原子物理学 第7章(2)原子核物理概论
原子物理原子核物理概论总结
原子物理原子核物理概论总结英文回答：Introduction:In the field of atomic and nuclear physics, we study the fundamental properties and behaviors of atoms and atomic nuclei. This branch of physics explores the structure, composition, and interactions of these microscopic particles. By understanding the principles of atomic and nuclear physics, we gain insights into the nature of matter and the forces that govern the universe.Atomic Physics:Atomic physics focuses on the study of atoms, which are the building blocks of matter. It investigates the behavior of electrons within atoms and the interactions between atoms and electromagnetic radiation. One of the key concepts in atomic physics is the energy levels ofelectrons in atoms. These energy levels are quantized, meaning that electrons can only occupy specific energy states. The study of atomic physics has led to the development of various technologies, such as lasers, atomic clocks, and atomic spectroscopy.Nuclear Physics:Nuclear physics, on the other hand, deals with the structure and behavior of atomic nuclei. It explores the properties of protons and neutrons, which are the constituents of atomic nuclei. Nuclear physics investigates nuclear reactions, such as nuclear fission and fusion, which release vast amounts of energy. It also examines the stability and decay of atomic nuclei, including radioactive decay. Nuclear physics has applications in fields such as energy production, medicine (e.g., nuclear medicine), and nuclear weapons.Connection between Atomic and Nuclear Physics:Atomic and nuclear physics are closely related fields,as they both study the fundamental particles that make up matter. Atomic physics provides a foundation for understanding the behavior of electrons, which play a crucial role in determining the properties of atoms. Nuclear physics, on the other hand, delves into the structure and properties of atomic nuclei, which are composed of protons and neutrons. The study of atomic and nuclear physics together allows us to comprehend the complex interactions between electrons and atomic nuclei, leading to a deeper understanding of matter and the universe.Conclusion:In conclusion, atomic and nuclear physics are essential branches of physics that explore the properties and interactions of atoms and atomic nuclei. Atomic physics focuses on the study of electrons and their behavior within atoms, while nuclear physics investigates the structure and behavior of atomic nuclei. These fields are interconnected, providing a comprehensive understanding of the fundamental particles that make up matter. The knowledge gained fromatomic and nuclear physics has led to numerous technological advancements and applications in various fields. By continuing to study and explore these areas, we can further unravel the mysteries of the universe.中文回答：介绍：原子物理和核物理是研究原子和原子核的基本性质和行为的领域。
第7章原子核物理概论
居里夫人在工作中遭受了大剂量的辐射.后来长期患恶性贫血 症.弗列德利克·约里奥曾检验过她当年的实验记录本,发现全都 严重沾染了放射物.她当年用过的烹调书,50年后再检查,还有放 射性.
第七章 原子核物理概论
【教学重点】 核力和核矩；放射性衰变的基本规律；和裂
变和核聚变。 【教学难点】核力和核结构。
第七章 原子核物理概论
Manufacture :Zhu Qiao Zhong 3
§7-1 原子核的描述
一、历史回顾 贝克勒尔发现放射现象（1896）
1896年,贝克勒尔发现钠盐的放射现象.
这是人类历史上第一次在实验室里观察 到原子核现象,是核物理学的开端.
第七章
原子核物理概论
Nuclear physics introduction
教材:原子物理学,杨福家,高教社,2008第四版 制作:红河学院理学院 Zhu Qiao Zhong
目录
第七章 原子核物理概论
§7-1原子核物理的对象 §7-2核力 §7-3核的基态特性之一：核质量 §7-4核的基态特性之二：核矩 *§7-5核模型
贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟,
于1892年担任巴黎自然历史博物馆教授 ,而此
职位是他祖父和父亲曾担任过的…
贝克勒尔,1852-1908 法,与居里夫妇共同获
偶然？必然？ 伦琴发现X射线后,彭加勒(法)认为“X射
线可能跟荧光属于同一机理”, 建议贝克勒 尔验证,终于发现钠盐有预期效果.同时发现
§7-5放射性衰变基本规律 §7-6 α衰变 §7-7 β衰变 §7-8 γ衰变 §7-8核反应和核能的利用
原子核物理概论
从核素图上看到，稳定的核素都分布在一个狭长 的带状区域内，通过这狭长带状区域中心可画一条
光滑曲线，这条曲线称为 稳定线(-stability line) 。
稳定线及其附近的这个狭长的带状区域称为核素 的稳定区。 稳定线起始段与N=Z的直线相重合； 随着核子数增多偏向N>Z方向。 上侧区域是缺中子的核素区，具有 放射性(包括 电子俘获 ) 或放射质子；下侧的区域是丰中子核素 区，具有 - 放射性或放射中子。这两个区域的核素 经衰变后转变为更靠近稳定线的核素。
为偶数的原子核是玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。
费米子体系
(xi x j ) - (x j xi )
玻色子体系
(xi x j ) (x j xi )
第七章
原子核物理概论
1,原子核的基本性质 2,原子核的结构模型 3,核衰变 4,核反应 5,裂变与聚变
原子核的一般性质
原子核是原子的中心 , 线度占万分之一，质量占
99%以上.
