原子物理學(xué) 第七章

《原子物理學(xué) 第七章》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《原子物理學(xué) 第七章（82頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、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)一、原子的中心：一、原子的中心：原子核原子核l 原子核對原子性質(zhì)的主要貢獻(xiàn)是原子核的原子核對原子性質(zhì)的主要貢獻(xiàn)是原子核的質(zhì)量質(zhì)量和和電荷電荷，原，原子核的其他性質(zhì)對原子的影響相當(dāng)微小。子核的其他性質(zhì)對原子的影響相當(dāng)微小。 l 核外電子的行為對原子核的性質(zhì)也幾乎沒有關(guān)系。核外電子的行為對原子核的性質(zhì)也幾乎沒有關(guān)系。 l 除了物質(zhì)的電性以外幾乎不存在哪種性質(zhì)是由原子核和核除了物質(zhì)的電性以外幾乎不存在哪種性質(zhì)是由原子核和核外電子共同提供的。外電子共同提供的。 原子和原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中涇渭分明的兩個層次。原子和原子核是

2、物質(zhì)結(jié)構(gòu)中涇渭分明的兩個層次。元素的物理、化學(xué)性質(zhì)、光譜特性元素的物理、化學(xué)性質(zhì)、光譜特性 核外電子核外電子放射現(xiàn)象放射現(xiàn)象 原子核原子核與原子物理有關(guān)的現(xiàn)象在自然界中相當(dāng)普遍；與原子物理有關(guān)的現(xiàn)象在自然界中相當(dāng)普遍；而與原子核有關(guān)的現(xiàn)象在自然界中相當(dāng)罕見。而與原子核有關(guān)的現(xiàn)象在自然界中相當(dāng)罕見。二、歷史回顧二、歷史回顧 1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性。年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性。 1897年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素釙和鐳。年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素釙和鐳。 1899年，發(fā)現(xiàn)年，發(fā)現(xiàn) 、 射線。射線。 1900年，發(fā)現(xiàn)年，發(fā)現(xiàn) 射線。射線。 1903年，盧瑟福證實(shí)年，盧瑟福證實(shí) 射線是氦核，射線是

3、氦核， 射線是電子。射線是電子。 1911年，提出原子的核式模型。年，提出原子的核式模型。 1919年，實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)。年，實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)。 1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子。年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子。 1934年，約里奧年，約里奧.居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性。居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性。 1939年，發(fā)現(xiàn)鈾原子核裂變。年，發(fā)現(xiàn)鈾原子核裂變。 1942年，發(fā)明熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。年，發(fā)明熱中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 1945年，原子彈。年，原子彈。 1952年，氫彈。年，氫彈。 1954年，蘇聯(lián)第一個原子能發(fā)電站。年，蘇聯(lián)第一個原子能發(fā)電站。 1958年，我國第一座重水型原子反應(yīng)堆。年，我國第一座重水型原子反應(yīng)堆。 1964

4、年，我國第一原子彈試爆成功。年，我國第一原子彈試爆成功。 1967年，我國第一氫彈試爆成功。年，我國第一氫彈試爆成功。三、原子核的組成三、原子核的組成1、原子核的質(zhì)子、原子核的質(zhì)子-電子假說電子假說 盧瑟福提出原子的核型結(jié)構(gòu)模型，揭開了研究原子核的盧瑟福提出原子的核型結(jié)構(gòu)模型，揭開了研究原子核的序幕。原子核帶正電并且其質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的整數(shù)倍這一實(shí)序幕。原子核帶正電并且其質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的整數(shù)倍這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)，使人們確認(rèn)質(zhì)子是原子核的基本成員。驗(yàn)事實(shí)，使人們確認(rèn)質(zhì)子是原子核的基本成員。 但是根據(jù)原子核的質(zhì)量和電量分別去確定原子核所包含但是根據(jù)原子核的質(zhì)量和電量分別去確定原子核所包含的質(zhì)子數(shù)，結(jié)果是不

5、一致的。的質(zhì)子數(shù)，結(jié)果是不一致的。 根據(jù)德布羅意假設(shè)和氦核的大小，可以算得電子的動量為根據(jù)德布羅意假設(shè)和氦核的大小，可以算得電子的動量為 124012410hhcfm MeVMeVpcfm cc則則22240ppcvcmmc 不可能！不可能！ 另外，原子核的質(zhì)子另外，原子核的質(zhì)子-電子假說也無法解釋電子假說也無法解釋核自旋核自旋的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。以氮原子核為例，按照原子核的質(zhì)子事實(shí)。以氮原子核為例，按照原子核的質(zhì)子-電子假說，氮電子假說，氮核中應(yīng)包含核中應(yīng)包含14個質(zhì)子和個質(zhì)子和7個電子，粒子總數(shù)是個電子，粒子總數(shù)是21，因?yàn)橘|(zhì)子，因?yàn)橘|(zhì)子和電子的自旋都是和電子的自旋都是1/2，21個粒子合成

6、的氮核的自旋是個粒子合成的氮核的自旋是21/2，而實(shí)際上氮核的自旋是而實(shí)際上氮核的自旋是1。 1932年查德威克年查德威克(j.chadwick, 1891-1974)發(fā)現(xiàn)中子之發(fā)現(xiàn)中子之后，伊凡寧柯和海森伯立即提出原子核是由后，伊凡寧柯和海森伯立即提出原子核是由質(zhì)子和中子質(zhì)子和中子組成組成的假說。這個假說不僅解決了上述矛盾和困難，而且得到各的假說。這個假說不僅解決了上述矛盾和困難，而且得到各方面實(shí)驗(yàn)的支持。方面實(shí)驗(yàn)的支持。 質(zhì)子常用質(zhì)子常用p表示，它帶有表示，它帶有1個單位的正電荷，質(zhì)量為個單位的正電荷，質(zhì)量為1.007277 u，是電子質(zhì)量的，是電子質(zhì)量的1836.1倍；中子常用倍；中子常

7、用n表示，它表示，它不帶電荷，質(zhì)量為不帶電荷，質(zhì)量為1.008665 u，是電子質(zhì)量的，是電子質(zhì)量的1838.1倍。倍。 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子核子，海森伯認(rèn)為質(zhì)子和中子是核子，海森伯認(rèn)為質(zhì)子和中子是核子的兩個不同狀態(tài)，它們在的兩個不同狀態(tài)，它們在質(zhì)量上的微小差異是由電性質(zhì)的不質(zhì)量上的微小差異是由電性質(zhì)的不同所引起的同所引起的。在原子核內(nèi)，。在原子核內(nèi)，中子中子是組成核的是組成核的穩(wěn)定粒子穩(wěn)定粒子，但在，但在原子核外，中子是不穩(wěn)定的，一個自由中子的壽命是原子核外，中子是不穩(wěn)定的，一個自由中子的壽命是888.6 s，約為約為15 min，最后衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子和一個反中微，最

8、后衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子和一個反中微子，即子，即 enpev 在原子核內(nèi)，中子與質(zhì)子之間也是可以互相轉(zhuǎn)化的，在轉(zhuǎn)在原子核內(nèi)，中子與質(zhì)子之間也是可以互相轉(zhuǎn)化的，在轉(zhuǎn)化過程中還會有其他粒子伴隨產(chǎn)生?；^程中還會有其他粒子伴隨產(chǎn)生。原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù) 原子核的質(zhì)量通常以原子質(zhì)量單位原子核的質(zhì)量通常以原子質(zhì)量單位u為單位量度，為單位量度，u與與kg之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 2711.6605655 10ukg 測量結(jié)果表明，原子核的質(zhì)量都接近整數(shù)，這個整數(shù)測量結(jié)果表明，原子核的質(zhì)量都接近整數(shù)，這個整數(shù)稱為稱為原子核的質(zhì)量數(shù)原子核的質(zhì)量數(shù)，通常用，通常用A表示。原子核的質(zhì)量是

