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1、山东核电配套环保工程项目筹备组,新员工培训课件（一）,在所有这些发展中，原子核物理的研究起了关键作用。核物理是一个国际上竞争十分剧烈的科技领域，各国都投入了大量的人力、物力来从事这方面的研究工作。核物理基础研究的重大成就，核能和核科学技术的广泛应用已成为科技现代化的主要标志之一。,19世纪末，物质结构的研究开始进入微观领域，在几十年内，人们在这方面取得了重大的进展：物理学中建立了研究物质结构的三个分支学科，即原子物理、原子核物理和粒子物理；发现了微观世界的运动规律，创造了量子力学和量子场论。而原子能的释放，则为人类社会提供了一种新的能源，推动社会进入原子能时代。,原子核物理基础,1896年，贝
2、可勒尔（H.Becquerel）发现天然放射性现象 。 1919年，卢瑟福（E.Rutherford）首次实现了人工核反应。 1932年，查德威克（James Chadwick）发现了中子。 1934年，居里夫妇（Couple Curie ）人工合成了第一个放射性核素。,1938年，哈恩（O.Hahn）和斯特拉斯曼（F.Strassmann）发现核裂变现象。 1942年，费米（E.Fermi）建立第一个链式反应堆。 1957 杨振宁和李政道发现弱相互作用下宇称不守恒。 ,核物理的发展史,为便于之后更好地理解核物理、粒子物理的相关知识引入这一概念。 所谓能量空间，就是指如果在空间中各个点的势能给
3、定的情况下；那么，凭着各点位置的不同，必然会存在势能高低的不同，我们把该空间中势能高于周围各点的一小片区域叫做势垒，反之为势阱。,比如，重力势场中：高原、山顶就是一个势垒，盆地、山谷就是一个势阱。,能量空间模型,【鲍利原理】也说成是鲍利不相容原理。它是量子力学里面的一个概念。1925年，沃尔夫冈鲍利（Wolfgamg Pauli ）在总结原子构造时总结出来的一条经验规则。简单来讲：鲍利原理描述的就是在量子力学研究的微观领域里，组成单个原子、原子核等微粒的任何两个同种基本粒子（仅限于自旋为半整数的费米子，如电子、质子、中子等；自旋为整数的玻色子，如光子、介子等则不包含在内。）之间不能够拥有完全相
4、同的量子态。,在自然界中普遍存在的一个规律就是“能量最低原理”，一切自然变化进行的方向都是使能量降低，因为能量越低就意味着越稳定。 原子核中的核子也是如此，在不违背鲍利原理的条件下，核子优先占据能量较低的原子核轨道，使得整个核体系能量最低，这样的状态就是核的基态。,原子核也存在高能态和低能态。放射性衰变中的衰变就是原子核在激发态向基态过渡的时候以光子的形式释放过余能量的一种方式。,能量最低原理,原子核的基本性质通常是指原子核作为整体所具有的静态性质。它包括原子核的电荷、质量、半径、自旋、磁矩、宇称、统计性质和同位旋等。这些性质和原子核结构及其变化有密切关系。 作为基础了解，下面我们仅对上述原子
5、核的前三种性质作简要介绍，最后以几种常见的粒子为例来加深读者对核的基本性质的印象。,原子核的基本性质,我们知道，原子有着类似于太阳系的结构。且每个电子带一个单位的负电荷的；然而，原子却是电中性的，所以我们不难想到：原子核带的电量是核外电子的总电量，但两者符号相反。根据各原子核所带电量的不同，我们又把它们按照一定顺序排列到一个表中，也就是元素周期表。用X表示一种元素，Z表示核电荷数（质子数），N表示中子数，A表示原子的质量数，我们通常把一个元素表示成：,电子电量： Q=1.6021746210-19C=4.80320419710-10esu.,其中，C是国际单位库仑，esu是厘米克秒单位制中的一