原子核对原子的主要贡献是原子核的质量和电荷。
把原子和原子核看作物质结构中两个层次。 核外电子行为对原子核的性质几乎没影响；物质 有些性质主要归因于核外电子，如元素化学性质、某 些物性及光谱特性等；有些性质归因于原子核，如放 射性等；除电性以外几乎不存在哪种性质是由原子核 和核外电子共同提供的。
1932年查德威克发现中子后，伊凡宁柯和海森 伯提出核的质子-中子假说。 质子p带1个单位正电荷，质量1.007277u，是电 子质量的1836.1倍；中子n不带电荷，质量1.008665u， 是电子质量的1838.1倍。
质子、中子统称核子，海森伯认为质子和中 子是核子的两个不同状态，质量上的微小差异是 由电性质的不同所引起的。
原子物理学 原子核物理概论 (7.10.2)--第七章原子核物理概论作业解答
第七章作业及解答7-1试计算核素40Ca 和56Fe 的结合能和比结合能．分析:此题可采用两种算法,一是按核结合能公式;另一是按魏扎克核质量计算公式.一.按核子结合能公式计算解：1 ) 对于核素40Ca ，A =40，Z =20，N =20 由结合能公式 B =Z m p +Z m e -M= (20×1.007825+20×1.008665-39.9625)u =0.36721u×931.5MeV/u=342MeV 比结合能 B /A =342/40=8.55MeV2 )对于核素56Fe ，A =56，Z =26，N =30 由结合能公式 B =Z m p +Z m e -M= (26×1.007825+30×1.008665-55.9349)u =0.5285u×931.5MeV/u=492.29775MeV 比结合能 B /A =492.29775/56MeV=8.79MeV 二.按魏扎克公式计算对于题目中所给的40Ca 和56Fe 都是偶偶核.依B=a V A-a s A 2/3-a c Z 2A -1/3-a sys (Z-N)2+a p A 1/2+B 壳,代入相应常数计算也可.7-2 1mg 238U 每分钟放出740个α粒子，试证明：1g 238U 的放射性活度为0.33μC i ，238U 的半衰期为4.5x109a ．31060740-⨯=A )(1033.0)(103.12613Ci S --⨯=⨯=)(1087.41002.6103.121182323813--⨯=⨯⨯⨯==S NAλ故9718105.41015.3/1087.4/693.02ln ⨯=⨯⨯==--λT （年）7-3活着的有机体中，14C 对12C 的比与大气中是相同的，约为1.3x10-12．有机体死亡后，由于14C 的放射性衰变，14C 的含量就不断减少，因此，测量每克碳的衰变率就可计算有机体的死亡时间．现测得：取之于某一骸骨的100g碳的β衰变率为300次衰变／min，试问该骸骨已有多久历史?解：100g 碳14的放射性活度 A=300次/min=5次/s , 又14C 的半衰期 T 1/2=5730a, 1克碳中碳14的含量为12103.1-⨯=M （克）故10122301059.5103.1141002.6⨯=⨯⨯⨯=-N （个）/克故)(13)(21.01059.51015.35730693.011111070----==⨯⨯⨯⨯=g m g s A 而)(310030011--==g m A 由33.431322000===∴==--A A A e A A T tTtt λ12147573012.2693.047.1)2ln 33.4ln (=⨯=⨯==∴T T t （年）7-4 一个放射性元素的平均寿命为10d ，试问在第5d 内发生衰变的数目是原来的多少?由10=τ天，1.01==∴τλ/天 teN N λ-=0 064.0)5()4(10510400=-=-=∆--e e N N N N N 7-5试问原来静止的226Ra 核在α衰变中发射的α粒子的能量是多少? )(102.50026.40176.2220254.2263u M -⨯=--=∆)(84.4931102.532MeV MC =⨯⨯=∆-故)(75.484.4226222MeV E =⨯=α7-6 210po 核从基态进行衰变，并伴随发射两组α粒子。
最新第7章-原子核与粒子物理PPT课件
衰变条件
ii． 衰变：
MX MY
Z AXZ A 1Ye
E ( m X m Y m e ) c 2 ( M X M Y 2 m e ) c 2
iii．电子俘获（K俘获，L俘获）
Z AXeZ A 1Y
原子核俘获一个核外轨道上的电子转变为另一个核的过程
衰变的本质：衰变时一个中子转变为质子或反之，而 轨道俘获其本质就是俘获轨道电子而转变为中子。
0
238 238t
0
N0235 e0.836t N238
0
t 59(亿年）
2. 衰变
Z AXA Z42Y4 2He
m(m Xm Ym )
m X M X Z m em Y M Y ( Z 2 ) m em M H e 2 m e
衰变能
E ( m X m Y m ) c 2 ( M X M y M H e ) c 2
4. 衰变
原子核通过发射光子 从激发态跃迁到较低能态 的过程
X* X
E EiEj h
§7.５ 原子核反应
原子核反应：用具有一定能量的粒子轰击一个原子核，使其 放出某种粒子而转变为新原子核的过程。
(1) 历史上第一个人工核反应
174 N24H e18O 711H (２) 第一个在加速器上实现的核反应
p 12 C 13 N 13 N 13 C e v p 13 C 14 N p 14 N 15 O 15 O 15 N e v p 15 N 12 C
4p 2e2v2.6 7MeV
关于太阳：引力约束等离子体。每天燃烧的氢，相当于每秒爆炸900亿颗百万吨级的 氢弹。碳循环周期 6x106年，质子循环周期 3x109年。太阳外层温度6000K, 中 心温度15,000,000K。
原子物理第七章大学物理
（三）、放射性活度
N N0et
A0 N0
A dN / dt N N0et A0et
表明放射性活度随时间的衰变仍服从指数衰变规律。 单位：国际单位制中，放射性活度的单位为“贝克勒 尔”，记作“Bq”，1Bq=1次衰变/秒
10 1居里(Ci)= 3.7 10 次衰变/秒= 3.7 1010 Bq
1911：原子的核式结构；1945：原子弹；
三、原子核的组成
原子核由质子和中子组成。质子带电＋e；中子不带电。质 子和中子统称核子
几个概念
① 原子质量单位u：
12 6
C 规定的质量为12u.
