原子物理第七章 原子核物理概論

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1、第七章第七章原子核物理概論原子核物理概論 核外電子核外電子- -原子物理學(xué)原子物理學(xué)原子核原子核- -原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 7.1 7.1 原子核物理的研究對象原子核物理的研究對象 7.2 7.2 原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能7.3 7.3 核力核力 7.4 7.4 核矩核矩7.5 7.5 核結(jié)構(gòu)模型核結(jié)構(gòu)模型 7.6 7.6 放射性衰變規(guī)律放射性衰變規(guī)律 7.7 7.7 衰變衰變 7.8 7.8 衰變衰變 7.9 7.9 衰變衰變 7.10 7.10 核反應(yīng)核反應(yīng) 7.11 7.11 核裂變核裂變 核聚變核聚變 7.1 7.1 原子核物理的研究對象原子核物理的研究對象 一、原子核的質(zhì)量和

2、大小一、原子核的質(zhì)量和大小 二、歷史的回顧二、歷史的回顧三、原子核的組成三、原子核的組成四、核素和核素圖四、核素和核素圖一、原子核的質(zhì)量和大小一、原子核的質(zhì)量和大小 1.1.原子核的質(zhì)量與電荷原子核的質(zhì)量與電荷 原子質(zhì)量原子質(zhì)量 = =原子核質(zhì)量原子核質(zhì)量 + +核外電子的質(zhì)量核外電子的質(zhì)量 - -電子的結(jié)合能電子的結(jié)合能( (可以忽略可以忽略) )eAAZmmM(1)(1)原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位21931.5016ucMeV(2)(2)原子核的質(zhì)量數(shù)原子核的質(zhì)量數(shù)A A12270112111.66055 101212uCKgN原子質(zhì)量核素 質(zhì)量數(shù) 核素質(zhì)量 1H 1 1.0078252 2

3、H 2 2.0141022 3H 3 3.0160497 12C 12 12.000000 13C 13 13.003354 14N 14 14.0030744 15N 15 15.000108 (3). (3). 原子核的電荷原子核的電荷e=1.6021773310-19Cq=ZeZ Z是核外電子數(shù)，即原子序數(shù)，也稱核電荷數(shù)。是核外電子數(shù)，即原子序數(shù)，也稱核電荷數(shù)。2.2.原子核的大小原子核的大小3/10ArR mr150102 . 1原子核大小原子核大小數(shù)量級： fmm101101014153.3.原子核的密度原子核的密度AArRV30334343173030/103 . 24334mkg

4、ruArAuVmA原子核的密度非常大原子核的密度非常大, ,且密度為一常數(shù)且密度為一常數(shù) . .實驗定律實驗定律二、歷史回顧1. 1896年年,貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性(與與X射線有關(guān)射線有關(guān))2. 1897年年,居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳3. 1899年年,射線被發(fā)現(xiàn)射線被發(fā)現(xiàn),1900年年射線被發(fā)現(xiàn)射線被發(fā)現(xiàn)4. 1903年年,盧瑟福證實了盧瑟福證實了射線是氦核射線是氦核,射線是電子射線是電子 5. 1911年年, ,盧瑟福提出原子核式模型盧瑟福提出原子核式模型6. 1919年年,盧瑟福實現(xiàn)第一個人工核反應(yīng)盧瑟福實現(xiàn)第一個人工核反應(yīng)7. 1932年年,查德

5、威克發(fā)現(xiàn)中子查德威克發(fā)現(xiàn)中子,海森堡提出核的組成海森堡提出核的組成8. 1934年年,約里奧居里實現(xiàn)人工制備放射性核素約里奧居里實現(xiàn)人工制備放射性核素9. 1939年年,哈恩和史特拉斯曼的實驗哈恩和史特拉斯曼的實驗;梅特納和弗里什的理論梅特納和弗里什的理論,導(dǎo)致裂變的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致裂變的發(fā)現(xiàn)10. 1939年年,玻爾和惠勒提出了重核裂變的液滴模型玻爾和惠勒提出了重核裂變的液滴模型11. 1942年年,費米領(lǐng)導(dǎo)發(fā)明了熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆費米領(lǐng)導(dǎo)發(fā)明了熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆12. 1945年年,奧本海默領(lǐng)導(dǎo)制成快中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)爆炸裝置奧本海默領(lǐng)導(dǎo)制成快中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)爆炸裝置13. 1952年年, 泰勒領(lǐng)導(dǎo)下泰勒領(lǐng)導(dǎo)下

6、,實現(xiàn)了輕元素?zé)岷吮▽崿F(xiàn)了輕元素?zé)岷吮?氫彈氫彈 14. 1954年年,蘇聯(lián)建成第一個原子能發(fā)電站蘇聯(lián)建成第一個原子能發(fā)電站15. 1958年年,我國建成重水型原子反應(yīng)堆我國建成重水型原子反應(yīng)堆16. 1964年年,我國試爆原子彈我國試爆原子彈17. 1967年年,我國試爆氫彈我國試爆氫彈三、原子核的組成三、原子核的組成19191919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子PONHe1117814742氫核氫核-質(zhì)子：帶一個單位正電荷質(zhì)子：帶一個單位正電荷ump007276470. 119321932年，查德威克發(fā)現(xiàn)年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子中子 nCBeHe101269442umn0086649

