【教学课件】第7章原子核物理概论.ppt
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1、原子核物理概论,教材:原子物理学,杨福家,高教社,2008第四版制作:红河学院理学院 Zhu Qiao Zhong,原子物理学,第七章,Nuclear physics introduction,2,目录,3,第七章原子核物理概论,1.掌握原子核的基本性质。2.理解原子核结合能的含义并能熟练计算。3.了解核素符号中各量的意义。4.了解放射性衰变的规律及其应用。5.理解核裂变和核聚变。了解原子能的利用。,【教学目的】,核力和核矩;放射性衰变的基本规律;和裂变和核聚变。,【教学重点】,【教学难点】核力和核结构。,4,7-1原子核的描述,1896年,贝克勒尔发现钠盐的放射现象.这是人类历史上第一次在实
2、验室里观察到原子核现象,是核物理学的开端.,贝克勒尔,1852-1908法,与居里夫妇共同获1903年诺贝尔物理学奖,伦琴发现X射线后,彭加勒(法)认为“X射线可能跟荧光属于同一机理”,建议贝克勒尔验证,终于发现钠盐有预期效果.同时发现这种射线跟荧光不一样,不需要外来激发.进一步的研究表明这是有别于X射线的辐射,他称之为“铀辐射”.,贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片,贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟,于1892年担任巴黎自然历史博物馆教授,而此职位是他祖父和父亲曾担任过的,偶然?必然?,贝克勒尔发现放射现象(1896),一、历史回顾,5,J.J汤姆逊发现电子(1897),J.J汤姆逊,英,
3、(1856-1940)获1906年度诺贝尔物理学奖,1897年,J.J汤姆逊通过对阴极射线的研究测定了电子的荷质比从而在实验上发现了电子.,J.J.汤姆孙曾师从瑞利,并于1884年(时年28岁)接替瑞利任卡文迪许实验室主任(长达35年),经他培养的研究人员中有7人获过诺贝尔奖.,在19世纪末物理学的三大发现中,如果说X射线和放射性的发现具有某种偶然性,那么电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路.它是许多人经过大量实验和理论研究,进行了长期的科学争论之后的产物.比起前两件来,电子的发现更有意义,它打破了原子不可分的传统观念.打开了通向原子物理学的大门.,6,居里夫妇发现钋和镭(1898)),皮
4、埃尔.居里(法)(1859-1906);玛丽.居里(法籍波兰)(1867-1934)同获1903年度诺贝尔物理学奖.玛丽.居里于1911年再次获诺贝尔化学奖,居里夫妇于1898年7月在沥青铀矿分离物内找到放射性特别强的物质.为纪念祖国波兰,他们建议称之为钋(Polonium).,进一步的分离发现钡盐有更强的放射性,认为还有第二种放射性更强的物质,命名为镭.后来他们用4年时间从 8吨矿渣中提取了0.1g纯镭盐用于实验.,7,居里夫人发现镭后,放弃专利,公布提纯方法.“没有人应该因镭致富,它是属于全人类的.”,居里夫人的高尚品质,轶事三则:1)居里夫人把她千辛万苦提炼出的镭(价值100万以上法郎.
