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1、第九章第九章 原子核和基本粒子简介原子核和基本粒子简介 9.1 原子核的基本性质 1.1.原子核的电荷原子核的电荷 原子核带正电，原子核的电荷数就是这化学元素的原子序数原子核带正电，原子核的电荷数就是这化学元素的原子序数 ，也等于中性原子的核外电荷数。，也等于中性原子的核外电荷数。 2.2.原子核的组成原子核的组成 由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带电。质子和中子由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带电。质子和中子 统称为核子。核子的自旋为统称为核子。核子的自旋为1/21/2。质子（。质子（p)p)、中子、中子(n)(n)的质量：的质量： 原子质量单位原子质量单位 谎 风 糯 誉 漏
2、辗 梭 绰 柞 埂 维 馋 腑 婉 稻 歪 据 彰 碘 赤 古 奄 匪 督 枣 泳 蹲 庄 粱 徘 陇 旬 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 3.3.原子核的质量原子核的质量 原子核的质量，可以由原子核的质量，可以由原子质量推算原子质量推算，也可以，也可以由核子的数目由核子的数目 推算推算。 原子的质量原子的质量 = = 原子核的质量原子核的质量 + + 所有电子质量所有电子质量 相当于所有电子结合能的数值（可忽略）。相当于所有电子结合能的数值（可忽略）。 原子核的质量原子核的质量 = = 所有核子的质量所有核子的质量 相当
3、于所有核子结合能的数值。相当于所有核子结合能的数值。 采用原子质量单位，原子（核）的质量接近一整数，这整数采用原子质量单位，原子（核）的质量接近一整数，这整数 称为原子（核）的称为原子（核）的质量数质量数 ，A A。 原子核的符号表示：原子核的符号表示：Z Z：质子数：质子数 中子数中子数=A-Z=A-Z 它们的化学和一般物理性质几乎它们的化学和一般物理性质几乎 相同，但相同，但核性质完全不同！核性质完全不同！ 痉 婴 斟 讣 又 夏 煌 丸 稚 涨 燎 年 申 镇 哆 赋 赔 锅 乾 坎 咆 临 雄 饮 崎 沥 呈 贴 桐 慨 狭 荡 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第
4、九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 4.4.原子核的大小和形状原子核的大小和形状 原子核的形状一般为近似椭球，其长短半轴之比一般不大于原子核的形状一般为近似椭球，其长短半轴之比一般不大于 5/45/4，可近似看作球形。核电四极矩是核偏离球形的量度。，可近似看作球形。核电四极矩是核偏离球形的量度。 由实验得到核半径的经验公式：由实验得到核半径的经验公式： 原子核的密度近似为一常数，而且核的密度非常大。原子核的密度近似为一常数，而且核的密度非常大。 5.5.核自旋和核磁矩核自旋和核磁矩 核自旋 质子和中子都是费米子，具有自旋角动量量子数质子和中子都是费米子，具有自旋角动量量子数 1/2
5、1/2。核的角动量是中子的自旋、质子的轨道和自旋之和。核的角动量是中子的自旋、质子的轨道和自旋之和。习习 惯上也称它为惯上也称它为原子核的自旋。原子核的自旋。原子核自旋角动量原子核自旋角动量: : 矩 奄 闺 佛 茬 语 嘱 祝 喳 寂 贡 唱 谆 肝 投 坎 露 沟 虾 丸 秦 卓 企 组 疵 癸 辩 妆 娩 萨 氢 搭 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 I I ：核自旋角动量量子数。为整数或半整数。实验发现：核自旋角动量量子数。为整数或半整数。实验发现： 偶偶-偶核（中子和质子数都为偶数）自旋为零；偶核（中子和质子数都为
6、偶数）自旋为零； 奇奇-偶核自旋为半整数；偶核自旋为半整数； 奇奇-奇奇核自旋为整数；核自旋为整数； 核磁矩 g g 由实验确定，有正有负。由实验确定，有正有负。 锯 炬 疏 管 拐 陷 风 弄 计 灸 滓 朵 害 抬 熟 鄂 炉 最 姆 德 蒂 峭 绽 足 沸 炔 兼 秧 呸 泌 悲 浊 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 6.6.核的统计性质和宇称核的统计性质和宇称 统计性质统计性质：描述全同粒子交换时波函数的对称性：描述全同粒子交换时波函数的对称性 。两个。两个 全同原子核对换，即将两核中的核子一一交换。核子每交全同原子
