原子核物理课件第一章(杨福家版)

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1、第一章原子核的基本性质第一章原子核的基本性质原子核的电荷、质量、半径、自旋、磁矩、原子核的电荷、质量、半径、自旋、磁矩、电四极矩、宇称、统计性质和同位旋等电四极矩、宇称、统计性质和同位旋等. 1.1 原子核的组成原子核的组成 一、原子的核式结构一、原子的核式结构原子中存在一个带正电的核心，叫做原原子中存在一个带正电的核心，叫做原子核，它的大小是子核，它的大小是10- 12cm的数量级，但其的数量级，但其质量却占整个原子质量的质量却占整个原子质量的99.9%以上，核外以上，核外电子在核的库仑场中运动。电子在核的库仑场中运动。 二、质子和中子的发现二、质子和中子的发现 利用钋发射的粒子轰击铍等轻元

2、素，发现一利用钋发射的粒子轰击铍等轻元素，发现一 种穿透能力很强的中性射线，能够穿过铅板被种穿透能力很强的中性射线，能够穿过铅板被 计数管记录下来，他们断言是射线。计数管记录下来，他们断言是射线。 14N(1.2 MeV)89 MeV +Be射线射线（康普顿散射康普顿散射） 55 MeV 石蜡石蜡P（5.7MeV） 三、核素和核素图三、核素和核素图 核素：通常把具有相同质子数核素：通常把具有相同质子数Z，中子数，中子数N的一类原子（或原子核）称为核素。的一类原子（或原子核）称为核素。 不能自发发生变化的核素就是稳定核素，不能自发发生变化的核素就是稳定核素，如如1H，2H，12C等。等。 原子核

3、能自发发生变化的核素就是放射性原子核能自发发生变化的核素就是放射性核素，例如核素，例如3H，14C，40K等。等。 近几年我国新核素研究取得重大进展，原近几年我国新核素研究取得重大进展，原子能研究院合成鉴别了子能研究院合成鉴别了90Ru，上海原子核，上海原子核研究所生成和鉴别了研究所生成和鉴别了202Pt，兰州近代物理，兰州近代物理所合成了近所合成了近20种新核素，如种新核素，如185Hf，等。例如利用重离子加速器提供的等。例如利用重离子加速器提供的22Ne束束流轰击流轰击241Am靶，生成靶，生成。Db259 105Db259 105 若以原子核的中子数若以原子核的中子数N为横坐标，以质子数

4、为横坐标，以质子数Z为纵坐标，为纵坐标， 把每一个核素排在一张图上，这种图称为核素图。把每一个核素排在一张图上，这种图称为核素图。1.2 原子核的质量、电荷和半径原子核的质量、电荷和半径 一、原子核的电荷一、原子核的电荷 散射法散射法表表1 散散射射法测定法测定的核电荷数的核电荷数77.4078铂铂46.3047银银29.3029铜铜实验测量值实验测量值原子序数原子序数元素元素 X射线法：射线法：1913年莫塞莱发现元素所放出的年莫塞莱发现元素所放出的特征特征X射线的频率与原子序数射线的频率与原子序数Z有下列关有下列关系 ：系 ：BAZ = 二、原子核的质量二、原子核的质量 原子核质量是原子质

5、量与核外电子质量之原子核质量是原子质量与核外电子质量之差（忽略核外电子结合能）。通过测定出差（忽略核外电子结合能）。通过测定出原子质量（离子质量）来推知核的质量 。原子质量（离子质量）来推知核的质量 。 常用设备是质谱仪 。常用设备是质谱仪 。 三、原子核的半径三、原子核的半径 实验表明，原子核是接近球形的，因此通实验表明，原子核是接近球形的，因此通 常用核半径来表示原子核的大小，核半径常用核半径来表示原子核的大小，核半径 通常为（通常为（10- 1210- 13）cm数量级的 。数量级的 。 1、核力作用半径、核力作用半径 实验上通过中子、质子或其它原子核与核实验上通过中子、质子或其它原子核

