[理学]原子物理学

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1、第七章 原子核物理概论,7.1 原子核物理的对象,1. 人们对微观粒子的认识,19世纪，人们对原子的认识： 最小的、硬的颗粒,发现电子后对原子的认识： 带正电的原子球，电子嵌在其中,1896年， Becquerel发现铀的放射现象,1897年， Curie夫妇发现放射性元素钋和镭,1903年， Ruthorford 证明放射射线的两种成分,1919年， Ruthorford 首次实现人工核反应,1911年， Ruthorford 模型,卢瑟福模型： 原子由带负电的电子和带正电的原子核组成，原子的大部分质量和全部的正电荷集中在原子中极小原子核区域内，带负电的电子绕和运动。,“原子”是由带正电的、

2、重而小的“原子核”和围绕它的带负电的“电子云”组成,量子力学建立后人们对原子的认识,1932年，Chadwick发现中子,发现中子后,Heisenberg等人提出原子核由质子和中子组成,1928年，Dirac预言正电子,1931年，Anderson发现正电子,1930年，Pauli 中微子假说,1934年， Joliot Curie 人工放射性,1935年， 汤川秀树提出介子理论,1934年，Fermi提出粒子反粒子产生湮灭机制,1947年， Powell发现介子,1955年， Chamberlain 和Segre 发现反质子,1955年，杨振宁和李政道提出宇称不守恒,1957年，吴健雄等人实

3、验验证宇称不守恒,元素的化学性质、光谱特性只与核外电子有关,放射现象只与原子核有关,夸克提出后,目前对原子的认识,1963年 Gell-Mann提出强子结构的夸克模型,夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。,每种夸克都有相应的反夸克。,重子都由三个夸克组成。,介子都由一个夸克和一个反夸克组成。,标准模型,世界有什么组成？如何组成？-标准模型,6 种轻子6 种夸克传递力的粒子,上帝的厨房,3. 原子核的组成,1919年， Ruthorford 发现质子,1897年， Thomson 发现电子,原子核由质子和电子组成,He原子核由4个质子和2个电子组成,原子核由质子和电子组成假说带来的问题,A=Z+

4、N,无法解释某些核自旋,14N原子核 14个质子，7个电子组成，核自旋为半整数,实验上14N核自旋为整数,4. 核素图,中子数N为横坐标，原子序数Z为纵坐标,核素图中稳定核素几乎都落在一条光滑曲线上或者紧靠曲线的两侧，这个区域被称为核素的稳定区,核子依靠核力聚集成原子核，核力为短程力，存在与相邻核子间,质子间的库伦相互作用影响核子的稳定性的,质子泄漏线,中子泄漏线,稳定核素,1966年 预言Z=114附近超重元素岛,1974年 李政道预言 存在稳定元素洲,7.2 核的基态特征之一：核质量,1. 质量差,氕 氘 氚,原子核由质子和中子组成,2. 结合能,比 结合能,原子平均结合能曲线,氘的比结合

5、能,两头的核素比结合能小，中等质量的核素比结合能大,平均比结合能 8MeV,降低核的能量,轻核结合成中等质量的核素,重核结分裂为中等质量的核素,氢弹、恒星,原子弹、核反应堆,3. 半经验质量公式,理论上给出质量公式,1935年 Weizscker 依据核的液滴模型给出半经验公式,经验规律,表面能,质子间的库伦排斥作用，降低结合能,表面的核子与内部核子所处环境不同,表面能大小正比与表面积,假设原子核为均匀带电球体,库伦能,4. 较完整的质量公式,Weizsacker公式,质子、中子成对时核较稳定,7.3 核的基态特征之一：核力,1. 一般性质,. 短程力,核力-一个基本问题,一种短程力,. 与电