7、核对换，即将两核中的核子一一交换。核子每交 换一次，体系波函数改变一次符号（核子是费米子），总换一次，体系波函数改变一次符号（核子是费米子），总 的符号改变次数的符号改变次数 （-1-1） A A 。 对对质量数质量数A A为奇数的核为奇数的核，交换两核，体系波函数符号改，交换两核，体系波函数符号改 变，即该种核变，即该种核属费米子属费米子。 对对质量数质量数A A为偶数的核为偶数的核，交换两核，体系波函数符号没，交换两核，体系波函数符号没 改变，即该种核改变，即该种核属玻色子属玻色子。 宇称宇称：描述微观粒子体系状态的波函数在空间反演变换描述微观粒子体系状态的波函数在空间反演变换 下的奇偶性
8、的物理量。下的奇偶性的物理量。 （x x，y y，z z）= = （-x-x，-y-y，-z-z） （偶宇称）（偶宇称） （x x，y y，z z）= - = - （-x-x，-y-y，-z -z ） （奇宇称）（奇宇称） 旷 顶 梧 迁 孩 蛊 粥 析 昌 盈 俘 清 及 金 我 键 缺 肠 儿 中 砸 战 纳 因 又 纽 侯 蛊 际 唾 界 煎 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 在电磁和强相互作用情形，孤立体系的宇称不会从偶性变在电磁和强相互作用情形，孤立体系的宇称不会从偶性变 为奇性或从奇性变为偶性。为奇性或从奇性变为
9、偶性。-宇称守恒宇称守恒。 在弱相互作用中，在弱相互作用中，宇称不守恒宇称不守恒。19195656年，李政道和杨振宁年，李政道和杨振宁 提出提出,1957,1957年吴键雄用年吴键雄用 衰变的实验加以证实，是近代物理衰变的实验加以证实，是近代物理 学史中的一个重大突破。学史中的一个重大突破。19571957年，李、杨获诺奖。年，李、杨获诺奖。 6.6.原子核的结合能原子核的结合能 氘核由一个质子和一个中子组成。氘核由一个质子和一个中子组成。 质量亏损：核子质量与组成的原子核质量的差值。质量亏损：核子质量与组成的原子核质量的差值。 核子结合成原子核过程中亏损的质量，以能量的形式核子结合成原子核过
10、程中亏损的质量，以能量的形式 放出。放出。-原子核的结合能。原子核的结合能。 撕 详 倾 苇 芭 惯 焙 刽 继 植 赘 天 蔗 弯 该 动 复 确 失 徊 星 斌 侵 茎 革 惑 协 紊 讫 氧 祝 攒 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 以原子质量来计算结合能（忽略电子结合能）：以原子质量来计算结合能（忽略电子结合能）： 例：例：已知已知 的原子质量是 的原子质量是9.0121858u9.0121858u，计算该核素的结合能，计算该核素的结合能 每个核子的平均（比）结合能：每个核子的平均（比）结合能：58.163/9=6.
11、463Mev 58.163/9=6.463Mev 核子的结合能越大，原子核越稳定。 中等质量核（A=40-120）的结合能约为8.6Mev，原子核稳定。 质量数小于30的核结合能有周期性变化，最大值在A等于4 的倍数。 质量数30以上的核，平均结合能变化不大，显示了核力的饱和性。 辅 吗 漱 垢 烽 局 割 该 洁 媚 郴 晶 卤 枢 改 戈 们 氏 囱 慷 牵 摔 尾 告 挝 平 庞 砒 团 课 贾 表 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 9.2 原子核的放射性衰变 18961896年：贝克勒耳，铀的放射性现象；年：贝克勒耳
12、，铀的放射性现象； 18981898年：居里夫妇，年：居里夫妇，PoPo，Ra;Ra; 1934 1934 年：约里奥年：约里奥. .居里夫妇，人工放射性。居里夫妇，人工放射性。 不稳定的原子核自发地蜕变，变为另一种状态或另一原子核，不稳定的原子核自发地蜕变，变为另一种状态或另一原子核， 同时放出一些射线，这种现象称为同时放出一些射线，这种现象称为原子核的放射性衰变。原子核的放射性衰变。 一一. .原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变 主要模式：主要模式： 放射性衰变、电子、X射线是十九世纪末的三大重要发现，揭开了近 代物理的序幕。 谱 岔 朵 侯 缓 夕 瓤 己 柱 枣 婿 国 忆 五 傣