7、04. 1核子核子-中子和質(zhì)子中子和質(zhì)子 ZNA原子核由質(zhì)子和中子組成原子核由質(zhì)子和中子組成. .四、核素和核素圖四、核素和核素圖核素核素：具有相同原子序數(shù)：具有相同原子序數(shù)Z Z、中子數(shù)、中子數(shù)N N 及能量狀態(tài)的原子核及能量狀態(tài)的原子核 元素元素：Z Z一定的原子一定的原子同位素：同位素：Z Z相同、相同、N N不同的核素不同的核素H11H21H31 同中子素同中子素：N N相同、相同、Z Z不同的核素不同的核素， 、 。H21He32同質(zhì)異能素：同質(zhì)異能素：N N、Z Z相同、而能量狀態(tài)不同的核素，如相同、而能量狀態(tài)不同的核素，如 、*6027CoCo6027同量異位素同量異位素：A A

8、相同、相同、Z Z不同的核，如不同的核，如Ar4018K4019Ca4020NAZX核素符號核素符號核素圖核素圖穩(wěn)定核素穩(wěn)定核素 已發(fā)現(xiàn)核素已發(fā)現(xiàn)核素 理論預(yù)言的核素理論預(yù)言的核素原子核的質(zhì)量總是小于組成它的自由核子的質(zhì)量和，兩者原子核的質(zhì)量總是小于組成它的自由核子的質(zhì)量和，兩者質(zhì)量之差稱為質(zhì)量虧損。質(zhì)量之差稱為質(zhì)量虧損。 m=Zmm=ZmH H+ +（A-ZA-Z）m mn n - M - M 氘核氘核 H21自由質(zhì)子質(zhì)量 1.007277u +自由自由中子質(zhì)量 1. 008665u 2. 015942u-氘核質(zhì)量 2. 013552u0. 002390um mH H是氫原子的質(zhì)量是氫原子的

9、質(zhì)量, M , M 是元素原子的質(zhì)量。是元素原子的質(zhì)量。7.2 7.2 原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能NAZX 為什么質(zhì)子和中子結(jié)合有質(zhì)量虧損呢為什么質(zhì)子和中子結(jié)合有質(zhì)量虧損呢? ?從從愛因斯坦愛因斯坦的相對論的質(zhì)能關(guān)系可以找到答案。自由質(zhì)子和中子的相對論的質(zhì)能關(guān)系可以找到答案。自由質(zhì)子和中子結(jié)合形成氘，必然要放出一部分能量氘的結(jié)合能。結(jié)合形成氘，必然要放出一部分能量氘的結(jié)合能。這個能量就來源于質(zhì)量虧損這個能量就來源于質(zhì)量虧損mcmc2 2。實驗也證實這個結(jié)。實驗也證實這個結(jié)論。若用論。若用2.225MeV2.225MeV光子照射氘核，它將一分為自由質(zhì)光子照射氘核，它將一分為自由質(zhì)子和中子。子和

10、中子。 任何兩粒子的結(jié)合都要釋放能量，都會伴隨有任何兩粒子的結(jié)合都要釋放能量，都會伴隨有質(zhì)量虧損，只是大小不同而已，例如一個電子和一質(zhì)量虧損，只是大小不同而已，例如一個電子和一個質(zhì)子結(jié)合成氫，其質(zhì)量虧損很小，僅為個質(zhì)子結(jié)合成氫，其質(zhì)量虧損很小，僅為13.6eV/c13.6eV/c2 2，常被忽略。常被忽略。 1 1原子核的質(zhì)量虧損原子核的質(zhì)量虧損AnHMNmZMm2 2原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能自由核子結(jié)合成原子核時，釋放出的能量自由核子結(jié)合成原子核時，釋放出的能量22)(cMNmZMmcEAnHB3 3平均結(jié)合能平均結(jié)合能AEB/ 平均結(jié)合能表示將一個核子放到原子核中平均釋平均結(jié)合能表示將

11、一個核子放到原子核中平均釋放的能量，或把一個核子從原子核中所需的能量。放的能量，或把一個核子從原子核中所需的能量。 平均結(jié)合能平均結(jié)合能的大小表示核子之間結(jié)合的緊密程的大小表示核子之間結(jié)合的緊密程度。平均結(jié)合能大，表示核子結(jié)合的緊密。度。平均結(jié)合能大，表示核子結(jié)合的緊密。 NAZX核素核素 核核 素素 結(jié)合能結(jié)合能B B（MeVMeV） 比結(jié)合能比結(jié)合能 （MeVMeVNuNu-1-1) ) 2.224 1.1122.224 1.112 8.481 2.827 8.481 2.827 28.30 7.07 28.30 7.07 31.99 5.33 31.99 5.33 39.24 5.61

12、39.24 5.61 92.1 7.68 92.1 7.68 104.66 7.48 104.66 7.48 115.49 7.70 115.49 7.70 111.95 7.46 111.95 7.46 127.61 7.98 127.61 7.98 131.76 7.75 131.76 7.75 OOONNCLiLiHeHeH17161515141276432一些核素的結(jié)合能和比結(jié)合能一些核素的結(jié)合能和比結(jié)合能 核核 素素 結(jié)合能結(jié)合能B B（MeVMeV） 比結(jié)合能比結(jié)合能 （MeVMeVNuNu-1-1) ) 128.22 7.54 147.80 7.78 342.05 8.55 49