9、由表示。原子核的質(zhì)量是由質(zhì)子和中子共同提供的，由于質(zhì)子和中子的質(zhì)量相近，質(zhì)子和中子共同提供的，由于質(zhì)子和中子的質(zhì)量相近，并且都接近并且都接近1u，所以，所以原子核的質(zhì)量數(shù)就是該原子核所包原子核的質(zhì)量數(shù)就是該原子核所包含的核子總數(shù)含的核子總數(shù)。 原子核帶正電，其電量原子核帶正電，其電量q由它所包含的質(zhì)子數(shù)由它所包含的質(zhì)子數(shù)z決定，即決定，即 qZe式中式中e是電子電量的絕對值。是電子電量的絕對值。Z稱為稱為原子核的電荷數(shù)原子核的電荷數(shù)，也，也就是這種元素的就是這種元素的原子序數(shù)原子序數(shù)。 既然原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核所包含的既然原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核所包含的中子數(shù)中子數(shù)N必

10、定等于總核子數(shù)必定等于總核子數(shù)A與質(zhì)子數(shù)與質(zhì)子數(shù)Z之差，即之差，即 NAZ這樣，任何一個原子核都可以用符號這樣，任何一個原子核都可以用符號 來表示。來表示。 AZNX 例如，硼核中有例如，硼核中有11個核子，其中有個核子，其中有5個質(zhì)子和個質(zhì)子和6個中子，個中子，表示為表示為 ；鈾核中有；鈾核中有238個核子，其中有個核子，其中有92個質(zhì)子和個質(zhì)子和146個個中子，表示為中子，表示為 等等。等等。 1156B23892146U 通常把具有相同質(zhì)子數(shù)通常把具有相同質(zhì)子數(shù)Z和相同中子數(shù)的一類原子，也和相同中子數(shù)的一類原子，也就是具有相同原子序數(shù)就是具有相同原子序數(shù)z和質(zhì)量數(shù)和質(zhì)量數(shù)A的一類原子稱為

11、一種的一類原子稱為一種核核素素，實(shí)際上只要用，實(shí)際上只要用 或或 就足以表示一種特定的核素。就足以表示一種特定的核素。 AZXAX 根據(jù)質(zhì)量數(shù)根據(jù)質(zhì)量數(shù)A、質(zhì)子數(shù)、質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)和中子數(shù)N的不同，可以把核的不同，可以把核素分成以下幾類：素分成以下幾類： (1) 同位素：同位素：是質(zhì)子數(shù)是質(zhì)子數(shù)Z相同而中子數(shù)相同而中子數(shù)N不同的核素，它們不同的核素，它們在周期表上占據(jù)同一個位置。自然界存在的元素往往是由在周期表上占據(jù)同一個位置。自然界存在的元素往往是由幾種同位素所組成，并且各種同位素的含量有一定的比例，幾種同位素所組成，并且各種同位素的含量有一定的比例，這種比例稱為這種比例稱為同位素的豐度同位

12、素的豐度。 例如，自然界存在的氧有三種同位素，即例如，自然界存在的氧有三種同位素，即 ， 161718888,OOO它們的豐度分別為它們的豐度分別為99.759%、0.037%和和0.204%。 再如，自然界存在的鈾也有三種同位素，即再如，自然界存在的鈾也有三種同位素，即 ， 238234235929292,UUU它們的豐度分別為它們的豐度分別為99.274%、0.720%和和0.006%。 (3)同量異位素：同量異位素：是具有相同質(zhì)量數(shù)是具有相同質(zhì)量數(shù)A的核素，如的核素，如 和和 。 4018Ar4019K(4) 同質(zhì)異能素：同質(zhì)異能素：是具有相同質(zhì)子數(shù)是具有相同質(zhì)子數(shù)Z和相同中子數(shù)、但和相

13、同中子數(shù)、但所處能量狀態(tài)不同的核素，一般是指處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)所處能量狀態(tài)不同的核素，一般是指處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)的核素。的核素。(2) 同中子異荷素：同中子異荷素：是具有相同中子數(shù)是具有相同中子數(shù)N、不同質(zhì)子數(shù)、不同質(zhì)子數(shù)Z的核的核素，如素，如 和和 。 1266C1376N四、核素圖四、核素圖核素圖是核科學(xué)與工程發(fā)展的基本核數(shù)據(jù)。核素圖是核科學(xué)與工程發(fā)展的基本核數(shù)據(jù)。 從核素圖上可了解到多種核數(shù)據(jù)，例如：元素的從核素圖上可了解到多種核數(shù)據(jù)，例如：元素的原子原子質(zhì)量與原子序數(shù)質(zhì)量與原子序數(shù)，穩(wěn)定核素的豐度穩(wěn)定核素的豐度、自旋與宇稱自旋與宇稱，放射性放射性核素的衰變模式核素的衰變模式、衰變分支比與半

14、衰期衰變分支比與半衰期、Q值值等。等。 穩(wěn)定線穩(wěn)定線 原子核的放射性是原子原子核的放射性是原子核自發(fā)進(jìn)行的衰變過程的一核自發(fā)進(jìn)行的衰變過程的一種表現(xiàn)，反映了原子核的不種表現(xiàn)，反映了原子核的不穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 從核素圖上可以看到，穩(wěn)定的核素都分布在一個狹長的從核素圖上可以看到，穩(wěn)定的核素都分布在一個狹長的帶狀區(qū)域內(nèi)，通過這個狹長帶狀區(qū)域的中心可以畫一條光滑帶狀區(qū)域內(nèi)，通過這個狹長帶狀區(qū)域的中心可以畫一條光滑的曲線，這條曲線稱為的曲線，這條曲線稱為 穩(wěn)定線穩(wěn)定線。 穩(wěn)定線及其附近的這個狹長的帶狀區(qū)域稱為核素的穩(wěn)定線及其附近的這個狹長的帶狀區(qū)域稱為核素的穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)。 在在 穩(wěn)定線的起始段穩(wěn)定線的起

15、始段(核子數(shù)核子數(shù)AZ的方向。的方向。 穩(wěn)定線上側(cè)的區(qū)域是缺中子的核素區(qū)，這個區(qū)域的核穩(wěn)定線上側(cè)的區(qū)域是缺中子的核素區(qū)，這個區(qū)域的核素具有素具有 放射性放射性(包括電子俘獲包括電子俘獲)或放射質(zhì)子或放射質(zhì)子； 穩(wěn)定線下側(cè)穩(wěn)定線下側(cè)的區(qū)域是豐中子的核素區(qū)，這個區(qū)域的核素具有的區(qū)域是豐中子的核素區(qū)，這個區(qū)域的核素具有 放射性或放射性或放射中子放射中子。這兩個區(qū)域的核素經(jīng)衰變后轉(zhuǎn)變?yōu)楦拷?。這兩個區(qū)域的核素經(jīng)衰變后轉(zhuǎn)變?yōu)楦拷?穩(wěn)定穩(wěn)定線的核素。線的核素。 如果把不穩(wěn)定核素區(qū)比作不穩(wěn)定海洋，那么核素存在的如果把不穩(wěn)定核素區(qū)比作不穩(wěn)定海洋，那么核素存在的區(qū)域就象是個半島，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的區(qū)域就象是個半島

16、，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的2700多種核素就處于這多種核素就處于這個半島上。個半島上。1966年前后理論曾預(yù)言，在遠(yuǎn)離半島的不穩(wěn)定海年前后理論曾預(yù)言，在遠(yuǎn)離半島的不穩(wěn)定海洋中，在洋中，在z 114附近應(yīng)該存在一個超重元素穩(wěn)定島；附近應(yīng)該存在一個超重元素穩(wěn)定島；1974年年前后李政道預(yù)言，在不穩(wěn)定海洋更遙遠(yuǎn)的地方存在一個比島前后李政道預(yù)言，在不穩(wěn)定海洋更遙遠(yuǎn)的地方存在一個比島大得多的大得多的“穩(wěn)定洲穩(wěn)定洲”，那里有成千上萬種穩(wěn)定核素。這些預(yù)，那里有成千上萬種穩(wěn)定核素。這些預(yù)言都有待于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。言都有待于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。 一、一、“1+1=2”原子核的質(zhì)量并不等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和。原子核的質(zhì)量

