原子物理学 第七章

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1、第七章原子核物理概论 主要内容 2 放射性衰变的基本规律 3 三种衰变 4 核反应 原子能 1 原子核的基本性质 7 1 原子核物理的对象 核外电子 原子物理学 原子核 原子核物理学 一 原子的中心 原子核 原子核对原子性质的主要贡献是原子核的质量和电荷 原子核的其他性质对原子的影响相当微小 核外电子的行为对原子核的性质也几乎没有关系 除了物质的电性以外几乎不存在哪种性质是由原子核和核外电子共同提供的 原子和原子核是物质结构中泾渭分明的两个层次 元素的物理 化学性质 光谱特性 核外电子 放射现象 原子核 与原子物理有关的现象在自然界中相当普遍 而与原子核有关的现象在自然界中相当罕见 二 历史回

2、顾 1896年 贝克勒尔发现放射性 1897年 居里夫妇发现放射性元素钋和镭 1899年 发现 射线 1900年 发现射线 1903年 卢瑟福证实射线是氦核 射线是电子 1911年 提出原子的核式模型 1919年 实现人工核反应 1932年 查德威克发现中子 1934年 约里奥 居里夫妇发现人工放射性 1939年 发现铀原子核裂变 1942年 发明热中子链式反应 1945年 原子弹 1952年 氢弹 1954年 苏联第一个原子能发电站 1958年 我国第一座重水型原子反应堆 1964年 我国第一原子弹试爆成功 1967年 我国第一氢弹试爆成功 三 原子核的组成 1 原子核的质子 电子假说 卢瑟

3、福提出原子的核型结构模型 揭开了研究原子核的序幕 原子核带正电并且其质量是质子质量的整数倍这一实验事实 使人们确认质子是原子核的基本成员 但是根据原子核的质量和电量分别去确定原子核所包含的质子数 结果是不一致的 根据德布罗意假设和氦核的大小 可以算得电子的动量为 则 不可能 另外 原子核的质子 电子假说也无法解释核自旋的实验事实 以氮原子核为例 按照原子核的质子 电子假说 氮核中应包含14个质子和7个电子 粒子总数是21 因为质子和电子的自旋都是1 2 21个粒子合成的氮核的自旋是21 2 而实际上氮核的自旋是1 1932年查德威克 j chadwick 1891 1974 发现中子之后 伊凡

4、宁柯和海森伯立即提出原子核是由质子和中子组成的假说 这个假说不仅解决了上述矛盾和困难 而且得到各方面实验的支持 质子常用p表示 它带有1个单位的正电荷 质量为1 007277u 是电子质量的1836 1倍 中子常用n表示 它不带电荷 质量为1 008665u 是电子质量的1838 1倍 质子和中子统称为核子 海森伯认为质子和中子是核子的两个不同状态 它们在质量上的微小差异是由电性质的不同所引起的 在原子核内 中子是组成核的稳定粒子 但在原子核外 中子是不稳定的 一个自由中子的寿命是888 6s 约为15min 最后衰变为一个质子 一个电子和一个反中微子 即 在原子核内 中子与质子之间也是可以互

5、相转化的 在转化过程中还会有其他粒子伴随产生 原子核的质量数和电荷数 原子核的质量通常以原子质量单位u为单位量度 u与kg之间的关系为 测量结果表明 原子核的质量都接近整数 这个整数称为原子核的质量数 通常用A表示 原子核的质量是由质子和中子共同提供的 由于质子和中子的质量相近 并且都接近1u 所以原子核的质量数就是该原子核所包含的核子总数 原子核带正电 其电量q由它所包含的质子数z决定 即 式中e是电子电量的绝对值 Z称为原子核的电荷数 也就是这种元素的原子序数 既然原子核是由质子和中子组成的 原子核所包含的中子数N必定等于总核子数A与质子数Z之差 即 这样 任何一个原子核都可以用符号来表示

6、 例如 硼核中有11个核子 其中有5个质子和6个中子 表示为 铀核中有238个核子 其中有92个质子和146个中子 表示为等等 通常把具有相同质子数Z和相同中子数的一类原子 也就是具有相同原子序数z和质量数A的一类原子称为一种核素 实际上只要用或就足以表示一种特定的核素 根据质量数A 质子数Z和中子数N的不同 可以把核素分成以下几类 1 同位素 是质子数Z相同而中子数N不同的核素 它们在周期表上占据同一个位置 自然界存在的元素往往是由几种同位素所组成 并且各种同位素的含量有一定的比例 这种比例称为同位素的丰度 3 同量异位素 是具有相同质量数A的核素 如和 4 同质异能素 是具有相同质子数Z和