5、他与居里所得诺贝尔奖金7万法郎)赠送给了研究治癌的实验室.有人劝她把这些财产留给两个女儿,居里夫人说:“我希望女儿长大自己谋生,我只留给她们精神财富,把她们引上正确的生活道路,而绝不给她们留金钱.”2)居里夫人淡泊名利.一次她的一位朋友来访,看见她的小女儿正在玩英国皇家学会刚刚颁发给她的金质奖章,惊讶地说“居里夫人,得到一枚英国皇家学会的奖章,是极高的荣誉,你怎么能给孩子玩呢?”居里夫人笑了笑说:“我是想让孩子从小就知道,荣誉就像玩具,只能玩玩而已,绝不能看得太重,否则就将一事无成.”3)从1953年起,居里夫人的年薪已增至4万法郎,但她照样“吝啬”.她每次从国外回来,总要带回一些宴会上的菜单
6、,因为这些菜单都是很厚很好的纸片,在背面写字很方便.难怪有人说居里夫人一直到死都“像一个匆忙的贫穷妇人.”,8,1920年5月,美国记者麦隆内夫人在巴黎简陋的实验室访问居里夫人,问道:“难道这个世界上就没有你想要的东西?”“有,1克镭.以便我的研究.可18年后的今天我买不起,它的价格太贵了.”麦隆内夫人在全美妇女中为其募捐获得成功.1921年5月20日,美国总统将公众捐献的1克镭赠与居里夫人.数年后,当居里夫人想在故国波兰华沙假设一个镭研究院治疗癌症时,美国公众再次为她捐赠了第二克镭.,轶事:居里夫人的3g镭,居里夫人在工作中遭受了大剂量的辐射.后来长期患恶性贫血症.弗列德利克约里奥曾检验过她
7、当年的实验记录本,发现全都严重沾染了放射物.她当年用过的烹调书,50年后再检查,还有放射性.,9,居里夫人雕塑-上海“东方绿舟”知识大道,10,卢瑟福(E.Rutherford)英,(1871-1937),获1908年度诺贝尔化学奖.1903年证实了射线为2He,射线为电子;1911年提出了原子的核式模型;1919年首次实现人工核反应,用粒子从氮核中打出质子.培养了10位诺贝尔奖获得者.,11,J.Chadwick,(1891-1974),英.因于1932年发现中子,获1935年度诺贝尔物理学奖.,F.Joliotcurie,法,(19001958)I.Joliotcurie,法,(18971
8、956)因于1934年发现人工放射性,同获1935年诺贝尔化学奖,12,哈恩等人发现核裂变(1938),哈恩(Hahn)德(18791968),1938年,哈恩和助手斯特拉斯曼发现铀经中子照射后产生了中间质量的元素.接着迈特纳(曾是哈恩的助手)和弗里什提出核裂变概念,解释了他们的实验结果.哈恩为此独获1944年诺贝尔化学奖.,迈特纳(L.Meitner)(18781968)犹太血统的奥地利物理学家,被称为“科学中的边际人”.,13,费米(E.Fermi)(1901-1954)意大利,1938年获诺贝尔奖.发明了热中子链式反应堆.,丁肇中,(1936)美籍中国人,与 B.里克特分别发现J、粒子,
9、找到了美夸克存在的证据,获1976年诺贝尔物理学奖.,14,近年来的实验已经有了夸克可能是由更小的粒子组成的迹象,仍有待进一步研究.,15,二、原子核的组成,目前已知原子核的电荷数Z(1-109).其中Z为43、61、85、87及93的原子核都是用人工方法获得的.,原子核的线度为原子的10-4,质量占原子的99%以上.,原子核对原子性质起主要贡献的是其质量和电荷.核的其它性质几乎不对原子产生影响.核外电子的行为对核也几乎不产生影响.,元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有关.而放射性现象则归因于原子核.核外电子的行为对原子核的影响甚微,可不予考虑.,16,1.原子核的组份,早在1920
