原子物理第七章大学物理

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1、第七章第七章 原子核物理概论原子核物理概论 Chapter 7 Nucleus physics conspectus本章要点：本章要点：1 1、原子核结构与组成，核的模型；、原子核结构与组成，核的模型；2 2、原子核的基本性质；、原子核的基本性质；3 3、放射性衰变的基本规律；、放射性衰变的基本规律；4 4、原子核反应与原子能的利用、原子核反应与原子能的利用。第七章第七章 原子核物理概论原子核物理概论第一节第一节 原子核物理的对象原子核物理的对象一、原子的中心：原子核一、原子的中心：原子核原子核质量占原子质量的原子核质量占原子质量的9999以上；以上；核外电子的行为对原子核的性质几乎无影响；核

2、外电子的行为对原子核的性质几乎无影响；原子与原子核为微观系统的两个不同层次。原子与原子核为微观系统的两个不同层次。二、历史回顾二、历史回顾18961896： 铀的放射现象；铀的放射现象； 19321932：中子；：中子；18971897： 放射性元素钋和镭；放射性元素钋和镭； 19341934：人工放射性；：人工放射性；18991899： 射线；射线； 19391939：中子轰击铀，有中间物质产生；：中子轰击铀，有中间物质产生；19001900： 射线；射线； 19421942：链式反应；：链式反应；19111911：原子的核式结构；：原子的核式结构；19451945：原子弹；：原子弹；原子核

3、半径：原子核半径： ；原子半径：；原子半径：)(1015fmmr核)1 . 0(1010nmmr原,eAAZmMm三、原子核的组成三、原子核的组成 原子核由质子和中子组成。质子带电原子核由质子和中子组成。质子带电e e；中子不带电。质；中子不带电。质子和中子统称核子子和中子统称核子几个概念几个概念 原子质量单位原子质量单位u u： 规定的质量为规定的质量为12u.126C 1u=1.6605410-27 kg =931.5016 MeV/c2 mn=1.007825 u, mp=1.007727 u原子核的符号原子核的符号AZNXX：元素符号；：元素符号；Z：原子序数（质子数）；：原子序数（质

4、子数）；N：中子数；：中子数；A：核质量数（核子数）：核质量数（核子数） A=N+Z 同位素：同位素： 元素周期表中位置相同的元素元素周期表中位置相同的元素如：如： 均为氢的同位素均为氢的同位素 均为铀的同位素均为铀的同位素HHH312111,UUU238922359223392,四、核素图四、核素图按原子序数按原子序数Z Z把核素排在一张图上把核素排在一张图上核素图核素图N N横坐标；横坐标；Z Z纵坐标。纵坐标。 核素图中，核素图中，300300多个天然核素（多个天然核素（280280多个稳定），多个稳定），16001600多多个人工制备的放射性元素，共个人工制备的放射性元素，共20002

5、000多个多个核素的稳定区：轻核：大致满足核素的稳定区：轻核：大致满足 Z=NZ=N； 重核：重核：N ZN Z位于稳定线上方缺中子区；位于稳定线上方缺中子区；位于稳定线下方丰中子区；位于稳定线下方丰中子区；第二节第二节 核的基态特性之一：核质量核的基态特性之一：核质量一、核子的结合质量亏损一、核子的结合质量亏损 中子质量：中子质量： ；质子质量：；质子质量：ump007276. 1umn008665. 12/225. 2002390. 0cMeVummmdnp氘核质量：氘核质量：差值：差值：umd013553. 2二二、结合能、结合能定义：原子的结合能：定义：原子的结合能： 或或 平均结合能

6、：平均结合能：2)(cmNmZmEAnpB2)(cMNmZMEAnHB2)(1cmNmZmAAEnpB比结合能的意义：原子核的稳定性比结合能的意义：原子核的稳定性sm(1)A30(1)A30的轻核，平均结合能的轻核，平均结合能表现出起伏变化，凡表现出起伏变化，凡A A等于等于4 4的倍的倍数的核，平均结合能出现峰值。数的核，平均结合能出现峰值。(2)(2)中等核中等核(A=30(A=30120)120)的的B B结结合能较大，轻核和重核的合能较大，轻核和重核的B B 较小较小获得核能的途径有两个：重核获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变。裂变和轻核聚变。三、比结合能曲线三、比结合能曲线 (

