选修35 第十九章 原子核(全章教案上课ppt)课件.pptx

选修 3-5第十九章 原子核,第一节原子核的组成,电子（负电）质量很小原子 正电荷（大部分质量） 原子核？,人们通过什么现象或实验发现原子核是由更小的微粒构成的？,人们认识原子核的结构就是从天然放射性开始的。,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光，物质发射射线的性质称为放射性具有发射性的元素称为放射性元素元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象,一、天然放射现象,放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性,放大了1000倍的铀矿石,射线射线 射线 根据图判断这三种射线都带何种电荷？,二、天然放射现象中的三种射线,正电,负电,不带电,氦核,电子流,电磁波（光子）,1/10光速,近光速,光速,弱,较强,很强,很容易,较弱,更小,都来自于原子核内部！,三、原子核的组成,三种射线都是高速运动的粒子，能量很高，都来自于原子核内部，这也使我们认识到原子核蕴藏有巨大的核能，天然放射现象说明原子核内有复杂的结构原子核内究竟还有什么结构？原子核又是由什么粒子组成的呢？,1、质子的发现,1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核，得到了质子。经过研究证明，质子带正电荷，其电量和一个电子的电量相同，它的质量等于一个电子质量的1836倍.进一步研究表明，质子的性质和氢原子核的性质完全相同，所以质子就是氢原子核,同样的方法，从氟、钠、铝的原子核中打出了质子。-质子是原子核的组成部分。,原子核是否只是由质子组成呢？,卢瑟福进而猜想原子核内存在不带电的中子，这一猜想被他的学生查德威克用实验证实，并得到公认,2、中子的发现,1932年英国物理学家查德威克又发现了中子 ，通过研究证明中子的质量和质子的质量基本相同，但是不带电.是中性粒子.在对各种原子核进行的实验中，发现质子和中子是组成原子核的两种基本粒子.,1931年，约里奥居里夫妇居里夫人的女儿和女婿公布了他们关于石蜡在“铍射线”照射下产生大量质子的新发现。查德威克立刻意识到，这种射线很可能就是由中性粒子组成的，这种中性粒子就是解开原子核正电荷与它质量不相等之谜的钥匙！查德威克立刻着手研究约里奥居里夫妇做过的实验，用云室测定这种粒子的质量，结果发现，这种粒子的质量和质子一样，而且不带电荷。他称这种粒子为“中子”。,“机遇只偏爱有准备的头脑”,法国物理学家约里奥居里夫妇（freedoriejoliotcurie，19001958；irenejoliotcurie，18971956）是著名科学家皮埃尔居里夫妇（pierrecurie，18591906；mariesklodowskacurie18671934）的女婿和大女儿。后人习惯称为小居里夫妇。他们都是著名的科学伴侣、实验物理学家。,阅读材料：小居里夫妇的三次懊悔,小居里夫妇是处于二三十年代之交的核物理“危机”时代，自从卢瑟福发现人工核嬗变后，由于物理学家的注意力多集中于量子力学上，在二十年代初期，对原子核物理的研究进展十分缓慢。1926年量子力学建立，原子物理学中的困难基本解决。于是，人们开始把注意力集中到原子核内。使物理学家们感到惊讶的是：量子力学在原子核中的应用导致了许多困难。量子力学在核物理领域遇到了严峻的挑战，但与通过放弃量子论建立量子力学来解决量子论的危机不同，量子力学在核物理领域的危机是以通过三个新粒子：中子、正电子和中微子的发现解决的。 一般认为，中子的概念最早是由卢瑟福于1920年提出的，他在那年6月的一次演讲中指出：“在某些条件下，一个电子有可能更紧密地与氢核相结合，从而形成一个中性偶极子。”第一个显示出存在于中子迹象的实验是玻特和贝克进行的，他们用粒子轰击铍，发现从铍中发射出一种贯穿力很强的中性辐射，其辐射能量几乎是入射射线能量的十倍。玻特和贝克的工作引起了许多物理学家的兴趣。1931年，约里奥居里与我国杰出的科学家、教育家严济慈教授同时被法国物理学会选为理事，在此期间，约里奥夫妇重复了玻特的实验，并用这种从铍中放出的新射线轰击石腊，结果竟从石腊中打出速度为3107ms的质子束来，如果认为这些质子的产生是由于原子核受到光子碰撞的结果，那么计算表明，这种光子的能量至少应该具有50百万电子伏，否则就不可能给质子那么大的速度，然而，这跟实际测得的数据10百万电子伏有矛盾，遗憾的是这一矛盾并没有引起约里奥居里夫妇的深思，他们仍然勉强地承认这种新射线就是射线，把这一矛盾解释为光子同质子的康普顿散射。在1932年1月11日，他们向巴黎科院提交了反映这一结果的论文。1月底，查德威克知道了约里奥夫妇的实验马上意识到：光子不可能打出这么大能量的质子，这很可能是自己寻找了十二年之久的中子，经过反复实验，正式命名为中子，于1932年2月发表了实验结果，仅半个月的时间就获得了成功。