17、并不等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和。例如：氘核例如：氘核2H中子質(zhì)量：中子質(zhì)量：1.008665nmu質(zhì)子質(zhì)量：質(zhì)子質(zhì)量：1.007277pmu氘核質(zhì)量：氘核質(zhì)量：2.013552dmu則則20.0023902.225/pndmmmuMeV c中子和質(zhì)子組成氘核時，會釋放出一部分能量。中子和質(zhì)子組成氘核時，會釋放出一部分能量。 自由質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核時質(zhì)量的減少值，稱為自由質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核時質(zhì)量的減少值，稱為質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損此過程中，虧損的靜質(zhì)量轉(zhuǎn)換為運(yùn)動質(zhì)量。此過程中，虧損的靜質(zhì)量轉(zhuǎn)換為運(yùn)動質(zhì)量。 Z個質(zhì)子與個質(zhì)子與N個中子組成原子核個中子組成原子核 時，所發(fā)生的質(zhì)時，所發(fā)

18、生的質(zhì)量虧損為量虧損為AZXpnNmZmNmMpnAeZmNmMZmpenAZ mmNmMHnAZMNmM二、結(jié)合能二、結(jié)合能 我們已經(jīng)知道，原子核中的核子是依靠核力的作用緊我們已經(jīng)知道，原子核中的核子是依靠核力的作用緊密地結(jié)合在一起的，顯然，若要把它們分散開來，外界必密地結(jié)合在一起的，顯然，若要把它們分散開來，外界必須為克服核力而作功。反之，孤立核子若結(jié)合成原子核，須為克服核力而作功。反之，孤立核子若結(jié)合成原子核，必定要放出一定的能量，這部分能量與先前為拆散它們外必定要放出一定的能量，這部分能量與先前為拆散它們外界所作的功是相等的。界所作的功是相等的。 孤立核子組成原子核時所放出的能量，就稱

19、為孤立核子組成原子核時所放出的能量，就稱為原子核原子核的結(jié)合能的結(jié)合能。 如果一個原子核的質(zhì)量為如果一個原子核的質(zhì)量為m，那么其，那么其結(jié)合能結(jié)合能B滿足滿足2pnmZmNmB c2HnMZMNmB c或或22HnBmcZMNmM c 即當(dāng)核子結(jié)合成原子核時，因質(zhì)量虧損而必然有相應(yīng)的即當(dāng)核子結(jié)合成原子核時，因質(zhì)量虧損而必然有相應(yīng)的能量釋放出來；相反，如果將原子核拆散成自由核子，能量釋放出來；相反，如果將原子核拆散成自由核子，則必須由外界提供原子核同樣大小的能量。則必須由外界提供原子核同樣大小的能量。根據(jù)狹義相對論質(zhì)能關(guān)系式根據(jù)狹義相對論質(zhì)能關(guān)系式可知，質(zhì)量的改變必然伴隨能量的改變。可知，質(zhì)量的

20、改變必然伴隨能量的改變。2Emc 例：氦（例：氦（ ）原子和鈹（）原子和鈹（ ）原子的質(zhì)量分別是）原子的質(zhì)量分別是4.002605u和和9.012183u，試計算氦核和鈹核的結(jié)合能。，試計算氦核和鈹核的結(jié)合能。已知已知1uc2=931.5MeV。42He94Be解：解：對氦（對氦（ ）核，）核，Z=2，N=2，結(jié)合能，結(jié)合能42He222HnHeBMmMc2 1.0078252 1.0086654.002605931.5 28.30MeV對鈹（對鈹（ ）核，）核，Z=4，N=5，結(jié)合能，結(jié)合能94Be245HnBeBMmMc4 1.0078255 1.0086659.012183931.5 5

21、8.16MeVBA 比結(jié)合能比結(jié)合能 原子核的結(jié)合能越大，核子之間的結(jié)合就越牢固，原子核的結(jié)合能越大，核子之間的結(jié)合就越牢固，原子核就越穩(wěn)定。為了比較不同原子核的穩(wěn)定程度，我們原子核就越穩(wěn)定。為了比較不同原子核的穩(wěn)定程度，我們引入核子的引入核子的平均結(jié)合能平均結(jié)合能，定義為原子核的結(jié)合能與原子核，定義為原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)之比，即內(nèi)所包含的總核子數(shù)之比，即 核子的平均結(jié)合能越大，原子核就越穩(wěn)定。例如，氘核的結(jié)核子的平均結(jié)合能越大，原子核就越穩(wěn)定。例如，氘核的結(jié)合能為合能為2.23Mev，核子的平均結(jié)合能為，核子的平均結(jié)合能為1.11Mev，而氦核的，而氦核的結(jié)合能為結(jié)合能為

22、28.28Mev，核子的平均結(jié)合能為，核子的平均結(jié)合能為7.07Mev，顯然，顯然氦核比氘核更穩(wěn)定。氦核比氘核更穩(wěn)定。 核的結(jié)合能圖核的結(jié)合能圖上圖畫出了核子平均結(jié)合能上圖畫出了核子平均結(jié)合能 隨質(zhì)量數(shù)隨質(zhì)量數(shù)A的變化，此圖稱的變化，此圖稱為為核的結(jié)合能圖核的結(jié)合能圖。由圖可見，較輕的核和較重的核的核子平。由圖可見，較輕的核和較重的核的核子平均結(jié)合能較小，穩(wěn)定性較差，而中等質(zhì)量的核的核子平均結(jié)均結(jié)合能較小，穩(wěn)定性較差，而中等質(zhì)量的核的核子平均結(jié)合能較大，都在合能較大，都在8 Mev上下，所以最穩(wěn)定?？梢栽O(shè)想，如果上下，所以最穩(wěn)定。可以設(shè)想，如果將結(jié)合能小的核轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合能大的核，必定會釋放出能量

23、。將結(jié)合能小的核轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合能大的核，必定會釋放出能量。 例：已知例：已知 原子的質(zhì)量為原子的質(zhì)量為235.043944u，試計算其結(jié)，試計算其結(jié)合能和比結(jié)合能。合能和比結(jié)合能。235U解：解：結(jié)合能為結(jié)合能為292143HnUBMmMc92 1.007825 143 1.008665235.043944931.51783.87MeV則比結(jié)合能為則比結(jié)合能為1783.877.59235BMeVMeVA一、一般性質(zhì)一、一般性質(zhì) 我們知道，原子核中核子的平均結(jié)合能高達(dá)我們知道，原子核中核子的平均結(jié)合能高達(dá)8.6MeV，比電，比電子在原子或分子中的結(jié)合能幾個或幾十個電子伏大得多。子在原子或分子中的結(jié)合

24、能幾個或幾十個電子伏大得多。 核子之間除了萬有引力作用之外，還存在電磁力作用，核子之間除了萬有引力作用之外，還存在電磁力作用，但是核子之間的萬有引力與電磁力相比，是可以忽略的。于但是核子之間的萬有引力與電磁力相比，是可以忽略的。于是我們可以設(shè)想，如若核子之間沒有更大的引力作用把它們是我們可以設(shè)想，如若核子之間沒有更大的引力作用把它們緊密地束縛在一起，質(zhì)子之間的強(qiáng)烈靜電斥力作用只能使原緊密地束縛在一起，質(zhì)子之間的強(qiáng)烈靜電斥力作用只能使原子核解體。子核解體。 核子之間的這種更大的引力就是核子之間的這種更大的引力就是核力核力，也就是核子之，也就是核子之間的強(qiáng)相互作用。間的強(qiáng)相互作用。 核力使核子結(jié)合

25、成原子核，核力問題是了解原子核結(jié)核力使核子結(jié)合成原子核，核力問題是了解原子核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)最關(guān)鍵的問題。但核力的性質(zhì)目前還沒有完全搞構(gòu)和性質(zhì)最關(guān)鍵的問題。但核力的性質(zhì)目前還沒有完全搞清楚，仍是一個需要進(jìn)一步探索的課題。經(jīng)過幾十年的實(shí)清楚，仍是一個需要進(jìn)一步探索的課題。經(jīng)過幾十年的實(shí)驗(yàn)觀察和理論研究，人們了解了核力的許多性質(zhì)。驗(yàn)觀察和理論研究，人們了解了核力的許多性質(zhì)。1、短程力、短程力 實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)核子之間的距離等于或小于實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)核子之間的距離等于或小于10-15 m數(shù)量級時，核力才表現(xiàn)出來?？梢?，核力的作用力程數(shù)量級時，核力才表現(xiàn)出來?？梢姡肆Φ淖饔昧Τ?或稱或稱核力的作用半徑核力