1u=1.66054×10-27 kg =931.5016 MeV/c2 mn=1.007825 u, mp=1.007727 u ②原子核的符号
放射源所含放射性物质的原子核数： N
NA
A
AT1
2
放射源所含放射性物质的质量： m ( M ) N
ln 2 MAT1
2
N A ln 2
三、 放射系
1．钍(
232 90Th
)系
2．铀(
238 92U )系
235 3．锕( 92U)系
4．镎( 94 Pu )系，
241
四、放射性衰变规律在地质考古上的应用 在考古工作中，
mA M A Zme 原子核质量占原子质量的99％以上；
核外电子的行为对原子核的性质几乎无影响； 原子与原子核为微观系统的两个不同层次。
二、历史回顾
1896： 铀的放射现象；
1932：中子；
1897： 放射性元素钋和镭； 1934：人工放射性； 1899： , 射线； 1939：中子轰击铀，有中间物质产生； 1900： 射线； 1942：链式反应；
原子物理学课程学习资料
《原子物理学》课程学习资料（2011年5月许迈昌编写）一、教学目的：本课程是应用物理学的一门专业基础课，属普通物理课程，其任务使学生掌握原子的组成成份，理解组成原子的电子、原子核之间的相互作用及电子的运动规律，理解原子的量子理论，理解电子的量子角动量和量子磁矩，理解磁场对原子磁矩的作用，理解原子能级结构，理解原子辐射规律和原子光谱．理解原子核的组成以及核衰变、核反应等现象．了解原子物理的实验方法及具体应用，提高学生科学研究的素质． 二、课程内容要求第一章 原子的位形：卢瑟福模型理解电子和原子核的电量、质量和大小量级，使学生掌握原子线度及组成成份，掌握原子的卢瑟福有核模型，理解α粒子散射的实验和理论．瞄准距离21201cot ,224Z Z e a b a Eθπε==第二章 原子的量子态：玻尔模型理解黑体辐射、光电效应规律，使学生理解微观领域物理量的量子化规律，逐步理解微观领域的研究方法，理解原子核对核外电子的基本作用——库仑场，理解玻尔原子量子能级（假说）与原子光谱（实验测量）的关系．光量子的能量与动量,/E h p h c νν==，类氢离子光谱波数242222230211111(),,()(4)21e A A e e Ae m E R R Z R R m c m n n ch hc hc m παλπε∞=-===='+。
第三章 量子力学导论：理解波粒二象性,/,E h h p p mv νλ===、不确定关系/2,/2x x p E t ∆∆≥∆∆≥ 、波函数、概率密度2P ψ=、态叠加原理，薛定谔方程等概念与规律．使学生了解研究微观领域的基础——量子力学的基本概念和基本理论，掌握原子的角动量量子规则． 第四章 原子的精细结构：电子的自旋理解原子磁矩、电子自旋的概念，使学生掌握微观领域独有的自旋运动，理解自旋与轨道相互作用，理解关于原子角动量的矢量模式，理解原子角动量的耦合方式，理解原子磁矩与原子角动量的关系，理解磁场对原子磁矩的作用，理解原子光谱精细结构产生的原因，理解塞曼效应与原子角动量的关系．222ˆˆ31()ˆ22J SL g J-=+，,j z j j B m g μμ=-，0,1,2,,j m j=±±± ，类氢原子L-S 耦合43()2(1)Z U E n l l α∆=+，2211()4e eB m g m g m ννπ'=+-，帕刑-巴拉克效应(2)2s L ee BU m m m =+ ， 第五章 多电子原子：泡利原理理解氦光谱和能级、角动量耦合、泡利原理、周期表、多电子组态和原子能态、洪特定则的内容．掌握两个角动量耦合的一般法则，理解两个价电子原子的光谱和能级，理解泡利原理，了解元素周期表、原子壳层理论，了解多电子组态和原子能态的关系，了解用ML 投影方法给出原子基态．第六章X射线：理解X射线产生的机制，了解X射线的吸收，了解吸收限、掌握康普顿散射．第七章原子核物理学概论：认识核的基本特性，掌握结合能、核自旋、核磁矩等概念，了解核力、核结构模型，了解核衰变的统计规律、α衰变、β衰变、了解γ衰变．参考书目1 韦斯科夫．二十世纪物理学．科学出版社，19792 费米夫人．原子在我家中．科学出版社，19793 王福山．近代物理学史研究（一）（1983），（二）（1986）．复旦大学出版社．二、部分习题(一)论述题1．夫朗克—赫兹实验的原理和结论。
物理学中的原子核物理理论
