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1、第五章 核物理一、原子核的基本性质与组成二、原子核的结合能和核力三、原子核的衰变四、核反应（自学）,1,第五章 核物理1,5.1 原子核的基本性质与组成,一、原子核的组成,原子核：质子中子质子带有与电子等量的正电荷质量为电子质量的1836.12倍中子不带电，质量为电子的1838.65倍。核子：质子和中子的统称。原子序数Z：原子核中质子数目。质量数A：原子核中质子和中子的总数。,2,5.1 原子核的基本性质与组成一、原子核的组成 原子,原子核的表示：,如：,同位数：原子序数相同而质量数不同的原子。e.g.自然界中氢有三种同位素，即分别称为氢核、氘核（又称重氢）和氚核。,即：,“原子质量单位”:碳
2、同位素的原子核质量的1/12。以amu或u表示：1u=1.66056610-27Kg,3,原子核的表示：如：同位数：原子序数相同而质量数不同的原子。即,二、原子核的大小与密度,实验发现,r0=1.21015m=1.2fm（飞米）,E.g.和 的核半径分别为4.6fm和7.4 fm,核的密度都相等，比地球平均密度大1014倍,4,二、原子核的大小与密度实验发现r0=1.21015m=1,三、原子核的自旋和磁矩,1.核自旋（原子核的自旋角动量）核子的轨道角动量与自旋角动量之和。,自旋量子数,质子和中子的自旋量子数均为1/2(费米子），质量数A为奇数，I是1/2的奇数倍，质量数A为偶数，I为正整数或
3、零。,5,三、原子核的自旋和磁矩1.核自旋（原子核的自旋角动量）自旋量,6,核自旋（量子数）磁矩1103/23/29/2+0.8565,核的自旋角动量在任何一方向的分量Lz也是量子化的,自旋磁量子数,2.核磁矩,质子的轨道磁矩,7,核的自旋角动量在任何一方向的分量Lz也是量子化的自旋磁量子数,其在z轴方向的投影：,核磁子,质子和中子的自旋磁矩,gsg因子,8,其在z轴方向的投影：核磁子质子和中子的自旋磁矩gsg,其在z轴方向的投影：,由于 质子 gs,p=5.5857 中子gs,n=-3.8261,Notice:中子有带正电的内核和带负电的外壳,9,其在z轴方向的投影：由于 质子 gs,p=5
4、.5857,核磁矩,在z轴方向的分量：,四、核磁共振,核磁矩比原子磁矩还要小一千倍左右，如何测量核磁矩？拉比(I.I.Rabi)首创了核磁共振法,10,核磁矩在z轴方向的分量：四、核磁共振核磁矩比原子磁矩还要小一,纯水，水分子中的电子磁矩相互抵消，氧原子核的磁矩为零，所以水分子的磁矩仅由氢核（质子）提供,磁矩平行于磁场的态为低能态，反平行B的为高能态,11,纯水，水分子中的电子磁矩相互抵消，氧原子核的磁矩为零，所,热平衡时，处于低能态上质子数稍多于高能态上的质子数,将电磁波加于水的样品，当其频率满足,即,质子将吸收电磁波的能量，在两能态之间发生共振跃迁,核磁共振在外磁场中原子核吸收特定电磁波的
5、现象,12,热平衡时，处于低能态上质子数稍多于高能态上的质子数将电磁波加,乙醇（C2H5OH）的核磁共振谱线,利用氢核的核磁共振的医疗诊断人体内部大部分是水，这些水以及富含氢的分子的分布可因种种疾病发生变化,13,乙醇（C2H5OH）的核磁共振谱线利用氢核的核磁共振的医疗诊,5.2 原子核的结合能和核力,一、原子核的质量亏损和结合能,原子核的质量亏损Dm原子核的质量小于组成它的质子和中子质量之和，两者之差称为。,由质能关系E=mc2,14,5.2 原子核的结合能和核力一、原子核的质量亏损和结,原子核的结合能Eb质子、中子组成原子核时放出能量,反之要使原子核分解为单个的质子和中子也必须给予等值的
6、能量,原子核质量,15,原子核的结合能Eb质子、中子组成原子核时放出能量反之要使,平均结合能（又称比结合能e）原子核的结合能EB与质量数A之比,核子的比结合能愈大，原子核就愈稳定,16,平均结合能（又称比结合能e）核子的比结合能愈大，原子核就愈稳,1.最轻核和最重核比结合能较小，2.大多数中等质量的核，比结合能近似地相等，都在8MeV左右，中等质量的核最为稳定。3.当重核裂变成为中等质量的核，或轻核聚变为质量较大的核时，都将释放出巨大的核能,长约3cm的“LittleBoy”型原子弹,17,1.最轻核和最重核比结合能较小，长约3cm的“LittleB,二、核力,核子之间一定存在着另一种很强的相
