【教学课件】第7章原子核物理概论.ppt
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1、原子核物理概论原子核物理概论教材教材:原子物理学原子物理学,杨福家杨福家,高教社高教社,2008,2008第四版第四版制作制作:红河学院理学院红河学院理学院 Zhu Qiao ZhongZhu Qiao Zhong第七章第七章Nuclear physics introductionNuclear physics introduction ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong第七章原子核物理概论第七章原子核物理概论7-17-1原子核物理的对象原子核物理的对象7-57-5放射性衰变基本规律放射性衰变基本规律7-27-2核力核力7
2、-6 7-6 衰变衰变7-37-3核的基态特性之一:核质量核的基态特性之一:核质量7-7 7-7 衰变衰变7-47-4核的基态特性之二:核矩核的基态特性之二:核矩7-8 7-8 衰变衰变*7-5*7-5核模型核模型7-87-8核反应和核能的利用核反应和核能的利用目录目录2 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong第七章原子核物理概论第七章原子核物理概论 1.掌握原子核的基本性质。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。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。了解核素符号中各量的意义
3、。4.了解放射性衰变的规律及其应用。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。理解核裂变和核聚变。了解原子能的利用。【教学目的教学目的】核力和核矩;放射性衰变的基本规律;和裂核力和核矩;放射性衰变的基本规律;和裂变和核聚变。变和核聚变。【教学重点教学重点】【教学难点教学难点】核力和核结构。】核力和核结构。3 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong7-1原子核的描述原子核的描述1896年年,贝克勒尔发现钠盐的放射现象贝克勒尔发现钠盐的放射现象.这是这是人类历史上第一次在实验室里观察人类历史上第一次在
4、实验室里观察到原子核现象到原子核现象,是核物理学的开端是核物理学的开端.贝克勒尔贝克勒尔,1852-1908法法,与居里夫妇共同获与居里夫妇共同获1903年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖伦琴发现伦琴发现X射线后射线后,彭加勒彭加勒(法法)认为认为“X射线射线可能跟荧光属于同一机理可能跟荧光属于同一机理”,建议贝克勒尔建议贝克勒尔验证验证,终于发现终于发现钠盐钠盐有预期效果有预期效果.同时发现这同时发现这种射线跟荧光不一样种射线跟荧光不一样,不需要外来激发不需要外来激发.进一进一步的研究表明这是有别于步的研究表明这是有别于X射线的辐射射线的辐射,他称他称之为之为“铀辐射铀辐射”.贝克勒尔得到的第
5、一张铀辐射照片贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片 贝克勒尔是贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟研究荧光和磷光现象的世家子弟,于于18921892年担任巴黎自然历史博物馆教授年担任巴黎自然历史博物馆教授,而此而此职位是他祖父和父亲曾担任过的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(贝克勒尔发现放射现象(贝克勒尔发现放射现象(贝克勒尔发现放射现象(1896189618961896)一、历史回顾一、历史回顾一、历史回顾一、历史回顾4 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao ZhongJ.J汤姆逊发现电子(汤姆逊发现电子(18
6、97)J.J汤姆逊汤姆逊,英英,(1856-1940)获获1906年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖1897年年,J.J汤姆逊通过对阴极汤姆逊通过对阴极射线的研究测定了电子的荷质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比从而在实验上发现了电子.J.J.汤姆孙曾师从瑞利汤姆孙曾师从瑞利,并于并于1884年年(时年(时年28岁)接替瑞利任卡文迪许实岁)接替瑞利任卡文迪许实验室主任(长达验室主任(长达35年)年),经他培养的研经他培养的研究人员中有究人员中有7人获过诺贝尔奖人获过诺贝尔奖.在在19世纪末物理学的三大发现中世纪末物理学的三大发现中,如果说如果说X射线和放射性的发射线和放射性