物理学中的原子核物理理论原子核物理理论是物理学中的一个重要分支。
它研究的是原子核的结构和性质以及核反应的规律。
在这个领域里，科学家们运用了许多物理学原理和数学方法，以便更加深入地了解原子核这个微观世界的奥秘。
一、原子核的结构原子核是由质子和中子组成的，它们结合在一起形成了原子核的稳定结构。
质子和中子都是由夸克这个基本粒子组成的。
质子的电荷为正，质量为1.007825 u；中子的电荷为0，质量为1.008665 u。
由于原子核中的电子数量非常少，原子核的电荷主要由质子提供。
原子核的质量主要由质子和中子的总和决定。
原子核中质子和中子的数量不同，使得它们结构上有所变化。
原子核中质子和中子的比例称为同位素的丰度，它决定了同位素的化学性质。
二、原子核的稳定性原子核的稳定性决定了它们的存在时间和化学性质。
稳定的原子核含有相应的质子和中子数量。
当原子核中的质子或中子过多或过少，就会导致不稳定的核，称为放射性核。
放射性核通过放射性衰变来变得更稳定。
放射性衰变有α衰变和β衰变。
在α衰变中，放射性核会放射出两个质子和两个中子，转变成较为稳定的核；在β衰变中，放射性核会放射出一个电子或正电子，转变成更稳定的核。
三、原子核反应原子核反应是原子核物理学的一个重要研究领域。
它研究的是原子核之间的相互作用。
1.核裂变核裂变是将一个原子核分裂成两个或多个较小的原子核的过程。
裂变过程中会释放出能量和中子。
中子可以促进其他原子核的裂变，形成逐步扩大的连锁反应。
核裂变在核武器制造和核能利用中都有广泛的应用。
2.核聚变核聚变是将两个较轻的原子核合并成一个更重的原子核的过程。
在聚变过程中释放大量能量和中子。
核聚变是太阳内部能量的主要来源，也被应用于核能利用。
3.放射性同位素的应用放射性同位素在医学和科研中有广泛的应用。
放射性同位素可以被用于诊断和治疗癌症、研究生物化学反应和物质的自然衰变等等。
四、原子核物理的研究方法原子核物理的研究方法包括粒子加速器、探测器和计算机模拟等。
原子物理学教学大纲
原子物理学理论课教学大纲《原子物理学》课程教学大纲新06年8月课程编号：02300009课程名称：原子物理学英文名称：Atomic Physics课程类型：专业基础课总学时：54学分：2.5适用对象：物理、电子信息科学专业本科生先修课程：高等数学、力学、电磁学、光学1.课程简介本课程着重从光谱学、电磁学、X射线等物理实验规律出发，以原子结构为中心，按照由现象到本质、由实验到理论的过程帮助学生建立起微观世界量子物理的基本概念，并利用这些基本概念说明原子、分子以及原子核和粒子的结构和运动规律，介绍在现代科学技术上的重大应用。
是近代物理的入门课程，是物理专业的一门重要基础课。
本课程需在高等数学、力学、电磁学、光学之后开设，是理论物理课程中量子力学部分的前导课程，拟在第三学年第一学期开出。
2.课程性质、目的和任务本课程是物理专业学生必修课。
是力学、电磁学和光学的后续课程、近代物理课的入门课程。
是量子力学、固体物理学、原子核物理学、激光、近代物理实验等课程的基础课。
目的是引导学生从实验入手，用量子化和微观思维方式，分析微观高速运动物体的规律。
主要任务是：通过本课程的教学，让学生对原子及原子核的结构、性质、相互作用及运动规律有概括而系统的认识。
通过对重要实验现象以及理论体系逐步完善过程的分析，使学生建立丰富的微观世界的物理图像和物理概念，培养学生用微观思维方式分析问题和解决问题的能力。
3.教学基本要求(1)了解原子物理学、原子核物理学发展的历程，培养科学研究的素质，加深对辩证唯物主义的理解。
(2)了解原子和原子核所研究的内容和前沿研究领域的概况，培养有现代意识、有远见的新一代大学生。
(3)掌握原子、原子核物理学的基本原理、基本概念和基本规律；掌握处理原子、原子核物理学现象及问题的手段和途径。
培养学生掌握科学研究的基本方法。
(4)使学生了解无限分割的物质世界中的依次深入的不同结构层次，理解原子核的结构和基本性质、基本运动规律；(5)结合一些物理学史介绍，使学生了解物理学家对物理结构的实验一一理论一一再实验——再理论的认识过程，了解微观物理学对现代科学技术重大影响和各种应用，并为以后继续学习量子力学和有关课程打下基础。
原子核物理概论.ppt
p h hc 1240 fm MeV 124MeV
c 10 fm c
c
则
v p pc2 240c m mc2
