì)質(zhì)量數(shù)A為偶數(shù)的核，交換兩核，體系波函數(shù)符號(hào)沒改變，即該種核屬玻色子。,宇稱：描述微觀粒子體系狀態(tài)的波函數(shù)在空間反演變換下的奇偶性的物理量。 （x，y，z）= （-x，-y，-z） （偶宇稱） （x，y，z）= - （-x，-y，-z ） （奇宇稱）,在電磁和強(qiáng)相互作用情形，

4、孤立體系的宇稱不會(huì)從偶性變?yōu)槠嫘曰驈钠嫘宰優(yōu)榕夹浴?宇稱守恒。,在弱相互作用中，宇稱不守恒。1956年，李政道和楊振寧提出,1957年吳鍵雄用衰變的實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)，是近代物理學(xué)史中的一個(gè)重大突破。1957年，李、楊獲諾獎(jiǎng)。,6.原子核的結(jié)合能,氘核由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成。,質(zhì)量虧損：核子質(zhì)量與組成的原子核質(zhì)量的差值。,核子結(jié)合成原子核過程中虧損的質(zhì)量，以能量的形式放出。-原子核的結(jié)合能。,以原子質(zhì)量來計(jì)算結(jié)合能（忽略電子結(jié)合能）：,每個(gè)核子的平均（比）結(jié)合能：58.163/9=6.463Mev, 核子的結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。, 中等質(zhì)量核（A=40-120）的結(jié)合能約為8.6Mev，原子核

5、穩(wěn)定。, 質(zhì)量數(shù)小于30的核結(jié)合能有周期性變化，最大值在A等于4 的倍數(shù)。, 質(zhì)量數(shù)30以上的核，平均結(jié)合能變化不大，顯示了核力的飽和性。,9.2 原子核的放射性衰變,1896年：貝克勒耳，鈾的放射性現(xiàn)象； 1898年：居里夫婦，Po，Ra; 1934 年：約里奧.居里夫婦，人工放射性。,不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地蛻變，變?yōu)榱硪环N狀態(tài)或另一原子核，同時(shí)放出一些射線，這種現(xiàn)象稱為原子核的放射性衰變。,一.原子核的放射性衰變,主要模式：,放射性衰變、電子、X射線是十九世紀(jì)末的三大重要發(fā)現(xiàn)，揭開了近代物理的序幕。,二. 衰變,放射性原子核自發(fā)地放射出粒子（ ），而轉(zhuǎn)變成另一種原子核的過程。方程表示為：,衰

6、變過程中，母核要從內(nèi)能中給出一部分能量轉(zhuǎn)化為子核和粒子動(dòng)能，這一能量稱衰變能（Ed).,母核原子的質(zhì)量要大于子核原子和氦原子質(zhì)量之和，才可能發(fā)生衰變.一般發(fā)生于重原子核。, 粒子能譜,大部分原子核放射的粒子的能量不是單一的，而是有幾組不同的分立值，構(gòu)成分立的粒子能譜。,實(shí)驗(yàn)上，衰變能也可由測(cè)出的粒子的動(dòng)能算出。,放射性現(xiàn)象的研究是獲悉原子核內(nèi)部狀況的重要途徑之一, 衰變的機(jī)制, 粒子如何跑出原子核，用經(jīng)典理論很難解釋。,在核內(nèi)， 粒子受到核力吸引（負(fù)勢(shì)能）；在核外， 粒子受到庫(kù)侖力排斥；在核表面形成一個(gè)勢(shì)壘。壘高估計(jì)：,(r0=1.2fm, e2=1.44Mev) ; 實(shí)驗(yàn)上測(cè)得 粒子動(dòng)能為4

7、.2MeV，遠(yuǎn)低于勢(shì)壘。只有通過量子隧道效應(yīng)才有一定的幾率逃出。,三. 衰變,是核電荷數(shù)改變而核子數(shù)不變的核衰變。主要有：,-衰變，+衰變，K俘獲,1.- 衰變能譜與中微子假設(shè),-衰變中，放出負(fù)電子，原子核變?yōu)樵有驍?shù)增加1的核。,？原子核內(nèi)部能量是量子化的，而放出電子的能量卻是連續(xù)變化的？,？電子不是原子核家族的成員，衰變放出的電子從何而來？, 1930年，泡利提出了中微子假設(shè)：,當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生衰變時(shí)，除了放出粒子外，還要放出一個(gè)中性粒子，其靜止質(zhì)量幾乎為0，故稱為中微子。,衰變能：,衰變能可以在電子和中微子間任意分配！, 當(dāng)時(shí)已知的基本粒子只有電子和質(zhì)子。1932年中子發(fā)現(xiàn)，海森堡提出原