查德威克也因此获得了1935年的诺贝尔物理学奖。1937年到1947年我国著名的物理学家钱三强在约里奥夫妇身边工作，谈及此事，约里奥说：“当我的文章发表以后，卢瑟福的学生查德威克立即意识到，也就是卢瑟福预言的新粒子，于是，他马上进行实验，一个月后就发表了论文，点出了中子的存在，哎，我真笨呀！中子存在的证据80已经被我们得到了。但就没有把它点明白。当我看了查德威克的论文，懊悔得用拳头打自己的脑袋。”,不幸的是，小居里夫妇在研究中子过程中，还发现一种新粒子。为了判断粒子运动的方向，在粒子的行径中放一块铅板，结果发现粒子的在铅板下部的曲率半径变小，对这一变化，居里夫妇未能抓住进行进一步的分析，更未做进一步的研究，却把它解释为放射源运动的电子，其实这正是人们寻觅已久的正电子。到1932年8月2日，安德森从拍摄到的五室径迹中发现了一张奇特的照片，他敏感地意识到，这肯定不是一般负电子的轨迹，经过多次实验和认真分析、推论，最后确认为正电子，为此，安德森摘走了1936年的诺贝尔物理奖的桂冠。科学家们为探索微观世界而竟相拼搏，其间交织着艰难的思考与灵感的火花。成功的欢乐和痛失良机的懊恼。,1938年9月，小居里夫妇在萨维奇的合作下应用放射化学方法分析中子轰击铀的产物，发现其中有一个放射性元素，半衰期为3.5小时，化学性质接近镧。如果按当时关于超铀元素的概念，这个产物的性质应接近锕。但是镧的原子序数只有57，而锕的原子序数却是89，原子量也相差甚远，这显然是一个矛盾。可惜他们没有抓住这个矛盾深入研究下去，就匆匆发表了结果，岂不知这正是核裂变产生的结果，不久便被科学家所证实。对新生事物缺乏深入的研究，再一次使小居里夫妇成功的机会失之交臂。,诚然，小居里夫妇不愧是一位伟大的科学家，他们十分重视物理实验，精通实验技术，聪敏、好学。有过人的毅力。小居里夫妇首先发现了人工放射性现象，获得人工放射性同位素。为核物理学的研究提供了更多的放射性物质。他们因此而获得1935年度诺贝尔化学奖,事实上实验室的传统是一个相当重要的因素，是剑桥的物理传统和巴黎的化学传统促使中子和人工放射发现发生在美国和法国。1933年，小居里夫妇与安德林和布莱克特等人一起观察到了正电子电子对的湮灭的产生现象，进一步确认了正电子的存在。1939年，小居里夫妇、费米、匈牙利物理学家西拉德等人分别证实了链式反应不仅可能，而且速率极高，两次反应的时间间隔只有五十万亿分之一秒。这表明铀裂变的链式反应一旦实现，极短时间内将有巨大的能量释放出来。这一实验证明了人类从此进行利用原子能的新纪元。尽管小居里夫妇存在许多失误，就其个人来说是一种遗憾，但就整个物理学的发展来说起到了极大的推动作用。在近代的核物理研究方面，小居里夫妇的贡献是空前的，他们在核物理方面的新发现促进了核物理危机的解决，导致了核物理的大革命。约里奥教授没有回避自己的疏忽和缺点，而由衷地钦佩自已的竞争对手。又把自己的教训讲给自己的学生听，这种高尚的道德情操是多么令人钦佩呀！当钱三强回国时，居里夫人伊伦娜教授语重心长地说：“我们俩（指与约里奥教授）经常讲，要为科学服务，科学要为人民服务。希望你把这两句话带回去吧！”女导师的殷切嘱托，成了钱三强一生的座右铭。,原子核的组成,中子,质子,统称核子,U,He,H,11,42,235 92,X,AZ,（核）电荷数,质量数,1015m,元素符号,原子核的组成,各种原子核内质子的个数（核的电荷数）和核外电子的个数都相同，它也等于该种元素在元素周期表中的原子序数；原子核内质子和中子的总数叫做核的质量数，它等于该元素原子量的整数部分. 在某种核反应中，一个中子变成一个电子和一个质子这就是原子核内没有电子，又会放出电子，产生射线的原因.,第二节 放射性元素的衰变,一、原子核的衰变,原子核放出 粒子或 粒子转变为新核的变化叫做原子核的衰变,衰变：放出粒子的衰变，如,衰变：放出粒子的衰变，如,1.定义：,2.,3.,原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数和质量数都守恒,衰变：,衰变：,说明：1. 中间用单箭头，不用等号2. 是质量数守恒，不是质量守恒,规律：,衰变方程,4. 本质：,衰变：原子核内少两个质子和两个中子,衰变：原子核内的一个中子变成质子， 同时放出一个电子,射线的产生：射线是伴随着射线和射线产生的电磁波（光子）（能量），没有衰变。,二、半衰期(T),意义： 表示放射性元素衰变快慢的物理量,1.定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,2.公式：,注意：,(1)半衰期的长短是由原子核内部本身的因素决定的，与原子所处的物理、化学状态无关,(2)半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的,考古学家确定古木年代的方法是用放射性同位素作为“时钟”，来测量漫长的时间，这叫做放射性同位素鉴年法,第三节 探测射线的方法,1、粒子使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和汽会产生云雾，过热液体会产生气泡2、使照相底片感光3、使荧光物质产生荧光,射线中的粒子与其它物质作用会产生的现象：,一、威尔逊云室：,构造：一个圆筒状容器，低部可以上下移动，上盖是透明的，内有干净空气,实验时，加入少量酒精，使酒精蒸汽达到过饱和状态。