—— 不可能！
另外，原子核的质子-电子假说也无法解释核自旋的实验 事实。以氮原子核为例，按照原子核的质子-电子假说，氮 核中应包含14个质子和7个电子，粒子总数是21，因为质子 和电子的自旋都是1/2，21个粒子合成的氮核的自旋是21/2， 而实际上氮核的自旋是1。
质子和中子统称为核子，海森伯认为质子和中子是核子 的两个不同状态，它们在质量上的微小差异是由电性质的不 同所引起的。在原子核内，中子是组成核的稳定粒子，但在 原子核外，中子是不稳定的，一个自由中子的寿命是888.6 s， 约为15 min，最后衰变为一个质子、一个电子和一个反中微 子，即
n p e ve
➢ 1900年，发现 射线。
➢ 1903年，卢瑟福证实 射线是氦核， 射线是电子。
➢ 1911年，提出原子的核式模型。 ➢ 1919年，实现人工核反应。 ➢ 1932年，查德威克发现中子。 ➢ 1934年，约里奥.居里夫妇发现人工放射性。
➢ 1939年，发现铀原子核裂变。 ➢ 1942年，发明热中子链式反应。 ➢ 1945年，原子弹。 ➢ 1952年，氢弹。 ➢ 1954年，苏联第一个原子能发电站。 ➢ 1958年，我国第一座重水型原子反应堆。 ➢ 1964年，我国第一原子弹试爆成功。 ➢ 1967年，我国第一氢弹试爆成功。
(1) 同位素：是质子数Z相同而中子数N不同的核素，它们 在周期表上占据同一个位置。自然界存在的元素往往是由 几种同位素所组成，并且各种同位素的含量有一定的比例， 这种比例称为同位素的丰度。
例如，自然界存在的氧有三种同位素，即 186O, 187O, 188O ， 它们的丰度分别为99.759%、0.037%和0.204%。
第七章 原子核物理概论
能为0.72 MeV，而核子间的平均结合能约为8.0MeV。
25
2.饱和性的交换力 质量数为A的原子核内有A个核子，是否所有的核子之间都有相 互作用呢？如果是这样，那么原子核内共有A(A-1)对相互作用 。即原子核的总结合能应正比于A2，而事实上却不是这样。 实验表明：总结合能∝A，这意味着，每一个核子只与它临近的 少数几个核子有相互作用，这种性质称为核力的饱和性。 正因为核力具有饱和性，所以高Z核就不稳定，因为静电斥力 不具有饱和性，所以高核的边缘粒子受核力和斥力基本相等， 所以就不稳定。 核子间通过π介子作为交换媒介而发生相互作用。
M ( Z , A) ZM( H ) ( A Z )mn M ( Z , A)
1
13
α粒子是由两个质子和两个中子组成的氦核，其质量亏损为
M ( He) 2 M ( H ) 2mn M ( He)
4 1 4
2 1.007825 2 1.008665 4.002603 0.030377 u
28
核力的介子理论
1935年，日本的汤川秀树提出了核力的介子场论。他认为核力 也是一种交换力，核子间的相互作用是由于交换介子场的量 子——介子而引起的，并且由力程预言了介子的质量介于电子 质量和核子质量之间，是电子质量的200多倍。 直到1947年，才真正找到了汤川预言的介子 ，称介子。有带 正电，负电和不带电的三种，分别记为+、 -、 0，它们的质量 分别为
33
中子不带电，但存在磁矩，这说明中子内部有电荷分布。
核磁矩
原子核的磁矩，就是质子的轨道磁矩，质子、中子的自旋磁 矩的矢量总和，可以表示为：
原子物理学 原子核物理概论 (7.9.2)--核反应-1
核反应的 Q 方程：
pi
pl pi
动量守恒： pi pl pR
p R
pR 2 pi 2 pl 2 2 pi pl cos
p2 2mK
mR KR mi Ki ml Kl
2 mi ml K i K l cos
§41 核反应 (nuclear reaction)
原子核与原子核或原子核与其 它粒子（例如中子、光子等） 之间的相互作用引起的各种变
化。
产生核反应的途径：
用放射源产生的高速粒子轰击 原子核；
利用宇宙射线 (cosmic ray) 来进 行核反应；
利用粒子加速器 (accelerator) 或 反应堆 (reactor) 来进行核反应
A
ni
核反应截面：
s
nr ni Nt
出 射 粒 子 数 （ 反 应 粒 子数 ） 入射粒子数 单位面积的靶核数
6.9.4. 反反截面 (1)
有效面积 s靶子Fra bibliotek每个原子占有一个有效面积s , 入射粒 子打在s 内一定发生反应 .
