原子核物理概論課件

原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應原子核質量裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成原子核組成★原子核由質子和中子組成原子核對原子性質起主要貢獻的是核的質量和電荷。元素的物理、化學性質或光譜特性主要與核外電子有關，而放射性現(xiàn)象則歸因于原子核。(核素）原子核組成★原子核由質子和中子組成原子核對原子性質起主要貢獻核素圖核素圖核力：使核子組成原子核的作用力，屬于強相互作用的類型，屬于短程力。核結構模型“液滴模型”→“費米氣體模型”→“殼層模型”→“集體模型”。核力：使核子組成原子核的作用力，屬于強相互作用的類型，屬于短原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應原子核質量裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律放射性(radioactivity)衰變：不穩(wěn)定原子核自發(fā)地放射出各種射線后,轉變?yōu)榱硪环N原子核的現(xiàn)象.（1）指數(shù)衰變律發(fā)生衰變的原子核數(shù)目

t

時刻未發(fā)生衰變的原子核數(shù)目時間間隔λ是衰變常數(shù)，代表單個原子核在單位時間內發(fā)生衰變的概率，放射性衰變的基本規(guī)律放射性(radioactivity)衰變（2）半衰期

半衰期T1/2

(halflifeperiod)

：放射性核素的原子核數(shù)目衰變到原來的一半所需要的時間。放射性衰變的基本規(guī)律（2）半衰期半衰期T1/2(halflif（3）平均壽命平均壽命：放射性原子核在衰變前的平均生存時間。①.在t時刻，dt時間內發(fā)生衰變的原子核數(shù)目：②.（從初始時刻開始計時）這些發(fā)生衰變的原子核原子核均存在了時間t，因此這部分原子核的總存在時間：③.所有原子核的總壽命：④.單個原子核壽命：若將τ=1/λ代入N=N(t)：（3）平均壽命平均壽命：放射性原子核在衰變前的平均生存時間。估算地球的年齡目前238U(T1/2=4.5x109a)占99.3%，而235U(T1/2=0.70x109a)占0.72%.于是放射性衰變的基本規(guī)律的應用估算地球的年齡目前238U(T1/2=4.5x109a)占9原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應原子核質量裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成能量守恒：衰變（He2+離子）能量守恒：衰變（He2+離子）原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應原子核質量裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成β衰變中子質子同一核子的兩個不同的量子態(tài)β衰變中子質子同一核子的兩個不同的量子態(tài)開始注水時的超級神岡探測器薩德伯里中微子觀測站開始注水時的超級神岡探測器薩德伯里中微子觀測站原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變原子核質量核反應裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成衰變（1）一般性質衰變（1）一般性質60Co的衰變綱圖60Co的衰變綱圖原子核物理概論課件原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變原子核質量核反應裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成原子核質量原子核質量原子核質量原子核質量原子核平均結合能曲線原子核平均結合能曲線原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變原子核質量核反應裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成核反應原子核與原子核或原子核與其它粒子（例如質子、中子、光子等）之間的相互作用引起的各種變化。核反應原子核與原子核或原子核與其產(chǎn)生核反應的途徑：

用放射源產(chǎn)生的高速粒子轟擊原子核；利用宇宙射線(cosmicray)來進行核反應；利用粒子加速器(accelerator)或反應堆(reactor)來進行核反應產(chǎn)生核反應的途徑：用放射源產(chǎn)生的高速粒子轟擊原子核；核反應的表示方法：入射粒子出射

輕粒子靶原子核

生成核

（剩余核）（Target）(incomingparticle)（outgoinglight-weightparticle）(Residuenucleus)守恒量：能量，動量，角動量電荷數(shù)，核子數(shù)核反應的表示方法：入射出射

輕粒子靶原生成核

（剩余（1）著名的核反應1、歷史上第一個人工核反應2、第一個在加速器上實現(xiàn)的核反應（1）著名的核反應1、歷史上第一個人工核反應第一個人工核反應實驗簡圖氮氣氮氣熒光屏銀箔顯微鏡第一個人工核反應實驗簡圖氮氣氮氣熒光屏銀箔顯微鏡3、產(chǎn)生第一個人工放射性核素的反應4、導致發(fā)現(xiàn)中子的核反應3、產(chǎn)生第一個人工放射性核素的反應（2）Q方程根據(jù)能量守恒：定義反應能Q：（2）Q方程根據(jù)能量守恒：定義反應能Q：原子核物理概論課件原子核物理概論原子核的組成原子核質量原子核的自旋和磁矩放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成（1）裂變(fission)的發(fā)現(xiàn)