6、与核 的作用所测得的核半径就是核力作用半的作用所测得的核半径就是核力作用半 径，实验表明，核半径与质量数径，实验表明，核半径与质量数A有关，近有关，近 似关系：似关系：fm)5 . 14 . 1 (cm10)5 . 14 . 1 (r130=3/1 0ArR = 2、电荷分布半径、电荷分布半径 测量电荷分布半径比较准确的方法是利用测量电荷分布半径比较准确的方法是利用高能电子在原子核上的散射，电子与原子高能电子在原子核上的散射，电子与原子核的作用实际上就是电子与质子的作用。核的作用实际上就是电子与质子的作用。fmA1 .1R31 1.3原子核的结合能和半经验公式原子核的结合能和半经验公式 一、能

7、量和质量的相互关系一、能量和质量的相互关系 1、质能关系、质能关系 一个物体的质量与它的运动状态有关，根一个物体的质量与它的运动状态有关，根据相对论，对于静止质量为据相对论，对于静止质量为m0的物体，以的物体，以速度数值速度数值v运动时，其质量运动时，其质量m为为2mcE =20) c/v(1/mm= 物体的静止能量：与物体的静止质量物体的静止能量：与物体的静止质量m0相相应的能量应的能量，称为它的静止能量，称为它的静止能量，是相对论的重要推论。是相对论的重要推论。 运动粒子的总能量运动粒子的总能量E与动量与动量p和静止质量和静止质量m0之间的关系式之间的关系式200cmE=224202pcc

8、mE+=R20R0EcmEEE+=+= 2、能量单位：、能量单位：eV，keV，MeV，GeV表表2给给出出一一些些粒子的粒子的静止静止质量和质量和相相应应能量的数能量的数值值0.51100938.272939.5651875.6132808.9213727.3790.000548581.0072761.0086652.0135533.0155014.001506电子电子e质子质子p中子中子n氘核氘核d氚核氚核t氦核氦核能量能量m0c2/MeV静止质量静止质量m0/u粒子粒子 3、质量和能量的变化关系、质量和能量的变化关系 能量的变化与质量的变化相联系，体系有能量的变化与质量的变化相联系，体系

9、有质量的变化就一定有能量的变化，表明物质量的变化就一定有能量的变化，表明物质的这两个属性密切相联系。质的这两个属性密切相联系。2mcE= 二、质量二、质量亏损亏损 实验发现，原子核的质量总是小于组成它实验发现，原子核的质量总是小于组成它的核子的质量和。的核子的质量和。以粒子为例，其质量为以粒子为例，其质量为4.001506u,组成粒子的组成粒子的2个质子和个质子和2个中子的质量和个中子的质量和为：为：2mp+2mn=2(1.007276u+1.008665u）=4.031782u. 显然粒子的质量小于组成粒子的质显然粒子的质量小于组成粒子的质子和中子质量和。子和中子质量和。 把组成某一原子核的

10、核子质量之和与该把组成某一原子核的核子质量之和与该原子核质量之差称为原子核的质量亏原子核质量之差称为原子核的质量亏损，即损，即),()()(),(1AZmmZAHZmAZmn+= 通常用核素的原子质量来表示，即通常用核素的原子质量来表示，即16O核的质量亏损为核的质量亏损为 质量过剩质量过剩),()()(),(1AZMmZAHZMAZMn+=uuuMmHMMn994915.15008665. 18007825. 18)16, 8(8)(8)16, 8(1+=+=u206867429. 0=2),(),(cAuAZMAZ表表3给给出出一一些些核素的原子质量核素的原子质量8.0717.28913.

