核物理与核技术

三.原子核的结合能
原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就 应等于所有质子和中子的质量之和：
mx=Zmp+(A-Z)mn 但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量 之和，这一差值称为原子核的质量亏损：
m=Zmp+(A-Z)mn-mX
根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：
爱因斯坦
E=(m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c2
Ba
＋
91 36
Kr
＋
3 01n
• 2、临界体积 能够发生链式反应的铀块的
最小体积叫做它的临界体积。
足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临
界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1
kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。
任何有核反应 堆的国家都不难得 到爆炸级的裂变材 料，原子弹的基本 设计又如此简单， 从而为防止核武器 扩散带来了困难。
核裂变
核裂变(nuclear fission)是大核分裂为小核的过程. 普 通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。
铀-235的裂变与核武器
素的 元 种 35
200 多种同 位素
爆 发生链反应 炸
235 92
U
＋ 01n
235 92
U
＋
01n
13572Te ＋
97 40
Zr
＋ 2 01n
142 56
链式反应的控制——核反应堆
核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式 反应，从而实现核能―热能转换的装置。核反 应堆是核电站的心脏，核裂变链式反应在其 中进行。
1942年美国芝加哥大学建成了世界上第 一座自持的链式反应装置，从此开辟了核 能利用的新纪元。
按能普分有: 热能中子反应堆 快速中子增值堆 按冷却剂分有： 轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆） 重水堆 气冷堆 钠冷堆 按用途分有： （1）研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对物理学、 生物学、 辐照防护学以及材料学等方面进行研究； （2）生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀-233、钚-239； （3）动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发 电。
例如，铝：A=27
，
Z
=13
：
27 13
Al
二、原子核的形状和大小
当质子数或中子数为2、8、20、28、50、 82及中子数为126的原子核处于基态时，其电 荷与质量的分布是球对称的。其他原子核具有 轴对称性，呈现接近球形的旋转椭圆形。
原子核的平均半径： r r0 A1 3
r0 1.21015 m 1.2 fm fm: 飞米 1fm 1015 m
• 2.β衰变 • 三种衰变反应式：
A Z
X
YA
Z 1
e
ve
A Z
X
YA
Z 1
e
ve
A Z
X
eK
YA
Z 1
ve
对应三种变换：
n p e ve
p n e ve p e n ve
• 3.γ衰变和内转换
• 以辐射的形式发出γ光子（即γ射线）
•
γ 衰变 或γ跃迁
• 以能量直接转移给核外的轨道电子并使其电离
• 三、链式反应
• 1、链式反应
• 重核裂变时放出的中子引起其他重核的 裂变，可以使裂变不断进行下去，这就 是链式反应。
• 反应的特点：
• 利用一个中子轰击一个轴核，使 轴核发生裂变，在反应中还放出2个中 子，中子对未反应的轴核再进行轰击， 从而使核反应出现连锁反应，使在短 时间内出现积累效应。
1945年爆炸的第一颗原子弹
１９４５年５月８日，第二次世界大 战的罪魁祸首德国法西斯宣布无条件 投降。７月２６日，美国、英国和中 国三国发表“波茨坦宣言”，敦促日 本迅速无条件投降，但日本政府置之 不理。
为迫使日本迅速投降，１９４５年