8、子核由質(zhì)子和中子組成。1934年，費(fèi)米提出衰變理論。,指出： -衰變是核內(nèi)一個(gè)中子變?yōu)橘|(zhì)子，并放出電子和（反）中微子。,1956年，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子。,2.- 衰變,原子核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子。,衰變能,衰變條件：,3.+ 衰變,原子核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，同時(shí)放出一個(gè)正電子和一個(gè)中微子。只在人工放射物中出現(xiàn)。,衰變能,原子核俘獲一個(gè)核外K層上的電子，核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?，同時(shí)放出一個(gè)中微子的過程。,4.K電子俘獲,四. 衰變,原子核通過發(fā)射光子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)的過程。,五.放射性衰變定律,設(shè)在t-t+dt 時(shí)間內(nèi)發(fā)生核衰變的原子核數(shù)為dN，它與當(dāng)時(shí)存

9、在的核數(shù)N有如下關(guān)系：,設(shè)t=0時(shí)刻，核數(shù)N0，積分得:,衰變常數(shù)，一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。,半衰期，T：原子核數(shù)衰減到原有數(shù)目的一半時(shí)所需的時(shí)間。,例：,平均壽命 ：在放射性物質(zhì)衰變時(shí)，有些核先，有些核后，即有的壽命短，有的壽命長(zhǎng)。平均壽命：,9.3 核力和介子,一.核力的性質(zhì),原子核內(nèi)核子之間的作用力，不可能是電磁力和萬有引力。而是一種強(qiáng)相互作用力。,1.核力是比電磁力更強(qiáng)的相互作用,2.核力是一種短程力,3.核力具有飽和性,一個(gè)核子只同鄰近的幾個(gè)核子有作用力,二.核力的本質(zhì)-核力的介子論,1.電磁力產(chǎn)生機(jī)制,從經(jīng)典電磁觀點(diǎn)看，帶電粒子間的相互作用是電磁場(chǎng)傳遞的。,從量子場(chǎng)觀

10、點(diǎn)看，帶電粒子間的相互作用是通過交換“虛光子”產(chǎn)生，光子是電磁場(chǎng)中的量子。,交換的光子在傳播的過程中，體系變成了三個(gè)粒子，如光子能量可觀測(cè)，則能量不守恒。,按測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，任何可觀測(cè)的過程，必滿足： ，反過來， 對(duì)應(yīng)的過程是不可觀測(cè)的。對(duì)不可觀測(cè)過程，允許在 時(shí)間中，最多可以有 的能量不確定值。在這段不可觀察的(“虛”）過程中，出現(xiàn)能量的偏差，并不算是能量守恒定律的破壞。,設(shè) 時(shí)間內(nèi)，虛粒子傳播 ，則在不可觀察的虛過程持續(xù)時(shí)間內(nèi),最大的能量轉(zhuǎn)移：,如轉(zhuǎn)為虛粒子的靜止能，則虛粒子的質(zhì)量為：,考慮電磁相互作用，力程為無窮大，相應(yīng)的交換粒子質(zhì)量 ，光子正好符合這一要求。光子是電磁相互作用的傳播者。,2

11、.核力的介子論,1935年，日本青年物理學(xué)家湯川秀樹提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：認(rèn)為與電子能吸收和發(fā)射光子相類似，核子也能吸收和發(fā)射某種粒子。這種粒子的交換將伴隨能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致兩個(gè)核子間的相互作用。,核子間的距離，如： ，則,質(zhì)量介于質(zhì)子和電子間，稱為 介子。,介子的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，有帶正電、負(fù)電和不帶電三種：,1947年，在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了 介子，質(zhì)量為273 me. 1949年，湯川秀樹獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1950年，又發(fā)現(xiàn)了 介子，質(zhì)量為264 me C.F.鮑威爾（英國(guó)人）開發(fā)了用以研究核破壞過程的照相乳膠記錄法并發(fā)現(xiàn)各種介子，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,9.4 原子核反應(yīng),放射性核