重核的裂變：一個重原子核分裂為兩個或兩個以上中等質量碎片的現(xiàn)象。（1）裂變(fission)的發(fā)現(xiàn)重核的裂變：一個重原子核裂變的特點：裂變產(chǎn)物中含中子數(shù)很多裂變產(chǎn)物的質量分布很廣裂變釋放的能量很大發(fā)生裂變的原子核種類很多原子核裂變的特點：裂變產(chǎn)物中含中子數(shù)很多原子核物理概論課件（2）裂變機制液滴模型庫侖力核力（2）裂變機制液滴模型庫侖力核力(4)裂變能量及其利用(3)自發(fā)裂變(SF)(4)裂變能量及其利用(3)自發(fā)裂變(SF)鏈式反應(chainreaction)U235U235U235中子鏈式反應(chainreaction)UUU中子維持鏈式反應的條件：維持鏈式反應的條件：反應堆(reactor)減速劑控制棒屏蔽體燃料元件反應堆(reactor)減速劑控制棒屏蔽體燃料元件反應堆用途：

原子能動力制造放射性同位素產(chǎn)生大量中子產(chǎn)生核燃料反應堆用途：原子能動力原子彈(A-bomb)穩(wěn)定器引爆裝置鈾塊或钚塊中子反射層彈殼原子彈(A-bomb)穩(wěn)定器引爆裝置鈾塊或钚塊中子反射層彈殼（5）輕核聚變(fusion)（5）輕核聚變(fusion)（5）輕核聚變(fusion)輕核的聚變（核聚變）：輕原子核聚合成較重原子核的核反應。（5）輕核聚變(fusion)輕核的聚變（核聚變）：輕原子核聚變的特點：-與核裂變相比，釋放的能量更大（4倍）-聚變材料十分豐富-聚變產(chǎn)物基本上是穩(wěn)定氦核，無放射性，不污染環(huán)境。核聚變的特點：-與核裂變相比，釋放的能量更大（4倍）庫倫勢能：每一個d核72keV，對應溫度~108K?。。〕郎囟韧?，還需要：密度足夠大，維持時間足夠長。因此，聚變反應更難發(fā)生。庫倫勢能：每一個d核72keV，對應溫度~108K！??！除溫(6)太陽能——引力約束聚變碳—氮循環(huán)(6)太陽能——引力約束聚變碳—氮循環(huán)2、質子—質子循環(huán)2、質子—質子循環(huán)（7）氫彈(h-bomb)

——慣性約束聚變（7）氫彈(h-bomb)

——慣性約束聚變穩(wěn)定器引爆裝置彈殼氘和鋰鈾或钚塊穩(wěn)定器引爆裝置彈殼氘和鋰鈾或钚塊裂變與聚變的和平利用裂變與聚變的和平利用國際原子能機構國際原子能機構原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應原子核質量裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成原子核組成★原子核由質子和中子組成原子核對原子性質起主要貢獻的是核的質量和電荷。元素的物理、化學性質或光譜特性主要與核外電子有關，而放射性現(xiàn)象則歸因于原子核。(核素）原子核組成★原子核由質子和中子組成原子核對原子性質起主要貢獻核素圖核素圖核力：使核子組成原子核的作用力，屬于強相互作用的類型，屬于短程力。核結構模型“液滴模型”→“費米氣體模型”→“殼層模型”→“集體模型”。核力：使核子組成原子核的作用力，屬于強相互作用的類型，屬于短原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應原子核質量裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律放射性(radioactivity)衰變：不穩(wěn)定原子核自發(fā)地放射出各種射線后,轉變?yōu)榱硪环N原子核的現(xiàn)象.（1）指數(shù)衰變律發(fā)生衰變的原子核數(shù)目

t

時刻未發(fā)生衰變的原子核數(shù)目時間間隔λ是衰變常數(shù)，代表單個原子核在單位時間內發(fā)生衰變的概率，放射性衰變的基本規(guī)律放射性(radioactivity)衰變（2）半衰期

半衰期T1/2

(halflifeperiod)

