,16.1,原子核的基本性质,16.2,核力和核结构,16.3,原子核的结合能,裂变和聚变,16.4,放射性衰变,16.5,粒子物理简介,第16章 原子核物理和粒子物理简介,BEPC,储存环,16.1 原子核的基本性质第16章 原子核物理和粒子物理简,本章教学要求,了解原子核的基本性质，理解核力与核结构的特点；,理解原子核的结合能、核裂变与聚变及其与核能和平开发利用的关系，了解核放射性衰变及其特点；,了解粒子物理的基本知识。,本章教学要求了解原子核的基本性质，理解核力与核结构的特点；,一、原子核的组成,1932,年,查德威克,发现了,中子,。,1911,年,卢瑟福,建立了,原子核,的概念。,海 森 伯,提出了原子核是由,质子,和,中子,组成的假设。,16.1,原子核的基本性质,表示符号,电量,静止质量(kg),寿命,核子,质子,p,+e,1.672 6231 1,10,-27,稳定,中子,n,0,1.674 928 6,10,-27,928 s,二、原子核的电荷和质量,原子核带电量为,+,Z,e,，,电荷数,Z,为核内质子数。,一、原子核的组成1932年查德威克发现了中子。1911年卢瑟,原子质量单位,u,为一个处于基态的 中性原子质量,1/12,同位素,具有相同原子序数的核素。,例：。,同中子异位素,具有相同中子数的核素。,例：。,电荷数,质量数,原子核的半径可近似地表示为,白矮星密度,10,9,2,10,11,kg/m,3,中子星密度,10,18,kg/m,3,核物质平均密度,2,10,17,kg/m,3,三、原子核的形状和大小,原子质量单位 u 为一个处于基态的 中性原子质量,I,称为核自旋量子数,四、原子核的自旋和磁矩,1.,核自旋,(1),I,只能取整数或半整数。,讨论,(2),原子核基态的自旋量子数有如下规律：,偶-偶核的自旋量子数都等于零；,奇-奇核的自旋量子数都等于非零整数；,奇,A,核的自旋量子数都等于半整数。,在给定方向的投影为,(3),核自旋,m,I,为原子核的磁量子数,，,取值,I,(,I,1),(,I,1),I,。,I 称为核自旋量子数四、原子核的自旋和磁矩1.核自旋(1),2.原子核的磁矩,N,称为核磁子,g,I,称为原子核,g,的因子,(1),讨论,与核自旋平行和反平行两种情况。,(4),质子的磁矩几乎是核磁子的,3 倍,，而中子具有负磁矩，,最大可能值为 。,(3),核磁矩在给定方向的投影可能取值为,g,I,m,I,N,。,其投影的,数值约为核磁子的,2 倍,。这表明不能把质子和中子看成,是无内部结构的粒子。,(2),g,I,是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩,2.原子核的磁矩N 称为核磁子,gI 称为原子核 g,(5)氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和，但并不完全相等，其它原子核的磁矩也是如此，都不等于组成它的所有核子磁矩之和。这一事实说明核内各核子间存在着复杂的相互作用。,(5)氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和，但并,核力是短程强作用力,核力与核子的电荷无关,核力是具有饱和性的交换力,核力与自旋有关,核力中除了有心力外，还包含有微弱的非有心力成分,一、核力及其性质,1.液滴模型,核结合,能的半经验公式，与实验结果符合得相当好。,成功的说明了原子核裂变现象。,1935,年魏茨泽克根据液滴模型提出了一个关于原子,二、核结构模型,成功应用实例,16.2,核力和核结构,核力是短程强作用力 核力与核子的电荷无关 核力是具有饱和性,成功地描写原子核整体行为，抓住了核子间相互作用最重要,的特性,核力的短程性和饱和性。,把原子核当作一个整体，没有说明原子核的内部结构，无,法解释原子核诸如能级结构、角动量等特性。,缺点,优,点,“幻数”核,质子数或中子数等于,2,8,20,28,50,82,和中子数,为,126,时的原子核。,成功的解释了原子核幻数、基态的自旋和宇称以及衰变等。,2.