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1、第十五章 原子核物理和粒子物理简介,2019/4/21,可以从微观粒子中获得巨大能量吗？,与微观粒子的结构种类有关,与获能方式有关,2019/4/21,蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次,2019/4/21,历史回顾重要事件,1896：H. Becquerel发现了铀(U)放射现象; 1897：P. 1903：E. Rutherford证实 射线为He2+， 射线 为电子； 1911：E. Rutherford提出原子的核式模型； 1919：E. Rutherford首次实现人工核反应，发现 了质子。,2019/4/21,历史回顾重要事件,1932：J. Chadwick发现了中子; 1
2、934：F.&I. Joliot-Curie发现人工放射性； 1939：O. Hahn等人发现重核裂变； 1942：E. Fermi发明热中子链式反应堆； 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸； 1952：氢弹试爆成功； 1954：苏联 原子能发电； 1991：欧洲联合环形聚变反应堆：受控核聚变。,2019/4/21,历史回顾重要事件（中国）,1958：建成第一座重水型原子反应堆; 1964：第一颗原子弹试爆成功； 1967：第一颗氢弹试爆成功； 1969：首次成功地下核实验； 1984：受控热核聚变实验装置顺利启动； 1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功； 1991：秦山核电站发电
3、成功。,2019/4/21,原子核物理(nuclear physics) 的研究对象：原子核。,主要内容：核的基本特性、核的结合能、核力、核的放射现象、核反应、裂变和聚变。,第15章 原子核物理和粒子物理简介,粒子物理 (particle physics)研究任务：发现新粒子，研究粒子的各种性质，结构和相互作用，探索物质基本结构。,主要内容：粒子的分类、守恒定律、夸克模型、相互作用、统一性探索。,2019/4/21,原子核 质子(proton) 、中子(neutron)组成,一、原子核(Atomic nucleus)的组成,Z为质子数、N为中子数、A为核子数 (nucleon number),
4、2) 原子核的符号表示：,15-1 原子核的基本性质,2019/4/21,二、核素图 (nuclidic chart),同位素(isotope)：Z相同而A不同的核素，如：,同量异位素(isobar)：A相同而Z不同的核素，如：,Z 84，不稳定的放射性核； 质子数为偶数的核更稳定； 稳定轻核的中子数和质子数 之比等于1；稳定重核的中子 数和质子数之比大于1； Z或N = 2, 8, 20, 28, 50, 82,126 称为幻数，对应幻数的原子核 最稳定。,2019/4/21,三、原子核的大小和形状,原子核的半径 (nuclear radius)：,核密度：,2019/4/21,四、原子核的
5、自旋和磁矩,1. 核自旋 (nuclear spin),2. 核磁矩 (nuclear magnetic moment),2019/4/21,质子 p：,存在内部结构,中子 n：,3. 超精细结构,2019/4/21,4. 核磁共振及成像,2019/4/21,核磁共振成像仪（MRI）,脑神经胶质瘤,2019/4/21,Physicists Honored for Their Medical Insights 17 OCTOBER 2003 VOL 302 SCIENCE,2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine,主要贡献：发展了核磁共振成像技术,20
6、19/4/21,一、1+12,二、原子核的结合能(nuclear binding energy)：,当所有核子（质子和中子）由于相互吸引聚集成原子核时，会释放能量，以致出现“质量亏损”，所释放的能量即定义为原子核的结合能。,氘核(2H)的结合能,mp= 1.007277 u,mn= 1.008665 u,mp + mn= 2.015942 u,md= 2.013552 u,m = mp + mn - md = 0.002388 u,质量亏损(mass defect),15-2 原子核的结合能,2019/4/21,结合能Eb：,如：一个质子和一个中子组成氘核，则氘核 的结合能：,比结合能(Spe
7、cific binding energy)：原子核中每个核子的平均结合能。,物理意义：比结合能越大，原子核结合越紧密。,2019/4/21,获得原子能量的两种方法：,(2) 轻核聚变 (light nucleus fusion),(1) 重核裂变 (heavy nucleus fission),比结合能图,特点：两头低、 中间高,2019/4/21,例15-1. 氘核和氚核可聚合为氦核同时放出一个中子，计算其结合能。,聚变反应：,解：,2019/4/21,核力：把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳定的原 子核（也包括不稳定的原子核）的强大的束缚力。,一、核力一般性质,(3) 核力与电荷无关，任
8、何两核子 之间的吸引力一样。,(2) 核力是短程力，作用半径为3 fm。,(1) 核力是强相互作用，主要是吸引 力，为电磁相互作用的100多倍。,(4) 核力与参与相互作用核子的自旋 取向有关。,15-3 核 力(nuclear force),2019/4/21,二、核力的介子理论,强相互作用是怎么发生的呢？1935年，汤川秀树摹仿光子对电磁力传递机制，提出核力是一种交换力，核子间通过交换媒质粒子+、-、或0介子而发生相互作用。,汤川秀树 预言介子的存在,2019/4/21,1. 电磁作用,交换力(exchange force) 虚光子(virtual photon)传递：两个电子交换虚光子后
