大学物理 第18章 原子核物理与粒子物理简介

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1、第18章　原子核物理与粒子物理简介§18.1原子核的一般性质§18.2原子核的放射性衰变§18.3核衰变规律§18.4原子核的裂变与聚变§18.5粒子物理简介1原子核物理学是研究原子核特性、结构和变化等问题的一门科学.一方面是对原子核的结构、核力、核反应等问题的研究，这些是涉及物质结构的基本问题的．另一个方面是原子能和放射性的应用．粒子物理的研究内容主要有两个方面：一是粒子的内部结构；一是粒子间的相互作用、运动和变化规律。2§18.1原子核的一般性质一、原子核的组成1911年卢瑟福提出原子的核式模型。19

2、19年卢瑟福首次实现人工核反应，用粒子从氮核打出质子。1932年英国物理学查德威克(S.J.Chadwick)发现中子。海森伯和伊凡宁柯(Иваненко)独立地提出原子核是由质子和中子组成质子和中子的质量用原子质量单位量度时,自由质子和自由中子分别为.质子和中子,海森伯称它们为核子,并把质子和中子看作核子具有不同同位旋的两个状态.3mp=1.00727661umn=1.0086654u1961年确定，采用126C作为标准原子质量单位1u(unit)定义为一个碳原子质量的1/121u＝1.6605402×10－2

3、7kg1.质量数原子核的质量数(massnumber)就是原子核内质子和中子的总数，用A表示A=Z+N2.核电荷原子核带正电：Ze核素的符号AZXN表示，实际上简写为AZX,或AX11H,21H,42He43.核半径实验表明原子核的半径约10-15米．原子核的半径同质量数A有关系；A是原子核的质量数；r0=1.1～1.3×10-15米原子核的密度可以证明N=A／M等于阿伏伽德罗常数。可见各种原子核的密度是相同的。≈1017千克／米3=1014吨／米3．5二、放射性同位素和核素1896年3月，法国物理学家贝克勒尔(

4、A.H.Becquerel)在用铀U盐样品进行实验时发现U能发出一种辐射，这种辐射是从U原子核中自发地发射出来的．原子核的这种性质被称为放射性．这是人类第一次在实验室里观察到了原子核的天然放射性现象。核　素:原子序数Z、中子数N、质量数A都相同的一类原子称为某种核素.同位素:质子数Z相同而质量数A不同的元素的原子称为该元素的同位素11H,21H,31H是H的三种同位素核结构不稳定的，能自发地放出射线的同位素，称为放射性同位素.6同质异能素:原子序数Z和质量数A都相同的原子核而处于不同的能量状态，那些处于激发态、寿命

5、又较长的核素。如：9943mTc和9943Tc，21083mBi和21083Bi左上角带m的表示处于激发态的原子核同量异位素：原子序数Z不同但质量数A相同的核素例：4018Ar，4020Ca核素的稳定性Z<20的轻核,Z=N,核素比较稳定.因为中子和质子都是费米子,必须符合泡利原理,Z=N时能量最低.随着Z的增加，稳定线逐渐向N>Z的方向偏移，中子数或质子数过多或偏少的核素是不稳定的.7核素图:Z=N缺中子区丰中子区核素稳定区8核素图:9三、原子核的结合能原子核的质量小于自由状态的单个核子质量的和mA

6、n由质能关系E=mc2核子在组成原子核的过程中，由于质量减少而放出相应的能量，称为原子核的结合能．结合能DE=mc2m称为质量亏损ΔE＝(Zmp＋Nmn－mA)c2结合能B一般是(Z,A)的函数。核子的平均结合能(比结合能)1011(1)在中等质量数(A=30~120)的原子核中平均结合能较大,在8.6MeV上下，56Fe核到达极大,e=8.79MeV,结合最紧密.轻核和重核的较小.因此,获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变(2)中等核平均结合能变化不大，原子核的结合能B差不多与质量数A成正比．显示了核力的

7、饱和性。(3)A<30的轻核，平均结合能显出随A值有周期性变化，e最大值落在A等于4(2质子，2中子)的倍数上，显示这样的结构比较稳定.12例94Be原子质量是9.0121858u，其原核是4个质子和5个中子构成的．解:9个粒子的质量1.0078252×4+1.0086654×5=9.0746278u4个质子用氢原子的质量，包括了4个电子的质量．质量差数是9.07463-9.01219=0.06244u1u质量单位结合能为931.5MeV,94Be结合能为58MeV13四、核力原子核由核子构成，核子之间的强吸引作用

8、力称为核力核力的基本性质1.核力是短程力．表明作用力程很小,约为～10-15m2.核力是强作用力比电磁相互作用约大2—3个数量级3.核力与电荷无关性把质子间库仑作用影响扣除后4.核力具有饱和性一个核子只同附近几个核子有作用力14§18.2原子核的放射性衰变核素分为:稳定性核素和放射性核素放射性核素有:天然放射性核素人工放射性核素原子核的衰变:放射性核素发出某