壳层模型,成功应用实例,成功地描写原子核整体行为，抓住了核子间相互作用最重要的特性,独立,地在一个静止的平均势场中运动的假设过于简化。,不能解释远离双幻核区域的,原子核磁矩、核电四极矩以,及,跃迁概率等问题。这表明壳层模型中关于各核子彼此,不足,3.集体模型,在50年代初，丹麦物理学家玻尔等人提出了在考虑单粒子,独立运动的同时,，,还必须考虑原子核发生转动和振动等集,体运动的新模型,集体模型,，或称为综合模型。,独立地在一个静止的平均势场中运动的假设过于简化。不能解释远离,16.3,原子核的结合能 裂变和聚变,一、原子核的结合能,原子核质量小于组成核的所有核子静止质量之和，二者之差,1.原子核质量亏损,一个中性轻原子质量，中性原子核质量。二者相减，,Z,个电子质量抵消。,2.原子核的结合能,把原子核拆散所需做功的最小数值,16.3 原子核的结合能 裂变和聚变一、原子核的结合能,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0 4 8 12 16 20 24 28 50 100 150 200 250,2,H,6,Li,3,He,8,Be,7,Li,4,He,11,B,12,C,20,Ne,16,O,24,Mg,30,(MeV),E,B,/A,A,1.比结合能总趋势随,A,增加而增大，但有起伏。,2.比结合能变化不大，结合能大致和,A,成正比。,3.中等质量原子核的比结合能大，轻核、重核比结合能较小,两个轻原子核聚集成稍重原子核或重原子核分裂为两个中等质量原子核由于比结合能增大，可释放出能量。,3.原子核的比结合能,9630 4 8 12 16 20 24,例,吸收一个中子，一个可能的反应过程,二、核裂变与核聚变,1.原子核裂变,一个重原子核分裂为两个过两个以上中等质量原子核，同时释放出极大能量。,释放出约,200MeV,的能量，同时放出两三个中子。如果其中至少有一个中子能诱发另一个 裂变，就能使裂变自持地进行下去，形成,裂变链式反应,。,说明,(1)在1942年12月费米建立了第一座可控核裂变链式反应堆。,(2)化学反应中一个原子能够提供的化学能不到,10 eV,，与一个核裂变能相比小,10,-,7,倍。,1kg,的,235,U,全部裂变释放出可利用的核能，约相当于,2500 t,标准煤燃烧所放出热能。,例 吸收一个中子，一个可能的反应过程二、核裂变,已提纯,的,235,U,准备再加工为实弹弹头,核电站,工作原理图,已提纯的 235U,准备再加工为实弹弹头 核电站,四个常见的重要轻核聚变反应,以上四个反应的总效果是,3.原子核的聚变,(1),1kg,的氘核聚变时，放出的能量是,1 kg,铀裂变时放出能量的,4,倍，相当于,104 t,煤燃烧放出的能量。,说明,两个轻核聚合成为一个稍重原子核的过程。,四个常见的重要轻核聚变反应以上四个反应的总效果是3.原子核,(2)依靠核聚变取得能量的例子有：,太阳能,(引力约束核聚变),和,氢弹,(惯性约束核聚变),。,(3),惯性约束,和,磁约束,聚变是受控热核反应的两种主导方式。,图示为用于激光核聚变实验的六路真空靶室，实验中采用大功率,(,10,14,W),钕玻璃激光器。,用于激光核聚变靶室的氘氚混合燃料弹丸，它是微小球体，直径约几个毫米。,(2)依靠核聚变取得能量的例子有：太阳能(引力约束核聚变),一、放射系,镎系中，镎的半衰期最长，为,2.14l0,6,年，由于其比地球年龄短得多，因此天然不存在镎系。,16.4,放射性衰变,放射系,母核,连续衰变次数,末代子核,A,满足的关系式,钍系,10,A,=4,n,天然,铀系,14,A,=4,n+,2,天然,锕系,11,A,=4,n+,3,天然,镎系,13,A,=4,n+,1,人工,一、放射系 镎系中，镎的半衰期最长,1.指数衰变律,二、放射性衰变的基本规律,在,t,到,t+,d,t,时间内发生衰变的原子核数与,t,时未衰变的原子数,N,成正比，与时间,d,t,成正比，为,(1,)放射性衰变遵从指数规律；,积分得,说明,衰变常量,单位时间内原子核发生衰变的概率。,(2),N,0,为,t,=0,时原子核数目；,(3)由第一式得,0,T,2,T,3,T,4,T,N/N,0,1.0,0.5,t,1.