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1、原子核物理概论第一页，讲稿共七十八页哦第二页，讲稿共七十八页哦即即Q=ZeNm 2nenEmZmc1/30Rr A01.2rfm第三页，讲稿共七十八页哦核素符号核素符号AZNX比如比如422He1477N等。等。91012666,CCC同中子素：同中子素：141516687888,CNC404040181920,ArKCa镜核：镜核：331111131314151221566567767887(,),(,),(,),(,)HHeBCCNNO同位素：同位素：同量异位素：同量异位素：第四页，讲稿共七十八页哦 在物理学中，对有一定关系的核素，有些常用的术语如在物理学中，对有一定关系的核素，有些常用的
2、术语如下：下：91012666,CCC同中子素：同中子素：141516687888,CNO404040181920,ArKCa镜核：镜核：331111131315151221566567767887(,),(,),(,),(,)HHeBCCNNO同位素：同位素：同量异位素：同量异位素：第五页，讲稿共七十八页哦2mcEEEA第六页，讲稿共七十八页哦第七页，讲稿共七十八页哦第八页，讲稿共七十八页哦0tttdt 0NNNdN第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第九页，讲稿共七十八页哦0NNdNNttdt dN()dNdtdNNdtdNdtN()dNdt0()tdtN dNNdt0tN e
3、第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第十页，讲稿共七十八页哦02NN120012TNN e12T0tNN e122lnT13129.961minNT9238124.510UyT9235120.710UyT12T12T12T第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第十一页，讲稿共七十八页哦0tdNN edt 0000011()NttN edttedtN1 211.44T100037%tNN eN eN00001122012001NiiNiNiidNdNt dNt dNdNdNdNdNNdN第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第十二页，讲稿共七十八页哦AdNdt0t
4、N e0teAN第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第十三页，讲稿共七十八页哦AN103.710CiBq定义：定义：第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第十四页，讲稿共七十八页哦AAm A60Co1200Ci7 0 0C ig60Co60Co1200Ci第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第十五页，讲稿共七十八页哦AAm02AA12T12T12T12T第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律12T第十六页，讲稿共七十八页哦0.693 94.510yAN238UAN12T238U1814.8710 S第十七页，讲稿共七十八页哦301210T120.69
5、3T1300.693365 24 360010s30 24 3600N A10365 24 3600130 24 36000.6931030173.3210个第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第十八页，讲稿共七十八页哦302418 17.32 106.02 10 m 51.78 吨第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第十九页，讲稿共七十八页哦4422AAZZXYHe4021AAZZXYe衰变011AAZZXYe衰变XBCF 第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第二十页，讲稿共七十八页哦 该系从该系从（钍）开始经（钍）开始经6 6次次 衰变衰变，4 4次次衰