10、年,卢瑟福就推测核内应当存在一种与质子质量大体相等且不带电的粒子.,1932年,查德威克发现中子之后,海森伯(德)和伊凡宁柯(俄)立即提出原子核由质子和中子组成的假说.这一假说得到实验的证实,很快就被人们接受.,中子和质子统称核子.,实验表明,质子是稳定的,而自由中子却不稳定.,原子核和核子的质量通常以原子质量单位u来量度.,17,原子核的质量数 A:研究表明,原子核的质量都接近整数.这个整数称为原子核的质量数.,原子核的质量数,中子和质子的质量相近且接近1u,所以原子核的质量数就是该原子核所包含的核子总数.,海森伯认为p和n是核子的两个不同状态,质量上的微小差异是由电性质的不同所引起的.在原
11、子核内,p和n间可互相转化,在转化过程中还会有其它粒子伴随产生.,18,核的半径:(由实验规律给出),经验常数(所有核普适),核的质量密度:,2.原子核的大小,1 cm3 核物质的质量达2 亿吨;1粒米大小的核物质质量达20万吨,核的密度近似为常量,与核的种类无关.,19,显然,核不可能是黑洞。,根据“黑洞”的判据估算核是不是黑洞(核半径取1.02fm,核质量的数量级与核子质量的数量级相当,取10-27kg):,补充:,20,3.核素,元素:质子数相同的一类原子.,核素:具有相同质子数和相同中子数的一类原子核.,A:质量数(核子数)Z:质子数(原子序数)NA-Z:中子数,核素符号,迄今为止发现
12、的约3000个核素中,有300多个天然核素(280多个稳定核素,60多个放射性核素),其余2300多个是自1934年以来人工合成的放射性核素.理论预言可能观测到的核素:6000余种.,我国新核素合成跻身国际前沿,至2003年,共合成23种新核素.,21,同位素:Z相同但N不同的核素.,例如,同中子异位素:N相同但Z不同的核素.,例如,同量异位素:A相同但Z不同的核素.,例如,同质异能素:A和Z均相同但能量不同的核素.,例如,22,核素图,中科院近物所.新核素图.114种元素.3070个核素(收集至2001年年底)(1987年核素图含核素2234种),核素的稳定区:稳定核素几乎全落在一条光滑曲线
13、(稳定线,称为线)上或紧靠其两侧,此区域称核素的稳定区.对于轻核,稳定线与直线N=Z重合;当Z增大至一定数值后,稳定线逐渐向NZ的方 向偏离.,位于稳定线(线)上侧的为缺中子核区,下侧的为丰中子核区.N和Z过多或过少的核素 都不稳定.,23,关于核素图的补充说明,若将核素图中不稳定区比作不稳定海洋,则核素存在的区域尤如“半岛”.目前已发现的2000多个核素都在此半岛上.,1966年曾有理论预言在远离此半岛的不稳定海洋中,在Z114附近有一个超重元素稳定岛.此后先后有15次“成功登岛”的报道,但后来均证明实际上不成功.,现今的理论还预告,在现有核素半岛上,允许存在的核素远不止3000多个,而至少
14、应有6000个.未发现的多为丰中子核素.事实上,新的核素确实不断被制造出,远离稳定线的核素研究系原子核物理的一个重要分支.,1974年,李政道预言:在不稳定海洋的更遥远的地方存在着一个比岛大得多的“稳定洲”,那里有成千上万个稳定核素,24,一、核质量与结合能,原子核由核子组成,但实验事实表明:核的质量与组成核的诸核子质量之和并不相等.以氘核(2H)为例,7-2原子核的基态特性之一:核质量,事实上,任何两个物体结合为一体时都会放出一部分能量.只不过一般情况下释放的能量甚微无须考虑.但在核物理学中,结合能则是一个重要概念,而在高能物理中更有特别的意义.,25,1.质量亏损:组成核的核子质量之和与核
15、的质量的差值.,由于原子质量可以用质谱仪测定,一般数据表均可查到,所以通常用中性原子的质量来表示核的质量.因此上式改写为:,等式右边第一项中的Z个电子的质量恰好被第三项中的Z个电子的质量所抵消.,1.质量亏损,严格地说这是一种近似.因为多电子原子中Z个电子的结合能不等于Z个氢原子中电子的结合能之和,但差别很小,以至可忽略.,26,2.核的结合能B:核子结合为某种核时释放的能量.,2.核的结合能B,核的结合能越大,原子核越稳定.,表明:亏损的质量转化为能量的释放.or:核能的释放以质量亏损为代价.,通过实验测出原子的质量M,即可由上式求出各种核素的结合能,反之亦然.因此,核的质量和结合能两词可等