7、相同中子数 但所处能量状态不同的核素 一般是指处于激发态和基态的核素 2 同中子异荷素 是具有相同中子数N 不同质子数Z的核素 如和 四 核素图 核素图是核科学与工程发展的基本核数据 从核素图上可了解到多种核数据 例如 元素的原子质量与原子序数 稳定核素的丰度 自旋与宇称 放射性核素的衰变模式 衰变分支比与半衰期 Q值等 稳定线 原子核的放射性是原子核自发进行的衰变过程的一种表现 反映了原子核的不稳定性 从核素图上可以看到 稳定的核素都分布在一个狭长的带状区域内 通过这个狭长带状区域的中心可以画一条光滑的曲线 这条曲线称为稳定线 稳定线及其附近的这个狭长的带状区域称为核素的稳定区 在稳定线的起

8、始段 核子数AZ的方向 稳定线上侧的区域是缺中子的核素区 这个区域的核素具有放射性 包括电子俘获 或放射质子 稳定线下侧的区域是丰中子的核素区 这个区域的核素具有放射性或放射中子 这两个区域的核素经衰变后转变为更靠近稳定线的核素 如果把不稳定核素区比作不稳定海洋 那么核素存在的区域就象是个半岛 目前已经发现的2700多种核素就处于这个半岛上 1966年前后理论曾预言 在远离半岛的不稳定海洋中 在z 114附近应该存在一个超重元素稳定岛 1974年前后李政道预言 在不稳定海洋更遥远的地方存在一个比岛大得多的 稳定洲 那里有成千上万种稳定核素 这些预言都有待于实验的进一步验证 7 2 核的基态特性

9、之一 核质量 原子核的质量并不等于质子和中子的质量之和 例如 氘核 中子质量 质子质量 氘核质量 则 中子和质子组成氘核时 会释放出一部分能量 自由质子与中子结合成氘核时质量的减少值 称为质量亏损 质量亏损 此过程中 亏损的静质量转换为运动质量 Z个质子与N个中子组成原子核时 所发生的质量亏损为 二 结合能 我们已经知道 原子核中的核子是依靠核力的作用紧密地结合在一起的 显然 若要把它们分散开来 外界必须为克服核力而作功 反之 孤立核子若结合成原子核 必定要放出一定的能量 这部分能量与先前为拆散它们外界所作的功是相等的 孤立核子组成原子核时所放出的能量 就称为原子核的结合能 如果一个原子核的质

10、量为m 那么其结合能B满足 或 即当核子结合成原子核时 因质量亏损而必然有相应的能量释放出来 相反 如果将原子核拆散成自由核子 则必须由外界提供原子核同样大小的能量 根据狭义相对论质能关系式 可知 质量的改变必然伴随能量的改变 例 氦 原子和铍 原子的质量分别是4 002605u和9 012183u 试计算氦核和铍核的结合能 已知1uc2 931 5MeV 解 对氦 核 Z 2 N 2 结合能 对铍 核 Z 4 N 5 结合能 比结合能 原子核的结合能越大 核子之间的结合就越牢固 原子核就越稳定 为了比较不同原子核的稳定程度 我们引入核子的平均结合能 定义为原子核的结合能与原子核内所包含的总核

11、子数之比 即 核子的平均结合能越大 原子核就越稳定 例如 氘核的结合能为2 23Mev 核子的平均结合能为1 11Mev 而氦核的结合能为28 28Mev 核子的平均结合能为7 07Mev 显然氦核比氘核更稳定 核的结合能图 上图画出了核子平均结合能随质量数A的变化 此图称为核的结合能图 由图可见 较轻的核和较重的核的核子平均结合能较小 稳定性较差 而中等质量的核的核子平均结合能较大 都在8Mev上下 所以最稳定 可以设想 如果将结合能小的核转变为结合能大的核 必定会释放出能量 例 已知原子的质量为235 043944u 试计算其结合能和比结合能 解 结合能为 则比结合能为 7 3 核力 一