7、的发现具有某种偶然性现具有某种偶然性,那么电子的发现却充分显示了科学发展的必那么电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路由之路.它是许多人经过大量实验和理论研究它是许多人经过大量实验和理论研究,进行了长期的科学进行了长期的科学争论之后的产物争论之后的产物.比起前两件来比起前两件来,电子的发现更有意义电子的发现更有意义,它打破了它打破了原子不可分的传统观念原子不可分的传统观念.打开了通向原子物理学的大门打开了通向原子物理学的大门.5 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong居里夫妇发现居里夫妇发现钋和镭钋和镭(1898)1898)
8、)皮埃尔皮埃尔.居里(法)(居里(法)(1859-1906););玛丽玛丽.居里(法籍波兰)(居里(法籍波兰)(1867-1934)同获同获1903年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖.玛丽玛丽.居里居里于于1911年再次获诺贝尔化学奖年再次获诺贝尔化学奖居里夫妇于居里夫妇于1898年年7月在沥青铀矿分离物内找到放射月在沥青铀矿分离物内找到放射性特别强的物质性特别强的物质.为纪念祖国波兰为纪念祖国波兰,他们建议称之为他们建议称之为钋钋钋钋(Polonium).进一步的分离发现钡盐有更进一步的分离发现钡盐有更强的放射性强的放射性,认为还有第二种放认为还有第二种放射性更强的物质射性更强的物质,命名
9、为命名为镭镭镭镭.后来他们用后来他们用4年时间从年时间从 8吨矿渣吨矿渣中提取了中提取了0.1g纯镭盐用于实验纯镭盐用于实验.6 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong居里夫人发现镭后居里夫人发现镭后居里夫人发现镭后居里夫人发现镭后,放弃专利放弃专利放弃专利放弃专利,公布提纯方法公布提纯方法公布提纯方法公布提纯方法.“.“没有人没有人没有人没有人应该因镭致富应该因镭致富应该因镭致富应该因镭致富,它是属于全人类的它是属于全人类的它是属于全人类的它是属于全人类的.”.”居里夫人的高尚品质居里夫人的高尚品质轶事三则:轶事三则:轶事三
10、则:轶事三则:1)居里夫人把她千辛万苦提炼出的镭(价值)居里夫人把她千辛万苦提炼出的镭(价值100万以上法郎万以上法郎.他与居里所得他与居里所得诺贝尔奖金诺贝尔奖金7万法郎万法郎)赠送给了研究治癌的实验室)赠送给了研究治癌的实验室.有人劝她把这些财产留给有人劝她把这些财产留给两个女儿两个女儿,居里夫人说:居里夫人说:“我希望女儿长大自己谋生我希望女儿长大自己谋生,我只留给她们精神财富我只留给她们精神财富,把她们引上正确的生活道路把她们引上正确的生活道路,而绝不给她们留金钱而绝不给她们留金钱.”2)居里夫人淡泊名利)居里夫人淡泊名利.一次她的一位朋友来访一次她的一位朋友来访,看见她的小女儿正在玩
11、英国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皇家学会刚刚颁发给她的金质奖章,惊讶地说惊讶地说“居里夫人居里夫人,得到一枚英国皇家学得到一枚英国皇家学会的奖章会的奖章,是极高的荣誉是极高的荣誉,你怎么能给孩子玩呢你怎么能给孩子玩呢?”居里夫人笑了笑说:居里夫人笑了笑说:“我是想我是想让孩子从小就知道让孩子从小就知道,荣誉就像玩具荣誉就像玩具,只能玩玩而已只能玩玩而已,绝不能看得太重绝不能看得太重,否则就将一否则就将一事无成事无成.”3)从)从1953年起,居里夫人的年薪已增至年起,居里夫人的年薪已增至4万法郎万法郎,但她照样但她照样“吝啬吝啬”.她每她每次从国外回来次从国外回来,总
12、要带回一些宴会上的菜单总要带回一些宴会上的菜单,因为这些菜单都是很厚很好的纸片因为这些菜单都是很厚很好的纸片,在背面写字很方便在背面写字很方便.难怪有人说居里夫人一直到死都难怪有人说居里夫人一直到死都“像一个匆忙的贫穷妇人像一个匆忙的贫穷妇人.”7 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong1920年年5月月,美国记者麦隆内夫人在巴美国记者麦隆内夫人在巴黎简陋的实验室访问居里夫人黎简陋的实验室访问居里夫人,问道问道:“难难道这个世界上就没有你想要的东西?道这个世界上就没有你想要的东西?”“有有,1克镭克镭.以便我的研究以便我的研究
13、.可可18年后年后的今天我买不起的今天我买不起,它的价格太贵了它的价格太贵了.”麦隆内夫人在全美妇女中为其募捐获麦隆内夫人在全美妇女中为其募捐获得成功得成功.1921年年5月月20日日,美国总统将公众美国总统将公众捐献的捐献的1克镭赠与居里夫人克镭赠与居里夫人.数年后数年后,当居里夫人想在故国波兰华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沙假设一个镭研究院治疗癌症时,美国美国公众再次为她捐赠了第二克镭公众再次为她捐赠了第二克镭.轶事:居里夫人的轶事:居里夫人的3g3g镭镭居里夫人在工作中遭受了大剂量的辐射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后来长期患恶性贫血症症.