16、价使用.,平均结合能(比结合能),表示原子核中每个核子对结合能的贡献.标志核子结合的松紧程度.越大,从核内“拉出”一个核子所需作的功就越大,核就越稳定.,27,例1:氘(2H)为氢的同位素,在海水中每100万个氢原子中约有150个氘原子,它由1个质子和1个中子组成.计算氘原子的结合能.,解:,精确的实验证明氘的结合能与以上计算结果一致.实验还证实了它的逆过程,当用2.225MeV的光子照射氘核时,氘核将“分离”为一个质子和一个中子.,例2:计算氘和氦的比结合能(已知B氦=28.296MeV).,解:,例:Be的原子质量为9.012183u,试计算 Be核的质量亏损、结合能和平均结合能。,9,4
17、,9,4,解:Be核由4个质子和5个中子组成,查表得,9,4,29,1)当A30时,曲线有起伏的上升.其中偶偶核(奇奇核)的有极大(小)值,具有较高(低)的稳定性;,(自然界280多种稳定核素中,偶偶核占166种,奇奇核只占9种.),2)A=40-120的中等核较高,几乎为一常量.8.6MeV,3)轻核和重核的较中等核低.,获得核能的两个途径,1)重核裂变2)轻核聚变,核的比结合能图,30,3.魏扎克半经验质量公式(1935),目前人们对核的定量描述还很困难,至今还无法从第一性原理导出一个核质量公式,以算出所有核素的质量.1935年,冯.魏扎克(德,1912-)根据液滴模型给出一个半经验的核质
18、量公式即核的结合能公式,与实验结果相符.,体积能:,表明核的体积与核的质量数近似成正比.,表面能:,核表面的核子末受四周核子包围,是使结合能变小的项.,库仑能:,表明核内质子间的库仑斥力是导致核不稳定的因素,是使结合能变小的项.,对称能:在N=Z时为0,对能项(奇偶能):,壳效应:一般不考虑,31,在魏扎克半经验质量公式中,起主导作用的是前三项中.相关系数可由实验或计算得出.分别为:,结合能的主要部分,32,补充,33,核力:核子紧密结合形成高密度核的力.,一、核力的基本性质,1)短程性的强相互作用,核力只作用于相邻的核子,作用距离不大于10-15m.作用力程(作用半径)比核线度小,为短程力.
19、核力强度约为库仑力的100倍.,7-3核力,两个核子间的引力势能约为10-36MeV,质子间的静电势能为0.72MeV,而核子间的平均结合能为8.6MeV.由此可知与其势能对应的引力、静电力和核力的区别.,34,核的结合能近似与A成正比,近似为常数.意味着每一个核子只与它临近的少数几个核子发生相互作用.正因为核力具有饱和性,重核才不稳定.因为静电力不具有饱和性,重核外层核子所受核力与斥力基本相等,故不稳定.,2)饱和性的交换力,3)电荷无关性(1932年海森堡的假设.1946-1955年确证),a)电荷对称性:质子间、中子间的核力相等;b)核力与电荷无关:质子和中子间的核力相等.,4)自旋相关
20、性,两核子自旋平行时总自旋为1,此时作用力较强.(核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同),35,5)核力在极短程表现为斥力(斥心力的存在),核子的作用势:由p-p、n-p的散射实验得出,核力表现为“斥力”,核力表现为“强引力”,核力消失,核子间距2fm范围内,还有很多问题有待解决!,无法制备纯中子靶进行n-n散射实验,但间接实验证明有相似的大致规律.,36,二、费曼图,费曼图:在时空平面内表示相互作用的方法.,理查德菲利普费曼R.Feynman,(19181988),美,因在量子电动力学方面的成就而获1965年度诺贝尔物理学奖.,两个电子间的相互作用:两个电子通过交换光子而实现.但若光子的能
