chp7_第七章:原子核物理概论.ppt
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1、近代物理基础近代物理基础-原子物理学原子物理学主讲教师:任国仲主讲教师:任国仲第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第一节第一节 原子核的描述原子核的描述第二节第二节 核质量核质量第三节第三节 核力核力第四节第四节 衰变及其统计规律衰变及其统计规律第八节第八节 核反应核反应第九节第九节 原子能的利用原子能的利用第五节第五节 衰变衰变第六节第六节 衰变衰变第七节第七节 衰变衰变第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论核物理是原子下一个层次的研究内容。它以核为研究对象,核物理是原子下一个层次的研究内容
2、。它以核为研究对象,其内容包括核的基本性质、核结构、核力、核模型。核的放射其内容包括核的基本性质、核结构、核力、核模型。核的放射性衰变,核反应以及核能的应用。性衰变,核反应以及核能的应用。人类真正对核进行研究,要追溯到人类真正对核进行研究,要追溯到19321932年发现中子,并由此提年发现中子,并由此提出质中模型开始。出质中模型开始。7070年过去了,人们对核的了解还很肤浅,在年过去了,人们对核的了解还很肤浅,在核结构、核力等方面还有很多尚未认识的东西。核结构、核力等方面还有很多尚未认识的东西。第一节第一节:原子核的描述原子核的描述第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理
3、概论第七章:原子核物理概论第一节第一节:原子核的描述原子核的描述原子的两个层次原子的两个层次以电子为核心以电子为核心核核原子物理原子物理核物理核物理物质结构中靠的最近也是分的最开的两个层次!物质结构中靠的最近也是分的最开的两个层次!核对原子的贡献核对原子的贡献质量(质量(99%)电荷电荷核的其他属性对原子的影响很小核的其他属性对原子的影响很小核外电子的行为对原子核的性质也几乎毫无关系核外电子的行为对原子核的性质也几乎毫无关系泾渭泾渭分明分明物质性质物质性质a、原子核(如放射现象)、原子核(如放射现象)b、原子(或称电子)所、原子(或称电子)所有物理化学属性有物理化学属性第七章:原子核物理概论第
4、七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论 原子核的基本情况原子核的基本情况-原子核的电荷原子核带的正电荷恰为原子核的电荷原子核带的正电荷恰为e的整数倍,习惯上表示为的整数倍,习惯上表示为Ze,即即Q=Ze 在物理学史上,特征在物理学史上,特征X X射线法和射线法和粒子散射实验法都曾经被粒子散射实验法都曾经被用来测定元素的核电荷数用来测定元素的核电荷数 Z Z,理论关系如下:,理论关系如下:(1)Moseley 定律定律-第一节第一节:原子核的描述原子核的描述 对于同一系列的特征对于同一系列的特征X射线(比如射线(比如K,L系),系),a,b是常数,只是常数,只要测得元素
5、的特征射线的频率要测得元素的特征射线的频率v,就可由上式定出,就可由上式定出Z。(2)粒子散射实验粒子散射实验-在测量的其它条件不变的情况下,换用不同靶,经过计数在测量的其它条件不变的情况下,换用不同靶,经过计数器器“窗口窗口”的记数,可以直接测出靶的核电荷数。的记数,可以直接测出靶的核电荷数。第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论 原子核的基本情况原子核的基本情况-原子核的质量由于目前人们对核力的了解原子核的质量由于目前人们对核力的了解还不够清楚,定量描述它还很困难,因此至今我们还无法从第一性还不够清楚,定量描述它还很困难,因此至今我们还无法
6、从第一性原理导出一个核质量公式。原理导出一个核质量公式。历史上,人们曾经给出过半经验的核质量公式,我们将在下节对此历史上,人们曾经给出过半经验的核质量公式,我们将在下节对此作专门讨论。作专门讨论。通常情况下,原子的质量可以用质谱仪来测定,所以很多文献通常情况下,原子的质量可以用质谱仪来测定,所以很多文献中都给出了原子的质量中都给出了原子的质量m m,在已知,在已知m m的情况下,我们可以用下式求的情况下,我们可以用下式求出核的质量出核的质量 ,第一节第一节:原子核的描述原子核的描述即即式中式中 是电子质量,是电子质量,是第是第n n个电子的结合能。个电子的结合能。原子核的绝对质量是非常小的,原