13、裕 最 虏 雌 匹 规 昂 蜗 角 超 哪 式 综 浆 帐 找 棠 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 二二. . 衰变衰变 放射性原子核自发地放射出粒子（ ），而转变成 另一种原子核的过程。方程表示为： 衰变过程中，母核要从内能中给出一部分能量转化为子核和衰变过程中，母核要从内能中给出一部分能量转化为子核和 粒子动能，这一能量称粒子动能，这一能量称衰变能衰变能（E E d d ).). 母核原子的质量要大于子核原子和氦原子质量之和母核原子的质量要大于子核原子和氦原子质量之和，才可能发，才可能发 生生衰变. .一般发生于重原子
14、核。一般发生于重原子核。 捐 插 椰 墩 抉 魔 育 访 柯 绳 坑 锯 翼 瑶 颅 粹 避 轧 临 汽 蛀 办 削 温 宰 藏 逾 组 棵 窑 话 捶 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 粒子能谱 大部分原子核放射的粒子的能量不是单一的，而是有几组不同的分立 值，构成分立的粒子能谱。 实验上，衰变能也可由测出的实验上，衰变能也可由测出的粒子的动能算出。 放射性现象的研 究是获悉原子核 内部状况的重要 途径之一 雾 惫 泊 针 相 比 耪 扎 毕 搀 逞 欣 瑟 铅 脱 遂 议 秉 有 汇 晒 洗 手 伙 脉 祖 扯 斗 邹
15、塞 润 被 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 衰变的机制 粒子如何跑出原子核，用经典理论很难解释。粒子如何跑出原子核，用经典理论很难解释。 在核内，在核内， 粒子受到核力吸引（负势能）；粒子受到核力吸引（负势能）；在核外在核外 ， 粒子受到库仑力排斥；在核表面形成一个势垒粒子受到库仑力排斥；在核表面形成一个势垒 。垒高估计：。垒高估计： (r(r 0 0 =1.2fm, e=1.2fm, e 2 2 =1.44Mev) ; =1.44Mev) ; 实验上测得实验上测得 粒子动能为粒子动能为4.2MeV4.2MeV，远低于，远
16、低于 势垒。只有通过量子隧道效应才有一定的几率逃出。势垒。只有通过量子隧道效应才有一定的几率逃出。 椎 畦 镍 灿 该 鬼 藤 狮 需 蕊 孽 疼 软 壮 涌 宠 秆 甘 紫 揭 姨 清 桌 钠 坝 雕 坏 惟 涅 垛 竹 审 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 三三. . 衰变衰变 是是核电荷数改变而核子数不变的核衰变。核电荷数改变而核子数不变的核衰变。主要有：主要有： - - 衰变，衰变， + + 衰变，衰变，K K俘获俘获 1.1. - - 衰变能谱与中微子假设 衰变能谱与中微子假设 - -衰变中，放出负电子，原子核变为
17、原子序数增加衰变中，放出负电子，原子核变为原子序数增加1 1的核。的核。 ？原子核内部能量是量子化的原子核内部能量是量子化的 ，而放出电子的能量却是连续，而放出电子的能量却是连续 变化的？变化的？ ？电子不是电子不是原子核家族的成员原子核家族的成员 ，衰变放出的电子从何而来？，衰变放出的电子从何而来？ 命 观 奴 摸 悄 永 谢 违 救 褪 复 接 笆 虐 溢 乃 在 坦 卯 壮 狼 霞 烂 镐 哑 域 恍 腔 舍 醛 抢 殿 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 19301930年，泡利提出了年，泡利提出了中微子中微子假设：假
18、设： 当放射性物质发生当放射性物质发生 衰变时，除了放出衰变时，除了放出 粒子外，还要放出一个中性粒粒子外，还要放出一个中性粒 子，其静止质量几乎为子，其静止质量几乎为0 0，故称为中微子。，故称为中微子。 衰变能：衰变能： 衰变能可以在电子和中微子间任意分配！衰变能可以在电子和中微子间任意分配！ 当时已知的基本粒子只有电子和质子。当时已知的基本粒子只有电子和质子。19321932年中子发现，年中子发现， 海森堡提出原子核由质子和中子组成。海森堡提出原子核由质子和中子组成。19341934年，费米提出年，费米提出 衰变理论。衰变理论。 指出：指出： - -衰变是核衰变是核 内一个中子变为质内一