26、的作用半徑)比原子核的線度還要小，故為比原子核的線度還要小，故為短程力短程力。 核力與液體中分子之間的作用力很相似，任一核子不可核力與液體中分子之間的作用力很相似，任一核子不可能與核內(nèi)所有核子都發(fā)生核力作用，而只能與核內(nèi)相鄰近的能與核內(nèi)所有核子都發(fā)生核力作用，而只能與核內(nèi)相鄰近的核子發(fā)生核力作用。核子發(fā)生核力作用。 2、飽和性、飽和性 正因?yàn)楹肆κ嵌坛塘Γ蛔饔糜谙噜彽暮俗?，所以正因?yàn)楹肆κ嵌坛塘?，只作用于相鄰的核子，所以表現(xiàn)出正比于原子核的質(zhì)量數(shù)表現(xiàn)出正比于原子核的質(zhì)量數(shù)A的規(guī)律。的規(guī)律。 即比結(jié)合能的值近似為常數(shù)，不隨即比結(jié)合能的值近似為常數(shù)，不隨A的增加而增加，的增加而增加，達(dá)到了飽和值

27、?？梢哉f，核力的飽和性必然要求核力為達(dá)到了飽和值。可以說，核力的飽和性必然要求核力為短程力。短程力。短程性和飽和性是核力最重要的兩個特性。短程性和飽和性是核力最重要的兩個特性。 3、強(qiáng)相互作用、強(qiáng)相互作用 核力的強(qiáng)度必須足以克服質(zhì)子之間的靜電斥力而把它核力的強(qiáng)度必須足以克服質(zhì)子之間的靜電斥力而把它們緊密地束縛在一起。事實(shí)表明，核力的作用強(qiáng)度比電磁們緊密地束縛在一起。事實(shí)表明，核力的作用強(qiáng)度比電磁力的強(qiáng)度約大力的強(qiáng)度約大100倍倍;是萬有引力的是萬有引力的1038倍。倍。4、核力與電荷無關(guān)、核力與電荷無關(guān) 大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，在原子核內(nèi)，無論中子與中子之大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，在原子核內(nèi)，無論中子與中子

28、之間，質(zhì)子與質(zhì)子之間，還是中子與質(zhì)子之間，表現(xiàn)的核力間，質(zhì)子與質(zhì)子之間，還是中子與質(zhì)子之間，表現(xiàn)的核力是相同的，與核子是否帶電無關(guān)。是相同的，與核子是否帶電無關(guān)。 5、核力在極短程內(nèi)存在斥心力、核力在極短程內(nèi)存在斥心力 由質(zhì)子被質(zhì)子散射和質(zhì)子被中子散射的實(shí)驗(yàn)研究顯示，由質(zhì)子被質(zhì)子散射和質(zhì)子被中子散射的實(shí)驗(yàn)研究顯示，當(dāng)兩核子的間距大于當(dāng)兩核子的間距大于10 fm時，核子間完全無核力作用；時，核子間完全無核力作用；當(dāng)兩核子的間距在當(dāng)兩核子的間距在0.82.0 fm時，核力明顯地表現(xiàn)為引力；時，核力明顯地表現(xiàn)為引力；當(dāng)兩核子的間距小于當(dāng)兩核子的間距小于0.8 fm時，核力表現(xiàn)為強(qiáng)烈的斥力作時，核力表

29、現(xiàn)為強(qiáng)烈的斥力作用。用。 而對這種斥心力的細(xì)節(jié)，目前尚無認(rèn)識。正是由于這而對這種斥心力的細(xì)節(jié)，目前尚無認(rèn)識。正是由于這種斥力作用的存在，才使所有原子核具有相同的密度。種斥力作用的存在，才使所有原子核具有相同的密度。 6、核力與自旋有關(guān)、核力與自旋有關(guān)兩核子之間的核力與它們的自旋的相對取向有關(guān)。兩核子之間的核力與它們的自旋的相對取向有關(guān)。二、核力的介子理論二、核力的介子理論 量子電動力學(xué)揭示，帶電粒子間是通過電磁量子電動力學(xué)揭示，帶電粒子間是通過電磁場而進(jìn)行電磁相互作用的，電磁場是量子化的，場而進(jìn)行電磁相互作用的，電磁場是量子化的，其場量子就是光子，即帶電粒子間通過交換光其場量子就是光子，即帶電

30、粒子間通過交換光子而發(fā)生相互作用。子而發(fā)生相互作用。 那么核子之間的相互作用是通過什么傳遞的呢？如果那么核子之間的相互作用是通過什么傳遞的呢？如果也是通過某種場傳遞的，那么這是一種什么場？這種場的也是通過某種場傳遞的，那么這是一種什么場？這種場的量子又是什么呢？量子又是什么呢？ The Nobel Prize in Physics 1949提出介子理論提出介子理論(Yukawa Hideki19071981) 1935年，日本理論物理學(xué)家湯川秀樹年，日本理論物理學(xué)家湯川秀樹(1907-1981)把把核力與電磁力相類比提出了核力的核力與電磁力相類比提出了核力的介子場理論介子場理論，回答了這，回答

31、了這些問題。些問題。 介子場理論認(rèn)為，核力也是一種交換力，是通過介子介子場理論認(rèn)為，核力也是一種交換力，是通過介子場傳遞的，介子場的量子是介子，湯川秀樹預(yù)言了這種介場傳遞的，介子場的量子是介子，湯川秀樹預(yù)言了這種介子的靜質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的子的靜質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的270倍。由于質(zhì)量介于質(zhì)子倍。由于質(zhì)量介于質(zhì)子質(zhì)量和電子質(zhì)量之間，故命名為質(zhì)量和電子質(zhì)量之間，故命名為介子介子。 直到湯川秀樹提出核力的介子場理論之后十二年，于直到湯川秀樹提出核力的介子場理論之后十二年，于1947年鮑威爾年鮑威爾(c.f.powell,1903-1969)等人才在宇宙射線等人才在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了這種傳遞核力的中發(fā)現(xiàn)

32、了這種傳遞核力的 介子。介子。 介子有三種，介子有三種， 、 和和 ， 和和 的質(zhì)量都是電子質(zhì)量的的質(zhì)量都是電子質(zhì)量的273.3倍，倍， 的質(zhì)量的質(zhì)量是電子質(zhì)量的是電子質(zhì)量的264倍。倍。 00介子傳遞核力的情形可以用介子傳遞核力的情形可以用費(fèi)曼圖費(fèi)曼圖表示，表示， 在前兩種情況中，相當(dāng)在前兩種情況中，相當(dāng)于兩個發(fā)生核力作用的核子于兩個發(fā)生核力作用的核子互相交換了位置，所以表現(xiàn)互相交換了位置，所以表現(xiàn)為為交換力交換力；后兩種情況是通；后兩種情況是通過釋放、吸收過釋放、吸收 實(shí)現(xiàn)的，核實(shí)現(xiàn)的，核子不變，表現(xiàn)為非交換力，子不變，表現(xiàn)為非交換力，屬于屬于尋常力尋常力。 0可見，核力是交換力和尋常力的

33、混合?？梢?，核力是交換力和尋常力的混合。 由于核子不斷地發(fā)射由于核子不斷地發(fā)射 介子，在核子周圍形成介子，在核子周圍形成 介子介子云，在極短時間內(nèi)被鄰近的核子吸收，或者又被核子自身云，在極短時間內(nèi)被鄰近的核子吸收，或者又被核子自身吸收，于是相鄰核子之間頻繁地交換吸收，于是相鄰核子之間頻繁地交換 介子，這正是介子，這正是核力核力產(chǎn)生的根源產(chǎn)生的根源。 目前已知的兩千七百多種核素中，絕大多數(shù)是不穩(wěn)定目前已知的兩千七百多種核素中，絕大多數(shù)是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定的核素要自發(fā)地變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，同的。不穩(wěn)定的核素要自發(fā)地變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，同時還要釋放出一定的粒子流，這種性質(zhì)稱為時還要釋放出一定的