11、13614.95014.9312.4251.0086651.0078252.0141023.0160493.0160294.002603112334011122nHHe/MeVM/uAZ元素符号元素符号 三、原子核的结合能和比结合能三、原子核的结合能和比结合能 1、核的结合能：自由核子结合成原子核时、核的结合能：自由核子结合成原子核时所放出的能量称为核的结合能所放出的能量称为核的结合能B(Z,A)。212),()()(),(),(cAZmmZAHZmcAZmAZBn+= 如果由核素的原子质量来计算原子核的结如果由核素的原子质量来计算原子核的结合能，则有合能，则有 可以用质量过剩来表示成可以用质

12、量过剩来表示成21),()()(),(cAZMmZAHZMAZBn+=),()()()(),(1AZnZAHZAZB+= 2、比结合能、比结合能 原子核的结合能除以总核子数，称为平均原子核的结合能除以总核子数，称为平均结合能，也称比结合能，用表示结合能，也称比结合能，用表示AB/= 意义：表示若把原子核拆成自由的核子，意义：表示若把原子核拆成自由的核子，平均对每个核子所要做的功；或者说，它平均对每个核子所要做的功；或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放出的能量。所释放出的能量。 原子核的比结合能的大小可以表征原子原子核的比结合能的大小可以表征原

13、子核结合松紧的程度，越大的原子核结合核结合松紧的程度，越大的原子核结合得越紧，较小的原子核结合得越松。得越紧，较小的原子核结合得越松。表表4 一一些些核素的结核素的结合合能和能和比比结结合合能能1.112 2.573 7.07 5.33 5.61 7.68 7.48 7.98 8.55 8.79 7.87 7.59 7.572.224 7.718 28.30 31.99 39.24 92.16 104.66 127.61 342.05 492.3 1636.4 1783.8 1801.62H3He4He6Li7Li12C14N16O40Ca56Fe208Pb235U238U比结合能比结合能结合

14、能结合能B/MeV核素核素3、比结合能曲线：对于稳定的核素，以比结、比结合能曲线：对于稳定的核素，以比结 合能为纵坐标，核素质量数合能为纵坐标，核素质量数A为横坐标制成的为横坐标制成的 曲线叫比结合能曲线。曲线叫比结合能曲线。 规律：规律： （1）A小于小于30时，曲线的趋势是上升的，但时，曲线的趋势是上升的，但有明显的起伏，峰的位置都在有明显的起伏，峰的位置都在A为为4的整数倍的整数倍的地方，并且的地方，并且Z和和N相等，均为偶数 ，为偶相等，均为偶数 ，为偶- 偶偶核；比结合能为极小的核素，核；比结合能为极小的核素，Z和和N也相等，也相等，但均为奇数，称为奇但均为奇数，称为奇- 奇核。奇核

15、。 （2）质量数）质量数A大于大于30时，原子核的比结合能时，原子核的比结合能最高，而且几乎接近于一个常数最高，而且几乎接近于一个常数 (8.6 MeVNu- 1)。 （3）重核（）重核（A大于大于200）的比结合能比中等核）的比结合能比中等核的低。的低。 比结合能曲线的一般趋势是中间高、两边低。比结合能曲线的一般趋势是中间高、两边低。 例1试由质量亏损计算56Fe中每个核子的 比结合能。 M(1H)=1.007825u,M(n)=1.008665u, M(56Fe)=55.93494u 例1试由质量亏损计算56Fe中每个核子的 比结合能。 M(1H)=1.007825u,M(n)=1.008

16、665u, M(56Fe)=55.93494u 解：由原子核的结合能公式解：由原子核的结合能公式则可以得到则可以得到因此，因此，56Fe每个核子的比结合能为每个核子的比结合能为21),()()(cAZMmZAHZMBn+=293494.55008665. 130007825. 126ucB+=MeV277.492=)/(79. 856/277.492/NuMeVAB= 四、最后一个核子的结合能四、最后一个核子的结合能 原子核最后一个核子的结合能表示一个自原子核最后一个核子的结合能表示一个自由核子与核的其余部分结合成原子核时所由核子与核的其余部分结合成原子核时所释放出的能量，也就是从核中分离出一个释