12、衰變是不穩(wěn)定核的自發(fā)轉(zhuǎn)變，核反應(yīng)是用具有一定能量的粒子轟擊一個(gè)原子核，使其放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾略雍说倪^程 。研究核反應(yīng)的重要目的之一是獲取核能（裂變能，聚變能）。,一、 核反應(yīng)的一般規(guī)律,1. 幾個(gè)著名的核反應(yīng),1919年由盧瑟福完成的。這是人類歷史上第一次人工實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)金術(shù)”：使一個(gè)元素變成了另一個(gè)元素。,1932年，英國(guó)考克拉夫和瓦爾頓發(fā)明高壓倍加器，并把質(zhì)子加速到500千電子伏，實(shí)現(xiàn)如下核反應(yīng)：,釋放的粒子每一個(gè)具有8.9MeV動(dòng)能; 輸入能量為0.5MeV,因此,凈輸出能量17.8MeV。這是釋放核能的一個(gè)例子。,1932年，查德威克。在這之前，博思和貝克爾及約里奧居里夫婦都進(jìn)行過這

13、一實(shí)驗(yàn)，但他們把產(chǎn)物中子理解為光子。,2核反應(yīng)中的守恒定律,電荷數(shù)守恒：反應(yīng)前后總電荷數(shù)不變,質(zhì)量數(shù)守恒：反應(yīng)前后總質(zhì)量數(shù)不變,質(zhì)量守恒：反應(yīng)前后總的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 保 持不變,能量守恒：反應(yīng)前后粒子的總能量 守恒,動(dòng)量守恒：即反應(yīng)前后體系的總動(dòng)量守恒,此外還有角動(dòng)量、宇稱、統(tǒng)計(jì)性、同位旋等都是守恒量。,3. 核反應(yīng)的機(jī)制,直接反應(yīng):入射粒子直接把能量交給了核內(nèi)一個(gè)核子或核子集團(tuán),把這個(gè)核子或核子集團(tuán)敲擊出來.,復(fù)合核反應(yīng)：入射粒子和靶核形成一個(gè)復(fù)合核,復(fù)合核再衰變.,二、核反應(yīng)中的能量關(guān)系,1.反應(yīng)能Q,核反應(yīng)中所放出的凈能量.它等于反應(yīng)前后體系的動(dòng)能之差。, 由粒子的靜質(zhì)量計(jì)算Q,例1 試計(jì)算

14、反應(yīng)的反應(yīng)能。,例2 由靜止質(zhì)量計(jì)算 的Q值。, 反應(yīng)前后粒子的結(jié)合能差計(jì)算Q,例3 試計(jì)算 反應(yīng)的反應(yīng)能。,已知比結(jié)合能：2H=1.112MeV, 6Li=5.332MeV, 4He=7.074MeV,上述核反應(yīng)的反應(yīng)能：（7.074*4+7.074*4）- （1.112*2+ 5.332*6) =22.376MeV, 由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的粒子動(dòng)能計(jì)算Q,靶核碰前靜止，E0=0。入射粒子和出射粒子2（常為輕粒子）的動(dòng)能可測(cè)。由動(dòng)量守恒：,低能非相對(duì)論情形，,反應(yīng)能：, 反過來，如已知反應(yīng)能Q，也可以求出出射粒子的動(dòng)能。,此式對(duì)E3也成立，只要將 23指標(biāo)對(duì)調(diào)。,2.反應(yīng)閾能,激發(fā)核反應(yīng)的入射粒子必須

15、具有的最小動(dòng)能。,對(duì)放能反應(yīng)： 原則上入射粒子沒有動(dòng)能也可以反應(yīng)，閾能為零。核衰變可作為這一情況的特例。,對(duì)吸能反應(yīng)：入射粒子動(dòng)能的動(dòng)能E1要保證上述（） 式E2有（實(shí)數(shù)）值。,（）,當(dāng) =0 時(shí)，E1達(dá)最小值吸能反應(yīng)的閾能。,利用Q和靜質(zhì)量的關(guān)系式，可進(jìn)一步得到,僅給入射粒子提供反應(yīng)能大小的動(dòng)能是不夠引起吸能性核反應(yīng)的！,例: 計(jì)算下列反應(yīng)的閾能。,解: 反應(yīng)閾能：,反應(yīng)能Q可由靜質(zhì)量求出：,對(duì)反應(yīng)1：,反應(yīng)閾能：,對(duì)反應(yīng)2：,事實(shí)上，對(duì)帶正電荷的質(zhì)子入射，還要考慮把質(zhì)子移到原子核邊緣所需要的能量。,對(duì)反應(yīng)1： 入射質(zhì)子具有閾值動(dòng)能時(shí)， 核反應(yīng)幾率很大。,對(duì)反應(yīng)2： 入射質(zhì)子具有閾值動(dòng)能時(shí)，