7、互作用力。它将核子紧密地结合在一起形成原子核。,性质：,(1)核力与核子的电荷无关。质子与质子之间、中子与中子之间、质子与中子之间的核力都是相同的。,(2)核力是短程力。其作用范围在10-15m以内,18,二、核力核子之间一定存在着另一种很强的相互作用力。性质：,核力势能曲线,强力是一种多体力不可叠加,类比：两个原子残余电磁力两个核子残余色力,核子由夸克组成夸克：色荷作为“内禀性质”,色荷：红、绿、蓝具有相互作用力,19,r(fm)U(r)/Mev1-1001002002核力势能曲,核力也是一种交换力1935年日本物理学家汤川秀树提出了核力的介子理论核子之间的相互作用是通过一个核子放出一个p介
8、子、另一个核子吸收这个p介子而形成的。,p介子有三种带电状态：p+（带正电）、p（带负电）、p0（中性）。质子和质子、中子和中子之间交换的是p0介子，交换前后各个核子的电荷不变；质子和中子之间交换的是p+、p介子,20,核力也是一种交换力p介子有三种带电状态：p+（带正电）、p,核子之间通过交换介子产生核力,21,核子之间通过交换介子产生核力21,5.3 原子核的衰变,放射性衰变（蜕变）不稳定核通过释放某些粒子而趋于稳定的过程。,一、a 衰变,a粒子从原子核内逃逸出的现象,a粒子即,如：,22,5.3 原子核的衰变放射性衰变（蜕变）不稳定核通过,一般有,伴随着a 衰变有能量释放，释放的能量以a
9、 粒子的动能形式带走,a 粒子，在核表面就形成一个势垒（书P211图）衰变过程就是a 粒子穿过势垒从原子核放射出去的一个隧道效应过程,23,一般有伴随着a 衰变有能量释放，释放的能量以a 粒子的动能形,粒子和子核间形成的库仑势能,逃出的a 粒子能量比峰值低得多。见书（P212例5.5）,二、b 衰变,当一个原子核发出一个b 粒子后，原子核的原子序数增加1，而质量数不变。b粒子电子,24,粒子和子核间形成的库仑势能逃出的a 粒子能量比峰值低得多。二,1927年泡利，提出b 衰变时除放出电子外，还同时放出一个“不可检测的、很轻的、中性粒子，费米(E.Feimi)将其称为“中微子”,25,1927年
10、泡利，提出b 衰变时除放出电子外，还同时放出一个“,b衰变有两种1.中子衰变，变成质子，放出电子和反中微子,自然界中存在,2.质子衰变，变成中子放出正电子和中微子,在人工放射性中发现,26,b衰变有两种自然界中存在2.质子衰变，变成中子放出正电子,电子俘获：即原子核俘获了与它最接近的内层电子，使核内一个质子转变成中子，同时放出一个中微子。,b 衰变的逆过程，即质子吸收反中微子转变成中子，同时放出一个正电子,27,电子俘获：即原子核俘获了与它最接近的内层电子，使核内一个质子,b衰变是一种弱相互作用过程，它的强度只有电磁相互作用的1012倍,三、g 衰变,原子核放出光子的过程称为g 衰变。当原子核
11、发生a、b 衰变时，往往衰变到核的激发态向低激发态或基态跃迁，同时放出g 光子，产生g 射线。核的能级间隔为100KeV到1Mevg 射线的光子能量非常大，其波长比X射线更短。,28,b衰变是一种弱相互作用过程，它的强度只有电磁相互作用的10,四、放射性衰变定律,单位时间内因衰变而减少的核数-dN/dt，与衰变前的核数N成正比,其中，t=0时，原子核的数目为N0,放射性定律,两个重要参数,29,四、放射性衰变定律单位时间内因衰变而减少的核数-dN/dt，,1.半衰期,放射性同位素的原子核数目衰变减少到原有的一半所经历的时间，用T1/2表示,E.g.Ca发生b 衰变的半衰期是164d（天），而2
12、12Po发生a衰变的半衰期是3107s,30,1.半衰期放射性同位素的原子核数目衰变减少到原有的一半所,2.平均寿命,设在t t+dt时间内衰变了（dN）个核，每个核的寿命为t,31,2.平均寿命设在t t+dt时间内衰变了（dN）个核，每,五、放射性强度(活度）,放射性物质单位时间发生衰变的原子核数目,A的单位居里（Ci），较小的单位有毫居里和微居里,1Ci=3.71010S1,起始活度,32,五、放射性强度(活度）放射性物质单位时间发生衰变的原子核,1Ci=3.71010Bq,放射性强度的另一种单位是Bq(贝克勒尔)，Bq就是单位时间的衰变一个核,33,1Ci=3.71010Bq放射性强度的另一种单位是Bq(贝,