34、粒子流，這種性質(zhì)稱為放射性衰變放射性衰變。核素在衰變過程中釋放出來的粒子流，稱為核素在衰變過程中釋放出來的粒子流，稱為射線射線。具有放。具有放射性的同位素，稱為射性的同位素，稱為放射性同位素放射性同位素。放射性同位素有天然。放射性同位素有天然的，也有人工的。的，也有人工的。 放射性衰變的種類主要有以下幾種：放射性衰變的種類主要有以下幾種： (1) 衰變：放出氦核衰變：放出氦核 的過程。的過程。 42He(2) 衰變：衰變： 衰變是放出電子衰變是放出電子(e- )和反中微子和反中微子 的過程。的過程。 ev衰變是放出正電子衰變是放出正電子(e+)和中微子和中微子 的過程。的過程。 ev電子俘獲電

35、子俘獲(EC)是原子核俘獲一個核外電子的過程。是原子核俘獲一個核外電子的過程。 (3) 衰變：即衰變：即 躍遷，是放出波長很短的電磁輻射的過程。躍遷，是放出波長很短的電磁輻射的過程。 內(nèi)轉(zhuǎn)換（內(nèi)轉(zhuǎn)換（IC），就是原子核把激發(fā)能直接交給核外電子，），就是原子核把激發(fā)能直接交給核外電子，使電子離開原子的過程。使電子離開原子的過程。 (4)自發(fā)裂變自發(fā)裂變(SF)：原子核自發(fā)地裂變?yōu)閮蓚€或多個質(zhì)量相近：原子核自發(fā)地裂變?yōu)閮蓚€或多個質(zhì)量相近的原子核。的原子核。 (5) 幾種罕見的衰變模式。幾種罕見的衰變模式。一、指數(shù)衰變律一、指數(shù)衰變律 在衰變過程中，不斷由一種核在衰變過程中，不斷由一種核(稱為稱為母

36、核母核)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核核(稱為稱為子核子核)，同時放出射線。隨著母核數(shù)目的減少，放出，同時放出射線。隨著母核數(shù)目的減少，放出的射線的強(qiáng)度也必定相應(yīng)變?nèi)?。?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論母核數(shù)目的射線的強(qiáng)度也必定相應(yīng)變?nèi)酢?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論母核數(shù)目的減少，還是射線強(qiáng)度的減弱，都遵從指數(shù)衰減的規(guī)律。的減少，還是射線強(qiáng)度的減弱，都遵從指數(shù)衰減的規(guī)律。 假如在假如在t時刻放射性核素中包含的母核的數(shù)目為時刻放射性核素中包含的母核的數(shù)目為n，經(jīng)過了，經(jīng)過了dt時間，母核減少了時間，母核減少了dN。顯然，母核減少的數(shù)目應(yīng)正比于。顯然，母核減少的數(shù)目應(yīng)正比于t時刻母核的數(shù)目時刻母核的數(shù)目N，也應(yīng)正比于衰變經(jīng)歷的時間，也

37、應(yīng)正比于衰變經(jīng)歷的時間dt，于是引，于是引入比例系數(shù)入比例系數(shù) 后，可寫為下面的等式后，可寫為下面的等式dNNdt比例系數(shù)比例系數(shù) 稱為衰變常量，表示母核隨時間衰減的快慢，稱為衰變常量，表示母核隨時間衰減的快慢，對確定的放射性核素和確定的衰變方式，對確定的放射性核素和確定的衰變方式， 是常量。是常量。 dN dtN上式中分子是單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)，分母是上式中分子是單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)，分母是當(dāng)時的原子核總數(shù)，可見，衰變常量當(dāng)時的原子核總數(shù)，可見，衰變常量 也表示也表示一個原子一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。 所以，衰變常量所以，衰變常量 是放

38、射性核素的一個特征量。是放射性核素的一個特征量。 0tNN e式中式中N0 是是t = 0時母核的數(shù)目。上式所表示的規(guī)律，就是時母核的數(shù)目。上式所表示的規(guī)律，就是衰變過程所遵從的指數(shù)衰減規(guī)律衰變過程所遵從的指數(shù)衰減規(guī)律。 二、半衰期二、半衰期 半衰期這個量也常用來表示放射性隨時間衰減的快慢，半衰期這個量也常用來表示放射性隨時間衰減的快慢，定義為定義為放射性核素母核數(shù)目衰變掉一半所需要的時間放射性核素母核數(shù)目衰變掉一半所需要的時間，或，或者者放射性活度減弱一半所需要的時間放射性活度減弱一半所需要的時間，用，用 表示。表示。 1 2T在在t =T1/2時，時，N= N0/2，有，有 1 2002T

39、NN e1 2ln20.693T可見，可見，T1/2與與 成反比。成反比。T1/2也是放射性核素的特征量。也是放射性核素的特征量。 三、平均壽命三、平均壽命 對于某種確定的放射性核素，其中有些核素早變，有對于某種確定的放射性核素，其中有些核素早變，有些晚變，壽命不一樣，因此可以通過計算它們的些晚變，壽命不一樣，因此可以通過計算它們的平均壽命平均壽命來進(jìn)行統(tǒng)計。來進(jìn)行統(tǒng)計。 初始時刻初始時刻(t = 0)母核數(shù)目為母核數(shù)目為N0 ，經(jīng)過，經(jīng)過t時間，母核數(shù)目時間，母核數(shù)目為為 ，在，在t到到t +dt衰變掉的母核數(shù)為衰變掉的母核數(shù)為 ，這些母核的壽命都是這些母核的壽命都是t，它們的壽命之和為，它

40、們的壽命之和為 ，對于初始時刻的所有母核來說，壽命從零到無限大都可能存對于初始時刻的所有母核來說，壽命從零到無限大都可能存在，所以它們的壽命之和為在，所以它們的壽命之和為0tNN edNNdttdNNtdt00NNtdt 那么，核的平均壽命為那么，核的平均壽命為 1 2011.44ln2TTN可見，可見，平均壽命是衰變常量的倒數(shù)，是半衰期的平均壽命是衰變常量的倒數(shù)，是半衰期的1.44倍倍。 立即可以得到立即可以得到 10037%NN eN這表示，經(jīng)過相當(dāng)于平均壽命這表示，經(jīng)過相當(dāng)于平均壽命 的時間，剩下的母核數(shù)目的時間，剩下的母核數(shù)目僅為原先的僅為原先的37 %。 當(dāng)粒子的運(yùn)動速率接近光速時，

41、從實(shí)驗(yàn)室參考系觀測到當(dāng)粒子的運(yùn)動速率接近光速時，從實(shí)驗(yàn)室參考系觀測到的粒子的壽命將比一般數(shù)據(jù)表中給出的值大，也就是說，的粒子的壽命將比一般數(shù)據(jù)表中給出的值大，也就是說，高高速飛行的粒子壽命變長了速飛行的粒子壽命變長了。 四、四、 是放射性核素的特征量是放射性核素的特征量 實(shí)驗(yàn)表明，原子核的放射性是原子核自身性質(zhì)的反映，其實(shí)驗(yàn)表明，原子核的放射性是原子核自身性質(zhì)的反映，其特征量以及所遵從的規(guī)律特征量以及所遵從的規(guī)律不受外界條件不受外界條件(如溫度、壓強(qiáng)和磁場如溫度、壓強(qiáng)和磁場等等)的影響，也不會由于核是處于單質(zhì)中或是處于化合物中而的影響，也不會由于核是處于單質(zhì)中或是處于化合物中而有所變化有所變化