7、子核的绝对质量是非常小的,第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论比如:比如:原子的质量仅为原子的质量仅为 所以国际上定义,所以国际上定义,质量的质量的1/121/12为原子质量单位,记为为原子质量单位,记为 这样,原子这样,原子的原子量都是一个很接近某一整数的量,通常定义这个整数为该的原子量都是一个很接近某一整数的量,通常定义这个整数为该核的质量数,并记为核的质量数,并记为A A。第一节第一节:原子核的描述原子核的描述 原子核基本情况原子核基本情况-原子核的大小核的半径有一个经验公式原子核的大小核的半径有一个经验公式 ,其中,其中由此我们可以求
8、得核的密度由此我们可以求得核的密度是一个与是一个与A A无关的常数无关的常数 (克克/立方厘米立方厘米)不到一粒米的大小的原子核,其质量竟达不到一粒米的大小的原子核,其质量竟达20万吨!可见核是万吨!可见核是质量高度集中的地方。质量高度集中的地方。第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论在发现中子之前,人们知道的基本粒子只有电子的质子。在发现中子之前,人们知道的基本粒子只有电子的质子。例如,氦核有例如,氦核有4 4个质子,个质子,2 2个电子,质子作为质量的承担者,电个电子,质子作为质量的承担者,电子抵消了子抵消了2 2个质子的电荷。个质子的电荷
9、。随着量子力学的诞生,人们发现质子随着量子力学的诞生,人们发现质子电子说无法用量子理论解释电子说无法用量子理论解释首先,根据量子力学理首先,根据量子力学理论论,微,微观观粒子的坐粒子的坐标标和相和相应应的的动动量存在不量存在不确定关系确定关系在核内在核内所以,相所以,相应应的的电电子子动动量量为为 第一节第一节:原子核的描述原子核的描述第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论若非相若非相对论对论公式,可以求得公式,可以求得电电子速度子速度为为显显然是然是错误错误的,用相的,用相对论对论公式公式注意到注意到故近故近视视有有由此可以求得核内由此可以求
10、得核内电电子能量子能量为为而实验中从未发现如此高能量的电子,其次对有些核,也无法对其而实验中从未发现如此高能量的电子,其次对有些核,也无法对其自旋给出合理的解释。自旋给出合理的解释。第一节第一节:原子核的描述原子核的描述第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论 因此早在因此早在19201920年,卢瑟福就推测,核内应当存在一种与质年,卢瑟福就推测,核内应当存在一种与质子质量大体相等,不带电的粒子。子质量大体相等,不带电的粒子。19321932年查德维克发现中子后,年查德维克发现中子后,海森伯等人马上就提出了核的质、中模型。海森伯等人马上就提出了核
11、的质、中模型。实验实验表明,表明,质质子、子、电电子的子的质质量分量分别别是是 质质量数均量数均为为1 1,即,即A=1A=1,前者,前者带带一个一个单单位正位正电电荷,后者不荷,后者不带电带电,两者两者统统称核子称核子根据根据质质量数的定量数的定义义,我,我们们很容易知道,很容易知道,质质量数量数A A,质质子数子数Z Z和中子数和中子数N N的关系是的关系是A=Z+NA=Z+N,所以完整的核素符号是,所以完整的核素符号是比如比如,等。等。第一节第一节:原子核的描述原子核的描述第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论 在物理学中,在物理学中,对
12、对有一定关系的核素,有些常用的有一定关系的核素,有些常用的术语术语如下:如下:同中子素:比如同中子素:比如同量异位素:比如同量异位素:比如镜镜核:比核:比喻喻。同位素:比如同位素:比如第一节第一节:原子核的描述原子核的描述第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论原子核的基本情况原子核的基本情况-核素图核素图 一共约有一共约有20002000个核素。其中天然存在的有个核素。其中天然存在的有300300多个核素,多个核素,(280280多个稳定核素,多个稳定核素,6060多个长寿命的放射性核素);人工制造的多个长寿命的放射性核素);人工制造的1600