８月６日８时１５分，美军一架Ｂ－ ２９轰炸机飞临日本广岛市区上空， 投下一颗代号为“小男孩”的原子弹。 “小男孩”是一颗铀弹，长３米，直 径０.７米，内装６０公斤高浓铀，重 约４吨，梯恩梯当量为１.５万吨。炸 弹在距地面５８０米的空中爆炸，在 巨大冲击波的作用下，广岛市的建筑 全部倒塌，全市２４．５万人口中有 ７．８１５万人当日死亡，死伤总人 数达２０余万，城市化为一片废墟。 这是人类历史上首次将核武器用于实 战，广岛成为第一座遭受原子弹轰炸 的城市。
我国在1964年10月成 功试爆的第一颗原子弹 采用的也是内爆法，它 表明我国在但是已建立 了完整的核工业体系， 从铀矿的开采、冶炼到 铀同位素的分离都能独 立自主地进行。
一、贫铀及其特性
贫铀是铀浓缩过程中的作为尾料的副产品。
贫铀具有放射性，由于贫铀中U234、U235含量减少， 因此贫铀的辐射能仅是天然铀的60％，虽然弱一些，但 并无本质减少，贫铀的辐射能主要是由U238贡献的。
原子弹
原子弹是利用裂变材料铀-235的链式裂 变反应原理制成的核武器，它的基本原理是 利用化学炸药使处于次临界状态的裂变物质 突然达到超临界状态，致使链式反应迅速扩 大而产生核爆炸。
“枪法”是把两块或多块裂变物质靠炸药压拢 在一起而达到超临界的方法。
“内爆法”是利用炸药产生的内聚冲击波去压 缩处于次临界状态的裂变材料，使其密度急 剧增高，达到超临界状态
•
内转换
• 无论是γ 衰变还是内转换，原子核的组成都不改变，
只是所处的状态发生改变
原子核的人工转变：用粒子（或或……）轰击原子核 使之发生变化的过程，叫做原子核的人工转变。（或 说：用人工方法使原子核发生变化的过程，叫做原子 核的人工转变）（原子核的人工转变是核反应中的一 种。）
——
一、核能
原子核的结构发生变化时放出的能量， 叫做核能。
质子和中子组成核的过程中，有能量E 释放出来。反之，要使原子核再分解为 单个的质子和中子就必须吸收E的能量。
氘 E
质子
中子
来自百度文库氘核吸收E能量后分解为质子和中子
放射性
• 放射性就是不稳定原子核自发地发射 出一些射线而本身变为新的原子核的 现象。
• 1896年，法国物理学家贝克勒尔 • 首先观察到铀盐的荧光现象。
2、中子的发现
卢瑟福的另一位学生查德威克（1891—1974年）就在卡 文迪许实验室里寻找这种电中性粒子，他一直在设计一种加 速办法使质子获得高能，从而撞击原子核，以发现有关中性 粒子的证据。
1929年，他准备对铍原子进行轰击，因为它在α粒子的撞 击下不发射质子，有可能分裂成两个α粒子和一个中子。 与 此同时，德国物理学家波特及其学生贝克尔已经先走一步。
原子核的组成中子中子质子质子统称统称核子核子uuhehehh23592核电荷数核电荷数质量数质量数原原子子核核的的组组成成10101515元素符号元素符号原子核的基本性质原子核的基本性质电荷质量半径结合能核子半径约为081015kg106726231质子质量中子质量kg101674928627原子质量单位kg106605402定义碳同位素12一原子核的电荷和质量原子核带电量为zez为核内质子数也称为原子核的电荷数
1、揭开原子核内部的奥秘 2、核衰变与放射性 3、重核裂变与原子弹 4、热核聚变与氢弹 5、色彩纷呈的核技术
——
揭开原子核的内部奥秘
（一）核物理的发展 （二）原子核的基本性质
1、质子的发现
1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的 电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的 原子核。卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射 线相对的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一 个单位，卢瑟福将之命名为质子。
• 1.α衰变 • α衰变过程为
三种衰变方式
A Z
X
Y A4
Z 2
(
4 2
He)
• 衰变能
E衰 (MX MY M )c2
• 分配给子核与α粒子的动能
E衰
EY
E
1 2
MY
vY2
1 2
M
v2
• 又动量守恒要求
MY vY M v
•故
E
E衰
MY MY M
E衰（1-
4） A
• 通常重元素发生α衰变，有 A>>4 ，所以 E E衰
贫铀除了具有放射性外，它的金属性能也是其他金 属不可替代的。它具有高密度、高硬度、高韧性等物理 特性，其密度为19.3克／厘米3，可以和钨匹敌，几乎 是铅的2倍。
其化学性质很活泼，而且是一种放射性的剧毒物质，一 旦进入人体内，对人体各器官、特别是肾造成损害，最 终会导致各种恶性肿瘤、儿童先天性残疾等发病率激增， 留下巨大的战争后遗症。
二、贫铀弹