13、2.3 8.79 915.2 8.55 1087.6 8.43 1103.5 8.42 1112.4 8.43 1636.4 7.87 1783.8 7.59 1801.6 7.57UUPbXeXeXeAgFeCaFF23823520813213112910756401917sm（1 1）中等核）中等核(A=40120)(A=40120)的平的平均結(jié)合能較大（均結(jié)合能較大（8.6MeV8.6MeV） ，輕，輕核和重核的平均較小。核和重核的平均較小。獲得核能的途徑：重核裂變和獲得核能的途徑：重核裂變和輕核聚變。輕核聚變。4 4平均結(jié)合能曲線平均結(jié)合能曲線核子的平均結(jié)合能曲線核子的平均結(jié)合能曲線(

14、2)(2)質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A30A30的中等原子核，的中等原子核，平均結(jié)合能的變化不大，顯示了核平均結(jié)合能的變化不大，顯示了核力的飽和性。力的飽和性。(3) A30(3) A30的輕核，平均結(jié)合能的輕核，平均結(jié)合能表現(xiàn)出周期性的變化，凡表現(xiàn)出周期性的變化，凡A A等于等于4 4的的倍數(shù)的核，平均結(jié)合能有極大值。倍數(shù)的核，平均結(jié)合能有極大值。原子核平均結(jié)合能曲線原子核平均結(jié)合能曲線5. 核結(jié)合能的經(jīng)驗公式核結(jié)合能的經(jīng)驗公式將核視為荷電液滴將核視為荷電液滴，Weizsacker指出，其結(jié)合能應(yīng)該由五指出，其結(jié)合能應(yīng)該由五部分構(gòu)成即部分構(gòu)成即:vscsymBBBBBBvB3 vB v r，而核的大小，而

15、核的大小3rr 故故vBA，引入比例常數(shù)，引入比例常數(shù)v，則，則vvBA第二項第二項: :表面能表面能sB-對表面核子的體積能給出修正對表面核子的體積能給出修正。第一項第一項:體積能體積能sB將與核的表面積成正比將與核的表面積成正比22/34sBrA引入比例常數(shù)引入比例常數(shù)s，故，故2/3ssBA體積能是核力引起的，而核力是短程力，只與周圍幾個粒子有體積能是核力引起的，而核力是短程力，只與周圍幾個粒子有作用，因此表面核子受到的核力作用強度將小于內(nèi)部粒子，由作用，因此表面核子受到的核力作用強度將小于內(nèi)部粒子，由此引起的對體積能的修正此引起的對體積能的修正,第三項第三項: :庫侖能庫侖能cB 我們

16、知道，核中我們知道，核中Z Z個質(zhì)子中的每一個都與其個質(zhì)子中的每一個都與其余（余（Z-1Z-1）個有相互作用，因此庫侖能）個有相互作用，因此庫侖能cB將正比于核內(nèi)的相互作用對數(shù)將正比于核內(nèi)的相互作用對數(shù)2 (1)cBZ ZZ另一方面，每個質(zhì)子間的相互作用能為另一方面，每個質(zhì)子間的相互作用能為221/3eeRA故故22221/3ce ZZZBRRA，引入比例常數(shù)引入比例常數(shù)cB則則21/3ccBZ A質(zhì)子間庫侖斥力使結(jié)合能減小質(zhì)子間庫侖斥力使結(jié)合能減小，對于對于cB 曾謹(jǐn)言先生曾謹(jǐn)言先生19751975年在年在物理學(xué)報物理學(xué)報上上發(fā)表論文（發(fā)表論文（Vol:24,151Vol:24,151）,

17、,給出一個修正表達(dá)式，給出一個修正表達(dá)式，其推導(dǎo)如下：其推導(dǎo)如下：20315 4eR 可以設(shè)想，核電荷可以設(shè)想，核電荷(Ze)(Ze)是從無限遠(yuǎn)處移來，是從無限遠(yuǎn)處移來，從核心開始逐層積聚起來的。取從核心開始逐層積聚起來的。取rrdr 這一層考察。這一層的電量這一層考察。這一層的電量24dqr dr此時，內(nèi)層電荷球還有電荷此時，內(nèi)層電荷球還有電荷343Qr將將dq移過來，外力做的功為移過來，外力做的功為3200144434Qrr drdWdqr 注意到注意到34/3ZeR則構(gòu)成半徑為則構(gòu)成半徑為R R的電荷球外力功的電荷球外力功20031()54RZ eWd WR 為為而每個質(zhì)子形成時的外力功

18、為而每個質(zhì)子形成時的外力功為2220031()3(1)5 454cZeeZ ZeBZRRR 而質(zhì)子是而質(zhì)子是早已經(jīng)存在的基本單元，這部分功應(yīng)從早已經(jīng)存在的基本單元，這部分功應(yīng)從W W中扣除。中扣除。故故第四項第四項: :非對稱能非對稱能 , ,symBZN時，使得結(jié)合能減小時，使得結(jié)合能減小NZ 2()symZNBA。引入比例系數(shù)。引入比例系數(shù)sym，則，則2()symsymZNBA實驗表明，實驗表明，即質(zhì)子和中子相等的核最，即質(zhì)子和中子相等的核最穩(wěn)定，亦即放出的結(jié)合能最大，穩(wěn)定，亦即放出的結(jié)合能最大，ZNZNZN時，核時，核相對地不穩(wěn)定，使得核放出的結(jié)合能減小，并且相對地不穩(wěn)定，使得核放出的