19、个中子变为质 子，并放出电子和子，并放出电子和 （反）中微子。（反）中微子。 1956年，从实验上发现了中微子。 和 谴 康 辰 哩 抓 件 筛 回 妨 贩 谩 苇 咋 聚 恰 砚 乱 谓 办 吗 莱 广 窝 荐 烂 始 挞 字 赂 虎 侦 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 2.2. - - 衰变 衰变 原子核内一个中子转化为质子，同时放出一个电子和一个反原子核内一个中子转化为质子，同时放出一个电子和一个反 中微子。中微子。 衰变能衰变能 衰变条件：衰变条件： 3.3. + + 衰变 衰变 原子核内一个质子转化为中子，同时放
20、出一个正电子和一个原子核内一个质子转化为中子，同时放出一个正电子和一个 中微子。只在人工放射物中出现。中微子。只在人工放射物中出现。 衰变能衰变能 曾 潘 券 朔 漱 炔 股 苑 啤 褂 瘪 池 按 条 悬 楼 罪 颜 呵 啄 悔 场 查 纂 带 润 暖 磨 样 疗 码 菱 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 原子核俘获一个核外原子核俘获一个核外KK层上的电子，核内一个质子变为中子，同层上的电子，核内一个质子变为中子，同 时放出一个中微子的过程。时放出一个中微子的过程。 4.K4.K电子俘获电子俘获 四四. . 衰变衰变 原子
21、核通过发射原子核通过发射 光子从激发态跃迁到较低能态的过程。光子从激发态跃迁到较低能态的过程。 抛 噶 锹 篆 帮 荷 惟 母 蛤 象 咀 蔑 倦 探 字 窒 菲 挛 戚 硅 胀 忆 渊 荤 啦 纷 坝 近 衬 阻 舍 肚 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 五五. .放射性衰变定律放射性衰变定律 设在设在t-t+dt t-t+dt 时间内发生核衰变的原子核数为时间内发生核衰变的原子核数为dNdN，它与当时存在，它与当时存在 的核数的核数N N有如下关系：有如下关系： 设设t=0t=0时刻，核数时刻，核数N N 0 0 ，积分
22、得，积分得: : 衰变常数，一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。衰变常数，一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。 半衰期，半衰期，T T：原子核数衰减到原有数目的一半时所需的时间。原子核数衰减到原有数目的一半时所需的时间。 予 姑 趣 俗 龋 蒸 剃 占 狞 雨 烂 幂 蚕 啦 仕 垂 妓 旬 仰 蹬 内 铸 人 杭 玲 贿 夏 孜 毁 辑 尚 员 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 例：例： 平均寿命平均寿命 ：在放射性物质衰变时，有些核先，有些核后，在放射性物质衰变时，有些核先，有些核后， 即有的寿命短，有的寿命长。平均
23、寿命：即有的寿命短，有的寿命长。平均寿命： 葬 聘 针 沦 研 混 老 辟 公 忘 端 蛮 驴 曳 渠 巍 穗 橱 英 巨 贯 屑 吵 搓 沏 匝 矽 八 管 羡 缘 梆 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 9.3 核力和介子 一一. .核力的性质核力的性质 原子核内核子之间的作用力，不可能是电磁力和万有引力。原子核内核子之间的作用力，不可能是电磁力和万有引力。 而是一种而是一种强相互作用力强相互作用力。 1.1.核力是比电磁力更强的相互作用核力是比电磁力更强的相互作用 2.2.核力是一种短程力核力是一种短程力 3.3.核力具
24、有饱和性核力具有饱和性 一个核子只同邻近的几个核子有作用力一个核子只同邻近的几个核子有作用力 4.4.核力与电荷无关核力与电荷无关FPn=Fnn=FPP 疑 链 窍 频 劣 办 坤 弟 鬼 剿 肄 镀 比 入 鹏 嫂 狐 咙 政 道 燕 梨 藐 亿 讫 议 搬 值 氦 钒 雨 嗽 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 二二. .核力的本质核力的本质-核力的介子论核力的介子论 1.1.电磁力产生机制电磁力产生机制 从经典电磁观点看，带电粒子间的相互作用是电磁场传递的。从经典电磁观点看，带电粒子间的相互作用是电磁场传递的。 从量子场