9、互相排斥,1947年，二十多岁的纽约青年费曼和施温格对量子场论做出了巨大贡献，创立了量子电动力学。费曼的量子电动力学中用这样一幅图象描绘了电磁作用中两个电子间通过交换光子而产生的一次量子相互作用。这就是有名的费曼图。,Feynman 图,若E全部转为虚粒子的静止能,介子质量估算,2019/4/21,2. 核子相互作用,交换力介子传递,与电磁作用相似，核力质子和中子之间的相互作用，也被看作是一种交换“虚粒子”而产生的交换力；这种“虚粒子”是质量介于电子和质子之间的介子。介子是传递核力的媒介子。,核力 短程力 x 2fm mc2 100 MeV 200me,1947年实验发现：， 0,2019/4
10、/21,一、放射性(radioactivity)现象,绝大多数的原子核都是不稳定的，由一种原子核自发的变成另一种原子核，同时放射出各种射线的现象称为放射性。,15-4 原子核的放射性,2019/4/21,1903 Nobel Prize in Physics,H.A. Becquerel 1852-1908,P. Curie 1859-1906,M.P. Curie 1867-1934,主要贡献：发现放射性元素,2019/4/21,放射性衰变模式：,1. 衰变(-decay)：,2. 衰变(-decay)：,2) +衰变：,3) 电子俘获 (orbital electron capture)：
11、,1) -衰变：,2019/4/21,3. 1) 衰变：,原子核自发分裂成两个质量相似或几个原子核。,Th放射系,4. 自发裂变 (spontaneous fission),2) 内转换 (internal conversion)：,2019/4/21,二、衰变规律,若：t = 0时，N = N0；在dt 内核衰变数为 -dN,则：,衰变常数(decay constant) ： 一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。,指数衰变律：,2. 半衰期(half-life period)T1/2,1. 指数衰变律,放射性原子核衰减到原来数目的一半所需要的时间.,2019/4/21,3. 平均寿命(me
12、an life) ,当 t = 时：,平均寿命后，剩下的原子核数目约为原来的37%.,2019/4/21,例15-2. 一个放射性元素的平均寿命为10天，试问在第5天内发生衰变的数目是原来的多少？,解：,2019/4/21,三、放射性强度（活度）,1. 放射性强度,单位： 1 贝克勒（Bq）= 1 次核衰变/秒,2. 辐射效应单位,1伦琴（R）= 使1千克空气中产生2.5810-4 库仑的电量 的辐射量,1拉德（rad）= 1克受辐射物质吸收100尔格的辐射能量,1戈瑞（Gy）= 1千克受辐射物质吸收1焦耳的辐射能量,放射性强度(radioactivity) A : 放射性物质在单位时间内发生
13、衰变的原子核数目。,1 居里（Ci） = 3.71010 贝克勒（Bq）,2019/4/21,一、核反应 (nuclear reaction),核反应一般表示式：,核反应：一种元素在具有一定能量的粒子的轰击 下衰变成另一种元素的现象。,如:,15-5 核反应,2019/4/21,质子的发现,原子量始终是氢原子量的整数倍。,用粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。,卢瑟福得出结论：每个原子核都由氢核构成。氢核定义为“质子”。,2019/4/21,查德威克发现中子实验,1935年查德威克因发现中子而荣获诺贝尔物理学奖。,中子的发现,2019/4/21,二、Q方程
14、 (Q-equation),核反应：,设各粒子的静止质量和动能分别为MA、Ma、MB、 Mb和EA、Ea、EB、Eb。,由能量守恒定律：,1. 反应能 (reaction energy) Q,反应能Q等于反应后粒子的总动能与反应前粒子的总动能之差，它代表了核反应所输出的净能量。,结论：当Q为正值时为放能反应(exothermic reaction)；Q为负值时为吸能反应(endothermic reaction)。,2019/4/21,靶核一般处于静止状态，EA= 0,由动量守恒定律：,因此,代入(1)式消去EB得,2. Q方程,2019/4/21, Q 方程,或,3. 阈能(Threshol
15、d energy) Eth,阈能：入射粒子引起核反应所具有的最低动能。,吸能反应：,放能反应：,2019/4/21,三、反应截面 (reaction cross-section),N个粒子垂直打在厚度为t 的薄靶，单位体积的靶核数为n，则入射粒子与靶核反应数dN：,反应截面 ：单个粒子入射到单位面积内只含一个靶核的核反应几率。,则：, 的单位：靶（b）,2019/4/21,例15-3. 已知27Al(n, )28Al的反应截面为 = 2 mb，假如靶厚 t = 0.1 mm，求发生核反应的概率。,解：,2019/4/21,四、核反应机制,核反应的两种主要机制：复合核和直接作用,1) 库仑散射(
16、Coulomb scattering)和库仑激发 2) 核势散射(nuclear potential scattering) 3) 表面散射(surface scattering) 4) 敲击反应(knock-out reaction) 5) 削裂和拾取反应(stripping reaction and pick-up reaction),复合核反应(compound nucleus reaction)：,第二步：处于激发态的复合核再衰变成几个粒子。,第一步：入射粒子与靶粒子形成复合核(compound nucleus)。,直接反应(direct reaction)：,2019/4/21,1938年，奥托哈恩（Otto. Hahn, 1879-1968）发现重核裂变，开创了人类利用原子能的新纪元。 1944年获Nobel 化学奖。,恩里科费米 (E. Fermi， 1901-1954)： 其“链式反应”理论使原子核裂变反应成为现实