19、結(jié)合能減小，并且這一項在這一項在(Z-N)(Z-N)一定時與一定時與A A成反比，亦即成反比，亦即第五項第五項: :奇偶能奇偶能Z Z，N N取奇，偶數(shù)進(jìn)行不同搭配時，取奇，偶數(shù)進(jìn)行不同搭配時，結(jié)合能各不相同結(jié)合能各不相同研究表明，對于不同的核，研究表明，對于不同的核，Z Z，N N的搭配可以分為的搭配可以分為偶偶- -偶核、奇偶核、奇A A核（包括奇核（包括奇- -偶和偶偶和偶- -奇兩種）、奇奇奇兩種）、奇奇B核共三種情況，前者最穩(wěn)定，相應(yīng)的結(jié)合能較大；奇核共三種情況，前者最穩(wěn)定，相應(yīng)的結(jié)合能較大；奇- -奇核最不穩(wěn)定，相應(yīng)的結(jié)合能較小。奇核最不穩(wěn)定，相應(yīng)的結(jié)合能較小。綜合以上考慮，綜合以

20、上考慮，Weizsacker Weizsacker 公式可以表示為公式可以表示為WeizsackerWeizsacker公式的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合的和好。公式的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合的和好。引入比例系數(shù)引入比例系數(shù)p則則可以表示為可以表示為偶偶核偶偶核奇奇A A核核奇奇核奇奇核2/1ApBB=02/1Ap殼BPPsymCSVBEAAANZAZAAE2/12/1123/123/20)(MevMevMevMevMevPsymCSV2 .112 .2372. 03 .188 .15各參數(shù)如下：各參數(shù)如下：結(jié)合能最后一項是殼結(jié)合能最后一項是殼層結(jié)構(gòu)帶來的結(jié)合能層結(jié)構(gòu)帶來的結(jié)合能修正。結(jié)合能各部分修正

21、。結(jié)合能各部分貢獻(xiàn)如右圖：貢獻(xiàn)如右圖：7.3 7.3 核力核力核力：核子之間的相互作用力核力：核子之間的相互作用力 一、核力的基本性質(zhì)一、核力的基本性質(zhì)二、核力的介子理論二、核力的介子理論核力：核子之間的相互作用力。核力：核子之間的相互作用力。 一、核力的基本性質(zhì)一、核力的基本性質(zhì)1 1核力是核力是短程力短程力 只在只在 fm fm 數(shù)量級的范圍內(nèi)發(fā)生作用數(shù)量級的范圍內(nèi)發(fā)生作用 r：0.8-2fm 引力引力r：2fm 消失消失2 2核力是一種核力是一種強相互作用強相互作用核力的強度比庫侖力大一百倍核力的強度比庫侖力大一百倍3 3核力近似地與電荷無關(guān)核力近似地與電荷無關(guān)pnnnppFFF4 4核

22、力具有核力具有飽和性飽和性核子只與它最靠近的幾個核子有相互作用核子只與它最靠近的幾個核子有相互作用 核的密度近似地為一常數(shù)核的密度近似地為一常數(shù)核的結(jié)合能近似地與核子數(shù)成正比核的結(jié)合能近似地與核子數(shù)成正比AEB3173030/103 . 24334mkgruArAuVmA5 5斥力心的存在斥力心的存在010rfm 在這個區(qū)間內(nèi)，核力的性質(zhì)有引力和斥力之分，在這個區(qū)間內(nèi)，核力的性質(zhì)有引力和斥力之分，0.8r 時為強的斥力；時為強的斥力；0.82fmrfm時為引力；時為引力；2rfm0,0ppnpnnFFF研究表明，核力的作用范圍是研究表明，核力的作用范圍是 研究表明，核力的大小與兩粒子自旋的相研

23、究表明，核力的大小與兩粒子自旋的相對取向有關(guān)，自旋平行時，核力較強，反之核對取向有關(guān)，自旋平行時，核力較強，反之核6 6自旋相關(guān)性自旋相關(guān)性力較弱。力較弱。二、核力的介子理論二、核力的介子理論2. 2. 核力的介子理論核力的介子理論1.1.電磁力與光子傳遞電磁力與光子傳遞 從經(jīng)典電磁觀點看，帶電粒子間的相互作用是通過從經(jīng)典電磁觀點看，帶電粒子間的相互作用是通過電磁電磁場場傳遞的，電磁場滿足麥克斯偉方程傳遞的，電磁場滿足麥克斯偉方程jcAtc4)1(2222從量子場觀點看，帶電粒子間的相互作用是從量子場觀點看，帶電粒子間的相互作用是通過通過交換光子交換光子而產(chǎn)生的，光子是電磁場中的而產(chǎn)生的，光子