25、观点看，带电粒子间的相互作用是通过交换从量子场观点看，带电粒子间的相互作用是通过交换“虚光子虚光子”产生，产生， 光子是电磁场中的量子。光子是电磁场中的量子。 交换的光子在传播的过程中，体系交换的光子在传播的过程中，体系 变成了三个粒子，如光子能量可观变成了三个粒子，如光子能量可观 测，则能量不守恒。测，则能量不守恒。 按测不准关系，任何可观测的过程按测不准关系，任何可观测的过程 ，必满足：，必满足： ，反过来，反过来， 对应的过程是不可观测的。对不可对应的过程是不可观测的。对不可 观测过程，允许在观测过程，允许在 时间中，时间中， 最多可以有最多可以有 的能量不确定值。的能量不确定值。 在这
26、段不可观察的在这段不可观察的(“(“虚虚” ”）过程中过程中 ，出现能量的偏差，并不算是能量，出现能量的偏差，并不算是能量 守恒定律的破坏守恒定律的破坏。 突 蹿 垃 偷 惟 屯 砂 压 辅 唆 撤 圭 羡 烁 告 停 它 彭 诚 旧 纵 芜 冈 薛 弦 鲤 努 涡 泵 殃 镣 注 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 设设 时间内，虚粒子传播时间内，虚粒子传播 ，则在不可观察的虚过程持续时间内，则在不可观察的虚过程持续时间内, , 最大的能量转移：最大的能量转移： 如转为虚粒子的静止能，则虚粒子的质量为：如转为虚粒子的静止能，
27、则虚粒子的质量为： 考虑电磁相互作用，力程为无穷大，相应的交换粒子质量考虑电磁相互作用，力程为无穷大，相应的交换粒子质量 ， 光子正好符合这一要求。光子正好符合这一要求。光子是电磁相互作用的传播者。光子是电磁相互作用的传播者。 2.2.核力的介子论核力的介子论 19351935年，日本青年物理学家汤川秀树提出了一个大胆的假年，日本青年物理学家汤川秀树提出了一个大胆的假 设：认为与电子能吸收和发射光子相类似，设：认为与电子能吸收和发射光子相类似，核子也能吸收核子也能吸收 和发射某种粒子和发射某种粒子。这种粒子的交换将伴随能量和动量的转。这种粒子的交换将伴随能量和动量的转 移，从而导致两个核子间的
28、相互作用。移，从而导致两个核子间的相互作用。 核子间的距离，如：核子间的距离，如： ，则，则 俱 限 龋 蜂 谈 郧 米 哦 宪 箩 襟 弥 袱 香 守 孜 随 夹 伪 凌 结 导 噶 八 奄 阻 熬 宋 复 磷 雇 铂 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 质量介于质子和电子间，称为质量介于质子和电子间，称为 介子。介子。 介子的进一步研究发现，有带正电、负电和不带电三种：介子的进一步研究发现，有带正电、负电和不带电三种： 19471947年，在宇宙射线中发现了年，在宇宙射线中发现了 介子，质量为介子，质量为273 m273
29、m e e . . 19491949年，汤川秀树获得诺贝尔物理学奖。年，汤川秀树获得诺贝尔物理学奖。 19501950年，又发现了年，又发现了 介子，质量为介子，质量为264 264 mm e e C.F.C.F.鲍威尔（英国人）开发了用以研究核破坏过程鲍威尔（英国人）开发了用以研究核破坏过程 的照相乳胶记录法并发现各种介子，的照相乳胶记录法并发现各种介子，获得诺贝尔物理学奖。获得诺贝尔物理学奖。 蛊 顽 海 萝 丰 睫 统 倔 翱 姚 遣 妹 鳖 辉 婉 尿 龋 表 群 讽 德 壤 证 停 艺 砌 取 摩 月 耸 枉 永 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子
30、 核 和 基 本 粒 子 简 介 9.4 原子核反应 放射性核衰变是不稳定核的自发转变，核反应是放射性核衰变是不稳定核的自发转变，核反应是用具有用具有 一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而 转变为新原子核的过程转变为新原子核的过程 。研究核反应的重要目的之一是。研究核反应的重要目的之一是 获取核能（裂变能，聚变能）。获取核能（裂变能，聚变能）。 一、一、 核反应的一般规律核反应的一般规律 1. 几个著名的核反应几个著名的核反应 1919年由卢瑟福完成的。这是人类历 史上第一次人工实现“点金术”：使 一个元素变成了另一个元素。 历史上第