6、荷无关,. 强相互作用,. 饱和性,核力与电荷无关,. 与自旋有关,核子相距0.8-2.0fm时，表现为吸引力 核子相距小于0.8fm时，表现为排斥力 核子相距大于10fm时，核力几乎完全消失,. 极短程内为斥力,核力与自旋相对取向有关,(n-p)散射实验，发现np自旋平行和反平行时，散射截面不同,2. 核力的介子理论,力的传递为超距作用,Faraday力通过场来传递,现代观点：力通过物体间时刻 不停的交换虚粒子传递,Feynmann图,1935年，汤川秀树提出核力的介子理论,核力也是一种交换力,依据核力力程估算介子的质量,Heisenberg不确定关系和 Einstein质能方程,虚粒子-实

7、验上无法直接观测到的媒介粒子,介子质量介于质子和电子之间,1935-1937年，发现质量为电子质量的207倍的子,1947年找到真正的参与强相互作用的介子,7.4 核的基态特征之二：核矩,1. 核自旋,2. 核子磁矩,1924年Pauli提出原子核具有自旋-整体,实验发现：,偶偶核,奇偶核,奇奇核,Bohr磁子,质子磁矩,核磁子,理论预言,Stern实验结果,核子磁矩,中子不带电，中子内部有电荷分布,与电子类似，磁矩方向与自旋方向相反,3. 核磁矩（磁偶极矩）,基态氘核的磁矩,S态,2.5%,考虑核子的轨道磁矩,实验发现氘核基态不完全是S态,核子磁矩与磁场的作用,类比原子磁矩,核磁共振,4.

8、电四极矩,点电荷e电势,原子核电偶极矩为零,氘核基态不完全是S态,7.5 核模型,1. 液滴模型,把原子核看作是一个核电液滴,可以很好解释原子核的裂变现象,2. Fermi气体模型,把核子看作是无相互作用的气体分子,每个能级有两个质子（或中子）,Fermi能级：基态时核子可以处的最高能级,势阱中的粒子的能级,3. 壳层模型,Mayer,Jensen,1949年壳层模型,1963年诺贝尔物理学奖,“幻数”核 质子数或中子数等于 2, 8, 20, 28, 50, 82 和中子数为 126 时的原子核特别稳定,成功的解释了原子核幻数、基态的自旋和宇称以及衰变等,成功应用实例,独立地在一个静止的平均

9、势场中运动的假设过于简化。,不能解释远离双幻核区域的 原子核磁矩、核电四极矩以,及 跃迁概率等问题。这表明壳层模型中关于各核子彼此,不足,在势阱中加入自旋轨道耦合项,4. 集体模型,Bohr,Mottelson,1952年提出原子核的集体模型,1975年诺贝尔物理学奖,在50年代初，丹麦物理学家玻尔等人提出了在考虑单粒子,独立运动的同时，还必须考虑原子核发生转动和振动等集,体运动的新模型 集体模型，或称为综合模型。,7.6 放射性衰变的基本规律,放射性衰变：核素放出射线，自发的蜕变为另一种核素,1896年， Becquerel发现铀的放射现象,放射现象提供了原子核内部的运动信息,依据核素放出的

10、射线分类,衰变：放出射线衰变：放出射线衰变：放出射线 自发裂变：原子核分裂为多个质量相近的核 其他,（I）指数衰变率,核衰变过程服从量子力学的统计规律,在dt时间间隔内，核衰变的数目-dN正比与核数N和时间dt,衰变常数,物理意义：一个原子核在单位时间内发生衰变的几率,（II）半衰期,半衰期：放射性核素衰变其原有核数一般所需时间用T1/2表示,13N半衰期为9.961 min,应用举例,已知238U的半衰期为45亿年，235U的半衰期为7亿年，天然铀中 238U占99.3%,235U占0.72%，试估算地球年龄。,假设地球形成时候，238U和235U含量相等,质子半衰期为T1/2=1.2103

11、2年，假设探测器效率100%，若每月探测到一次质子衰变，至少要多少水？,一个水分子中有10个质子，水的摩尔质量18克/mol,（III）平均寿命,发生衰变原子核数,衰变掉核子的总寿命为,N个核子衰变的总寿命为,任意核子平均寿命为,（IV）描述放射性核素的特征量,描述放射性核素的特征量：,放射性核素的“指纹”,半衰期9.96min,半衰期2.5min,7Be地球上半衰期为53天， 太阳上7Be半衰期为70天,（V）放射性活度,放射性活度,单位时间内放射性物质发生衰变的原子核数,放射性活度的单位,1居里（Ci）=3.7X1010 次衰变/秒,1g 226Ra的放射性活度近似为1居里,1居里（Ci）

