第7章原子核物理概论

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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,第七章 原子核物理概论,目录,3,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。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,第七章 原子核物理概论,7-1

2、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

3、象（1896）,一、历史回顾,5,第七章 原子核物理概论,J.J汤姆逊发现电子（1897）,J.J汤姆逊,英,（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

4、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,第七章 原子核物理概论,居里夫妇发现钋和镭 (1898)）,皮埃尔.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,第七章 原子核物理概论,居里

5、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.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

6、,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,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,第七章 原子核物理概论,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

7、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,第七章 原子核物理概论,居里夫人雕塑 -上海“东方绿舟” 知识大道,10,第七章 原子核物理概论,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

8、从氮核中打出质子.培养了10位诺贝尔奖获得者.,11,第七章 原子核物理概论,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, （18971956）因于1934年发现人工放射性,同获1935年诺贝尔化学奖,12,第七章 原子核物理概论,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

9、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,第七章 原子核物理概论,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,找到了美夸克存在的证据,获1976年诺贝尔物理学奖.,14,第七章 原子核物理概论,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,第七章 原子核物理概论,二、原子核的组成,目前已知原子核的电荷数Z（1-109）.

10、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,第七章 原子核物理概论,1.原子核的组份,早在1920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

11、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,第七章 原子核物理概论,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,第七章 原子核物理概论,核的半径： (由实验规律给出),经验常数 （所有核普

12、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,第七章 原子核物理概论,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,第七章 原子核物理概论,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,迄今为止发现的约3000个核素中,有300多个天然核素(280多个稳定核素

13、,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,第七章 原子核物理概论,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,第七章 原子核物理概论,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（稳

14、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,第七章 原子核物理概论,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,

15、允许存在的核素远不止3000多个,而至少应有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,第七章 原子核物理概论,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

16、高能物理中更有特别的意义.,25,第七章 原子核物理概论,1.质量亏损：组成核的核子质量之和与核的质量的差值.,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,第七章 原子核物理概论,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.,