物理学专业前沿讲座 PPT课件
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1905年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的 新概念 ;提出了质能关系及其著名表达式E=mc2
1911年卢瑟福提出了原子的核式模型，但存在困难，需要改造
1913年玻尔完善原子结构理论: 1）定态假设； 2）量子化假设；3）跃迁假设
2021/2/19
Page 9
工程技术
现代物理学
一、原子核衰变
1Ci3.7110 s01
在我国放射性活度的法定单位是贝可勒尔(Bq) 表示每秒衰变一次的计量
1Ci3.71010Bq
2021/2/19
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工程技术
现代物理学
三、原子核的组成
1) 由氢的原子核——质子组成 2）由质子和电子组成 3）由质子与一种中性粒子——中子组成
1919年，卢瑟福提出中子概念 1932年，查德威克发现中子
亏损质量对应着相对论能量
E A m A c 2 ( Z P m ( A Z ) m n m A ) c 2
例如，氘核的质量 md 2.01355u2
其质量亏损是
m dm Pm nm d0.002u388
对应的结合能
m2c0.002c232 8.28M 3u eV
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工程技术
现代物理学
核子交换介子的作用图像
2021/2/19
Page 29
工程技术
现代物理学
核力的基本特征：（1）属于强作用，是电 磁作用强度的100多倍；（2）为短程力， 其有效力程大约仅有1.71015m；（2）与 电荷无关，即不同核子间的核力基本相同， 从而表现出与电荷无关的性质；（3）具有 饱和性，即每个核子只能与邻近的核子发 生核力作用，因为如果假定不是这样，那 么质量数越大的核，其核力作用也会越强， 结果就必然导致核密度的增加。
（如氢元素有三种同位素：11、H
、
2 1
H
和
3 1
H
）和
同量异位素（如
3 1
H
和
3 2
He
等）。
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工程技术
现代物理学
四、原子核的基本性质
1）原子核的电荷 +Ze
天然存在的原子核 Z<95
钚
A 94
Pu
A=241，242，244
2）原子核的质量 一个原子质量单位
1u1.6805160-267kg
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工程技术
现代物理学
• 核反应总体上可按如下几个标准划分
1）靶核质量标准 依据靶核质量数A的大小
对核反应进行分类，也即以 A30 、
30A90和 A90三个区间段，将核
反应区分为轻核反应、中等核反应与重核 反应。
2)入射粒子能量标准 如果以入射粒子的能 量水平为区分，核反应的表现大致不外乎 低能、中能以及高能反应等三种类型。
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工程技术
现代物理学
二、衰变速率
• 卢瑟福最早发现，钍元素放射强度大约1分钟减弱 为原来的1/2，而在2分钟和3分钟之内依次降低到 原来的1/4与1/8；直至按时间平方反比规律衰减
2021/2/19
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现代物理学
衰变关系 dN＝ λN dt
衰变规律 N(t)N0eλt 半衰期 T1/2 ln2/λ
n(~1014m)
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工程技术
现代物理学
力程应当等于
n ct mπc
m π n c 16 .1 6 0 41 3 1 3 08 40 2 .2 1 2 0 k 8 g 2m 5 e 0
介子有三种带电状态，即带有正电 和负电的
π 以及不带电的介子的 π 0
原子
原子核+ 核外电子
核衰变
α衰变 β衰变
衰变
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工程技术
现代物理学
α衰变： α衰变是指某种原子核（称为母核） 因自发放射粒子（42 He）而转变成新核（称为 子核）的过程。其衰变模式为
Z AXZA2Y4 2He
例如，一个铀核衰变成钍核的方程是
2932U 8 2930T 4 h42He
Rn r0A1/3
r01.21015m
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现代物理学
或者说核体积同质量数成正比
Vn 34πRn3 34π0r3A
例如，29328 U 的半径仅有 7.41015m
核物质密度基本保持一致，即有
n
Au 1017kgm3
34r03A
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工程技术
总寿命 平均寿命
τt
N0 t | dN|
0
ττt 1 λN dttλ eλttdt1
N 0 N 0 0
0
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工程技术
现代物理学
核物质的放射强度由该物质的放射性活度— —单位时间内发生衰变的核的数量表示
In|d d N t|N N 0eλtIn0eλt
放射性活度的单位为居里（Ci）
一些核素的结合能和比结合能（单位 MeV）
核素
12H 23He 24He 36Li 37Li 612C 714N 715N 815O 816O 817O
结合能