16、 核反應(yīng)幾率很小。,9.5 原子能的利用,原子能指原子核的結(jié)合能發(fā)生變化時(shí)所釋放的核能。從結(jié)合能圖上可知，重核和輕核的結(jié)合能都低于中等核，因此重核裂變和輕核聚變都可釋放原子能。,一、 重核裂變,1.用中子引起的鈾核裂變,1932年中子發(fā)現(xiàn)后，人們利用中子研究各種核反應(yīng)。1939年，哈恩、居里等人發(fā)現(xiàn)U被撞擊后，分裂為兩個(gè)具有中等質(zhì)量的核。這是一種新型的核反應(yīng)，稱之為核裂變。,238U裂變需要1.1Mev以上的快中子； 235U裂變只需要0.025ev的慢中子，且效率高。,X，Y為裂變產(chǎn)物（有三、四十種），分布于一較寬的范圍。分裂成三、四個(gè)產(chǎn)物的幾率很小。,裂變產(chǎn)物主要分布在質(zhì)量數(shù)71-158之

17、間。比例高的分布是兩質(zhì)量不相等。典型的有：,碎片一般再經(jīng)放射性衰變后，達(dá)到一穩(wěn)定的同位素。如：,2.重核裂變能,一個(gè)235U核裂變，以分為兩個(gè)質(zhì)量相等的中等原子核估算,所放出的能量： E=21188.5-2367 .6=210(MeV),一克鈾：,相當(dāng)于2.5噸煤燃燒的能量！,這些能量通常以碎片動(dòng)能、裂變產(chǎn)生的中子動(dòng)能、衰變產(chǎn)生的粒子能量等形式放出。,3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng),235U平均每次裂變將產(chǎn)生2.5個(gè)中子，這些中子又可引起其它235U核裂變，這樣裂變將持續(xù)不斷的進(jìn)行。稱為裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。,原子彈：裂變時(shí)釋放中子的過程極快（10-12S），鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的過程很快。由于參與裂變的核逐級(jí)增加，在極快的瞬間

18、就釋放巨大的能量，引起爆炸和極強(qiáng)的放射性污染。,當(dāng)裂變材料的體積大于臨界 體積時(shí)，可使中子增殖系數(shù)K1,世界上第一顆原子彈，以239PU為燃料,于1945年在美國(guó)國(guó)土上爆炸；,1945年8月6日，在日本廣島爆炸了一顆235U為燃料的名為“小男孩”的原子彈；,1945年9月15日，在日本長(zhǎng)崎爆炸了一顆239PU 為燃料的名為“胖子”的原子彈；,1964年10月16日，我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功（鈾彈）。,“臟彈”？,核反應(yīng)堆：設(shè)法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度（如用重水或石墨減速中子，控制棒俘獲中子等）使裂變維持在平穩(wěn)進(jìn)行的水平，人們就可以利用其能量。,秦山核電站：我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建造，1991年12月15日并

19、網(wǎng)發(fā)電，裝機(jī)容量30萬千瓦，每年發(fā)電18億度。,秦山核電站二期：裝機(jī)容量2*60萬千瓦，每年發(fā)電70億度。,大亞灣核電站：1994年2月發(fā)電，裝機(jī)容量2*90萬千瓦，每年發(fā)電約100億度。,二、 輕核聚變,依靠輕核聚合而引起結(jié)合能變化，以致獲得能量的方法。取得原子能的另一條途徑。,總效果：,1.輕核聚變反應(yīng), 平均每個(gè)核子放出3.6MeV的能量，比重核裂變平均每個(gè)核子放出0.86MeV的能量要大4倍。, 海洋中儲(chǔ)有大量的氘核，地表面海水約有1018噸，其中重水約占1/6000?？僧a(chǎn)生1024千瓦小時(shí)的能量。而目前全球每年發(fā)電1015千瓦小時(shí)。, 聚變的放射性污染比裂變小得多?！案蓛舻哪茉础?2.輕核裂變反應(yīng)的困難,兩氘核都帶正電，為使它們聚合必須克服庫(kù)侖排斥能。,每個(gè)氘核至少要有71KeV能量。相應(yīng)的平動(dòng)溫度：,等離子體態(tài),等離子態(tài)物質(zhì) 很難被穩(wěn)定地約束。但是為了熱核聚變的反應(yīng)能夠有效地進(jìn)行，對(duì)等離子體的密度和被約束的時(shí)間有一定的要求。,我們需要有個(gè)“容器”，它不僅能忍耐108K的高溫，而且不能導(dǎo)熱，不能因等離子體與容器碰撞而降溫，目前世界上還沒有這樣的容器。,3.太陽(yáng)能：引力約束聚變,太陽(yáng)的能量來自輕核聚變。太陽(yáng)內(nèi)部主要有兩個(gè)反應(yīng)：,質(zhì)