24、是電磁場中的量子量子22221()4ct 1.1.電磁力與光子傳遞電磁力與光子傳遞帶電粒子間的相互作用是通過帶電粒子間的相互作用是通過交換虛光子交換虛光子而產(chǎn)生的而產(chǎn)生的按虛光按虛光子交換圖象估算兩個電子間的庫侖力子交換圖象估算兩個電子間的庫侖力r1 t=0 2r1 t=r/c 2P= /cP= -pP= /cP=F= P/ tE t對于虛光子 r=ct=c / E =c/兩電子間斥力電子發(fā)射或吸收虛光子的幾率=電磁相互作用耦合常數(shù)ce2交換一個虛光子所需的時間是 ，電子間因交換虛光子而產(chǎn)生的斥力為222Pc eeFtcrcrcrt 這就是庫侖定律 19351935年，湯川秀樹年，湯川秀樹提出

25、了核力的介子理論：提出了核力的介子理論：核力是一種核力是一種交換力交換力，核，核子之間通過交換某種媒子之間通過交換某種媒介粒子而發(fā)生相互作用介粒子而發(fā)生相互作用。2.2.核力的介子理論核力的介子理論 估計這種媒介粒子估計這種媒介粒子的質(zhì)量約為電子靜止質(zhì)的質(zhì)量約為電子靜止質(zhì)量的量的200200倍，介于質(zhì)子倍，介于質(zhì)子和電子之間，稱為和電子之間，稱為介子介子。 1935年湯川秀樹仿照光子的傳遞電磁力的觀點，提出核力是由介子傳遞的，考慮到核力是短程力，作用范圍在10-15m 左右，湯川估算出介子的靜止質(zhì)量約為電子質(zhì)量的200倍左右。由測不準(zhǔn)關(guān)系式 第一個核子發(fā)出介子，以接近光速的速度在核子間穿行，經(jīng)

26、過 到達(dá)第二個核子處，設(shè)介子質(zhì)量為m 則不守恒的能量值為 ，則htEcRt 2mcE )(2cRmc19471947年，在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了三種年，在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了三種介子，質(zhì)量分別為介子，質(zhì)量分別為emmm7 .273emm264019371937年，發(fā)現(xiàn)了年，發(fā)現(xiàn)了介子，質(zhì)量為介子，質(zhì)量為emm207發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)介子不參與核子間的強相互作用介子不參與核子間的強相互作用發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)介子參與核子間的強相互作用介子參與核子間的強相互作用np0 pppn0 nn 不同核子的相互作用通過發(fā)射或吸收不同核子的相互作用通過發(fā)射或吸收 介子而介子而產(chǎn)生，相當(dāng)于兩核子之間的位置發(fā)生交換，核力為交換力。產(chǎn)生，相當(dāng)于兩

27、核子之間的位置發(fā)生交換，核力為交換力。 核力的介子場論是解決核力機制的一個方向，它核力的介子場論是解決核力機制的一個方向，它在很多實驗里已得到檢驗，取得了很大的成功，特別在很多實驗里已得到檢驗，取得了很大的成功，特別是對核力在是對核力在長程長程處（處（1 1- -2fm2fm）的行為能給予較好的解釋）的行為能給予較好的解釋和說明，但對和說明，但對短程短程處的行為，特別是對于處的行為，特別是對于0.5fm0.5fm以內(nèi)產(chǎn)以內(nèi)產(chǎn)生的強排斥芯無法解釋和說明。生的強排斥芯無法解釋和說明。 粒子物理的發(fā)展，揭示了核子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即粒子物理的發(fā)展，揭示了核子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即核子是由更深層次的粒子，稱為層子（

28、或夸克）所核子是由更深層次的粒子，稱為層子（或夸克）所組成。這就啟發(fā)人們對核力機制作了新的設(shè)想；核組成。這就啟發(fā)人們對核力機制作了新的設(shè)想；核子之間的強相互作用并不是最基本的相互作用，而子之間的強相互作用并不是最基本的相互作用，而是組成核子的夸克之間的強相互作用在核子作用范是組成核子的夸克之間的強相互作用在核子作用范圍的表現(xiàn)。正如分子之間的相互作用并不是基本的，圍的表現(xiàn)。正如分子之間的相互作用并不是基本的，而是組成分子的原子間的電磁相互作用在分子作用而是組成分子的原子間的電磁相互作用在分子作用范圍的表現(xiàn)一樣。范圍的表現(xiàn)一樣。 簡言之，簡言之，核力來源于組成核子的夸克之間的作核力來源于組成核子的

29、夸克之間的作用力用力。目前，遵循這種觀點，人們進(jìn)行了從夸克力。目前，遵循這種觀點，人們進(jìn)行了從夸克力計算核力的一種嘗試，并取得了一定的進(jìn)展。計算核力的一種嘗試，并取得了一定的進(jìn)展。核力機制研究的新方向核力機制研究的新方向一、原子核的自旋一、原子核的自旋7.4 7.4 核矩核矩-原子核基態(tài)特性之二二、原子核的磁矩二、原子核的磁矩三、原子核的電四極矩三、原子核的電四極矩一、原子核的自旋一、原子核的自旋1.1.原子核的自旋原子核的自旋 所有核子的自旋角動量和軌道角動量的矢量和所有核子的自旋角動量和軌道角動量的矢量和. . ) 1( IILI核自旋量子數(shù)I(1)(1)A A為奇數(shù)的核為奇數(shù)的核( (奇