42、。 衰變常量衰變常量 、半衰期、半衰期 和平均壽命和平均壽命 ，三個量之間存在，三個量之間存在一定聯(lián)系，只要知道了其中一個，另外兩個也就完全確定了，一定聯(lián)系，只要知道了其中一個，另外兩個也就完全確定了，它們中的任何一個都可以作為放射性核素的特征量。每一種放它們中的任何一個都可以作為放射性核素的特征量。每一種放射性核素都具有特定射性核素都具有特定 值值(或或 值，或值，或 值值)，我們可以根據(jù)，我們可以根據(jù)測量的測量的 值，來判斷是哪種放射性核素。值，來判斷是哪種放射性核素。 1 2T1 2T五、放射性活度（五、放射性活度（Activity） 放射性活度這一物理量用以表示放射性的強(qiáng)弱程度，放射性

43、活度這一物理量用以表示放射性的強(qiáng)弱程度，定義為定義為單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核的數(shù)目單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核的數(shù)目。按照這個定義，。按照這個定義，放射性活度放射性活度A可以表示為可以表示為 0tdNAN eNdt 或或0tAA e式中式中 ，是，是t = 0時的放射性活度。上式表示，時的放射性活度。上式表示，放射放射性活度也是隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減的性活度也是隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減的。 00AN 在國際單位制中，放射性活度的單位是在國際單位制中，放射性活度的單位是bq (貝克勒爾貝克勒爾)，它的定義是，它的定義是，若在若在1s內(nèi)有內(nèi)有1個核衰變個核衰變，則此時該核素的放射，則此時該核素的放射性活度就是性

44、活度就是1Bq，即，即 11Bqs 這個單位顯然是太小了，所以常用這個單位顯然是太小了，所以常用kBq (千貝克勒爾千貝克勒爾)和和MBq (兆貝克勒爾兆貝克勒爾)作單位。放射性活度的常用單位是作單位。放射性活度的常用單位是Ci (居居里里)，它與，它與Bq關(guān)系是關(guān)系是1013.7 10CiBq 居里這個單位又太大了，實(shí)際應(yīng)用中常用居里這個單位又太大了，實(shí)際應(yīng)用中常用mCi (毫居里毫居里)和和 (微居里微居里)作單位。作單位。 Ci7.7、 衰變衰變一、一、 衰變的條件衰變的條件 粒子就是氦原子核粒子就是氦原子核 ，包含兩個質(zhì)子和兩個中子。，包含兩個質(zhì)子和兩個中子。母核經(jīng)母核經(jīng) 衰變放出一個

45、衰變放出一個 粒子，自身轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓴?shù)比母核少粒子，自身轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓴?shù)比母核少2，質(zhì)量數(shù)比母核少，質(zhì)量數(shù)比母核少4的子核。的子核。 42He所以，所以， 衰變可以表示為衰變可以表示為 42AAZZXY式中式中x和和y分別表示母核和子核。分別表示母核和子核。 鐳核經(jīng)鐳核經(jīng) 衰變轉(zhuǎn)變?yōu)殡钡倪^程為衰變轉(zhuǎn)變?yōu)殡钡倪^程為 2262228886RaRn 實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)表明，在 衰變中，每一種母核都放出一種或多種衰變中，每一種母核都放出一種或多種單一能量的單一能量的 粒子，也就是說，粒子，也就是說， 粒子的粒子的能譜總是分立譜能譜總是分立譜。這是這是 衰變的一個重要特點(diǎn)。衰變的一個重要特點(diǎn)。 衰變能衰變能是研

46、究衰變過程的重要物理量，它定義為是研究衰變過程的重要物理量，它定義為原子核原子核衰變時所釋放出的能量衰變時所釋放出的能量。 顯然，這部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)樗プ兩傻乃辛Ｗ拥膭幽?。顯然，這部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)樗プ兩傻乃辛Ｗ拥膭幽堋．?dāng)靜止的母核發(fā)生當(dāng)靜止的母核發(fā)生 衰變時，按照能量守恒定律，應(yīng)滿足下面衰變時，按照能量守恒定律，應(yīng)滿足下面的關(guān)系的關(guān)系 222XYrm cm cm cEE所以衰變能為所以衰變能為20rXYEEEmmmc將上式中核的質(zhì)量變換成相應(yīng)的原子的質(zhì)量，得將上式中核的質(zhì)量變換成相應(yīng)的原子的質(zhì)量，得20XYHeEMMMc顯然，顯然， 衰變能夠發(fā)生的條件是衰變能夠發(fā)生的條件是E0 0，也就

47、是，也就是 XYHeMMM 這表示，母核原子的質(zhì)量必須大于子核原子與氦原子這表示，母核原子的質(zhì)量必須大于子核原子與氦原子的質(zhì)量之和，的質(zhì)量之和， 7.8、 衰變衰變 衰變是核電荷改變而核子數(shù)不變的核衰變。主要衰變是核電荷改變而核子數(shù)不變的核衰變。主要包括：包括： 衰變，衰變， 衰變和軌道電子俘獲（衰變和軌道電子俘獲（EC）。）。一、一、 衰變面臨的難題衰變面臨的難題1、核能級是分立的，但、核能級是分立的，但 射線的能譜卻是連續(xù)的。射線的能譜卻是連續(xù)的。2、不確定關(guān)系不允許核內(nèi)有電子，那么、不確定關(guān)系不允許核內(nèi)有電子，那么 衰變放出的衰變放出的電子從哪里來？電子從哪里來？二、中微子假說二、中微子

48、假說 根據(jù)上述情況，泡利于根據(jù)上述情況，泡利于1930年提出了中微子假說，即認(rèn)年提出了中微子假說，即認(rèn)為，為，在在 衰變中伴隨著每一個電子還釋放出一個很輕的中性衰變中伴隨著每一個電子還釋放出一個很輕的中性粒子，粒子，這個中性粒子稱為這個中性粒子稱為中微子中微子。由于它是伴隨電子而產(chǎn)生。由于它是伴隨電子而產(chǎn)生的，故稱的，故稱電子中微子電子中微子，用符號，用符號 表示。表示。 是其反粒子，稱為是其反粒子，稱為反電子中微子反電子中微子。 evev 中微子假說使中微子假說使 射線能量連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)得到了圓滿射線能量連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)得到了圓滿解釋。解釋。 在在 衰變過程中衰變過程中 0evrEEEE

49、由于子核的質(zhì)量比電子和中微子的大得多，所以反由于子核的質(zhì)量比電子和中微子的大得多，所以反沖動能非常小，于是可以認(rèn)為衰變能沖動能非常小，于是可以認(rèn)為衰變能E0主要在主要在電子電子和和中中微子微子之間分配。之間分配。 中微子動能大，電子的動能就小；中微子動能小，中微子動能大，電子的動能就小；中微子動能小，電子的動能就大。所以，測得電子的動能可為從零到最電子的動能就大。所以，測得電子的動能可為從零到最大值大值 之間的任意值。之間的任意值。 mE 如果母核衰變前是靜止的，動量為零，那么衰變后生如果母核衰變前是靜止的，動量為零，那么衰變后生成的三個粒子的動量的矢量之和也必定等于零。這樣，子成的三個粒子的

50、動量的矢量之和也必定等于零。這樣，子核的反沖方向一般就不會與電子的運(yùn)動方向在同一條直線核的反沖方向一般就不會與電子的運(yùn)動方向在同一條直線上了。上了。 應(yīng)用中微子假說，雖然圓滿地解釋了應(yīng)用中微子假說，雖然圓滿地解釋了 衰變中的實(shí)驗(yàn)衰變中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但是電子存在于原子核內(nèi)的問題仍然沒有解決。再現(xiàn)象，但是電子存在于原子核內(nèi)的問題仍然沒有解決。再加上中微子質(zhì)量很小，又不帶電荷，一時很難證實(shí)它的存加上中微子質(zhì)量很小，又不帶電荷，一時很難證實(shí)它的存在，所以不少人懷疑這個假說的真實(shí)性?？墒?，費(fèi)米不僅在，所以不少人懷疑這個假說的真實(shí)性?？墒牵M(fèi)米不僅支持這個假說，而且在這個假說的基礎(chǔ)上提出了支持這個假說，而且