总有效面积
薄箔靶 , 厚 t, 面积 A, 反反反 N; 入射 ( 出射 ) 粒 子数 ni(nl)
核反应的表示方法：
iT l R 或 T(i , l)R
（
靶原 子核 Target ）
入射 粒子
出射 轻粒子
(incoming particle)
生成核 （剩余核） (Residue nucleus)
（ outgoing light-weight particle ）
原子核物理概论
附加能量： U I B g I N BmI
U g I N B
（4）电四极矩
对于点电荷： e 4 0 r 对于均匀带电体： 1 1 dV 4 0 r 1
e
d
e
z
对于电偶极矩： 1 zd V 2 40 r 1
e
2e
3
VR A
表面能EBS（ surface energy）
E BS 4R
2 2 2/ 3
4 r0 A as A
2/ 3
表面张力系数： （surface tension coefficient）
库仑能EBC（coulomb energy）
2 2 3 1 Ze e E BC Z 5 40 R R 2 3 1 e Z Z 1 5 40 R
Binding energy per nucleon –92.16 MeV for 12 nucleons = – 7.7 MeV per nucleon
Binding energy of a nucleus is the difference between its mass and the sum of the masses of its neutrons and protons
质子的磁矩：
e ˆ ˆ p l g p,s s 2m p
核的玻尔磁子（简称核磁子） nuclear magnetron
e 1 N B 2m p 1836 3.152 10 eV/T
理论： g p , s 2，g p ,l 1 gn, s 0 gn,l 中子磁矩：n 0 ˆ 2s ˆ N 质子磁矩： p l
原子物理cap7核物理概论
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第二节:核质量 第二节:
体积能是核力引起的，而核力是短程力，只与周围几个粒子有作用， 因此表面核子受到的核力作用强度将小于内部粒子，由此引起的对体积能 的 修正 Bs 将与 核的 表面 积成正 比 Bs ~ 4πr 2 ~ A2 / 3 引 入比例 常数 αs ，故
电子）和五个中子构成，相应的质量和为 MBe′ = 4mH + 5mn = 9.0746278u 显 然 m = MBe′ MBe = 0.062442u 可见，核子结合构成原子后总质量减少了， 通常我们称之为质量亏损。 2.结合能 根据Einstein的质能公式 E = mc2 ,或者 E = mc ， 原子核形成过程
mN = m Zme + ∑
n
原子核的绝对质量是非常小的，比如：
En 式中 me 是电子质量，En 是第n个电子的结合能。 c2
12 原子的质量仅为 C
12 1.992678×1026 kg 所以国际上定义， C质量的1/12为原子质量单位，
记为1 ≡1.660566×1027 kg 这样，原子的原子量都是一个很接近某一整 数的量，通常定义这个整数为该核的质量数，并记为A 。
原子的结合能 质量公式
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第二节:核质量 第二节:
1） E 是原子核稳定性的标志， E 越大，相应的核就越稳定； 2） A = 40 ~ 120 之间的核， E 近似为常数，且较大， E ~ 8.5MeV ； 3）轻核（A较小）和重核（A较大）的平均结合能都比较小，因此，轻核的 聚变和重核的裂变都有能量放出，这就是通常所说的聚变和裂变的原子能， 这个能量是相当大的。比如 E(238U) = 7.5MeV ，当一个 238U 裂为两个质量中 等的核 (A ~ 100) 左右 ，则每个核子放出1MeV的能量，因此一个 238U 的核放 出的能量约为200MeV，而一克
原子物理学 原子核物理概论 (7.7.2)--β衰变
发生 EC 的条件：
Qi 0 M X MY Wi c2
若，WK c2 >MX -MY > WL c2 则K俘 获 不 可 能 发 生 ， 可 能 发 生 的 是L俘 获 。
由于2，m所ec2以>>能W发i 生 β+衰变的原子核总可以发生轨道电 子俘获，但是，能发生轨道电子俘 获 的 原 子 核 则 不 一 定 能 发 生β +衰 变 。
1967 年温伯格 (S.Weinberg) 与萨拉姆 (A.Salam) 提出弱相互作用与电磁相互作用统 一的理论 .
1983 年的物理学的最大进展是发现了弱相互作
用的媒介粒子： W 和 Z0( 强相互作用的媒介粒
0
EC 发生的实验依据：
特征 X 射线的发射 俄 歇 电 子 的 发 射
EC(0.34MeV64)Cu(T1 2 12.7 h)
0.6%
(0.573MeV)
EC(1.68MeV) 40.4%
1.34
2me c 2
40%
64 Zn
(0.66MeV)
19 %
64 Ni
64Cu 的衰变纲图
（ 6 ）与衰变有关的 其他衰变方式
1 、中微子吸收
e p n e
2、双 衰变
13502Te(碲) ﾮ13Βιβλιοθήκη 54Xee
e
e
e
82 34
Se(硒)
ﾮ
82 36
Kr
e
e
e
e
3、延 迟 中 子 发 射
87
35
Br
(T1
原子物理学 第7章(2)原子核物理概论
8
4.长半衰期的测定
半衰期是放射性核素的手印.
测定半衰期是确定放射性核素的重要方法.
测出放射性活度A,算出产生A的核素数目N,据A=λN求出λ, 则可求出:T=ln2/λ. 为保证足够的计数以降低统计误差,必须增大N.