30、奇A A核核) )，I I為半整數(shù)為半整數(shù)(2)(2)Z Z、N N都為偶數(shù)的核都為偶數(shù)的核( (偶偶- -偶核偶核) )， I I為整數(shù)為整數(shù) Z Z、N N都為奇數(shù)的核都為奇數(shù)的核( (奇奇- -奇核奇核) )，I I為整數(shù)為整數(shù)(3)A(3)A為奇數(shù)的原子核是費米子，為奇數(shù)的原子核是費米子，遵從費米遵從費米- -狄拉克統(tǒng)計。狄拉克統(tǒng)計。 A A為偶數(shù)的原子核是玻色子，為偶數(shù)的原子核是玻色子，遵從玻色遵從玻色- -愛因斯坦統(tǒng)計。愛因斯坦統(tǒng)計。 n 1/2 -1.91280 1H 1/2 +2.79255 2H 1 +0.857348 4He 0 0 6Li 1 +0.82189 7Li 3

31、/2 +3.25586 9Be 3/2 -1.1774 原子核原子核 I I I I（核磁子）（核磁子） 14N 1 +0.40365 15N 1/2 - 0.28299 20Ne 0 0 23Na 3/2 +2.21711 39K 3/2 +0.309 40K 4 -1.291 41K 3/2 +0.215原子核原子核 I I I（核磁子）（核磁子） 原子核的角動量（核自旋）可以從原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，或從分子光譜測得。例如，當(dāng)用分辨本領(lǐng)更高的光譜儀觀察鈉的光譜時，會發(fā)現(xiàn)鈉主線系第一條譜線D雙線的D1線 （ ）由相距為0.023埃的兩條線組成,D2線 由相距為0.021埃的兩條線組成.這是原

32、子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。A93.58951)96.5889(2A3P3/23P1/2F2=I+1/2FI=I-1/23P3S5893A D5896A D15890A D23P3/23P1/23S1/2 (a) (b) (c)原子光譜的原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)超精細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超精細(xì)結(jié)構(gòu)的原因是因為原子核有角動量產(chǎn)生超精細(xì)結(jié)構(gòu)的原因是因為原子核有角動量( (核自旋核自旋) )。2.2.原子核角動量在空間某一選定方向的投影原子核角動量在空間某一選定方向的投影 IIzML 核自旋磁量子數(shù)IIIMI1,個值。 12 I二、原子核的磁矩二、原子核的磁矩1.1.電子的磁矩電子的磁矩BeejjgmejjgJmeg) 1

33、(2) 1(21510788. 52TeVmeeB2.2.原子核的磁矩原子核的磁矩NIpIIpIIIIgmeIIgLmeg) 1(2) 1(21837/1005. 52227BpNmAme核磁子核磁子BohrBohr磁子磁子質(zhì)子（核子）磁矩質(zhì)子（核子）磁矩核磁子遠(yuǎn)小于玻爾磁子，原子核的磁矩比電子的磁核磁子遠(yuǎn)小于玻爾磁子，原子核的磁矩比電子的磁矩小得多。矩小得多。核磁矩在外場方向的取向也是量子化的，核磁矩在外場方向的取向也是量子化的，它在外場方向的投影它在外場方向的投影 NIIIzpIIzMgLmeg2IIIMI1,在外場方向的最大值為：在外場方向的最大值為：NIMIg測量原子核磁矩的重要方法之

34、一是測量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振核磁共振。3. 3. 原子核磁矩的測量原子核磁矩的測量INgB n 1/2 -1.91280 1H 1/2 +2.79255 2H 1 +0.857348 4He 0 0 6Li 1 +0.82189 7Li 3/2 +3.25586 9Be 3/2 -1.1774 原子核原子核 I I（核磁子）（核磁子） 14N 1 +0.40365 15N 1/2 - 0.28299 20Ne 0 0 23Na 3/2 +2.21711 39K 3/2 +0.309 40K 4 -1.291 41K 3/2 +0.215原子核原子核 I I（核磁子）（核磁子） （

35、1 1）質(zhì)子質(zhì)子的磁矩不是一個核磁子；的磁矩不是一個核磁子；中子中子雖然不帶電，雖然不帶電，但也有磁矩。表明，它們不是點粒子，肯定是有內(nèi)部結(jié)但也有磁矩。表明，它們不是點粒子，肯定是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子。構(gòu)的粒子。（2 2）氘核氘核是由一個質(zhì)子和一個中子組成的。質(zhì)子和中是由一個質(zhì)子和一個中子組成的。質(zhì)子和中子磁矩值之和雖然非常接近于氘核的磁矩值，但并不完子磁矩值之和雖然非常接近于氘核的磁矩值，但并不完全相等，而是多出全相等，而是多出0.02220.0222個核磁子。其它原子核的磁矩個核磁子。其它原子核的磁矩也是如此，都不等于組成它的所有核子的磁矩之和。這也是如此，都不等于組成它的所有核子的磁矩之和。