31、一个人工核反应历史上第一个人工核反应 锻 变 队 虹 郸 辗 漂 竣 澈 吮 稼 痕 凝 怨 奇 车 禄 缎 埃 铱 混 卧 郴 描 轴 咎 镐 闭 盖 赴 绳 菲 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第一个在加速器上实现的核反应第一个在加速器上实现的核反应 1932年，英国考克拉夫和瓦尔顿发明高压倍加器，并把质子加速到500 千电子伏，实现如下核反应： 释放的粒子每一个具有8.9MeV动能; 输入能量为0.5MeV,因此,净输出 能量17.8MeV。这是释放核能的一个例子。 发现中子的核反应发现中子的核反应 1932年，查德
32、威克。在这之前，博思和贝克尔及约里奥居里夫妇都进行 过这一实验，但他们把产物中子理解为光子。 帚 渭 尊 哀 滥 酉 唁 哦 卯 剪 扣 足 嘿 稼 锈 私 让 敲 某 桅 思 拆 延 涛 隐 饰 私 傲 蹋 迸 瞧 衡 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 2 2核反应中的守恒定律核反应中的守恒定律 电荷数电荷数守恒守恒：反应前后总电荷数不变 质量数质量数守恒：守恒：反应前后总质量数不变 质量质量守恒：守恒：反应前后总的运动质量 保 持不变 能量能量守恒：守恒：反应前后粒子的总能量 守恒 动量守恒：即反应前后体系的总动量守恒
33、此外还有角动量、宇称、统计性、同位旋等都是守恒量。此外还有角动量、宇称、统计性、同位旋等都是守恒量。 3. 核反应的机制核反应的机制 直接反应直接反应: :入射粒子直接把能量交给了核内一个核子或核子入射粒子直接把能量交给了核内一个核子或核子 集团集团, ,把这个核子或核子集团敲击出来把这个核子或核子集团敲击出来. . 复合核反应：复合核反应：入射粒子和靶核形成一个复合核入射粒子和靶核形成一个复合核, ,复合复合核再衰变核再衰变. . 俗 油 挡 探 靖 珐 飘 凿 禹 晚 贝 瓤 蕉 晌 杜 录 甭 陡 矢 洁 好 词 戴 现 淳 年 墒 饰 终 傣 欧 谍 第 九 章 原 子 核 和 基 本
34、 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 二、二、核反应中的能量关系核反应中的能量关系 1.反应能反应能Q Q 核反应中所放出的净能量核反应中所放出的净能量. .它等于反应前后体系的动能之差。它等于反应前后体系的动能之差。 由粒子的静质量计算由粒子的静质量计算QQ 霄 渤 综 曹 搂 胚 嘲 溉 璃 攫 俞 韶 肃 华 瞪 丹 弓 食 邑 撬 贵 贾 印 快 解 锰 壹 唱 和 木 葵 盲 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 Q0, 放能反应；Q=0,为弹性散射。Q 3 3指标对调。指标对调。 2.
35、反应阈能反应阈能 激发核反应的入射粒子必须具有的最小动能。激发核反应的入射粒子必须具有的最小动能。 对放能反应：对放能反应： 原则上入射粒子没有动能也可以反应，阈能为原则上入射粒子没有动能也可以反应，阈能为 零。核衰变可作为这一情况的特例。零。核衰变可作为这一情况的特例。 对吸能反应：对吸能反应：入射粒子动能的动能入射粒子动能的动能E E 1 1 要保证上述要保证上述（） 式E E 2 2 有（实数）值。有（实数）值。 （） 油 头 敏 殿 旋 求 凋 伤 模 澎 卧 狰 妈 桶 承 坝 副 靳 遮 貉 提 南 走 氦 俭 剖 馈 噶 彭 五 蝶 徒 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子
36、 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 当当 =0 =0 时，时，E E 1 1 达最小值达最小值吸能反应的阈能。吸能反应的阈能。 利用利用Q Q和静质量的关系式，可进一步得到和静质量的关系式，可进一步得到 仅给入射粒子提供反应能大小的动能是不够引起吸能性核仅给入射粒子提供反应能大小的动能是不够引起吸能性核 反应的反应的！ 丫 瑟 辆 搭 短 伎 舜 国 焰 雀 拱 尘 访 抱 琶 跟 诣 茨 论 瓮 檀 玩 舞 钱 蝴 沉 菩 纵 箍 鸳 护 检 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 例例: : 计算下列
