《第29章 核物理和粒子物理【课堂使用】》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第29章 核物理和粒子物理【课堂使用】（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第29章章 核物理和粒子物理核物理和粒子物理教学基本要求教学基本要求一、理解一、理解一、理解一、理解原子核的组成，原子核的组成，原子核的组成，原子核的组成，掌握掌握掌握掌握质量亏损质量亏损质量亏损质量亏损和和和和结合结合结合结合能能能能的计算；的计算；的计算；的计算；二、理解二、理解二、理解二、理解核衰变的几种类型，核衰变的几种类型，核衰变的几种类型，核衰变的几种类型，掌握掌握掌握掌握核衰变的规核衰变的规核衰变的规核衰变的规律；律；律；律；作业：作业：作业：作业：1基础教学29.0 概述概述 原子核物理学原子核物理学是研究原子核的是研究原子核的结构、特性及结构、特性及其相互转变其相互转变的科
2、学。从的科学。从1896年年贝克勒尔发现铀原贝克勒尔发现铀原子的放射性和子的放射性和1911年年卢瑟福提出原子核型结构之卢瑟福提出原子核型结构之后，经过大半个世纪的探索和研究，核理论和核后，经过大半个世纪的探索和研究，核理论和核技术得到了飞速的发展，导致了原子能和同位素技术得到了飞速的发展，导致了原子能和同位素的应用。的应用。 在医学上，放射性同位素已用于对疾病的诊在医学上，放射性同位素已用于对疾病的诊断、治疗和研究，形成了专门的学科断、治疗和研究，形成了专门的学科-核医学核医学。2基础教学29.1 原子核的基本性质原子核的基本性质29.1.1 原子核的组成、质量和大小原子核的组成、质量和大小
3、一、原子核一、原子核(又又称为核素称为核素)的组成的组成-由由质子质子和和中子中子组成。组成。 质子以质子以p表示，表示，带正电带正电，电量为，电量为 ，质量为质量为 ，用，用原子质量单位原子质量单位表示为表示为1.007276u； 中子以中子以n表示，表示，不带电不带电，质量为，质量为 ，用用原子质量单位原子质量单位表示为表示为1.008665u. 统称为核子统称为核子3基础教学二、原子核的表示二、原子核的表示-核素种类很多，通常表示为核素种类很多，通常表示为电荷数电荷数是质子的个数，是质子的个数，等于原子序数等于原子序数核素核素 质量数质量数是质子数和是质子数和中子数的总中子数的总和和三、
4、原子核的大小三、原子核的大小4基础教学四、同位素、同量异位素和同量异能素四、同位素、同量异位素和同量异能素-质子数相同而中子数不同的核素叫质子数相同而中子数不同的核素叫同位素同位素，在元素周期，在元素周期表中占据同一位置，化学性质相同。如表中占据同一位置，化学性质相同。如-质量数相同而质子数不同的核素叫质量数相同而质子数不同的核素叫同量异位素同量异位素，如如-质量数和原子序数相同而处于不同能态的核素叫质量数和原子序数相同而处于不同能态的核素叫同质异同质异能素能素，通常在元素符号右上角标以，通常在元素符号右上角标以m，如，如五、核力五、核力-核子之间的相互作用力，不是电磁力，不是万有核子之间的相
5、互作用力，不是电磁力，不是万有引力，是短程力，是强吸引力，具有饱和性。引力，是短程力，是强吸引力，具有饱和性。5基础教学一、质量亏损一、质量亏损-由质子和中子组成的原子核的质量小于质由质子和中子组成的原子核的质量小于质 子和中子的质量和，二者之差称为质量亏损。子和中子的质量和，二者之差称为质量亏损。二、结合能二、结合能-由相对论的质能关系知，质量变化有对应由相对论的质能关系知，质量变化有对应 的能量变化，核子组成原子核时的质量亏损以能量的能量变化，核子组成原子核时的质量亏损以能量 形式放出，这个能量称为形式放出，这个能量称为结合能结合能。结合能与核子总。结合能与核子总 数之比称为数之比称为比结
6、合能比结合能。(17-1)(17-2)1u的质量亏损对应的质量亏损对应 931.5MeV 的结合能的结合能17.1.3 质量亏损和结合能质量亏损和结合能6基础教学例例17-1 已知已知 的原子质量为的原子质量为235.11700u，试计算其质，试计算其质 量亏损、结合能、比结合能。量亏损、结合能、比结合能。解：解：原子核的质量等于原子质量减去电子质量，原子核的质量等于原子质量减去电子质量， 的的 A=235，Z=92，电子有，电子有92个，所以它的质量为个，所以它的质量为7基础教学17.2 原子核的衰变类型原子核的衰变类型核衰变核衰变-放射性核素自发地放射出某种射线而变放射性核素自发地放射出某
7、种射线而变为另一种核素的现象。放射性核素分为为另一种核素的现象。放射性核素分为天然天然放放射性核素和射性核素和人工人工放射性核素两种。放射性核素两种。 -核衰变过程核衰变过程遵守遵守电荷守恒、质量守恒、能量电荷守恒、质量守恒、能量守恒、动量守恒和核子数守恒守恒、动量守恒和核子数守恒。 -核衰变有核衰变有三种三种类型，类型， 衰变、衰变、 衰变、衰变、 跃跃迁和内转换。迁和内转换。8基础教学原子核放射出原子核放射出高速高速 粒子流粒子流( 射线射线)而衰变为另而衰变为另一种原子核的过程。一种原子核的过程。 - 粒子就是粒子就是氦核氦核( )，由两个质子和两个，由两个质子和两个中子组成。中子组成。