21、量为h则违反守恒律(不允许),故称之为“虚光子”.交换光子的过程为“虚过程”.,37,三、核力的介子理论(1935),1935年,汤川秀树(日)把核力与电磁力进行类比,提出核力的介子理论.他认为核力是一种交换力,核子间通过交换“媒介粒子”而发生相互作用.他还估算了媒介粒子的质量,方法大致如下.,如图示,虚粒子生存时间为t,此段时间的最大能量转移为:,假如这些能量全部转化为虚粒子的静止能,则其质量必满足:,这部分能是“无中生有”的.因此能量在此不守恒.在实验中观察不到媒介粒子的释放,这就是“虚”词的由来.但不确定关系允许在t内存在不守恒量E.,38,汤川认为核子也能发射和吸收某种虚粒子(媒介子)
22、虚粒子的交换将伴随能量和动量的转移,从而导致两个核子之间的相互作用.,考虑核力,x2.0fm,据此可算出媒介粒子的质量:,汤川预言介子的质量约为275me,它介于mp和me之间,故被命名为介子.(汤川假设提出时并未发现这种粒子,直到1947年才找到,称为介子,有三种:+,-,0),由于测不准原理,虚粒子可以不满足能量、动量守恒.,39,核子交换介子的方式,(a),(b),(c),(a)、(b):两个核子交换位置,交换介子所产生的核力是交换力.(c):核子不变,交换0介子所产生的核力是非交换力.所以核力是交换力和非交换力的混合.,核力的介子理论是解决核本性的一个方向,在一些相关实验中已得到检验,
23、但对核子间高能碰撞的实验事实等无能为力.可见人们对核力的认识还很肤浅.,40,1.核自旋 I,诸核子的自旋与其轨道角动量的矢量和.,核自旋是核固有的,与核的外部运动无关.,核的自旋角动量,二、核的自旋和磁矩,讨论,1)核的自旋量子数I为整数和半整数;,2)核的磁量子数 可以有2I+1个值;,3)原子核基态的自旋规律:,“自旋”指其自旋量子数,偶偶核的自旋为0;奇偶核的自旋都是I的半整数倍;奇奇核的自旋都是I的整数倍.,质子数中子数,41,2.核子磁矩,电子的磁矩包含轨道与自旋两种运动的贡献,质子与电子均是自旋为的费米子.类似地,按理论计算,质子的自旋朗德因子gps=2.但事实上精确的实验表明g
24、ps=5.586.,对于中子,理论给出gnl=0;gns=0,但实验结果是gns=-3.82.,?,以上结果表明:1)质子、中子都不是点粒子,它们肯定有内部结构;2)中子整体不带电,但其内部应存在电荷分布.,42,考虑到以上实验值和,核子磁矩,(由理论和实验给出),质子与中子的磁矩与设想的不同,具有“反常磁矩”.,核磁子(核的玻尔磁子),显然,核磁子比电子的玻尔磁子小3个数量级,43,原子核是一个带电体,具有自旋,因此核也有磁矩.但核磁矩并非核子磁矩的简单相加,说明不仅要考虑到核子的自旋,还要考虑轨道磁矩.,原子核的磁矩与其角动量的关系和它在某一方向上的投影为:,3.核磁矩(磁偶极矩),核的朗
25、德因子,不同的核有不同的取值,在z方向上的分量也有(2I+1)个取值,其最大投影量为:.通常在实验中测得的就是这个最大投影量,因此,一般用它表征核磁矩的大小.,44,在磁场中,核自旋磁矩与磁场相互作用所产生的附加能量:,因mI有(2I+1)个取值,所以有(2I+1)个不同的附加能量.,于是就发生塞曼能级分裂,一条核能级在磁场中就分裂为(2I+1)条.相邻两分裂能级间的能量差为:,4.超精细结构,其分裂程度比精细结构还要小3个数量级,故称为超精细结构,它的起因称为超精细相互作用.,视原子核为点电荷Ze,得到原子光谱的粗结构.考虑电子的自旋-轨道作用后,得到原子光谱的精细结构.考虑核的自旋、磁矩和
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