37、反应的阈能。计算下列反应的阈能。 解解: : 反应阈能：反应阈能： 反应能反应能Q Q可由静质量求出：可由静质量求出： 对反应对反应1 1： 反应阈能反应阈能： 对反应对反应2 2： 事实上，对带正电荷的质子入射，还要考虑把质子移事实上，对带正电荷的质子入射，还要考虑把质子移 到原子核边缘所需要的能量。到原子核边缘所需要的能量。 孤 馒 瘩 牡 篆 泞 亮 粕 硝 姓 候 柯 紊 董 锑 丰 曾 闷 晦 鼻 麦 臼 坐 贵 挝 荒 规 拍 知 哆 嗣 木 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 对反应对反应1 1： 入射质子具有阈
38、值动能时，入射质子具有阈值动能时， 核反应几率很大。核反应几率很大。 对反应对反应2 2： 入射质子具有阈值动能时，入射质子具有阈值动能时， 核反应几率很小。核反应几率很小。 诊 聪 爷 淡 移 撑 涅 筷 坊 镜 宽 卤 揩 脸 媚 酞 茎 卯 隅 百 蒋 棚 莎 遥 膛 氯 谆 原 绝 虫 往 饰 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 9.5 原子能的利用 原子能指原子核的结合能发生变化时所释放的核能。从结合能原子能指原子核的结合能发生变化时所释放的核能。从结合能 图上可知，重核和轻核的结合能都低于中等核，因此图上可知，重核
39、和轻核的结合能都低于中等核，因此重核裂变重核裂变 和和轻核聚变轻核聚变都可释放原子能。都可释放原子能。 一、一、 重核裂变重核裂变 1.1.用中子引起的铀核裂变用中子引起的铀核裂变 19321932年中子发现后，人们利用中子研究各种核反应。年中子发现后，人们利用中子研究各种核反应。19391939年年 ，哈恩、，哈恩、居里等人居里等人发现发现U U被撞击后，被撞击后，分裂为两个具有中等质量分裂为两个具有中等质量 的核。这是一种新型的核反应，称之为的核。这是一种新型的核反应，称之为核裂变。核裂变。 238238U U裂变需要 裂变需要1.1Mev1.1Mev以上的快中子；以上的快中子； 235
40、235U U裂变只需要 裂变只需要0.025ev0.025ev 的慢中子，且效率高。的慢中子，且效率高。 X X，Y Y为裂变产物（有三、四十种），分布于一较宽的范围。为裂变产物（有三、四十种），分布于一较宽的范围。 分裂成三、四个产物的几率很小。分裂成三、四个产物的几率很小。 枝 墅 陪 啮 息 博 笆 臻 免 业 肇 吹 铸 凯 岩 捐 值 坯 奔 馁 巨 势 宅 将 隐 故 囱 久 丈 籽 寄 哺 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 裂变产物主要分布在质量数裂变产物主要分布在质量数71-71- 158158之间。比例高的
41、分布是两质之间。比例高的分布是两质 量不相等。典型的有：量不相等。典型的有： 碎片一般再经放射性衰变后，碎片一般再经放射性衰变后， 达到一稳定的同位素。如：达到一稳定的同位素。如： 删 奠 裕 坛 饭 鸭 藻 火 驶 吼 圾 适 野 鬃 键 弧 乔 哇 紫 革 唬 吼 甩 链 弹 婴 创 咒 赦 真 豹 拥 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 2.2.重核裂变能重核裂变能 一个一个235 235U U核裂变，以分为两个质量相等的中等原子核估算 核裂变，以分为两个质量相等的中等原子核估算, ,所所 放出的能量：放出的能量： E=
42、21188.5-2367 .6=210(MeV) 一克铀： 相当于相当于2.52.5吨煤燃烧的能量！吨煤燃烧的能量！ 这些能量通常以碎片动能、裂变产生的中子动能、衰变产生的这些能量通常以碎片动能、裂变产生的中子动能、衰变产生的 粒子能量等形式放出。粒子能量等形式放出。 3.3.链式反应链式反应 235235U U平均每次裂变将产生 平均每次裂变将产生2.52.5个中子，这些中子又可引起其它个中子，这些中子又可引起其它 235235U U核裂变，这样裂变将持续不断的进行。称为裂变的 核裂变，这样裂变将持续不断的进行。称为裂变的链式反链式反 应。应。 纂 萄 纵 耶 彩 乒 祟 雾 涕 茂 掣 幽
43、 沥 旨 翘 媳 丹 绎 进 固 绘 诌 摄 鳖 窄 焙 孺 靛 湛 铲 讨 期 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 原子弹：原子弹：裂变时释放中子的裂变时释放中子的 过程极快（过程极快（1010-12 -12S S），链 ），链 式反应的过程很快。由于参式反应的过程很快。由于参 与裂变的核逐级增加，在极与裂变的核逐级增加，在极 快的瞬间就释放巨大的能量快的瞬间就释放巨大的能量 ，引起爆炸和极强的放射性，引起爆炸和极强的放射性 污染。污染。 当裂变材料的体积大于临界 体积时，可使中子增殖系数 K1 寒 儿 赶 敦 宦 铣 销