,利用射线的电离本领,a射线在云室中的径迹：直而粗原因：a粒子质量大，不易改变方向，电离本领大，沿涂产生的粒子多,射线在云室中的径迹：比较细，而且常常弯曲原因：粒子质量小，跟气体碰撞易改变方向，电离本领小，沿途产生的离子少,二、气泡室-高能物理实验的最风行的探测设备,气泡室是由一密闭容器组成，容器中盛有工作液体,液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在一定的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，液体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得到记录有高能带电粒子轨迹的底片。,照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状态，准备作下一次探测。,气泡室中带电粒子的径迹,气泡室的优点：它的空间和时间分辨率高；工作循环周期短，本底干净、径迹清晰，可反复操作。但也有不足之处：那就是扫描和测量时间还嫌太长；体积有限，而且甚为昂贵，,三、盖革-米勒计数器,一种能自动把放射微粒计数出来的仪器，利用了射线的电离本领,第四节 放射性的应用与防护,卢瑟福在实验中发现，往容器中通入氮气后，在荧光屏上出现了闪光，这表明，有一种新的能量比粒子大的粒子穿过铝箔，撞击在屏上，这种粒子肯定是在粒子轰击氮核而使该核发生变化时放出的。这样，卢瑟福第一次通过人工方法实现了原子核的转变，人类第一次打开了原子核的大门。,一、人工核反应,与天然的放射性物质相比，人造放射性同位素：,1、放射强度容易控制2、可以制成各种需要的形状3、半衰期更短4、放射性废料容易处理,二、人工放射性同位素,（1）利用它的射线,三、放射性同位素的应用,A、由于射线贯穿本领强，可以用来射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫射线探伤仪,B、利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制,C、利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电,D、利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病等,被不同剂量射线照射后的马铃薯8个月后的情况，左上方的马铃薯没经过射线照射，右下方的被射线照射的剂量最大，左下方保存最好的马铃薯被射线照射的剂量适中。,“鲁棉一号”就是山东省棉花研究所的科技人员应用放射性同位素钴-60放出的伽玛射线处理棉花杂交的后代育成的,（2）作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等.棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决,人体甲状腺的工作需要碘碘被吸收后会聚集在甲状腺内给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病,（3）放射性污染和防护原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污染，在利用放射性同位素给病人做“放疗”时，如果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈，导致病人因放射性损害而死去。有些矿石中含有过量的放射性物质，如果不注意也会对人体造成巨大的危害。,核反应堆外层的厚厚的水泥建筑,小结：1、核反应基本上可分为两大类： 一是自然衰变（天然放射性衰变）， 二是人工衰变（人工转变）,（发现质子的核反应）,（发现中子的核反应）,2、放射性同位素的应用,第五节 核力与结合能,一、核力与四种基本作用,万有引力 电磁力 核力 弱力,二、结合能,原子核凭借核力结合，分开需要能量结合能,平均结合能（比结合能）,三、质量亏损,1、原子核的质量小于组成它的核子的质量之和质量亏损,2、爱因斯坦质能方程,E=mc2,E= m c2,第六节 核裂变,一、重核的裂变,1、 中子轰击铀核，铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反应过程叫做核裂变,2、 链式反应,3、 核电站,核裂变可以在人工控制下进行,核反应堆,第七节 核聚变,一、轻核聚变（热核反应）,第八节 粒子和宇宙,比比谁小,分子由_构成，不同原子构成_分子，相同原子构成_分子。