：放射性核素的原子核數(shù)目衰變到原來的一半所需要的時間。放射性衰變的基本規(guī)律（2）半衰期半衰期T1/2(halflif（3）平均壽命平均壽命：放射性原子核在衰變前的平均生存時間。①.在t時刻，dt時間內發(fā)生衰變的原子核數(shù)目：②.（從初始時刻開始計時）這些發(fā)生衰變的原子核原子核均存在了時間t，因此這部分原子核的總存在時間：③.所有原子核的總壽命：④.單個原子核壽命：若將τ=1/λ代入N=N(t)：（3）平均壽命平均壽命：放射性原子核在衰變前的平均生存時間。估算地球的年齡目前238U(T1/2=4.5x109a)占99.3%，而235U(T1/2=0.70x109a)占0.72%.于是放射性衰變的基本規(guī)律的應用估算地球的年齡目前238U(T1/2=4.5x109a)占9原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應原子核質量裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成能量守恒：衰變（He2+離子）能量守恒：衰變（He2+離子）原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應原子核質量裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成β衰變中子質子同一核子的兩個不同的量子態(tài)β衰變中子質子同一核子的兩個不同的量子態(tài)開始注水時的超級神岡探測器薩德伯里中微子觀測站開始注水時的超級神岡探測器薩德伯里中微子觀測站原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變原子核質量核反應裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成衰變（1）一般性質衰變（1）一般性質60Co的衰變綱圖60Co的衰變綱圖原子核物理概論課件原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變原子核質量核反應裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成原子核質量原子核質量原子核質量原子核質量原子核平均結合能曲線原子核平均結合能曲線原子核物理概論原子核的組成放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變原子核質量核反應裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成核反應原子核與原子核或原子核與其它粒子（例如質子、中子、光子等）之間的相互作用引起的各種變化。核反應原子核與原子核或原子核與其產(chǎn)生核反應的途徑：

用放射源產(chǎn)生的高速粒子轟擊原子核；利用宇宙射線(cosmicray)來進行核反應；利用粒子加速器(accelerator)或反應堆(reactor)來進行核反應產(chǎn)生核反應的途徑：用放射源產(chǎn)生的高速粒子轟擊原子核；核反應的表示方法：入射粒子出射

輕粒子靶原子核

生成核

（剩余核）（Target）(incomingparticle)（outgoinglight-weightparticle）(Residuenucleus)守恒量：能量，動量，角動量電荷數(shù)，核子數(shù)核反應的表示方法：入射出射

輕粒子靶原生成核

（剩余（1）著名的核反應1、歷史上第一個人工核反應2、第一個在加速器上實現(xiàn)的核反應（1）著名的核反應1、歷史上第一個人工核反應第一個人工核反應實驗簡圖氮氣氮氣熒光屏銀箔顯微鏡第一個人工核反應實驗簡圖氮氣氮氣熒光屏銀箔顯微鏡3、產(chǎn)生第一個人工放射性核素的反應4、導致發(fā)現(xiàn)中子的核反應3、產(chǎn)生第一個人工放射性核素的反應（2）Q方程根據(jù)能量守恒：定義反應能Q：（2）Q方程根據(jù)能量守恒：定義反應能Q：原子核物理概論課件原子核物理概論原子核的組成原子核質量原子核的自旋和磁矩放射性衰變的基本規(guī)律α衰變β衰變γ衰變核反應裂變與聚變原子核物理概論原子核的組成（1）裂變(fission)的發(fā)現(xiàn)

重核的裂變：一個重原子核分裂為兩個或兩個以上中等質量碎片的現(xiàn)象。（1）裂變(fission)的發(fā)現(xiàn)重核的裂變：一個重原子核裂變的特點：裂變產(chǎn)物中含中子數(shù)很多裂變產(chǎn)物的質量分布很廣裂變釋放的能量很大發(fā)生裂變的原子核種類很多原子核裂變的特點：裂變產(chǎn)物中含中子數(shù)很多原子核物理概論課件（2）裂變機制液滴模型庫侖力核力（2）裂變機制液滴模型庫侖力核力(4)裂變能量及其利用(3)自發(fā)裂變(SF)(4)裂變能量及其利用(3)自發(fā)裂變(SF)鏈式反應(chainreaction)U235U235U235中子鏈式反應(chainreaction)UUU中子維持鏈式反應的條件：維持鏈式反應的條件：反應堆(reactor)減速劑控制棒屏蔽體燃料元件反應堆(reac