51、在這個假說的基礎(chǔ)上提出了弱相互作弱相互作用的用的 衰變理論衰變理論。 中微子是在泡利提出假說之后二十幾年，才在實(shí)驗(yàn)中中微子是在泡利提出假說之后二十幾年，才在實(shí)驗(yàn)中直接觀察到的。費(fèi)米的直接觀察到的。費(fèi)米的弱相互作用的弱相互作用的 衰變理論衰變理論自自1934年年提出至今，已經(jīng)受了半個多世紀(jì)以來各方面實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，提出至今，已經(jīng)受了半個多世紀(jì)以來各方面實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，被譽(yù)為物理學(xué)中最出色的理論之一。被譽(yù)為物理學(xué)中最出色的理論之一。三、三、 衰變衰變這種衰變可以表示為這種衰變可以表示為 1AAZZeXYev即母核中的一個中子發(fā)生衰變轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子并放出一個即母核中的一個中子發(fā)生衰變轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子并放出一個

52、電子電子e- 和一個反電子中微子和一個反電子中微子 ，子核的電荷數(shù)變?yōu)?，子核的電荷?shù)變?yōu)閦+1，而質(zhì)量數(shù)保持不變。而質(zhì)量數(shù)保持不變。 ev與與 衰變類似，衰變能可以表示為衰變類似，衰變能可以表示為 220XYeXYEmmmcMMc這表示衰變能等于母核原子與子核原子的靜質(zhì)能之差。這表示衰變能等于母核原子與子核原子的靜質(zhì)能之差。 因此，發(fā)生因此，發(fā)生 衰變的條件是衰變的條件是XYMM 這就是說，這就是說，只有當(dāng)母核原子的質(zhì)量大于子核原子的質(zhì)只有當(dāng)母核原子的質(zhì)量大于子核原子的質(zhì)量時，量時， 衰變才能發(fā)生衰變才能發(fā)生。例如，氚的例如，氚的 衰變衰變33eHHeev綱圖規(guī)則：綱圖規(guī)則： Z小左畫，小左畫

53、，Z大右畫大右畫3H (T=12.33a) - 18.6keV (100%)3He四、四、 衰變衰變這種衰變可以表示為這種衰變可以表示為 1AAZZeXYev即母核中一個質(zhì)子發(fā)生衰變轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子并放出一個正即母核中一個質(zhì)子發(fā)生衰變轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子并放出一個正電子電子e+和一個電子中微子和一個電子中微子 ，子核的電荷數(shù)變?yōu)?，子核的電荷?shù)變?yōu)閦-1，而質(zhì)，而質(zhì)量數(shù)保持不變。量數(shù)保持不變。 ev其衰變能為其衰變能為2202XYeXYeEmmmcMMm c這表示衰變能等于母核原子與子核原子的靜能之差再減去這表示衰變能等于母核原子與子核原子的靜能之差再減去兩個電子的靜能。兩個電子的靜能。 因此，發(fā)生因此

54、，發(fā)生 衰變的條件是衰變的條件是2XYeMMm這就是說，只有當(dāng)母核原子的質(zhì)量與子核原子的質(zhì)量之差這就是說，只有當(dāng)母核原子的質(zhì)量與子核原子的質(zhì)量之差大于兩個電子的質(zhì)量時，大于兩個電子的質(zhì)量時， 衰變才能發(fā)生。衰變才能發(fā)生。 例如，氮的例如，氮的 衰變衰變1313eNCev13N (T=9.96min) 2mec2 +1.19(100%)13C五、軌道電子俘獲（五、軌道電子俘獲（EC）這種衰變可以表示為這種衰變可以表示為 1AAZiZeXeYv即母核俘獲一個核外軌道電子使核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱茨负朔@一個核外軌道電子使核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，并放出一個電子中微子，所以子核的電荷數(shù)變?yōu)椴⒎懦鲆粋€

55、電子中微子，所以子核的電荷數(shù)變?yōu)閦-1，而質(zhì)，而質(zhì)量數(shù)保持不變。量數(shù)保持不變。 衰變能可以表示為衰變能可以表示為 20XeYiEmmmcW或或20iXYiEMMcW這表示，發(fā)生第這表示，發(fā)生第i層電子俘獲的衰變能等于母核原子與子核層電子俘獲的衰變能等于母核原子與子核原子的靜能之差再減去第原子的靜能之差再減去第i層電子的結(jié)合能。層電子的結(jié)合能。 發(fā)生電子俘獲的條件是發(fā)生電子俘獲的條件是 2XYiMMW c這就是說，只有當(dāng)母核原子的質(zhì)量與子核原子的質(zhì)量之差大這就是說，只有當(dāng)母核原子的質(zhì)量與子核原子的質(zhì)量之差大于與第于與第i層結(jié)合能相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量時，俘獲該層電子的過程才能層結(jié)合能相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量時，俘獲該層電

56、子的過程才能發(fā)生。發(fā)生。 在一般情況下，在一般情況下，k層上的電子被原子核俘獲的居多，因?yàn)閷由系碾娮颖辉雍朔@的居多，因?yàn)閗層最靠近原子核，被俘獲的概率最大，但是層最靠近原子核，被俘獲的概率最大，但是l層上的電子被俘層上的電子被俘獲的概率也是存在的。獲的概率也是存在的。 原子核在俘獲了電子之后，子核原子的原子核在俘獲了電子之后，子核原子的k層或?qū)踊騦層上將出現(xiàn)層上將出現(xiàn)一個電子空位，這時就有可能產(chǎn)生一個電子空位，這時就有可能產(chǎn)生X射線射線或或俄歇電子俄歇電子。 7.9、 衰變衰變一、一般性質(zhì)一、一般性質(zhì) 處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過發(fā)射處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過發(fā)射 射線躍遷到低激發(fā)射線躍遷到

57、低激發(fā)態(tài)或基態(tài)，這種現(xiàn)象稱為態(tài)或基態(tài)，這種現(xiàn)象稱為 衰變衰變，或稱，或稱 躍遷躍遷。 射線就是射線就是光子流光子流。核。核能級躍遷所發(fā)出的光子與原能級躍遷所發(fā)出的光子與原子能級躍遷所發(fā)出的光子沒子能級躍遷所發(fā)出的光子沒本質(zhì)的差別，在不考慮核的本質(zhì)的差別，在不考慮核的反沖時，光子能量反沖時，光子能量 可以可以表示為下面的形式表示為下面的形式 EulEhEE二、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子二、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子 有時，原子核從激發(fā)態(tài)到較低能態(tài)的躍遷并不放出光有時，原子核從激發(fā)態(tài)到較低能態(tài)的躍遷并不放出光子，而是把能量直接交給核外電子，使電子脫離原子，這子，而是把能量直接交給核外電子，使電子脫離原子，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為內(nèi)

58、轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換(IC)，脫離原子的電子稱為，脫離原子的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。 這樣，內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的動能應(yīng)表示為這樣，內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的動能應(yīng)表示為 euliEEEW顯然內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的動能必定具有分立值，而絕不會是連續(xù)譜。顯然內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的動能必定具有分立值，而絕不會是連續(xù)譜。 處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過放射處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過放射 光子回到基態(tài)，也光子回到基態(tài)，也可以通過產(chǎn)生內(nèi)轉(zhuǎn)換電子回到基態(tài)，究竟發(fā)生的是哪種過程，可以通過產(chǎn)生內(nèi)轉(zhuǎn)換電子回到基態(tài)，究竟發(fā)生的是哪種過程，完全決定于核的能級特性。完全決定于核的能級特性。 7.10、核反應(yīng)、核反應(yīng) 原子核的放射性衰變，是核自發(fā)變化的過程。而核反原子核

59、的放射性衰變，是核自發(fā)變化的過程。而核反應(yīng)是用人工方法使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程，即應(yīng)是用人工方法使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程，即具有一定能具有一定能量的粒子轟擊原子核，改變核素性質(zhì)的反應(yīng)量的粒子轟擊原子核，改變核素性質(zhì)的反應(yīng)稱為稱為核反應(yīng)核反應(yīng)。低能核反應(yīng)低能核反應(yīng)：100MeV以下的核反應(yīng)。以下的核反應(yīng)。中能核反應(yīng)中能核反應(yīng)：100MeV到到1GeV的核反應(yīng)。的核反應(yīng)。高能核反應(yīng)高能核反應(yīng)：1GeV以上的核反應(yīng)。以上的核反應(yīng)。重離子反應(yīng)重離子反應(yīng)：比氦核重的粒子引起的核反應(yīng)。：比氦核重的粒子引起的核反應(yīng)。核反應(yīng)運(yùn)動學(xué)及核反應(yīng)動力學(xué)。核反應(yīng)運(yùn)動學(xué)及核反應(yīng)動力學(xué)。一、幾個著名的核反應(yīng)一、幾個著名的核反應(yīng)

