原子核物理与基本粒子简介

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1、16.1原子核的基本性质16.2核力和核结构16.3原子核的结合能裂变和聚变16.4放射性衰变16.5粒子物理简介第16章原子核物理和粒子物理简介BEPCⅡ储存环本章教学要求了解原子核的基本性质，理解核力与核结构的特点；理解原子核的结合能、核裂变与聚变及其与核能和平开发利用的关系，了解核放射性衰变及其特点；了解粒子物理的基本知识。一、原子核的组成1932年查德威克发现了中子。1911年卢瑟福建立了原子核的概念。海森伯提出了原子核是由质子和中子组成的假设。16.1原子核的基本性质表示符号电量静止质量(kg)寿命核

2、子质子p+e1.6726231110-27稳定中子n01.674928610-27928s二、原子核的电荷和质量原子核带电量为+Ze，电荷数Z为核内质子数。原子质量单位u为一个处于基态的中性原子质量1/12同位素具有相同原子序数的核素。例：。同中子异位素具有相同中子数的核素。例：。电荷数质量数原子核的半径可近似地表示为白矮星密度109～21011kg/m3中子星密度1018kg/m3核物质平均密度～21017kg/m3三、原子核的形状和大小I称为核自旋量子数四、原子核的自旋和磁矩1.核自旋(1)I只能取

3、整数或半整数。讨论(2)原子核基态的自旋量子数有如下规律：偶-偶核的自旋量子数都等于零；奇-奇核的自旋量子数都等于非零整数；奇A核的自旋量子数都等于半整数。在给定方向的投影为(3)核自旋mI为原子核的磁量子数，取值I,(I–1),…,–(I–1),–I。2.原子核的磁矩µN称为核磁子,gI称为原子核g的因子(1)讨论与核自旋平行和反平行两种情况。(4)质子的磁矩几乎是核磁子的3倍，而中子具有负磁矩，最大可能值为。(3)核磁矩在给定方向的投影可能取值为gImIµN。其投影的数值约为核磁子的2倍。这表明不能把质子和

4、中子看成是无内部结构的粒子。(2)gI是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩(5)氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和，但并不完全相等，其它原子核的磁矩也是如此，都不等于组成它的所有核子磁矩之和。这一事实说明核内各核子间存在着复杂的相互作用。核力是短程强作用力核力与核子的电荷无关核力是具有饱和性的交换力核力与自旋有关核力中除了有心力外，还包含有微弱的非有心力成分一、核力及其性质1.液滴模型核结合能的半经验公式，与实验结果符合得相当好。成功的说明了原子核裂变现象。1935年魏茨泽克根据液滴模型提

5、出了一个关于原子二、核结构模型成功应用实例16.2核力和核结构成功地描写原子核整体行为，抓住了核子间相互作用最重要的特性—核力的短程性和饱和性。把原子核当作一个整体，没有说明原子核的内部结构，无法解释原子核诸如能级结构、角动量等特性。缺点优点“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。成功的解释了原子核幻数、基态的自旋和宇称以及衰变等。2.壳层模型成功应用实例独立地在一个静止的平均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

6、问题。这表明壳层模型中关于各核子彼此不足3.集体模型在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。16.3原子核的结合能裂变和聚变一、原子核的结合能原子核质量小于组成核的所有核子静止质量之和，二者之差1.原子核质量亏损——一个中性轻原子质量，——中性原子核质量。二者相减，Z个电子质量抵消。2.原子核的结合能把原子核拆散所需做功的最小数值9876543210481216202428501001502002502H6

7、Li3He8Be7Li4He11B12C20Ne16O24Mg30(MeV)EB/AA1.比结合能总趋势随A增加而增大，但有起伏。2.比结合能变化不大，结合能大致和A成正比。3.中等质量原子核的比结合能大，轻核、重核比结合能较小两个轻原子核聚集成稍重原子核或重原子核分裂为两个中等质量原子核由于比结合能增大，可释放出能量。3.原子核的比结合能例吸收一个中子，一个可能的反应过程二、核裂变与核聚变1.原子核裂变一个重原子核分裂为两个过两个以上中等质量原子核，同时释放出极大能量。释放出约200MeV的能量，同时放出两三

8、个中子。如果其中至少有一个中子能诱发另一个裂变，就能使裂变自持地进行下去，形成裂变链式反应。说明(1)在1942年12月费米建立了第一座可控核裂变链式反应堆。(2)化学反应中一个原子能够提供的化学能不到10eV，与一个核裂变能相比小10-7倍。1kg的235U全部裂变释放出可利用的核能，约相当于2500t标准煤燃烧所放出热能。已提纯的235U,准备再加工为实弹弹头核电站工作原理图四个常