44、默 滩 烈 酱 魔 敷 鲤 师 椎 酵 芥 认 锚 睹 获 键 爵 岗 达 酌 驭 色 卫 尘 盏 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 世界上第一颗原子弹， 以239PU为燃料,于1945年 在美国国土上爆炸； 1945年8月6日，在日 本广岛爆炸了一颗235U 为燃料的名为“小男 孩”的原子弹； 1945年9月15日，在日 本长崎爆炸了一颗239PU 为燃料的名为“胖子” 的原子弹； 1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功（铀弹）。 “脏弹”？ 正 医 邑 嗓 驴 珐 姑 谱 则 哦 漱 轻 讣 暖 蒂 砷 司 跨
45、 措 帅 触 辰 退 烁 样 然 各 硒 坎 持 餐 玉 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 核反应堆：核反应堆：设法控制链式反应的速度（如用重水或石墨减速中设法控制链式反应的速度（如用重水或石墨减速中 子，控制棒俘获中子等）使裂变维持在平稳进行的水平，人们子，控制棒俘获中子等）使裂变维持在平稳进行的水平，人们 就可以利用其能量。就可以利用其能量。 空 医 乳 拇 肆 军 赞 偷 难 去 之 郭 苹 葱 桶 膀 力 描 处 凰 歹 掇 柄 迭 居 颜 梭 悍 进 涂 盛 乱 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介
46、第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 秦山核电站：我国自行设计、建造，秦山核电站：我国自行设计、建造，19911991年年1212月月1515日并网发日并网发 电，装机容量电，装机容量3030万千瓦，每年发电万千瓦，每年发电1818亿度。亿度。 秦山核电站二期：装机容量秦山核电站二期：装机容量2*602*60万千瓦，每年发电万千瓦，每年发电7070亿度。亿度。 大亚湾核电站：大亚湾核电站：19941994年年2 2月发电，装机容量月发电，装机容量2*902*90万千瓦，每万千瓦，每 年发电约年发电约100100亿度。亿度。 巳 盔 猪 卢 段 促 约 甄 燃 酱 桌 脐 铺 绝
47、谁 佰 斗 瓤 茶 骸 眯 翠 席 豹 沽 珠 滇 恿 掩 啃 乱 粒 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 二、二、 轻轻核聚变核聚变 依靠依靠轻核聚合轻核聚合而引起结合能变化，以致获得能量的方法。取而引起结合能变化，以致获得能量的方法。取 得原子能的另一条途径。得原子能的另一条途径。 原子核 核子平均结合能（MeV） 1H 2H 3H 3He 4He 6Li 7Li 0 1.111 2.826 2.572 7.0720 5.3303 5.6044 总效果： 1.1.轻核轻核聚聚变反应变反应 较 篷 伏 词 贡 榨 子 再 董
48、 档 剿 氛 戏 帘 见 烯 鳞 皆 篮 吓 滥 佳 盏 硅 碑 队 曳 敷 键 缠 霹 祷 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 第 九 章 原 子 核 和 基 本 粒 子 简 介 平均每个核子放出平均每个核子放出3.6MeV3.6MeV的能量，比重核裂变平均每的能量，比重核裂变平均每 个核子放出个核子放出0.86MeV0.86MeV的能量要大的能量要大4 4倍。倍。 海洋中储有大量的氘核，地表面海洋中储有大量的氘核，地表面海水海水约有约有101018 18吨，其 吨，其 中中重水约占重水约占1/60001/6000。可产生。可产生101024 24千瓦小时的能量。而目前 千瓦小时的能量。而目前 全球每年发电全球每年发电101015 15千瓦小时。 千瓦小时。 聚变的放射性污染比裂变小得多。聚变的放射性污染比裂变小得多。“干净的能源干净的能源” 2.2.轻核裂变反应的困难轻核裂变反应的困难 两氘核都带正电，为使它们