原子是由位于中心的_和核外高速旋转的_构成的。（电子带_电，原子核带_电）原子核是由_和_构成的。（质子带_电，中子_电）质子和中子都是由_组成的。,原子,化合物,单质,原子核,电子,负,正,质子,中子,不带,夸克,正,盖尔曼（夸克）,道尔顿（原子）,汤姆逊（电子）,卢瑟福（质子）,查德威克（中子）,盖尔曼（夸克）,发现各种微粒的科学家,一、“基本粒子”不基本,1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在,二、发现新的粒子,粒子的分类,1. 按自旋分类,2. 共振态粒子 寿命极短（约10-23s）,4. 按相互作用分类( 参与),正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量 ( 如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。,引力子 自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。,光子 自旋为1，是玻色子,3. 正粒子、反粒子,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,强子分类,K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象,协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。,奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强 相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为10-8 10-10s)， 表明是在弱相互作用下进行的。,强子结构的夸克模型,强子结构夸克模型 (1964年 ) ： 介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）,粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t,三、夸克模型,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,四种基本相互作用,1. 四种基本相互作用的性质,相互作用是通过交换一定粒子实现的,引力子尚未被实验证实,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。,大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。,1983年，鲁比亚实验组在高能质子反质子对撞试验中发现了W +、W -和 Z0 粒子。为60年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持。,欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器,四、宇宙的演化,宇宙从何而来？,大爆炸理论 (The Big Bang Theory)宇宙从一个“奇点”爆炸产生,大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生时间的零点,早在1929年，埃德温哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。 1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。整个空间可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。 根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。,大爆炸宇宙论,从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸开始时 150200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。 大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10万亿度，质子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。 大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。 大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。,五、恒星的演化,粒子物理和宇宙学殊途同归,17(2004天津) 中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是:,A B C D,