60、1、歷史上第一個人工核反應(yīng)、歷史上第一個人工核反應(yīng) 1919年，盧瑟福用年，盧瑟福用 放出的放出的7.68MeV的的 粒子轟擊粒子轟擊氮?dú)?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有五萬分之一的幾率發(fā)生了如下反應(yīng)氮?dú)?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有五萬分之一的幾率發(fā)生了如下反應(yīng)212Po1417NpO或或1417,NpO2、第一個在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)、第一個在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng) 1932年，考克拉夫和瓦耳頓用自己發(fā)明的加速器，把年，考克拉夫和瓦耳頓用自己發(fā)明的加速器，把質(zhì)子加速到質(zhì)子加速到500KeV，實(shí)現(xiàn)了如下反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了如下反應(yīng)7pLi或或74,Li pHe3、產(chǎn)生第一個人工放射性核素的反應(yīng)、產(chǎn)生第一個人工放射性核素的反應(yīng) 1934

61、年約里奧年約里奧.居里夫婦用下列反應(yīng)產(chǎn)生了第一個人居里夫婦用下列反應(yīng)產(chǎn)生了第一個人工放射性核素工放射性核素2730AlnP或或2730,AlnP4、導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)、導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)是912BenC或或912,BenC大量實(shí)驗(yàn)表明，所有的核反應(yīng)都遵從下列守恒定律：大量實(shí)驗(yàn)表明，所有的核反應(yīng)都遵從下列守恒定律：（1）電荷守恒：電荷守恒：反應(yīng)前后體系的總電荷數(shù)即粒子與反應(yīng)前后體系的總電荷數(shù)即粒子與核的電荷數(shù)代數(shù)和不變。核的電荷數(shù)代數(shù)和不變。（2）質(zhì)量數(shù)守恒：質(zhì)量數(shù)守恒：反應(yīng)前后體系的總質(zhì)量數(shù)不變。反應(yīng)前后體系的總質(zhì)量數(shù)不變。（3）質(zhì)量與能量守恒：質(zhì)量與能量

62、守恒：反應(yīng)前后粒子的運(yùn)動質(zhì)量總反應(yīng)前后粒子的運(yùn)動質(zhì)量總和不變；粒子的能量總和不變。一般來說，反應(yīng)前和不變；粒子的能量總和不變。一般來說，反應(yīng)前后體系的靜止質(zhì)量不守恒，這種靜止質(zhì)量的差別反后體系的靜止質(zhì)量不守恒，這種靜止質(zhì)量的差別反映了結(jié)合能的變化。映了結(jié)合能的變化。（4）動量守恒：動量守恒：反應(yīng)前后粒子動量的矢量和不變。反應(yīng)前后粒子動量的矢量和不變。此外，在核反應(yīng)中，此外，在核反應(yīng)中，角動量角動量、宇稱宇稱等也是守恒的。等也是守恒的。二、二、Q 方程方程核反應(yīng)一般可以表示為核反應(yīng)一般可以表示為iTlR 或或,T i l R 在核反應(yīng)過程中，體系的總質(zhì)量和總能量保持不變，在核反應(yīng)過程中，體系的總

63、質(zhì)量和總能量保持不變，但是但是靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量和和總動能總動能是變化的，我們把是變化的，我們把反應(yīng)后的總動能反應(yīng)后的總動能與反應(yīng)前的總動能之差與反應(yīng)前的總動能之差稱為稱為反應(yīng)能反應(yīng)能，它是反應(yīng)中放出或吸，它是反應(yīng)中放出或吸收的凈能量。收的凈能量。根據(jù)能量守恒根據(jù)能量守恒2222iiTTllRRM cKM cKM cKM cK定義反應(yīng)能定義反應(yīng)能Q為為 2iTlRlRiTQMMMMcKKKK一般情況下，靶核處于靜止?fàn)顟B(tài)，即一般情況下，靶核處于靜止?fàn)顟B(tài)，即 ，則，則0TK lRiQKKK如果如果Q0稱為稱為放能反應(yīng)放能反應(yīng)；Q0稱為稱為吸能反應(yīng)吸能反應(yīng)?；蛴媒Y(jié)合能表示或用結(jié)合能表示 lRiTQBB

64、BB按照動量守恒關(guān)系，可以得到按照動量守恒關(guān)系，可以得到Q的另一個表達(dá)式的另一個表達(dá)式211cosililliliRRRM M K KMMQKKMMM例：在核反應(yīng)例：在核反應(yīng) 中測得中測得Kd=5.000MeV，Kp=12.124MeV， ，試計算反應(yīng)能。，試計算反應(yīng)能。1415,N d pN90解：解：根據(jù)上式，代入各數(shù)據(jù)，式中各粒子的質(zhì)量近似根據(jù)上式，代入各數(shù)據(jù)，式中各粒子的質(zhì)量近似用質(zhì)量數(shù)代替，得用質(zhì)量數(shù)代替，得2115112.1248.5991515QMeV 這是一個放能反應(yīng)。這是一個放能反應(yīng)。7.11、裂變與聚變：原子能的利用、裂變與聚變：原子能的利用一、裂變的發(fā)現(xiàn)一、裂變的發(fā)現(xiàn) 重

65、核受到激發(fā)分裂為幾個中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象稱為重核受到激發(fā)分裂為幾個中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象稱為原子核裂變原子核裂變。重核裂變可以釋放大量能量，為人類提供。重核裂變可以釋放大量能量，為人類提供一種新的能源。一種新的能源。 1939年哈恩和斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾元素，希望年哈恩和斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾元素，希望獲得超鈾元素的實(shí)驗(yàn)中，意外地發(fā)現(xiàn)，用熱中子獲得超鈾元素的實(shí)驗(yàn)中，意外地發(fā)現(xiàn)，用熱中子(0.025eV)轟擊轟擊 時，會使其分裂成質(zhì)量差不多相等的兩塊，同時時，會使其分裂成質(zhì)量差不多相等的兩塊，同時放出兩三個中子，這就是放出兩三個中子，這就是鈾核裂變鈾核裂變。23592U235236UnUXY

66、mn二、裂變機(jī)制二、裂變機(jī)制液滴模型：液滴模型：表面張力表面張力庫侖斥力。庫侖斥力。 可裂變率：可裂變率：復(fù)合核的庫侖能與表面能之比復(fù)合核的庫侖能與表面能之比 21 322 3cSEZAZEAA原子核裂變與否取決于復(fù)合核的激發(fā)能和可裂變率。原子核裂變與否取決于復(fù)合核的激發(fā)能和可裂變率。 當(dāng)一個重核當(dāng)一個重核 受到慢中子轟擊，分裂成兩個中等受到慢中子轟擊，分裂成兩個中等原子量的核，并放出一個到三個中子，這種中子稱為原子量的核，并放出一個到三個中子，這種中子稱為再再生中子生中子，同時還釋放大量的能量。如果分裂時放出的再，同時還釋放大量的能量。如果分裂時放出的再生中子又能引起另外的生中子又能引起另外的 核分裂，依次滾雪球似的擴(kuò)核分裂，依次滾雪球似的擴(kuò)大，可使反應(yīng)繼續(xù)下去，并不斷釋放大量原子核能，這大，可使反應(yīng)繼續(xù)下去，并不斷釋放大量原子核能，這種反應(yīng)稱為種反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。23592U23592U鏈?zhǔn)椒磻?yīng).swf要實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必須滿足：要實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必須滿足：1、純、純 的體積必須大于的體積必須大于臨界體積臨界體積( (即能產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)即能產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊最小體積的鈾塊最小體積