12、=3.7X1010 Bq,比活度,单位质量的放射性物质在单位时间内发生衰变的核数,比活度越大放射性物质纯度越高,（VI）长半衰期的测定,238U的半衰期为T1/2=45亿年,测定238U的半衰期的办法是测量它的活度A,实验测得1mg 238Ra的放射性活度为,（VII）简单的级联衰变,一些放射性物质并非经过一次衰变就达到稳定，而是经过连续多次的衰变才达到稳定,自然界存在4个级联衰变链,钍系、镎系、铀系、锕系,113In半衰期104min,应用：,医院使用113In放射源,113Sn+e 113In,113Sn半衰期118d,（VIII）同位素生产,P核素的产生率,7.7 衰变,（） 衰变的条件

13、,原子核发生衰变,衰变能,发生衰变的条件,例子：,210Po 206Pb+,M(210Po) =209.9829u,M(206Pb)=205.9745u,M()=4.0026u,E0=M( 210Po )-M( 206Pb)-M()c2=5.402 MeV 0,（） 衰变能与核能级图,208Tl基态,208Tl第一激发态,208Tl第二激发态,208Tl第五激发态,208Tl第四激发态,208Tl第三激发态,212Bi的粒子能量及其衰变能,（） 衰变机制与寿命,（） 涉及粒子的几个重大事件,1903年，Rutherford发现 粒子为带正电荷的He原子,1928年，Gamov对衰变做出量子力学

14、解释,1932年，Chadwick利用粒子发现中子,1911年，Rutherford在 粒子散射实验基础上建立原子 的核式模型,1911年，Rutherford利用 粒子实现人工核反应,例题：,静止的226Ra在衰变中发射的粒子的能量是多少？,226Ra 206Rn+,7.8 衰变,（） 衰变产生的难题,Be cquerel发现放射性之后，证明-射线为阴极射线,射线能谱-连续谱,射线引发的问题,射线能谱为连续谱,射线中电子的来源,能量、动量不守恒？,（） 中微子假说,1930年Pauli提出中微子假设,衰变过程中，伴随每个电子有一个中微子被发射出来，使中微子和电子的能量之和为常数,-衰变放出电

15、子和中微子,中微子实验验证,1956年Reines和Cowen在实验中直接探测到中微子,1952年Davis根据王淦昌体提出的方案在实验中间接探测到中微子,1934年Fermi利用中微子假设提出了弱相互作用的衰变理论,中子与质子为核子的两个不同的状态，二者相互转时放出电子和中微子,电磁相互作用产生光子 弱相互作用产生电子和中微子,弱电统一理论,1979年诺贝尔物理学奖,（） -衰变,-衰变条件,（） +衰变,+衰变条件,（） 轨道电子俘获,轨道电子俘获衰变条件,原子核外电子层KLMN,i俘获,（） 与衰变有关的其他衰变方式,中微子吸收,中微子与物质相互作用非常小,优点：穿透性好,缺点：不易测量

16、,双-衰变,延迟中子发射,延迟质子发射及粒子发射,核素图上衰变,7.9 衰变,（） 衰变的一般性质,衰变 处于激发态的原子核向低激发态跃迁，放出光子的现象,（） 内转换电子,内转换 原子核由激发态向较低能态跃迁，并不是放光子，而是把能量转移给核外电子，使其电离的现象。 内转换过程中释放出的电子被称为内转换电子,内转换系数,无 光子参与,（） 同质异能跃迁(IT),原子核处于激发态的寿命,10-14s,亚稳态：寿命较长的激发态,0.1s,处于亚稳态的核素被称为同质异能素,同质异能素发生的跃迁，被称为同质异能跃迁,（）Mssbauer 效应,无反冲共振吸收，Mssbauer1958年发现,无反冲,有反冲,动量守恒,反冲能,57Fe的第一衰变能14.4keV,反冲能,成立,谱线宽,不确定关系,