2.224 7.718 28.30 31.99 39.24 92.16 104.66 115.49 111.95 127.61 131.76
比结合能
2021/2/19
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工程技术
现代物理学
前言
物理学与科学技术：
互相促进、携手并进、相互渗透；
与哲学、社会科学密切相关，共同推动着经济与社会 的发展；
从生产方式、生活方式与思想观念上改变了人类文明 的进程。
2021/2/19
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工程技术
现代物理学
前言
在现代社会进步的历程中，物理学和工程技术 之间存在紧密的相互联系和深刻的相互作用。
工程技术
现代物理学
平均结合能——比结合能 ——代表了拆散原 子核时所必须对每个核子付出的能量
εA
EA A
mAc2 A
拥有更大比结合能的原子核其状态会更加稳 定；反之，则稳定性较差
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现代物理学
比结合能随质量数的分布曲线
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现代物理学
特点：1）质量数大于140
2）α粒子能量不连续，核内能量量子化
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工程技术
现代物理学
β 衰变：原子核通过自发放射粒子而完成的 衰变过程
Z AX Z A 1Yev
例如，一个钾核衰变成钙核的方程是
4 10 9 K 4 20 0 C aev
特点：1）出射电子的能量连续 2）相当于核中的中子转变成质子
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工程技术
现代物理学
例如，氧核178 O 的质量为 16.9991u3
钾核
39 19
K
的质量为
38.963u7
质子和中子的质量可分别表示为
mp 1.007276u
mn 1.008665u
当采用原子质量单位计量时，各原子核的质 量都非常接近于整数，因此原子的质量数 通常取整数。
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现代物理学
5）原子核内的核力
核力是指广泛存在于核子之间，并足以克服 库仑斥力而最终促使核子结合成核的吸引 作用。这种作用最早出自海森堡提出的粒 子交换概念，但它的有效机制是由日本物 理学家汤川秀树揭示出来的。1935年汤川 秀树指出，核力在本质上是一种介子（因 质量介于电子与质子之间而得名）交换作 用，其交换力程为
现代物理学
Page 1
工程技术
现代物理学
Page 2
工程技术
现代物理学
前言
在人类历史上，技术的出现先于科学。
技术源于生产活动、生活经验 技术的物质形式：工具
科学从技术的探索与运用中诞生
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工程技术
现代物理学
前言
科学知识的源泉： ➢ 一是由于生产发展的需要
思考
感性认识
理性认识
2021/2/19
Page 14
工程技术
现代物理学
放射性: 然放射性、人工放射性
• 天然放射性元素的原子序数都大于81， 并依次形成三个质量数分别为4n、 4n+2和4n+3的放射系，即钍(Th)系、 铀(U)系和锕(Ac)系。唯有在人工放射 条件下，才能见到质量数是4n+1的镎 (Np)放射系，原因是该系各原子核衰 变得较快，以致无法长期存在。
➢ 二是人类对客观世界的好奇心和求知的兴趣
自然界
观察 分析 归纳
内在的规律
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工程技术
现代物理学
前言
哥白尼 16世纪
牛顿 17世纪
麦克斯韦 19世纪
爱因斯坦 20世纪
科学独立存在 有了完整的体系
✓ 科学（首先是物理科学）的革命，引发了生产技 术的革命，使人们对基础科学、应用科学、工程 技术和生产活动的关系，有了新的感受和认识。
✓ 物理学： 对许多工程技术领域的开创起着先导、引领的作用；
✓ 工程技术： 直接地创造生产力，反过来开拓、深化了物理学研究的
疆域，并为之提供了丰富精致的环境条件和研究手段。
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工程技术
一、物理学与核技术
田湾核电站
现代物理学
原子核物理学的新发现是核工程技术的基础与先导
19世纪末，相继发现了放射性、原子光谱、X射 线、和电子
平均寿命
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Page 20
0.5110 938.27231
1/2
1/2 >1031a
939.56563 1/2 20s
工程技术
现代物理学
原子核通常用符号
A Z
X
表示，
其中，具有相同
质子数与相同中子数的核称为同种核素，而具
有相同质子数与不同中子数，以及具有不同质
子数与相同质量数的核则分别被称为同位素
1.112 2.573 7.07 5.33 5.61 7.68 7.48 7.70 7.46 7.98 7.75
核素
917F 919F 2040Ca 2656Fe 47107Ag 54129Xe 54131Xe 54132Xe 82208Pb 92235U 92238U
结合能
128.22 147.80 342.05 492.3 915.2 1087.6 1103.5 1112.4 1636.4 1783.8 1801.6
4 2He9 4H e162 C0 1n
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现代物理学
