第十六章.ppt

1、第十六章,原子核物理,16-1 原子核的基本性质,16-1-1 原子核的构成,1919年，卢瑟福在实验中首先实现了原子核的人工破裂，并发现了质子，记作p；,1932年，英国物理学家查德威克在实验中发现了中子，记作n。,原子核是由质子和中子构成 ！,核子：质子、中子,核子半径： 约 0.810-15 m,质子质量：,中子质量：,原子质量单位：,定义：碳同位素12C的质量为12u,质子质量：,中子质量：,核素：各种原子核的统称。,X ：元素符号。,A：核素的质量数（核子数）。,Z：核电荷数（核内质子数）,例如：,铝：A=27 ， Z =13,原子核的平均半径：,飞米（fm ）,氢原子核密度:,16

2、-1-2 核的自旋和磁矩,质子和中子的自旋角动量：,质子和中子的自旋角动量的z分量：,原子核的自旋角动量：,j 为原子核的自旋量子数,原子核的自旋角动量的z分量：,基态：,A = 偶数,j = 整数,A = 奇数,j = 半整数,A = Z（偶数）+N （偶数）,j = 0,结论：核子的自旋分量两两反向。,核磁子：,质子的磁矩：,中子的磁矩：,负号表示磁矩方向与自旋角动量方向相反。,16-2 原子核的结合能 核力,16-2-1 原子核的结合能,质量亏损：核子结合成原子核以后的质量损失。,相应的能量值：,结合能：,比结合能：,比结合能越大，核子之间结合得越紧密，原子核越稳定。,A = 60：结合

3、能最大,重核裂变轻核聚变,释放能量,16-2-2 核力,核力：核子之间的相互作用力。,核力的几个重要性质：,自然界最强的一种基本力，其相互作用强度是电磁力的100多倍，又称作强相互作用。,核力是一种短程力，它的作用半径约为3fm。,核力与电荷无关。无论是（p-p）、（p-n）或（n-n）作用，核力的作用性质完全相同。,核力的大小与参与相互作用的核子的相对自旋取向有关。,量子电动力学指出： 电磁力是通过交换“光子”来传递的。介子,1935年，汤川秀树提出核力是一种交换力的观点。,（p-p）、（n-n）作用：,介子,（p-n）作用：,介子,16-3 原子核的稳定性和放射性,16-3-1 原子核的稳

4、定性,现今发现核素：约 2500 种,稳定核素： 300 种,放射性衰变：一种核素自发地放出射线而衰变成其他核素的现象。,16-3-2 放射性,三种射线：, 射线（氦核束）：穿透能力最差，约0.01mm厚的铅薄片就能阻止它穿过。, 射线（电子束）：穿透力稍强，可以穿透0.1mm厚的铅板。, 射线（光子束）：穿透能力最强，它可以穿透大约100mm厚的铅板。,放射性衰变时遵循：能量守恒、动量守恒、角动量守恒、电荷数守恒、核子数守恒等一些基本物理学定律。, 衰变式：, 衰变条件：衰变前，母核原子的质量必须大于衰变后子核原子和氦原子质量之和。,例如：, 衰变：,（1） 衰变：,衰变中原子核释放出的是负

5、电子,例如：,（2） 衰变：,衰变中原子核释放出的是正电子,例如：,（3） 电子俘获（K俘获）：原子核自发地俘获一个核外轨道电子。,例如：,如何解释 -射线的连续能谱？,中微子假设：在衰变中放出每一个电子的同时会伴随一个中微子（轻的中性粒子）出射 。,三种 衰变的一般形式：,中微子特性： 不带电； 质量几乎为零； 自旋量子数为 1/2 。, 衰变：, 射线是一种高能电磁辐射。, 衰变式：,Y* 表示处于激发态的原子核。,例如：,16-3-3 放射性衰变规律 半衰期,放射性衰变规律：, ：衰变恒量,积分可得：, 越大，衰变越快。,半衰期计算式：,定义半衰期（T1/2 ） ：放射性核素衰减到原来数

6、目的一半所需要的时间。,半衰期: 反映放射性核素稳定性的物理量。,平均寿命（ ） ：描述放射性核素衰变快慢的物理量。,将,代入,得,结论：经过平均寿命后，剩下的核素数目约为原来的37。,放射性活度（A ）：放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数目。,贝克（Bq）,（每秒产生一次核衰变）,居里（Ci）,夜光表中放射性物质的放射性活度： 4104Bq,用于癌症治疗的放射性活度约为： 41013Bq,单位：,例1 放射性元素镭 的半衰期是1600年，（1）它的衰变常数是多少？ （2）若 t = 0 时样品中含有 3.01016个镭核，试确定2000年后其放射性活度。,解,16-3-4 放射性辐射的

7、生物效应,辐射剂量测定法 ：定量描述射线对活组织作用效应的方法。,吸收剂量： 单位质量的受照物质吸收射线的平均能量。,吸收剂量的国际单位制单位：戈瑞（gray，Gy）,吸收剂量的常用单位：拉德（rad ）,相对生物学效应（RBE）,几种辐射的RBE值,当量剂量：衡量射线生物效应及危险度的辐射剂量。,当量剂量 ( Sv ) = RBE吸收剂量( Gy ),希沃特( Sv ),当量剂量（rem）= RBE吸收剂量（rad）,雷姆（rem ）,1 rem = 0.01 Sv,普通X射线胸透的当量剂量：0.20 0.40 mSv。,公众每年的有效剂量限值为1 mSv。,接触射线的职业人员：5年内平均每

8、年的有效限值剂量为每年20 mSv；任何一年不得超过50 mSv。,16-4 原子核裂变和聚变,16-4-1 原子核裂变,A = 240 ，7.6 MeV,A = 120 ， 8.5 MeV,比结合能差：0.9 MeV,释放能量：,铀 裂变碎片按质量数分布图。,裂变反应式：,（k = 1，2，）,常见的反应式：,二分裂变：分裂成两块碎片。,三分裂变：分裂成三块碎片。,平均一个铀核裂变产生2.5个中子。,链式反应 ：,16-4-2 核聚变,核聚变：当两个或两个以上的轻核结合成较重原子核时，会有能量释放出来的过程。,目前实验室研究的核聚变反应 ：,聚变核子平均： 3.6 MeV,裂变核子平均： 0.85 MeV,Ek = 0.610-13 J,按经典理论估算：,引发聚变反应（热核反应）的一般温度： 108 K,聚变反应条件： 等离子体温度和密度必须足够大； 等离子体的温度和密度必须维持足够长时间。,16-4-3 热核聚变的几种约束,引力约束聚变太阳能,太阳燃烧氢： 51016 kg/s，放出能量3.21031J,惯性约束聚变氢弹,通过 裂变点火,磁约束可控聚变反应,