第七章 原子核物理概论
若
B A
,当
t B
时
A At N B N A0 e B
15
这时子核将按母核的衰变规律衰变.这一个重要结论启示人们 保存短寿命核素的一个方法.
第七章 原子核物理概论 Manufacture: Zhu Qiao Zhong
自然界存在四个天然衰变链
放射系 钍系 铀系 母核
放射性活度A(也称“放射性强度”,“放射率”,“衰变 率”): 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数 . t A描述放射源每秒发生核衰变的次数 ,
A A0 e
并不表示放射出的粒子数.
dN N N 0 e t A0 e t dt A的单位(1975年规定):贝克勒(或贝可)(Bq). 1Bq＝1次核衰变/秒. A的辅助单位:居里(Gi);毫居(mGi)、微居(μGi)
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9
盖革计数器:根据受辐射气体发生电离而产生的离子和电子能 传导电流的原理设计的.
每个被放大了的电脉冲 即代表一次放射性记数
第七章 原子核物理概论 Manufacture: Zhu Qiao Zhong
10
放射性14C鉴年法(简介)
方法：放射性14C测定年代法 依据：半衰期与反应物的起始浓度无关 假定：大气中14C 、12C的比值恒定 宇宙射线中的大量质子与大气中原子核反应 产生许多次级中子,这些次级中子与大气中的 14 14 14 N反应而产生 C,而 C自发地进行β衰变：
第7章原子核物理概论
第七章 原子核物理概论
Manufacture :Zhu Qiao Zhong 10
J.Chadwick, (1891-1974),英. 因于1932年发现中子,获1935 年度诺贝尔物理学奖.
第七章 原子核物理概论
F.Joliot－curie,法, （1900～1958） I.Joliot－curie,法, （1897～1956） 因于1934年发现人工放射性,同获 1935年诺贝尔化学奖
轶事三则：
1）居里夫人把她千辛万苦提炼出的镭（价值100万以上法郎.他与居里所得 诺贝尔奖金7万法郎）赠送给了研究治癌的实验室.有人劝她把这些财产留给 两个女儿,居里夫人说：“我希望女儿长大自己谋生,我只留给她们精神财富, 把她们引上正确的生活道路,而绝不给她们留金钱.”
2）居里夫人淡泊名利 .一次她的一位朋友来访,看见她的小女儿正在玩英国 皇家学会刚刚颁发给她的金质奖章,惊讶地说“居里夫人,得到一枚英国皇家学 会的奖章,是极高的荣誉,你怎么能给孩子玩呢?”居里夫人笑了笑说：“我是想 让孩子从小就知道,荣誉就像玩具,只能玩玩而已,绝不能看得太重,否则就将一 事无成.”
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哈恩等人发现核裂变（1938）
哈恩（Hahn ）德 （1879～1968）
1938年,哈恩和助手斯特拉斯曼发现 铀经中子照射后产生了中间质量的元 素.接着迈特纳（曾是哈恩的助手）和 弗里什提出核裂变概念,解释了他们的 实验结果.哈恩为此 独获1944年诺贝尔 化学奖.
第七章 原子核物理概论
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分子：107 cm 原子： 108 cm 原子核： 1012 cm 质子：1013cm 电子、夸克1：016 cm
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表示每个核衰变前存 在时间的平均值.
导出要点:
在 t t dt 内,发生衰变的核数为 dN Ndt ,这些
核的寿命为t ,则所有核素的总寿命为
Ntdt
0
于是任一核素
的平均寿命为:
0 Ntdt 1 T 1.44T N0 ln 2
可见τ比半衰期长一点.将上式代入衰变规律还可得到:
Pb
215 85
At
20871Tl
125
211 83
Bi
211 84
Po
207 82
Pb
锕系(4n+3)
80
85
90
Z
第七章 原子核物理概论
N
145
237 93
Np
233 91
Pa
U 235
92
140
22899Th
225 88
Ra
235 89
Ac
135
28271Fr
130
213 83
Br
20891Tl
第七章 原子核物理概论
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16
钍系、铀系级联衰变
N
145
140
228 88
Ra
23920Th
22980Th
135
130
20881Tl
224 88
Ra
220 86
Rn
216 84
Po
212 82
Pb
212 84
Po
125
208 82
Pb
80
85
第七章 原子核物理概论
方法：放射性14C测定年代法 依据：半衰期与反应物的起始浓度无关 假定：大气中14C 、12C的比值恒定
宇宙射线中的大量质子与大气中原子核反应
产生许多次级中子,这些次级中子与大气中的 14N反应而产生14C,而14C自发地进行β衰变：
n14N 14C p 14C 14N e
利比W.F.Libby,14C鉴年法先 驱,获1960年诺贝尔化学奖
eBt )
若
B A
,当
t B
时
NB
N A0
A B
e At
这时子核将按母核的衰变规律衰变.这一个重要结论启示人们
保存短寿命核素的一个方法.
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自然界存在四个天然衰变链
放射系
母核
连续衰 变次数
末代 子核
A满足的 关系式
钍系 23920Th
11
埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样品中,放射性碳-14 例1 的比活度为432Bq·g-1 [即s-1·(gC)-1],而地球上活体植物组织
相应的比活度则为756Bq·g-1,试计算该古墓建造的年代.