36、這一事實說明了核內(nèi)各核子間存在著復(fù)雜的相互作用。一事實說明了核內(nèi)各核子間存在著復(fù)雜的相互作用。（3 3）要正確計算原子核的磁矩數(shù)值，必須考慮核內(nèi)）要正確計算原子核的磁矩數(shù)值，必須考慮核內(nèi)核子的運動狀態(tài)。核的磁矩除了核子的運動狀態(tài)。核的磁矩除了自旋磁矩自旋磁矩外外, ,還要考還要考慮慮軌道磁矩軌道磁矩。核磁矩可用核磁共振等方法測定。核磁矩可用核磁共振等方法測定。4. 4. 討論討論三、原子核的電四極矩三、原子核的電四極矩原子核有形狀嗎？原子核有形狀嗎？原子核的橢球形狀原子核的橢球形狀22304(3)pppQZre )(5222acZQ1.1.原子核的電偶極矩原子核的電偶極矩 D= D= e e

37、r rp p0 02.2.電四極矩電四極矩3.3.橢球形核橢球形核 Q Q是核偏離球形的量度是核偏離球形的量度原子核的形狀和電四極矩的關(guān)系原子核的形狀和電四極矩的關(guān)系 原子核原子核 Q(10Q(10-28-28)m)m2 2 0 0 0 0 +.000273 +.000273 +0.02 +0.02 +0.02 +0.02 -0.005 -0.005 -0.0789 -0.0789 +1.14 +1.14 -0.30 -0.30 +5.90 +5.90LuSbInClONLiHHn17571121511134935171781477321117.5 7.5 核模型核模型二、費米氣體模型二、費米

38、氣體模型四、集體模型四、集體模型三、殼層模型三、殼層模型一、液滴模型一、液滴模型一、一、 液滴模型液滴模型 1 . 1 . 提出液滴模型的依據(jù)提出液滴模型的依據(jù)原子核的許多性質(zhì)與由分子組成的液滴相似原子核的許多性質(zhì)與由分子組成的液滴相似: :(1) (1) 大多數(shù)原子核平均結(jié)合能幾乎相同大多數(shù)原子核平均結(jié)合能幾乎相同, ,總結(jié)合能總結(jié)合能E E A A。 說明核子間作用力具有說明核子間作用力具有短程性和飽和性短程性和飽和性；液滴分子間；液滴分子間的作用力也具有短程性和飽和性。的作用力也具有短程性和飽和性。 (2)(2)除輕核外，所有原子核的除輕核外，所有原子核的密度接近于一個常數(shù)密度接近于一個

39、常數(shù)，核的體，核的體積積V V A A。這也和液體的密度是常數(shù)，不隨液滴體積大小。這也和液體的密度是常數(shù)，不隨液滴體積大小而改變是相同的。而改變是相同的。AE11奇奇核奇偶核偶偶核101;2155AE正常數(shù)4)(44;22AZAE正常數(shù)0231533233;eAZE202224;32AE(5)(5)奇偶能奇偶能: :(4)(4)對稱能對稱能: :(3)(3)庫侖能庫侖能: :(2)(2)表面能表面能: :(1)(1)體積能體積能: :外斯塞格由液滴模型出發(fā),得到結(jié)合能半經(jīng)驗公式3. 3. 結(jié)合能半經(jīng)驗公式結(jié)合能半經(jīng)驗公式1為比例常數(shù) 5為正常數(shù) 2 . 2 . 基本思想基本思想原子核是一個密度

40、極大的原子核是一個密度極大的, ,不可壓縮的不可壓縮的“核液滴核液滴” ” , ,其其中每個核子相當(dāng)于液滴中的分子中每個核子相當(dāng)于液滴中的分子, ,由于核內(nèi)質(zhì)子帶正電由于核內(nèi)質(zhì)子帶正電, ,所以又把原子核看作帶電的液滴。所以又把原子核看作帶電的液滴。庫侖能庫侖能BCBSBVBEEEE3132AaAaAaECsVB體積能體積能表面能表面能 總結(jié)合能：式中15 是可調(diào)參數(shù)。212231325)(42321AAZAAEAZA2122313225)(42321)(008665.1007825.1)(AAZAAZAZmZAZmMAZCEnHAA原子總質(zhì)量 取 1=15.75 2 = 17.8 3 =0.

41、711 4=94.78 5=11.2 (Mev)計算結(jié)果: A15時 較為準(zhǔn)確 A0 放能反應(yīng)例1 試計算 反應(yīng)的反應(yīng)能。HedLi46),(uMLi015123. 6uM002603. 4uMd0141022. 2MeVHeHeLiH37.2242426321(2) Q0 吸能反應(yīng)例2 由靜止質(zhì)量計算 的Q值。OpN1714),(MeVHONHe1933. 111178147422Q方程Q= +-yEbEaE動量守恒：ybapppcos2222babaypppppyyyEMp22abbabayEEppppMQ)cos2(2122cos22222222ybbaaybbyaaabMEMEMMEM

42、MEMEEcos2)1 ()1 (ybabayaaybbAEEAAAAEAAE3反應(yīng)閾能反應(yīng)閾能 能使核反應(yīng)得以實現(xiàn)的入射粒子的所必須具有的最小動能，即只有當(dāng) 時反應(yīng)才能發(fā)生。閾EEaQAAAQMMMxxaxxa4核反應(yīng)的類型核反應(yīng)的類型 按入射粒子的類型分：(粒子、質(zhì)子、中子、氘核、光子)引起的核反應(yīng)。 按入射粒子的能量分：低能核反應(yīng)MeVEa100GeVMeVEa1100GeVEa1按靶核質(zhì)量分：輕核(A25)、中等核(25A80)核反應(yīng)。中能核反應(yīng)高能核反應(yīng)。C126BFOC115179168126uCM000000.12)(126uOM994915.15)(168uFM002095.1