6、变成衰变成(铅铅););232Th208Pb 该系从该系从 (镎镎)开始经开始经7 7次次 ，4 4次次 衰变成衰变成 （硼）硼）;该系从该系从 (铀铀)开始经开始经8 8次次 ，6 6次次 衰衰 变成变成 （铅）；（铅）；209Bi237Np238U206Pb（2）镎系（）镎系（A=4n+1系）系）（1）钍系（）钍系（A=4n系）系）（3）铀系（）铀系（A=4n+2系）系）第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第二十一页，讲稿共七十八页哦207Pb235U第二十二页，讲稿共七十八页哦0tNeNAB0tAANN eBA0tBBNNeAAAAAdNNNdt BBBdNNdtBAABBd
7、NNNdt第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第二十三页，讲稿共七十八页哦的一阶非齐次的一阶非齐次线性方程线性方程.上式中上式中我们设上式的特解为我们设上式的特解为0tAANN eAtBNCe0()AABtttAAABCeeNCe0AABACN0AAAtBBANNe该方程是关于该方程是关于BN代入得代入得即特解为：即特解为：第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律根据微分方程理论，它的通解可看成方程的一个特解和相应齐次方根据微分方程理论，它的通解可看成方程的一个特解和相应齐次方程的通解的迭加。程的通解的迭加。第二十四页，讲稿共七十八页哦BAABBdNNNdt0BBBdNNd
8、tBtBNC e0BBAAttBBANNeC e00BtN0AABANC0()ABAAttBBANNee0AAAtBBANNe,BABA第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第二十五页，讲稿共七十八页哦dNpNdtdNNpdt第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第二十六页，讲稿共七十八页哦tpNC eNCcppctNC e00tN(1)tpNe1 2(1)(1 2)tTtANpep1 2tT1 20.5;5AtTp0.97Ap1 25tT第四节：衰变及其统计规律第四节：衰变及其统计规律第二十七页，讲稿共七十八页哦第五节：第五节：衰变衰变2()xyEmmmc0Exymmm第
9、二十八页，讲稿共七十八页哦(2)2xXeyYeHeemMZmmMZmmMm22()()xyXYHeEmmmcMMMcXYHeMMM第五节：第五节：衰变衰变第二十九页，讲稿共七十八页哦B 2m vBqv2211()22Em vBqmvE2.2.衰变能的测量衰变能的测量第五节：第五节：衰变衰变第三十页，讲稿共七十八页哦222218488862RaRnHe14.612EMeV24.793EMeV第五节：第五节：衰变衰变第三十一页，讲稿共七十八页哦E212208483812BiTiHe6.084;6.044;5.763;5.621;5.480iEMeV2EMC 0EEEE子核激发能子核激发能第五节：第
10、五节：衰变衰变第三十二页，讲稿共七十八页哦EE0EEE0EE0Em vm v221122mmEm vmvEmm0441144mmEEEEEEEEmmAA第五节：第五节：衰变衰变第三十三页，讲稿共七十八页哦E226222488862RaRnHe124.612;4.793EMeV EMeV0E第五节：第五节：衰变衰变第三十四页，讲稿共七十八页哦2E0220226(1)4.7934.879()42264mAEEEEMeVmA 0114.695()4AEEMeVA0.184MeV0 1()0.184EEMeV 第五节：第五节：衰变衰变第三十五页，讲稿共七十八页哦第五节：第五节：衰变衰变第三十六页，讲稿