6、个单位。,核的电荷,忽略掉核外电子的结合能，原子核的质量就是原子质量与核外电子质量之差。 而电子的质量仅为质子质量的1/1836。所以原子的质量大部分都集中在原子核上。 原子、原子核的质量单位是u，是12C原子质量的1/12。,NA是阿伏加德罗（Avogadro）常量 。 表示一个摩尔的任何元素都包含有6.022141991023个原子。,核的质量,实验表明，基态原子核是接近于球形的。因此，核半径表征了原子核的大小。核半径用宏观尺度来衡量是很小的量，为（10-1410-15）m数量级；而标准原子半径在10-10m的数量级。,可见，原子核虽然占据了原子质量的大部分，但它所占有的空间比起原子来却是
7、相当小的。,核的半径,原子核是有稳定性的，正如之前谈到的原子核的能态一样。处在高能态（激发态）的核有向低能态（基态）过度的趋势。就像搁在山顶（势垒）上的球，它们存在不稳定的因素。 不稳定的核向稳定态过度的时候，会通过放出氦原子核（粒子），电子、正电子（正负粒子）、光子，质子和中子等其它粒子或者别的一些途径到达稳定态。,原子核自发地放射各种射线的现象被称作放射性。 能自发地放射各种射线的核素称为放射性核素，或不稳定核素。在已发现的2000多种核素中，只有近300种是稳定的。,当我们分别以质子数和中子数为平面坐标，把这些核素平铺到这个坐标图上，我们会发现所有的稳定核素都集中在一个狭长的“半岛”区域
8、内。,通过这个半岛的中心作一条曲线，我们称之为稳定线。可简单表示为：,不稳定核的放射性现象,1896年，贝可勒尔（H.Becquerel）在研究铀矿的荧光现象时发现铀矿物中能发射出穿透力很强并能使照相底片感光的不可见射线，这就是天然放射性现象。 在磁场中研究这种射线的性质时证明它是由三种成分组成：其中一个成分偏转方向与带正电的离子流偏转方向相同，另一个成分的偏转方向与带负电的离子流偏转方向相同，第三个成分则不发生任何偏转；这三种成分的射线分别叫做、和射线。,射线是高速运动的氦原子核（又称粒子）组成的。所以，它在磁场中的偏转方向与正离子的偏转方向相同。它的电离作用大，贯穿本领小。 射线是高速运动
9、的电子流，它的电离作用较小，贯穿本领较大。 射线是波长很短的电磁波。它的电离作用小，贯穿本领大。,放射性的一般现象,放射性与跃迁相联系，也与衰变或衰变相联系。和衰变的子核往往处于激发态。我们用在质量数A后加m的方法来表示原子核的激发态，h表示光子。则 衰变可表示为：,放射性是与衰变紧密联系在一起的。 原子核自发地放射出粒子而发生的转变叫做衰变。可用下列式子来表示衰变：,放射性与衰变相联系。原子核自发地放射出电子、正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变，统称为衰变。可用下列式子来表示衰变：,三种衰变的通式, +衰变：, -衰变：,轨道电子俘获：,如：,放射性有天然放射性和人工放射性之分。 天然放射
10、性是指天然存在的放射性核素所具有的放射性。它们大多属于重元素组成的三个天然放射系（即钍系（232Th）、锕系（235U）和铀系（238U）；除此之外，还有一些非系列的天然放射性核素，如：3H、14C、40K、50V、87Rb、115In、130Te、138La、142Ge、144Nd、147Sm、176Lu、187Re、192Pt、209Bi等。,近几十年来，人们利用人工方法（反应堆和加速器）来产生放射性，这叫做人工放射性。 反应堆中出来的多是丰中子同位素，或-衰变；加速器生产的是丰质子同位素，+衰变。 目前，人工放射性核素远比天然放射性核素要多，它在科研和生产实践中发挥着更大的作用。,放射性
11、分类,在现行核电站运营管理中，我们经常会把一些辐射监测不达标的放射性废物通过在废物暂存的方法来降低它们的放射性活度。 另外，从反应堆堆芯出来的乏燃料有时候也采用这样的方法处理；除了上述原因外，让燃料元件中的生成的超钚元素经过一段时间衰变成239Pu以提高燃料增殖系数也是一个重要的原因之一。,实验表明：一种放射性原子核经或衰变成为另一种原子核的这种变化即使是对于同一种核素的许多原子核来说，也不是同时发生的，它们有先有后。因此，对于任何放射性物质，其原有放射性原子核的数量将随时间的推移而变得越来越少。,以222Rn的衰变为例，把一定量的氡单独存放，实验发现，在大约四天之后氡的数量减少了一半，经过八