海森堡率先提出，质子和中子可以通过交换电子而 结合成原子核，其理论后果是导致相互作用的粒 子交换机制，成为现代场论的思想基础。
电子与核子的性质
e
内禀性质
电子
质子
中子
电荷(e)
-e
+e
0
质量
(MeV/c2)
自旋
174N4 2H e187O1 1H
第一个在加速器上实现的核反应
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p73L i 42He42He
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现代物理学
目前，人们掌握和认识的核反应已经达到上 千种，并且这些反应可以一般地写作如下 形式
A+a=B+b
A、a分别表示靶核和入射粒子，B、b分别
代表剩余核和出射粒子。
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工程技术
现代物理学
5）原子核的结合能 实验表明，所有原子核（除氕核外）的质量 总要略小于其内部核子的质量之和，即
m AZP m (AZ)m n
从而造成所谓的质量亏损
m A ZP m (A Z )m n m A
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工程技术Biblioteka 现代物理学现代物理学
4）原子核的自旋
原子核的自旋应当由其内部核子的自旋角动 量以及轨道角动量共同组成，是原子核内 禀特性的一种直接反映
SI I(I1) I n /2 , n 0 ,1 ,2 ,3 ,
实验发现，所有偶偶核（拥有偶数个质子和 中子）的核自旋均为零，而所有奇奇核 （拥有奇数个质子和中子）以及所有奇偶 核（拥有奇数个核子）的核自旋则分别为 整数和半整数。
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工程技术
现代物理学
3）原子核的半径
实验表明，原子核的形状大都为球形且没有 明显的边界，因而只能用统计意义上的区 域半径来表示其尺度大小，即在这个半径 以内核物质存在的几率很大，而一旦超过
， 这个半径结果会迅速下降为零。目前，通 过电子散射方法测定的核半径与其质量数 的立方根成正比
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现代物理学
β衰变连续能谱
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现代物理学
衰变：处于激发态的原子核因发生跃迁而释 放出 光子的过程
ZAX*ZAXγ
例如，铊核发生的衰变
280T 18*l 280T 18 lγ
特点：1）出射光子的能量分立 2）核内部能量非连续
比结合能
7.54 7.78 8.55 8.79 8.55 8.43 8.42 8.43 7.87 7.59 7.57
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现代物理学
五、原子核反应
1．核反应分类
本质上,核反应是一种受激衰变过程，要促 使一个原子核发生反应，就必须用其他核 或粒子去尽可能地接近它，以便在核力作 用范围内引起其内部结构的扰动。例如， 历史上第一个人工核反应(1919年卢瑟福)
1911年卢瑟福提出了原子的核式模型，但存在困难，需要改造
1913年玻尔完善原子结构理论: 1）定态假设； 2）量子化假设；3）跃迁假设
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一、原子核衰变
1Ci3.7110 s01
在我国放射性活度的法定单位是贝可勒尔(Bq) 表示每秒衰变一次的计量
1Ci3.71010Bq
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三、原子核的组成
1) 由氢的原子核——质子组成 2）由质子和电子组成 3）由质子与一种中性粒子——中子组成
1919年，卢瑟福提出中子概念 1932年，查德威克发现中子
亏损质量对应着相对论能量
E A m A c 2 ( Z P m ( A Z ) m n m A ) c 2
例如，氘核的质量 md 2.01355u2
其质量亏损是
m dm Pm nm d0.002u388
对应的结合能
m2c0.002c232 8.28M 3u eV
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核子交换介子的作用图像
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核力的基本特征：（1）属于强作用，是电 磁作用强度的100多倍；（2）为短程力， 其有效力程大约仅有1.71015m；（2）与 电荷无关，即不同核子间的核力基本相同， 从而表现出与电荷无关的性质；（3）具有 饱和性，即每个核子只能与邻近的核子发 生核力作用，因为如果假定不是这样，那 么质量数越大的核，其核力作用也会越强， 结果就必然导致核密度的增加。
（如氢元素有三种同位素：11、H
、
2 1
H
和
3 1
H
）和
同量异位素（如
3 1
H
和
3 2
He
等）。
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四、原子核的基本性质
1）原子核的电荷 +Ze
天然存在的原子核 Z<95
钚
A 94
Pu
A=241，242，244
2）原子核的质量 一个原子质量单位
1u1.6805160-267kg
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• 核反应总体上可按如下几个标准划分
1）靶核质量标准 依据靶核质量数A的大小
对核反应进行分类，也即以 A30 、
30A90和 A90三个区间段，将核