11、共七十八页哦2evmeBvem veB第三十七页，讲稿共七十八页哦EE2eEEm c22422eEm cc p242222422()eeeeEm cc pm cm cBepcm cEEmE第三十八页，讲稿共七十八页哦E第三十九页，讲稿共七十八页哦第四十页，讲稿共七十八页哦2第四十一页，讲稿共七十八页哦第四十二页，讲稿共七十八页哦,K和010101:():eeenpepneK capturepen第四十三页，讲稿共七十八页哦011AAZZeXev201xeyeeEMZmMZmmc2xyMM c00E xyMMxMyM第四十四页，讲稿共七十八页哦011AAZZeXYev201xeyeeEMZmMz
12、mmc22xyeMMmc00E 2xyeMMm011AAZiZiXeYvW 01 ieiW2iWxycMM第四十五页，讲稿共七十八页哦同衰变一样，衰变也可以用衰变纲图表示，习惯上用两条同衰变一样，衰变也可以用衰变纲图表示，习惯上用两条横线分别表示母体和子体的原子核基态两线之间的距离相当横线分别表示母体和子体的原子核基态两线之间的距离相当于母体和子体的能量差，从母体能级向下画一箭头线至子体能于母体和子体的能量差，从母体能级向下画一箭头线至子体能级表示衰变；向左下则表示电子俘获；级表示衰变；向左下则表示电子俘获；而衰变则因为母体而衰变则因为母体原子质量至少应比子体原子质量大原子质量至少应比子体原子
13、质量大 时才有可能，故习惯上先时才有可能，故习惯上先从母体能级垂直向下画一线段，再折向左边画一箭头表示从母体能级垂直向下画一线段，再折向左边画一箭头表示衰变衰变我们可以求得发生我们可以求得发生EC的条件是的条件是2em22em c2ixyWMMc通常通常K俘获发生的几率最大俘获发生的几率最大.衰变纲图衰变纲图第四十六页，讲稿共七十八页哦三种衰变的纲图如图所示三种衰变的纲图如图所示第四十七页，讲稿共七十八页哦第四十八页，讲稿共七十八页哦01Pvne第四十九页，讲稿共七十八页哦第五十页，讲稿共七十八页哦第五十一页，讲稿共七十八页哦第五十二页，讲稿共七十八页哦eiEEW第五十三页，讲稿共七十八页哦第
14、五十四页，讲稿共七十八页哦0RREEEhE1pmvhc效应：效应：能量守恒：能量守恒：动量守恒：动量守恒：其中对光子有其中对光子有2222200,0Em cc p mEcph2221()22RhhpEmvcmc所以有所以有故有故有第五十五页，讲稿共七十八页哦RE 第五十六页，讲稿共七十八页哦可见，实际发射线可见，实际发射线 与要求的吸收线相差与要求的吸收线相差 ，吸收吸收光子光子:发射发射光子光子:0eREEE02RReREEEEEeE2RERE RE 若若 ，则可以发生共振；，则可以发生共振；当当 时，不可能发生共振吸收。时，不可能发生共振吸收。第五十七页，讲稿共七十八页哦1958年，德国物
15、理学家年，德国物理学家 Mossbauer发现：发现：如果将放射性核素固定在晶体中，遭反冲的就不是单如果将放射性核素固定在晶体中，遭反冲的就不是单个原子核，而是整块晶体。个原子核，而是整块晶体。此时由于此时由于m很大，所以很大，所以 ；这时上述核共振吸收就；这时上述核共振吸收就可以发生，此称可以发生，此称Mossbauer效应。效应。0RE 第五十八页，讲稿共七十八页哦(,)v Mossbauer效应在物理、化学、生物学、地质学、冶金学等效应在物理、化学、生物学、地质学、冶金学等方面都得到了广泛的应用。方面都得到了广泛的应用。第五十九页，讲稿共七十八页哦 人类第一次发现核反应是在人类第一次发现
16、核反应是在1919年由年由Rutherford观察观察到的。他在研究到的。他在研究214Po (钋）发射的钋）发射的粒子时发现，出射的粒子时发现，出射的粒粒子射程都在子射程都在7cm左右。但有的左右。但有的粒子射程竟达粒子射程竟达40cm,这远远这远远超出了超出了粒子衰变能所能前进的距离。经过认真分析，粒子衰变能所能前进的距离。经过认真分析，Rutherford认为认为,长射程的不是长射程的不是粒子而是质子，他认为粒子而是质子，他认为粒粒子同空气中的氮发生了核转变过程：子同空气中的氮发生了核转变过程：第八节第八节:核反应核反应17171781NOH这是人类发现的第一个核反应这是人类发现的第一个
