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1、,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,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。,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,二、原子核的电荷和质量,原子核带电量为 +Ze，电荷数 Z 为核内质子数。,原
2、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 21011 kg / m3,中子星密度 1018 kg / m3,核物质平均密度 21017 kg / m3,三、原子核的形状和大小,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。,
3、在给定方向的投影为,(3) 核自旋,mI 为原子核的磁量子数，取值 I, (I1), , (I1), I。,2. 原子核的磁矩,N 称为核磁子, gI 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 gImIN 。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) gI 是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩,(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
4、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。,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,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
5、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,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。,16.3 原子核的结合能 裂变和聚变,一、原子核的结合能,
6、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,0 4 8 12 16 20 24 28 50 100 150 200 250,2H,6Li,3He,8Be,7Li,4He,11B,12C,20Ne,16O,24Mg,30,(MeV),EB / 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
7、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,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 235U 全部裂变释放出可利用的核能，约相当于 2500 t
8、 标准煤燃烧所放出热能。,已提纯的 235U, 准备再加工为实弹弹头,核电站工作原理图,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。,(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( 1014 W ) 钕玻璃激光器。,用于激光核聚变靶室的氘氚混合燃料
9、弹丸，它是微小球体，直径约几个毫米。,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,1. 指数衰变律,二、放射性衰变的基本规律,在 t 到 t + dt 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 dt 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) N0为 t=0时原子核数目；,(3) 由第一式得,0 T 2T 3T 4T,N/N0,1.0 0.5,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
10、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 2T 3T 4T,N/N0,1.0 0.5,t,在 t 到 t+dt 时间内发生衰变的原子核数为 Ndt，其总寿命为 tNdt 。所有原子核的总寿命为 ，平均寿命为,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 3.71010 Bq,1 Bq 1 次核衰变秒,I0 =N0 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
11、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。,一、粒子的分类,1. 按自旋分类,16.5 粒子物理简介,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 Z0 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 。,(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,(3)
12、 强子,强子参与所有四种相互作用,二、四种基本相互作用,1. 四种基本相互作用的性质,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 Z0 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。,三、基本相互作用和守恒定律,注： “-” 表示不守恒； “+” 表示守恒,例如,重子数 1 1 0 0 守恒,轻子数 0 0 -1 1 守恒,强子结构夸克模型 (1964年 ),粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t,四、强子结构的夸克模型,介子 夸克和反夸克组成,重子 三个夸克组成,1. 质子 (uud),电荷,重子数,奇异数,自旋,同位旋,2. 奇异粒子（uus）,电荷,重子数,奇异数,自旋,3.+ 介子,重子数,电荷,奇异数,自旋,同位旋分量,