12、天减少到原来的四分之一，经过十二天减到八分之一，一个月后就不到原来的百分之一了。 明显，222Rn的衰变核数量是随时间指数减少的。,式中，N0是母核的初含量，N是t时刻母核的量，是衰变常量，它和母核半衰期T1/2的关系是：,放射性原子核按照指数衰减是相当快的，对于短半衰期的核素，一般存放一个月左右就基本上可以忽略不计了。,放射性衰变的规律,活度A的国际单位是贝可勒尔；记作（Bq）。它的物理意义是每秒种核衰变的次数（s-1）。 文献资料上也有用居里（Ci）作单位的，它是活度的老单位，讲的是质量为1g的镭（226Ra）每秒钟的衰变量，226Ra的半衰期是1600年，故而可得：,实际应用中，我们衍生
13、出放射性比度的概念。放射性比度的含义是：单位体积（容积）或单位质量的物料在单位时间里的原子核衰变数目，单位为：Bq/m3，Bq/L，Bq/Kg。其中，比体积在放射化学里也被称作放射性浓度；而比质量被说成是比活度。 而在核电站或其它一些有核部门中，谈到、放射性同位素表面污染的时候，我们也用单位面积上的活度来形容污染的严重程度，选取单位：Bq/cm2。,早期的核测量中，由于放射性原子核的数目不便于测量（现在可以用超灵敏质谱计测量），而且也没有必要，故而更感兴趣且又便于测量的量是：在单位时间内有多少核发生衰变，亦即放射性核素的衰变率，也称作放射性活度A，这个量可以通过测量放射线的数目来确定。关于放射
14、性活度A：,除居里以外，早期文献上也有以卢瑟福（Rd）做活度单位的。 三者之间的换算关系如下：,为方便计算，规定：,放射性活度,显然：除氢核外（氢核就是质子）， 原子核的质量比组成它的核子的总质量要小，这表明自由核子在结合成原子核的时候有质量亏损。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，这些亏损的质量将以能量的形式释放到外界来。 这种由自由核子组成原子核所释放出来的能量就是原子核的结合能。,炭核（12C）的质量： MC=12.000000u6（Mn+MH） =6（1.008665u+1.007825u）=12.098940u,铝核（27Al）的质量： MAl=26.98153814Mn+13MH =
15、141.008665u+131.007825u=27.223035u,铀（238U）的质量： MU=238.050784146Mn+92MH =1461.008665u+921.007825u=239.984990u,在前面我们讨论原子核的质量的时候曾说过：在忽略核外电子的结合能的时候，原子核的质量等于原子的质量与核外电子质量的差。那么，我们来看看原子核的质量和组成它的核子的总质量又存在什么关系呢？ 后面的表中给出了一些核素的原子质量。,其中： 氦核（4He）的质量： MHe=4.002603u2（Mn+MH） =2（1.008665u+1.007825u）=4.032980u,轻核如此，那么
16、，重核呢？,原子核的结合能,以能量最低原理来看，所有原子核都处在一个势阱里，显而易见的是，这个“井”是呈两边高，中间低的形状。,我们利用核能发电，就是要想办法使得位于两边“势能”比较高的原子核朝着中间低势能区域过度，从而释放出“位能”（结合能）。,一般来说，核子数A越大，原子核的结合能也就越大，而原子核平均每个核子的结合能又称为比结合能，用表示。比结合能的大小标志着原子核结合的松紧程度。越大的原子核结合得越紧，也可以说成在自由核子组合成这样的原子核的时候平均每个核子的质量亏损越大，掉的势阱就越深。,这个图给我们提供了两种利用核能的方法：轻核聚变和重核裂变。 轻核聚变： 重核裂变：,可以作一个推算：氢聚变成氦，从比结合能曲线我们能够看到，两种核素原子核比结合能之差约为5.96MeV，而假设铀的裂变生成的两个原子核都到了所谓的“井底”位置，则有母核与子核（裂变碎片）的比结合能之差约等于0.98MeV。对