8、 衰变前的原子核称为衰变前的原子核称为母核母核(母体母体)，衰变后的原子核称，衰变后的原子核称为为子核子核(子体子体)。 衰变的衰变的位移定则位移定则为为 衰变能衰变能子核子核母核母核(17-3)在元素周期表中在元素周期表中子核前移两位子核前移两位17.2.1 衰变衰变 9基础教学 原子核放射出原子核放射出高速电子流高速电子流( 射线射线)或或高速正电子高速正电子流流( 射线射线)或或俘获俘获一个一个核外电子核外电子而衰变为另一种原子而衰变为另一种原子核的过程。核的过程。 - 粒子就是粒子就是负电子负电子( )， 粒子就是粒子就是正电正电子子( ) 。1. 衰变的衰变的位移定则位移定则为为 衰
9、变能衰变能子核子核母核母核(17-4)反中微子反中微子在元素周期表中在元素周期表中子核后移一位子核后移一位17.2.2 衰变衰变 10基础教学2. 衰变的衰变的位移定则位移定则为为 衰变能衰变能子核子核母核母核(17-5)中微子中微子在元素周期表中在元素周期表中子核前移一位子核前移一位在元素周期表中在元素周期表中子核前移一位子核前移一位3. 电子俘获的电子俘获的位移定则位移定则为为 衰变能衰变能子核子核母核母核(17-6)中微子中微子11基础教学 处于激发态的放射性核素向低能态跃迁，有时不是放处于激发态的放射性核素向低能态跃迁，有时不是放射出射出 光子，而是把能量交给核外电子，使电子飞出光子，
10、而是把能量交给核外电子，使电子飞出，这，这种过程称为种过程称为内转换内转换。 当放射性核素处于激发态时，它将放射出当放射性核素处于激发态时，它将放射出 光子光子( 射线射线)并从激发态跃迁低能态或基态，这一过程称为并从激发态跃迁低能态或基态，这一过程称为 跃迁。跃迁。 射线是一种波长比射线是一种波长比X射线更短的射线更短的电磁波电磁波，在，在 衰衰变、变、 衰变的过程中都伴有衰变的过程中都伴有 跃迁。跃迁。 跃迁属于跃迁属于同质异能同质异能跃迁，子核和母核相同。跃迁，子核和母核相同。 跃跃迁可表示为迁可表示为(17-7)17.2.3 跃迁和内转换跃迁和内转换12基础教学(17-8)衰变常数衰变
11、常数反映反映核素衰变的快慢核素衰变的快慢(17-9)t 时刻核时刻核的数目的数目t=0时核的数目时核的数目17.3.1衰变规律衰变规律-对于对于某一个某一个原子核，无法确定它何时衰变，原子核，无法确定它何时衰变，对于对于数量很多数量很多的原子核，衰变情况符合的原子核，衰变情况符合统计规律。统计规律。 t 时刻有核时刻有核 N 个，在个，在d t 时间内因衰变而减少时间内因衰变而减少了了 d N个。个。 d N与与N、d t 成正比成正比整理并积分得整理并积分得17.3 原子核的衰变规律原子核的衰变规律13基础教学17.3.2 半衰期半衰期 核的数目因衰变减少到原来的一半所经历的时间，核的数目因
12、衰变减少到原来的一半所经历的时间，用用 表示表示(17-10)两边取对数，得两边取对数，得 平均寿命平均寿命-一个核在衰变前存在的时间叫这个核的寿命，一个核在衰变前存在的时间叫这个核的寿命， 个核在衰变前平均存在的时间叫这种核素的平均寿命，用个核在衰变前平均存在的时间叫这种核素的平均寿命，用 表示。表示。 时间内有时间内有 个核衰变，即个核衰变，即这这 个核的寿命为个核的寿命为 ，它们的总寿命为，它们的总寿命为 .14基础教学 将将 个核的寿命加起来除以个核的寿命加起来除以 ，即得这种核素的，即得这种核素的平均寿命平均寿命(17-11)平均寿命与半衰期的关系为平均寿命与半衰期的关系为生物半衰期
13、和生物衰变常数生物半衰期和生物衰变常数-人体内的核素由人体内的核素由于代谢而排泄出体外使核素的数目减少。于代谢而排泄出体外使核素的数目减少。15基础教学-单位时间衰变的原子核的数目，称为放射源的单位时间衰变的原子核的数目，称为放射源的放放射性活度或射性活度或放射性强度，放射性强度，用用 A 表示表示。(17-12)(17-13)放射性活度的放射性活度的SI制单位：贝克勒尔，用制单位：贝克勒尔，用 B q表示。表示。曾经用曾经用29.2.3 放射性活度放射性活度(放射性强度放射性强度)16基础教学例例29.2 已知镭已知镭 的半衰期为的半衰期为1600年，求它的衰年，求它的衰 变常数和变常数和 1克镭的放射性活度。克镭的放射性活度。解解：由式：由式(11-10)可得衰变常数为可得衰变常数为镭的质量数为镭的质量数为226，则，则 1g 镭的原子核的数目为镭的原子核的数目为原子核原子核的个数的个数与核素与核素质量的质量的关系关系17基础教学例例29.3 放射性磷放射性磷 出厂时的放射性活度为出厂时的放射性活度为 ， 问一周后放射性活度还有多大问一周后放射性活度还有多大？ 解：解：查表得，磷查表得，磷 的半衰期为的半衰期为 14.3 天，天， 由题知，由题知，由式由式(11-13)得得18基础教学