14、弗列德利克弗列德利克约里奥曾检验过她当年的实验记录本约里奥曾检验过她当年的实验记录本,发现全都发现全都严重沾染了放射物严重沾染了放射物.她当年用过的烹调书她当年用过的烹调书,50年后再检查年后再检查,还有放还有放射性射性.8 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong居里夫人雕塑居里夫人雕塑-上海上海“东方绿舟东方绿舟”知识大道知识大道9 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford)英英,(1871-1937),获获1908年度诺
15、年度诺贝尔化学奖贝尔化学奖.1903年证实了年证实了射线为射线为2He,射线为电子射线为电子;1911年提出了原子的核式模型年提出了原子的核式模型;1919年首次实现人工核年首次实现人工核反应反应,用用粒子从氮核中打出质子粒子从氮核中打出质子.培养了培养了10位诺贝尔奖位诺贝尔奖获得者获得者.10 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao ZhongJ.Chadwick,(1891-1974),英英.因于因于1932年发现中子年发现中子,获获1935年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖.F.Joliotcurie,法法,(19001958)
16、I.Joliotcurie,法法,(18971956)因于因于1934年发现人工放射性年发现人工放射性,同获同获1935年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖11 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong哈恩等人发现核裂变哈恩等人发现核裂变(19381938)哈恩(哈恩(Hahn)德)德(18791968)1938年年,哈恩和助手哈恩和助手斯特拉斯曼斯特拉斯曼斯特拉斯曼斯特拉斯曼发现发现铀经中子照射后产生了中间质量的元铀经中子照射后产生了中间质量的元素素.接着接着迈特纳迈特纳迈特纳迈特纳(曾是哈恩的助手)和(曾是哈恩的助手)和弗里什弗里什
17、弗里什弗里什提出核裂变概念提出核裂变概念,解释了他们的解释了他们的实验结果实验结果.哈恩为此哈恩为此独获独获1944年诺贝尔年诺贝尔化学奖化学奖.迈特纳迈特纳(L.Meitner)(18781968)犹太血)犹太血统的奥地利物理学家统的奥地利物理学家,被称为被称为“科学中的边科学中的边际人际人”.12 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong费米(费米(E.Fermi)(1901-1954)意大利意大利,1938年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖.发发明了热中子链式反应堆明了热中子链式反应堆.丁肇中丁肇中,(1936)美籍中国人美籍中国人
18、,与与B.里克特分别发现里克特分别发现J、粒粒子子,找到了美夸克存在的证据找到了美夸克存在的证据,获获1976年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖.13 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong近年来的实验已经有了夸克可能是由更小的粒子组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成的迹象,仍有待进一步研究仍有待进一步研究.14 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong二、原子核的组成二、原子核的组成目前已知原子核的电荷数目前已知原子核的电荷数Z(1-109)
19、.其中其中Z为为43、61、85、87及及93的原子核都是用人工方法获得的的原子核都是用人工方法获得的.原子核的线度为原子核的线度为原子的原子的10-4,质量占原子的质量占原子的99%以上以上.原子核对原子性质起主要贡献的是其质量和电荷原子核对原子性质起主要贡献的是其质量和电荷.核核的其它性质几乎不对原子产生影响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元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有关关.而而放射性现象则归因于原子核放射性现象则归因于原子核放射性现象则归因于原子核放射性现象