12、一般性质 我们知道 原子核中核子的平均结合能高达8 6MeV 比电子在原子或分子中的结合能几个或几十个电子伏大得多 核子之间除了万有引力作用之外 还存在电磁力作用 但是核子之间的万有引力与电磁力相比 是可以忽略的 于是我们可以设想 如若核子之间没有更大的引力作用把它们紧密地束缚在一起 质子之间的强烈静电斥力作用只能使原子核解体 核子之间的这种更大的引力就是核力 也就是核子之间的强相互作用 核力使核子结合成原子核 核力问题是了解原子核结构和性质最关键的问题 但核力的性质目前还没有完全搞清楚 仍是一个需要进一步探索的课题 经过几十年的实验观察和理论研究 人们了解了核力的许多性质 1 短程力 实验表

13、明 只有当核子之间的距离等于或小于10 15m数量级时 核力才表现出来 可见 核力的作用力程 或称核力的作用半径 比原子核的线度还要小 故为短程力 核力与液体中分子之间的作用力很相似 任一核子不可能与核内所有核子都发生核力作用 而只能与核内相邻近的核子发生核力作用 2 饱和性 正因为核力是短程力 只作用于相邻的核子 所以表现出正比于原子核的质量数A的规律 即比结合能的值近似为常数 不随A的增加而增加 达到了饱和值 可以说 核力的饱和性必然要求核力为短程力 短程性和饱和性是核力最重要的两个特性 3 强相互作用 核力的强度必须足以克服质子之间的静电斥力而把它们紧密地束缚在一起 事实表明 核力的作用

14、强度比电磁力的强度约大100倍 是万有引力的1038倍 4 核力与电荷无关 大量实验事实表明 在原子核内 无论中子与中子之间 质子与质子之间 还是中子与质子之间 表现的核力是相同的 与核子是否带电无关 5 核力在极短程内存在斥心力 由质子被质子散射和质子被中子散射的实验研究显示 当两核子的间距大于10fm时 核子间完全无核力作用 当两核子的间距在0 8 2 0fm时 核力明显地表现为引力 当两核子的间距小于0 8fm时 核力表现为强烈的斥力作用 而对这种斥心力的细节 目前尚无认识 正是由于这种斥力作用的存在 才使所有原子核具有相同的密度 6 核力与自旋有关 两核子之间的核力与它们的自旋的相对取

15、向有关 二 核力的介子理论 量子电动力学揭示 带电粒子间是通过电磁场而进行电磁相互作用的 电磁场是量子化的 其场量子就是光子 即带电粒子间通过交换光子而发生相互作用 那么核子之间的相互作用是通过什么传递的呢 如果也是通过某种场传递的 那么这是一种什么场 这种场的量子又是什么呢 TheNobelPrizeinPhysics1949 提出介子理论 YukawaHideki1907 1981 1935年 日本理论物理学家汤川秀树 1907 1981 把核力与电磁力相类比提出了核力的介子场理论 回答了这些问题 介子场理论认为 核力也是一种交换力 是通过介子场传递的 介子场的量子是介子 汤川秀树预言了这

16、种介子的静质量大约是电子质量的270倍 由于质量介于质子质量和电子质量之间 故命名为介子 直到汤川秀树提出核力的介子场理论之后十二年 于1947年鲍威尔 c f powell 1903 1969 等人才在宇宙射线中发现了这种传递核力的介子 介子有三种 和 和的质量都是电子质量的273 3倍 的质量是电子质量的264倍 介子传递核力的情形可以用费曼图表示 在前两种情况中 相当于两个发生核力作用的核子互相交换了位置 所以表现为交换力 后两种情况是通过释放 吸收实现的 核子不变 表现为非交换力 属于寻常力 可见 核力是交换力和寻常力的混合 由于核子不断地发射介子 在核子周围形成介子云 在极短时间内被邻近的核子吸收 或者又被核子自身吸收 于是相邻核子之间频繁地交换介子 这正是核力产生的根源 7 6 放射性衰变的基本规律 目前已知的两千七百多种核素中 绝大多数是不稳定的 不稳定的核素要自发地变化 转变为另一种核素 同时还要释放出一定的粒子流 这种性质称为放射性衰变 核素在衰变过程中释放出来的粒子流 称为射线 具有放射性的同位素 称为放射性同位素 放射性同位素有天然的 也有人工的 放射性衰变的种类