13、1600多个放射性核素。它们构成了核物理的研究对象。多个放射性核素。它们构成了核物理的研究对象。上面我们知道,核是由质子和中子构成的,那么上面我们知道,核是由质子和中子构成的,那么 Z,N的不的不同搭配使自然界共有多少种核呢?同搭配使自然界共有多少种核呢?以中子数以中子数N N和质子数和质子数z z分别为横、纵坐标轴,标出每一核素的分别为横、纵坐标轴,标出每一核素的位置而得到的图称核素图。位置而得到的图称核素图。第一节第一节:原子核的描述原子核的描述第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论1.1.质量亏损质量亏损原子的质量为原子的质量为另一方面,
14、另一方面,显然显然可见,核子结合构成原子后总质量减少了,通常我们称之为质可见,核子结合构成原子后总质量减少了,通常我们称之为质量亏损。量亏损。由上面的讨论我们知道,原子核由中子和质子组成,但实验表明,由上面的讨论我们知道,原子核由中子和质子组成,但实验表明,核的质量并不等于相应的质子和电子质量之和,比如对元素核的质量并不等于相应的质子和电子质量之和,比如对元素其中性其中性 由四个氢原子(质子由四个氢原子(质子+电子)和五个中子构成电子)和五个中子构成相应的质量和为相应的质量和为第二节第二节:核质量核质量第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论根据
15、根据EinsteinEinstein的质能公式的质能公式或者或者 原子核形成过程中,质量减少了,减少的质量必然以能量原子核形成过程中,质量减少了,减少的质量必然以能量的形式放了出来,这种能量称为的形式放了出来,这种能量称为结合能。结合能。2.2.结合能结合能第二节第二节:核质量核质量第二节第二节:核质量核质量B称为结合能称为结合能第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论2.2.结合能结合能 质量和能量的当量关系多大呢?下面我们来看看质量和能量的当量关系多大呢?下面我们来看看1u1u的质量合的质量合多大能量。多大能量。即即故故BeBe的总结合能为的
16、总结合能为第二节第二节:核质量核质量第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论为了比较不同核素结合能的大小,我们引入平均结合能为了比较不同核素结合能的大小,我们引入平均结合能 对于对于BeBe原子核原子核我们以我们以A A为横轴,为横轴,为纵轴,描绘出不同核素为纵轴,描绘出不同核素的曲线,由这条曲线,我们可以得到如下几点结论:的曲线,由这条曲线,我们可以得到如下几点结论:3.3.核子的平均结合能(比结合能)核子的平均结合能(比结合能)1 1)是原子核稳定性的标志,是原子核稳定性的标志,越大,相应越大,相应之间的核,之间的核,近似为常数,且较近似为常
17、数,且较2 2)的核就越稳定;的核就越稳定;大,大,第二节第二节:核质量核质量3 3)轻核()轻核(A A较小)和重核(较小)和重核(A A较大)的平均结合能都比较小,因较大)的平均结合能都比较小,因此,轻核的聚变和重核的裂变都有能量放出,这就是通常所说的此,轻核的聚变和重核的裂变都有能量放出,这就是通常所说的聚变和裂变的原子能聚变和裂变的原子能第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论第七章:原子核物理概论 到目前为止,我们已经接触过的力有万有引力、浮力、张力、到目前为止,我们已经接触过的力有万有引力、浮力、张力、分子力、摩擦力和电磁力分子力、摩擦力和电磁力.这些力可
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- chp7_ 第七 原子核 物理 概论
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