指数衰变律二、放射性衰变的基本规律在 t 到 t+,半衰期,T,原子核数衰变到原来数目一半所需的时间,平均寿命,表示每个原子核衰变前存在,时间的平均值。,2.半衰期和平均寿命,(1),平均寿命为衰变常量的倒数，是半衰期的,1.44,倍；,(2),经过时间,后，剩下的原子核数约为原来的,37,。,说明,0,T,2,T,3,T,4,T,N/N,0,1.0,0.5,t,在,t,到,t+,d,t,时间内发生衰变的原子核数为,N,d,t,，其总寿命为,t,N,d,t,。所有原子核的总寿命为 ，平均寿命为,半衰期T 原子核数衰变到原来数目一半所需的时间 平,3.放射性活(强)度,I,一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数,1,Ci,3.710,10,Bq,1,Bq,1,次核衰变秒,I,0,=,N,0,为,t,=0,时放射源的强度,其中,常用单位居里(,Ci,)，国际单位贝克勒(,Bq,),三、测年法,宇宙射线中的中子与大气中的 发生反应,碳放射性同位素,半衰期,5730,年,大气中的 是稳定的，生物体一旦死亡，得不到补充，体内的 就会按放射性规律减少。通过测量 的放射性活度就可确定生物体与外界停止碳交换的年代。,3.放射性活(强)度 I一个放射源在单位时间内发生衰变的原,一、粒子的分类,分类,自旋,泡利不相容原理,统计规律,费米子,(电子 质子 中子 各种重子),半整数,1/2，3/2，,服从,费米狄拉克,统计分布,玻色子,(光子,介子,K介子、,介子),整数,0 或 1 等,不服从,玻色 爱因斯坦,统计分布,1.按自旋分类,16.5,粒子物理简介,一、粒子的分类分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子半整数服从,光子,W粒子,Z,0,粒子,胶子,符号,W,Z,0,g,质量(MeV/c,2,),0,80380,92900,0,自旋,1,1,1,1,平均寿命,稳定,0.95,10,-25,0.77,10,-25,稳定,主要衰变方式,W,e,-,+,Z,0,e,+,+e,-,2.按相互作用分类,(1,)规,范玻色子,规范玻色子是传递相互作用的粒子,光子传递电磁相互作用，,W,和,Z,0,传递弱相互作用，,胶,子传递强相互作用。引力子传递引力相互作用，理论上预言它的自旋是,2,。,光子W粒子Z0粒子胶子符号WZ0g质量(MeV/c2)0,分类,正反粒子,自旋,电荷量,e,重子数,B,轻子数,寿命,10,-6,s,轻 子,电子子,子,1/2,-1 +1,-1 +1,-1 +1,0,0,0,0,-1 +1,稳定,2.2,2.3,中,微,子,稳定,(2)轻子（,共12种,）,中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。,说明,轻子,参与引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用,分类正反粒子自旋电荷量重子数B轻子数寿命10-6 s轻 子电,分类,粒子名称,自旋,介子,、K介子等,整数,玻色子,重子,核子,质子、中子及其反粒子,1/2,(超子 3/2),费密子,超子,超子及反粒子,(3)强子,强子,参与所有四种相互作用,分类粒子名称自旋介子、K介子等整数玻色子重子,二、四种基本相互作用,1.四种基本相互作用的性质,类别,强作用,电磁作用,弱作用,引力作用,参与粒子,夸克,强子,强子 轻子 光子,强子 轻子,一切物质,媒介粒子,胶子,介子,光子,W,和,Z,0,引力子,相对强度,1,10,-2,10,-13,10,-39,力程,10,-17,-10,-18,10,-15,长程,10,-17,长程,作用时间,10,-23,10,-20,10,-16,10,-8,一切物质,弱电统一理论,电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。相互作用过程中，如果交换的是,W,+,、W,和,Z,0,粒子，就是弱相互作用过程；如果交换的是光子，就是电磁相互作用过程