反应区分为轻核反应、中等核反应与重核 反应。
2)入射粒子能量标准 如果以入射粒子的能 量水平为区分，核反应的表现大致不外乎 低能、中能以及高能反应等三种类型。
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二、衰变速率
• 卢瑟福最早发现，钍元素放射强度大约1分钟减弱 为原来的1/2，而在2分钟和3分钟之内依次降低到 原来的1/4与1/8；直至按时间平方反比规律衰减
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衰变关系 dN＝ λN dt
衰变规律 N(t)N0eλt 半衰期 T1/2 ln2/λ
n(~1014m)
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力程应当等于
n ct mπc
m π n c 16 .1 6 0 41 3 1 3 08 40 2 .2 1 2 0 k 8 g 2m 5 e 0
介子有三种带电状态，即带有正电 和负电的
π 以及不带电的介子的 π 0
原子
原子核+ 核外电子
核衰变
α衰变 β衰变
衰变
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α衰变： α衰变是指某种原子核（称为母核） 因自发放射粒子（42 He）而转变成新核（称为 子核）的过程。其衰变模式为
Z AXZA2Y4 2He
例如，一个铀核衰变成钍核的方程是
2932U 8 2930T 4 h42He
Rn r0A1/3
r01.21015m
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或者说核体积同质量数成正比
Vn 34πRn3 34π0r3A
例如，29328 U 的半径仅有 7.41015m
核物质密度基本保持一致，即有
n
Au 1017kgm3
34r03A
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总寿命 平均寿命
τt
N0 t | dN|
0
ττt 1 λN dttλ eλttdt1
N 0 N 0 0
0
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核物质的放射强度由该物质的放射性活度— —单位时间内发生衰变的核的数量表示
In|d d N t|N N 0eλtIn0eλt
放射性活度的单位为居里（Ci）
一些核素的结合能和比结合能（单位 MeV）
核素
12H 23He 24He 36Li 37Li 612C 714N 715N 815O 816O 817O
结合能
2.224 7.718 28.30 31.99 39.24 92.16 104.66 115.49 111.95 127.61 131.76
比结合能
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前言
物理学与科学技术：
互相促进、携手并进、相互渗透；
与哲学、社会科学密切相关，共同推动着经济与社会 的发展；
从生产方式、生活方式与思想观念上改变了人类文明 的进程。
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在现代社会进步的历程中，物理学和工程技术 之间存在紧密的相互联系和深刻的相互作用。
工程技术
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平均结合能——比结合能 ——代表了拆散原 子核时所必须对每个核子付出的能量
εA
EA A
mAc2 A
拥有更大比结合能的原子核其状态会更加稳 定；反之，则稳定性较差
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比结合能随质量数的分布曲线
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特点：1）质量数大于140
2）α粒子能量不连续，核内能量量子化
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β 衰变：原子核通过自发放射粒子而完成的 衰变过程
Z AX Z A 1Yev
例如，一个钾核衰变成钙核的方程是
4 10 9 K 4 20 0 C aev
特点：1）出射电子的能量连续 2）相当于核中的中子转变成质子
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例如，氧核178 O 的质量为 16.9991u3
钾核
39 19
K
的质量为
38.963u7
质子和中子的质量可分别表示为
mp 1.007276u
mn 1.008665u
当采用原子质量单位计量时，各原子核的质 量都非常接近于整数，因此原子的质量数 通常取整数。
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5）原子核内的核力
核力是指广泛存在于核子之间，并足以克服 库仑斥力而最终促使核子结合成核的吸引 作用。这种作用最早出自海森堡提出的粒 子交换概念，但它的有效机制是由日本物 理学家汤川秀树揭示出来的。1935年汤川 秀树指出，核力在本质上是一种介子（因 质量介于电子与质子之间而得名）交换作 用，其交换力程为
现代物理学
Page 1
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前言
在人类历史上，技术的出现先于科学。
技术源于生产活动、生活经验 技术的物质形式：工具
科学从技术的探索与运用中诞生
2021/2/19
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科学知识的源泉： ➢ 一是由于生产发展的需要