7、3) (3)中等核平均结合能的变化不大中等核平均结合能的变化不大, ,显示了核力的饱和性，即显示了核力的饱和性，即一个核子只同附近的几个核子有作用力，而不是同所有的核子一个核子只同附近的几个核子有作用力，而不是同所有的核子都有作用。都有作用。四、半经验质量公式四、半经验质量公式MeVaAaEVVBV8 .15MeVaAaESsBS3 .18321 1、体积能：、体积能：2 2、表面能：、表面能：3 3、库仑能：、库仑能：4 4、对称能：、对称能：5 5、奇偶能：、奇偶能：MeVaAZaECCBC72. 0312奇奇核奇奇核核核奇奇偶偶核偶偶核21212 .110AaMeVaAAaEPPPBpM

8、eVaAZaEsymsymBsym2 .23)N(12BpBsymBCBSBVBEEEEEE第三节第三节 核力核力核力：核子之间的相互作用力。核力：核子之间的相互作用力。 一、核力的基本性质一、核力的基本性质1 1核力是短程力核力是短程力r ： 引力引力 ： 消失消失rm1510) 28 . 0(m15108 . 0rm151023 3核力是一种强相互作用核力是一种强相互作用2. 2. 核力具有饱和性核力具有饱和性核子只与它最靠近的核子只与它最靠近的几个核子有相互作用。几个核子有相互作用。 核力的强度比库仑力大一百倍核力的强度比库仑力大一百倍4 4核力与电荷无关核力与电荷无关pnnnppFFF

9、5 5核力在极短程内存在斥心力核力在极短程内存在斥心力核的密度近似地为一常数，核的密度近似地为一常数，AV 核的结合能近似地与核子数成正比，核的结合能近似地与核子数成正比，AEB核力是交换力：核力是交换力：核子之间通过交换某种媒介粒子而发生核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用。相互作用。 1935 1935年，汤川秀树提出了核力的介子理论：年，汤川秀树提出了核力的介子理论：核力是核力是一种交换力，核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相一种交换力，核子之间通过交换某种媒介粒子而发生相互作用，互作用，并估计这种媒介粒子的质量约为电子静止质量并估计这种媒介粒子的质量约为电子静止质量的的20020

10、0倍，介于质子和电子之间，故称为介子。倍，介于质子和电子之间，故称为介子。二、核力的介子理论二、核力的介子理论19471947年年，鲍威尔在宇宙射线中发现了介子，称为，鲍威尔在宇宙射线中发现了介子，称为 介子，介子，有有 、 、 三种，质量分别为三种，质量分别为0emmm7 .273emm2640np0 pppn0 nn不同核子的相互作用通过发射或吸收不同核子的相互作用通过发射或吸收 介子而产生，相介子而产生，相当于两核子之间的位置发生交换，核力为交换力。当于两核子之间的位置发生交换，核力为交换力。第四节第四节 原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩 1 1、核自旋、核自旋原子核的角动量称为核自

11、旋原子核的角动量称为核自旋 原子核的自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和原子核的自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和 ) 1( IILI：原子核角动量量子数，称为：原子核角动量量子数，称为核自旋核自旋量子量子数，它可以是整数，也可以是半整数。数，它可以是整数，也可以是半整数。I原子核角动量在空间某一选定方向的投影：原子核角动量在空间某一选定方向的投影： IIzML 也是量子化的。也是量子化的。：核自旋核自旋磁磁量子数量子数IMIIIMI1,共共 个值。个值。 12 I（1 1）A A为奇数的核为奇数的核( (奇奇A A核核) )，I I为半整数为半整数（2 2）Z Z、N