17、核反应.第六十页，讲稿共七十八页哦73PLi 同年在实验中发现了中子。从同年在实验中发现了中子。从19341934年起，开始了用中年起，开始了用中子照射包括铀在内的许多元素，并发现了核裂变。此后子照射包括铀在内的许多元素，并发现了核裂变。此后，关于核反应的研究迅速发展起来。，关于核反应的研究迅速发展起来。1931年，世界上第一台荷电粒子加速器投入运行，年，世界上第一台荷电粒子加速器投入运行，1932年，年，实现了人工加速质子轰实现了人工加速质子轰击击7 7LiLi的反应：的反应：第八节第八节:核反应核反应第六十一页，讲稿共七十八页哦iTlR(,)T i l R第八节第八节:核反应核反应第六十二
18、页，讲稿共七十八页哦（1）电荷数守恒）电荷数守恒iTlRZZZZiTlREEEE，式中，式中2kEEmc（4）动量守恒）动量守恒iTlRPPPP（3）总能量守恒（总质量并不守恒）总能量守恒（总质量并不守恒）6）宇称守恒）宇称守恒第八节第八节:核反应核反应2.核反应遵从的守恒定律核反应遵从的守恒定律（2）质量数（核子数）守恒）质量数（核子数）守恒（5）角动量守恒）角动量守恒第六十三页，讲稿共七十八页哦,iTlRM M M M和和,iTlRKKKK则总能量守恒得则总能量守恒得2222()()()()iiTTllRRK McKMcK McKMc22()()iTlRQMMMMcMc()()lRiTKK
19、KKK 即即Q Q可以用两种方法求得可以用两种方法求得1),2).反应前 后粒子总质量之差反应后前粒子动能差 设设I,T,l,R 的静质量和动能分别为的静质量和动能分别为定义反应能为定义反应能为（1）（2）第八节第八节:核反应核反应三、三、Q方程方程1 1、核反应能的定义及吸、放能反应、核反应能的定义及吸、放能反应第六十四页，讲稿共七十八页哦2pnBmZmNmc()()lRiTQBBBB0TE lRiQKKK第八节第八节:核反应核反应第六十五页，讲稿共七十八页哦ilRPPP2222cosRililPPPPP22pMxcosRRllililM kM kM M K KRK2(1)(1)cosili
20、lliliRRRM M K KMMQKKMMM第八节第八节:核反应核反应第六十六页，讲稿共七十八页哦OpN214),(MeVQ19.1MeVKi19.1第八节第八节:核反应核反应第六十七页，讲稿共七十八页哦iK2lKuuw(cos,iliRiRilRlRM M KM QK MMuwMMMMlK20uw第八节第八节:核反应核反应第六十八页，讲稿共七十八页哦0Q 0w20uw0Q 0wiK20uwiK20uw()cos0iliRiRilRlRM M KM QK MMMMMMiKmin()lRiRliMMKKQMMM 阈第八节第八节:核反应核反应第六十九页，讲稿共七十八页哦第九节第九节:原子能的利用
21、原子能的利用CnBe12694),(中子中子发现后，费米等人首先开始用中子照射包括发现后，费米等人首先开始用中子照射包括U U在内的在内的各种元素，各种元素，19381938年，年，哈恩发现哈恩发现U U被撞击后，有钡被撞击后，有钡)(13756Ba产生；与此同时，居里等人产生；与此同时，居里等人)(13957La产生，不久他们产生，不久他们又从实验中又从实验中1932年，在核反应年，在核反应中发现了中子，中发现了中子，发现：中子发现：中子找到了另一种较轻的物质（找到了另一种较轻的物质（A=101）两者质量数）两者质量数之和刚好等于之和刚好等于U的质量数的质量数.一、一、原子核的裂变原子核的裂
22、变1.裂变的发现裂变的发现照射过的照射过的U有镧有镧第七十页，讲稿共七十八页哦235U123523609292AAnUXY 236UYX,A A,AAXY第九节第九节:原子能的利用原子能的利用第七十一页，讲稿共七十八页哦123523613797109292524002nUTeZrn1371379797565640420,TeBaZrM12351379710092564200126nUBaMne22235.043915 136.905500 96.90621 1.008665208QMccMeV第九节第九节:原子能的利用原子能的利用第七十二页，讲稿共七十八页哦1 1.重核的稳定性重核的稳定性-自