思考
感性认识
理性认识
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放射性: 然放射性、人工放射性
• 天然放射性元素的原子序数都大于81， 并依次形成三个质量数分别为4n、 4n+2和4n+3的放射系，即钍(Th)系、 铀(U)系和锕(Ac)系。唯有在人工放射 条件下，才能见到质量数是4n+1的镎 (Np)放射系，原因是该系各原子核衰 变得较快，以致无法长期存在。
➢ 二是人类对客观世界的好奇心和求知的兴趣
自然界
观察 分析 归纳
内在的规律
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前言
哥白尼 16世纪
牛顿 17世纪
麦克斯韦 19世纪
爱因斯坦 20世纪
科学独立存在 有了完整的体系
✓ 科学（首先是物理科学）的革命，引发了生产技 术的革命，使人们对基础科学、应用科学、工程 技术和生产活动的关系，有了新的感受和认识。
✓ 物理学： 对许多工程技术领域的开创起着先导、引领的作用；
✓ 工程技术： 直接地创造生产力，反过来开拓、深化了物理学研究的
疆域，并为之提供了丰富精致的环境条件和研究手段。
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一、物理学与核技术
田湾核电站
现代物理学
原子核物理学的新发现是核工程技术的基础与先导
19世纪末，相继发现了放射性、原子光谱、X射 线、和电子
平均寿命
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0.5110 938.27231
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原子核通常用符号
A Z
X
表示，
其中，具有相同
质子数与相同中子数的核称为同种核素，而具
有相同质子数与不同中子数，以及具有不同质
子数与相同质量数的核则分别被称为同位素
1.112 2.573 7.07 5.33 5.61 7.68 7.48 7.70 7.46 7.98 7.75
核素
917F 919F 2040Ca 2656Fe 47107Ag 54129Xe 54131Xe 54132Xe 82208Pb 92235U 92238U
结合能
128.22 147.80 342.05 492.3 915.2 1087.6 1103.5 1112.4 1636.4 1783.8 1801.6
4 2He9 4H e162 C0 1n
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海森堡率先提出，质子和中子可以通过交换电子而 结合成原子核，其理论后果是导致相互作用的粒 子交换机制，成为现代场论的思想基础。
电子与核子的性质
e
内禀性质
电子
质子
中子
电荷(e)
-e
+e
0
质量
(MeV/c2)
自旋
174N4 2H e187O1 1H
第一个在加速器上实现的核反应
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p73L i 42He42He
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目前，人们掌握和认识的核反应已经达到上 千种，并且这些反应可以一般地写作如下 形式
A+a=B+b
A、a分别表示靶核和入射粒子，B、b分别
代表剩余核和出射粒子。
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5）原子核的结合能 实验表明，所有原子核（除氕核外）的质量 总要略小于其内部核子的质量之和，即
m AZP m (AZ)m n
从而造成所谓的质量亏损
m A ZP m (A Z )m n m A
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4）原子核的自旋
原子核的自旋应当由其内部核子的自旋角动 量以及轨道角动量共同组成，是原子核内 禀特性的一种直接反映
SI I(I1) I n /2 , n 0 ,1 ,2 ,3 ,
实验发现，所有偶偶核（拥有偶数个质子和 中子）的核自旋均为零，而所有奇奇核 （拥有奇数个质子和中子）以及所有奇偶 核（拥有奇数个核子）的核自旋则分别为 整数和半整数。
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3）原子核的半径
实验表明，原子核的形状大都为球形且没有 明显的边界，因而只能用统计意义上的区 域半径来表示其尺度大小，即在这个半径 以内核物质存在的几率很大，而一旦超过
， 这个半径结果会迅速下降为零。目前，通 过电子散射方法测定的核半径与其质量数 的立方根成正比
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β衰变连续能谱
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衰变：处于激发态的原子核因发生跃迁而释 放出 光子的过程
ZAX*ZAXγ
例如，铊核发生的衰变
280T 18*l 280T 18 lγ
特点：1）出射光子的能量分立 2）核内部能量非连续
比结合能
7.54 7.78 8.55 8.79 8.55 8.43 8.42 8.43 7.87 7.59 7.57
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五、原子核反应
1．核反应分类
本质上,核反应是一种受激衰变过程，要促 使一个原子核发生反应，就必须用其他核 或粒子去尽可能地接近它，以便在核力作 用范围内引起其内部结构的扰动。例如， 历史上第一个人工核反应(1919年卢瑟福)