20、则归因于原子核.核外电子的行为对原子核的影响甚微核外电子的行为对原子核的影响甚微,可不予考虑可不予考虑.15 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong1.1.原子核的组份原子核的组份早在早在1920年年,卢瑟福就推测核内应当存在一种与质子质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量大体相等且不带电的粒子.1932年年,查德威克发现中子之后查德威克发现中子之后,海森伯(德)和伊凡海森伯(德)和伊凡宁柯(俄)宁柯(俄)立即提出立即提出原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成原子核由质子和
21、中子组成的假说的假说.这一假说得到实验的证实这一假说得到实验的证实,很快就被人们接受很快就被人们接受.中子和质子统称核子中子和质子统称核子中子和质子统称核子中子和质子统称核子.实验表明实验表明,质子是稳定的质子是稳定的,而自由中子却不稳定而自由中子却不稳定.原子质量单位原子质量单位u u:同位素:同位素 原子质量的原子质量的1/12.1/12.原子核和核子的质量通常以原子质量单位原子核和核子的质量通常以原子质量单位u来量度来量度.16 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong原子核的质量数原子核的质量数原子核的质量数原子核的质量
22、数 A A:研究表明:研究表明,原子核的质量都接近原子核的质量都接近整数整数.这个整数称为原子核的质量数这个整数称为原子核的质量数.核核核核子子子子名称名称名称名称符号符号符号符号电量电量电量电量静止质量静止质量静止质量静止质量质子质子质子质子p p p pe e e e中子中子中子中子n n n n0 0 0 0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中子和质子的质量相近且接近1u,所以所以原子核的质量数就是该原子核所包含的原子核的质量数就是该原子核所包含的核子总数核子总数.海森伯认为海森伯认为海森伯认为海森伯认为p p和和和和n n是核子的两个不同状态是核子的两个不同状态是核
23、子的两个不同状态是核子的两个不同状态,质量上的微质量上的微质量上的微质量上的微小差异是由电性质的不同所引起的小差异是由电性质的不同所引起的小差异是由电性质的不同所引起的小差异是由电性质的不同所引起的.在原子核内在原子核内在原子核内在原子核内,p,p和和和和n n间间间间可互相转化可互相转化可互相转化可互相转化,在转化过程中还会有其它粒子伴随产生在转化过程中还会有其它粒子伴随产生在转化过程中还会有其它粒子伴随产生在转化过程中还会有其它粒子伴随产生.17 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong核的半径:核的半径:核的半径:核的半径
24、:(由实验规律给出由实验规律给出)经验常数经验常数(所有核普适)(所有核普适)核的质量密度核的质量密度核的质量密度核的质量密度:几种物质的质量密度几种物质的质量密度几种物质的质量密度几种物质的质量密度(g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3)水水水水1 1 1 1白矮星白矮星白矮星白矮星101010105 5 5 5 101010109 9 9 9核物质核物质核物质核物质1010101014141414中子星中子星中子星中子星10101010151515152.2.原子核的大小原子核的大小1cm3核物质的质量达核物质的质量达2亿吨亿吨;1粒米大小的核物质质量达粒米大小的核物质质量达20
25、万吨万吨核的密度近似为常量核的密度近似为常量,与核的种类无关与核的种类无关.18 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong显然显然,核不可能是黑洞。核不可能是黑洞。根据根据“黑洞黑洞”的判据估算核是不是黑洞的判据估算核是不是黑洞(核半径取(核半径取1.02fm,核质量的数量级与核子质量的数量核质量的数量级与核子质量的数量级相当级相当,取取10-27kg):):补充补充:19 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong3.3.核素核素元素元素:质子数相同的一类原子质子
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