43、7)(179uBM009305.11)(115粒子至少具有多大的動能才能使下述核反粒子至少具有多大的動能才能使下述核反應(yīng)能夠否進(jìn)行？應(yīng)能夠否進(jìn)行？ 已知原子的靜止質(zhì)量已知原子的靜止質(zhì)量BnLi10573),(Th23290 若用若用粒子轟擊固定的鋰靶，試求粒子轟擊固定的鋰靶，試求 粒子至少具粒子至少具有多大的動能才能使核反應(yīng)有多大的動能才能使核反應(yīng)發(fā)生；若發(fā)生；若 以以衰變發(fā)生的衰變發(fā)生的 粒子來轟擊，能否引起該核反應(yīng)？粒子來轟擊，能否引起該核反應(yīng)？ uRauThuHeuBuLi031091.228:;038074.232:;002603. 4:;0129385.10:;016005. 7:2

44、2888232904210573un008665. 1:107.11 原子核裂變原子核裂變 核聚變核聚變 原子核裂變是一個重原子核分裂成兩個質(zhì)量相差不遠(yuǎn)的碎塊的現(xiàn)象。 一、裂變過程一、裂變過程nSrXenU1095381395410235922LaBaCsXe13957139561395513954ZyYSr954095399538nKrBanU1089361445610235922A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV一個鈾核： MeVMeVMeVE2106 . 72365 . 81182一克鈾： MeVMeVE2323總1038. 521010022. 62351卡

45、1006. 21061. 81010J相當(dāng)于2.5t煤完全燃燒時放出的能量。 二、裂變機制液滴模型 在裂變前，原子核處于能量最低的基態(tài)，呈球形。核內(nèi)的質(zhì)子、中子在不停地運動。核子之間有核力，質(zhì)子之間有庫侖斥力。 當(dāng)中子轟擊重核時，重核吸收中子形成復(fù)合核，能量增加，核子振蕩加劇，由球形變成橢球形。這時核內(nèi)各核子間距離增加核力減小，而庫侖斥力則使原子核進(jìn)一步增大，形成啞鈴狀。 當(dāng)啞鈴形的兩端之間的庫侖斥力大于中間收縮部分核子間總的核力時，形變不能恢復(fù)，原子核分裂成兩塊，放出中子，同時釋放能量。三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實現(xiàn)核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)條件1.中子產(chǎn)額和慢化減速劑-重水和石墨2.臨界體積倍增系數(shù)：

46、 10NNK方法1是濃縮天然鈾中 的比例。 U23592方法2是加大鈾堆的體積至臨界體積，增加中子數(shù)。四.原子反應(yīng)堆堆芯核燃料、中子減速劑和冷卻劑由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和屏蔽層等達(dá)到超臨界狀態(tài)的方法達(dá)到超臨界狀態(tài)的方法五五.原子彈原子彈臨界體積約1公斤.U2359242 原子核聚變原子核聚變一、核聚變重核 中等質(zhì)量核放出能量變裂輕核 中等質(zhì)量核放出能量變聚1. 幾個輕核聚合成較重核的過程為核聚變(1).聚變能約為裂變能的四倍(2).聚變反應(yīng)的原料是氘.而核裂變的原料是鈾2.怎樣實現(xiàn)核聚變？怎樣實現(xiàn)核聚變？keVRe1444120KkET91032考慮兩個因素：(1) 熱運動的能量是麥克斯

47、韋分布。(2) 隧道效應(yīng)熱核反應(yīng)溫度要求： 981010 勞遜判據(jù)勞遜判據(jù) 任何物質(zhì)在溫度高達(dá)幾百萬度時，原子離解為正離子和電子。當(dāng)溫度升高到上億(108)度時，形成正離子與等量電子同時存在的等離子體。mscmsn/10/1020314kevT10 等離子態(tài)的物質(zhì)是很難被穩(wěn)定地約束起來的，但是為了熱核聚變的反應(yīng)能夠有效地進(jìn)行，對等離子體的密度和被約束的時間有一定的要求。等離子體約束等離子體約束引力約束、慣性約束和磁約束慣性約束聚變材料自身慣性引力約束用引力磁約束二、太陽能的來二、太陽能的來源源太陽中的熱核反應(yīng) 太陽內(nèi)部主要有兩種核反應(yīng)： 1氫鏈反應(yīng)： 2碳?xì)溲h(huán)太陽的核聚變是引力約束三、三、氫彈氫彈 氫彈用氘和氚等輕核聚變反應(yīng) 用原子彈激發(fā)熱核反應(yīng) 氫彈中的聚變反應(yīng)是不可控制 氫彈核聚變是慣性約束四、四、激光核聚變激光核聚變受控核聚變受控核聚變 1.可為人類找到一種取之不盡的清潔能源2.可以研制真正干凈的核武器.3.可以用它代替部分核試驗。