贫铀作为核燃料的副产品，在过去相当长的时间 内被作为核废料，而用于核废料的管理费用是相当巨 大的。因此各生产核燃料的国家都为贫铀的利用寻找 出路。目前已有不少国家将贫铀用于新弹药的研制， 生产了贫铀弹。美国在贫铀的利用方面取得了突破性 进展，美国生产的新式M1A1坦克采用了贫轴装甲， 大大提高了坦克防护能力。在海湾战争期间，美国使 用了贫铀穿甲弹。
3、原子核的组成 原子核由质子和中子组成。 1919年，卢瑟福首先实现
了原子核的人工破裂，并发现 了质子，记作 p 。
1932年，英国物理学家查德威 克在实验中发现了中子，记作 n 。
质子和中子称为核子。
原子核的组成
原子核的组成
10－15m
质子
统称核子
中子
元素符号
质量数 （核）电荷数
A Z
X
1 1
• 1898年，法国物理学家皮埃尔居里夫妇 • 发现了两种放射性更强的元素。
• 不久，卢瑟福把已发现的射线分成三种：
•
α
β
γ
放射性衰变定律
N (t ) N0et
• N(t) ——t时刻尚未发生衰变的核素的数目
• N0 ——t=0时刻的核素数目
• λ ——表征衰变快慢的常量，称为衰变常量
• 注意：放射性衰变规律是一个统计规律，只有 当放射性核素的数目很大时才是适用的，而且 必然伴随着衰变数目的涨落。
慢中子反应堆（热中子反应堆）
热中子反应堆简称“热堆”，它是依靠速度大为减慢了 的，而又处于在热运动情况下的热中子轰击铀-235原子核， 使其发生链式反应的。热堆又分为轻水堆（普通水）、重水 堆、和高温气冷堆等。
轻水堆又分为压水堆和沸水堆。
快中子增值堆
快中子增值堆简称“快堆”，是一种正在开发的第二 代新型先进反应堆，与普通反应堆相比，其先进性主要体 现在“快”和“增值”。
二、裂变
重核受到其他粒子（如中子）轰击时分 裂成两块或两块以上中等质量的核的过程称 为裂变。裂变过程中放出中子并释放大量能 量。
• 什么叫重核裂变？重核在什么情况下才能 发生裂变呢？
• 1938年12月德国科学家用中子轰击重核铀 时，发现铀核的裂变现象。之后，核能利 用问题才逐渐被了解清楚，从而使控制和 利用原子能成为可能。
1928年开始，他们就在做对铍原子核的轰击实验，结果 发现，当用α粒子轰击它时，它能发射出穿透力极强的射线， 而且该射线呈电中性。但他们断定这是一种特殊的γ射线。在 法国，居里夫人的女婿和女儿约里奥—居里夫妇也正在做类 似的实验，波特的结果一发表，就被他们进一步证实了，但 他们也误认为新射线是一种γ射线。
1919年，卢瑟福用加速了的高能α粒子轰击氮原子，结 果发现有质子从氮原子核中被打出，而氮原子也变成了氧 原子。这可能是人类第一次真正将一种元素变成另一种元 素，几千年来炼金术士的梦想第一次成为现实。但是，这 种元素的嬗变暂时还没有实用价值，因为几十万个粒子中 才有一个被高能粒子打中。
1924年，卢瑟福已经从许多种轻元素的原子核中打出 了质子，进一步证实了质子的存在。
定义碳同位素12C 的质量为12u 。 u 原子质量单位 1u 1.66054021027 kg
质子质量 mp 1.007 276 470u 中子质量 mn 1.008 644 904u
核素 各种原子核的统称。
A Z
X
X ：元素符号。 A：核素的质量数（核子数）。 Z：核电荷数（核内质子数）。
H
4 2
He
235 92
U
原子核的基本性质
电荷 质量 半径 结合能
一、原子核的电荷和质量 原子核带电量为 +Ze，Z 为核内质子数也
称为原子核的电荷数 。
核子半径约为 0.8×10-15 m 。 质子质量 mp 1.67262311027 kg 中子质量 mn 1.6749286 1027 kg
世界上第一颗原子弹由洛斯.阿拉 莫斯实验室设计，与1945年7月在美 国新墨西哥沙漠中引爆。
第一颗用于战争的原子弹，是 1945年8月8日美国投在广岛的原子 弹（代号:Little Boy）。
使原子弹小型化：
1.减少原子弹引爆控制 装置 2.减少临界质量：提高核
燃料的密度可提高中子碰撞原子 核的可能性。
1932年，见到德国和法国同行的实验结果后，查德威克意识 到这种新射线很可能就是多年来苦苦寻找的中子。他立即着手
实验，花了不到一个月的时间，就发表了“中子可能存在”的 论文。他指出，γ射线没有质量，根本就不可能将质子从原子 核里撞出来，只有那些与质子质量大体相当的粒子才有这种可
能。其次，查德威克用云室方法测量了中子的质量，还确证了 中子确实是电中性的。中子就这样被发现了。约里奥—居里后 来谈到，如果他们去听了卢瑟福于1932年在法国的一次演讲， 就不会坐失这次重大发现的良机，因为卢瑟福那次正好讲到自 己关于中子存在的猜想。查德威克由于发现中子而获1935年度 诺贝尔物理奖。