23、发裂变自发裂变的几率极小前面的讨论中，我的几率极小前面的讨论中，我们已经知道，们已经知道，核的总结合能可核的总结合能可以表示为：以表示为：vscsymBBBBBBU如果原子核是稳定的，那么它处于球形时的势能应小如果原子核是稳定的，那么它处于球形时的势能应小于它处于椭球形时的势能。设原子核在球形和椭球形于它处于椭球形时的势能。设原子核在球形和椭球形时相应的势能分别表为：时相应的势能分别表为：和和 ；spUelU因此，因此，核是否稳定，关键是比较核是否稳定，关键是比较 和和 大小。大小。elUspU第九节第九节:原子能的利用原子能的利用二、二、裂变的理论机制裂变的理论机制第七十三页，讲稿共七十八页
24、哦任何自发过程总是朝着势能减小的方向进行。因此，若任何自发过程总是朝着势能减小的方向进行。因此，若 ，则，则原子核就会发生形变原子核就会发生形变.spelUU可见研究核的稳定性就是比较可见研究核的稳定性就是比较spelUU，由式由式vscsympBBBBBBU的势能的势能U U是由是由B B决定的，当核发生形变时，决定的，当核发生形变时，,vsympB BB都会不变，只有都会不变，只有,scB B发生变化。发生变化。elspscscelspUUBBBB在核发生形变时，在核发生形变时，,scBB，经计算知，经计算知elspUU可见重核是稳定的，不会自发裂变，只有在某种激发下才会发生可见重核是稳定
25、的，不会自发裂变，只有在某种激发下才会发生裂变裂变 的大小关系。的大小关系。第九节第九节:原子能的利用原子能的利用可见，某一状态下可见，某一状态下第七十四页，讲稿共七十八页哦 由由 知，外界提供的能量，至少要使原知，外界提供的能量，至少要使原子核的势子核的势能从能从elspUUspU增加到增加到elU；定义激活能为；定义激活能为felspWUU则发生裂变的条件是：则发生裂变的条件是：235U的激活能很好，热中子就的激活能很好，热中子就235U裂变，而裂变，而238U的激活能比较大，中的激活能比较大，中子的子的 我们知道裂变不能自发发生，那么外界必须提供多大我们知道裂变不能自发发生，那么外界必须
26、提供多大的能量才能发生裂变呢？的能量才能发生裂变呢？激发能大于激活能。激发能大于激活能。理论和实验都表明，理论和实验都表明，足以使足以使能量到少大于能量到少大于1MeV，裂变才有可能发生，裂变才有可能发生。第九节第九节:原子能的利用原子能的利用2激活能激活能第七十五页，讲稿共七十八页哦 一个中子引发一个中子引发235U发生裂变时，可放出发生裂变时，可放出2-3个中子，这些个中子，这些中子再产生下一代中子中子再产生下一代中子.以此类推，使反应逐渐增强成为爆以此类推，使反应逐渐增强成为爆炸性的，此称链式反应。炸性的，此称链式反应。为了使链式反应得以维持，我们要求，每次裂变至少提供为了使链式反应得以
27、维持，我们要求，每次裂变至少提供一个以上的中子。一个以上的中子。但是反应产但是反应产生的电子能量较大；再次诱发裂变的几率不大，需要经生的电子能量较大；再次诱发裂变的几率不大，需要经过多次碰撞、减速，变成热中子，过多次碰撞、减速，变成热中子，才能才能诱发裂变。因此，如果反应物体积较小，诱发裂变。因此，如果反应物体积较小，中子中子就有可能泄露。就有可能泄露。第九节第九节:原子能的利用原子能的利用3链式反应链式反应第七十六页，讲稿共七十八页哦 能使连链式反应得以自持的体积为中肯体积，相应能使连链式反应得以自持的体积为中肯体积，相应的质量称中肯质量的质量称中肯质量-统称中肯大小。中肯大小的计算，需要统
28、称中肯大小。中肯大小的计算，需要考虑中子的平均自由程，速度等因素。考虑中子的平均自由程，速度等因素。，例如例如235U裸球的中肯大小裸球的中肯大小r rc c=6.7cm,m=6.7cm,mc c=22.7kg.=22.7kg.加中子反射层加中子反射层后后235U的中肯大小可减的中肯大小可减r rc c=4.8cm,mc=1kg,=4.8cm,mc=1kg,达到中肯大小后，达到中肯大小后，宇宙射线中的中子宇宙射线中的中子就可诱发裂变，爆炸可在就可诱发裂变，爆炸可在1/1000000秒秒内发生。内发生。通常定义：通常定义：第九节第九节:原子能的利用原子能的利用第七十七页，讲稿共七十八页哦第七十八页，讲稿共七十八页哦