解: 衰变反应是: 164C 174N 10e
根据一级反应的速率方程和半衰期公式:
lnct( 164C )= -kt ＋ lnc0( 164C)
T1/2 = 0.693/k 得：k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.21×10-4 a-1
t=n[756Bq·g-1/432Bq·g-1]/(1.21×10-4a-1) =4630 a
如以上数据系2005年所得,则4630-2005＝2625
即该古墓大约是公元前2625年建造的.
放射系
第七章 原子核物理概论
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5.简单的级联衰变
以两代衰变(A→B→C) 为例)
A的衰变服从衰变律:
NA
N e λAt A0
B一方面衰变为C,一方面又不断从A处获得补充,所以B的衰变 规律与λ A, λB 有关:
NB
N A0
A B A
(e At
4
二、放射性衰变的基本规律
N N e 1.衰变定律(统计规律):
t
0
原子核是一个量子体系,核衰变是原子核自发产生的变化,是 一个量子跃迁的过程.核衰变服从量子力学的统计规律.单一的 一个放射性核素的衰变的精确时刻是不可预知的,但足够多的同 种放射性核素的集合体的衰变是有规律的.
设放射性核素数目为N0(t＝0时),在dt内发生衰变的核数目-dN (dN 代表N的减少量,为负值,故在它前面加一负号)为:
例：
210 83
Bi
28140Po
10e
β衰变的位移定则:
子核在元
素周期表中的位置右移1格.
β射线电离本领较弱,但有较强的穿透本领.
γ衰变
例： 2670Co* 2670Co
高能短波电磁辐射（即电子波）
γ射线几乎没有电离本领,但穿透本领很强.
第七章 原子核物理概论
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dN Ndt
它必定正比于当时所存在的核数目N.积分后即得:
N N0et
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5
2.放射性核素的特征量
1)衰变常数:表示一个核在单位时间内发生衰变的几率.
dN / dt (分子表示单位时间内发生衰变的核数目)
N
2)半衰期:放射性核素衰变掉原有核素一半所需的时间.
第七章 原子核物理概论
放射性衰变: 1）提供原子核内部的信息 2）用于为人类造福
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3
一、放射性衰变的类型
α衰变
例：
226 88
Ra
28262Rn
24He(
)
α衰变的位移定则:
子核在元
素周期表中的位置左移2格.
α射线能使气体电离,但穿透本领很小.
β衰变
T ln 2 0.093
t T
N
N0
/
2
1 2 N0
N 0e λT
T
ln 2
第七章 原子核物理概论
N/No 1.00 0.75 0.50 0.25
13 N衰变 （T 10min）
0 1T 2T 3T 4T t
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6
3)平均寿命: 1 1.44T
钍系(4n)
90
Z
N
145
U 238
92
23940Th
234 91
Pa
U 234
92
140
23900Tb
226 88
Ra
222 86
Rn
135
218 84
Po
218 85
At
214 82
Pb
130
21841Tl
214 84
Bi
214 84
Po
210 82
Pb
125 21801Tl
210 83
Bi
210 84
1伦琴(R):使1kg空气中产生2.5×10-4C的电量的辐射量; 1拉德(rad):1kg受照射物质吸收100尔格的辐射能量; 1戈瑞(Gr):1kg受照射物质吸收1J的辐射能量.
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4.长半衰期的测定
半衰期是放射性核素的手印. 测定半衰期是确定放射性核素的重要方法. 测出放射性活度A,算出产生A的核素数目N,据A=λN求出λ, 则可求出:T=ln2/λ. 为保证足够的计数以降低统计误差,必须增大N.
N N0e1 37%N0
表示:经过时间τ后,余下的核素数目约为原来的37%.
第七章 原子核物理概论
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7
3.放射性活度A
放射性活度A(也称“放射性强度”,“放射率”,“衰变 率”):
A A e 放射性物质在单位t 时A间描内述发放射生源衰每变秒的发原生核子衰核变数的.次数,
Po
80
206 82
Pb
85
铀系(4n+2)
90
Z
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17
锕系、镎系级联衰变
N
145
U 235
92
23910Th
140
231 91
Pa
22879Th
223 87
Fr
22970Th
135
223 88
Ra
215 84
Ro
219 86
Rn
130
211 82
第七章(2)
原子核物理概论
Nuclear physics introduction
教材:原子物理学,杨福家,高教社,2008第四版 Manufacture: Zhu Qiao Zhong
目录
第七章(2) 原子核物理概论
§7-5 放射性衰变基本规律
§7-6 α衰变
§7-7 β衰变
§7-8 γ衰变
第七章 原子核物理概论
def
E0 E Er
由于核素表给出的是原子质量
而非核质量,所以可表示为：
mX M X Zme mY MY (Z 2)me mX M 2me
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
2
§7-5 放射性衰变的基本规律
在迄今为止发现的3000多种核素中,绝大多数都不稳定,会自发 地蜕变为另一种核素同时放出各种射线.这种现象称为放射性衰变.
放射性衰变过程中, 原来的核素 (母体) 变为 另一种核素(子体), 或者 进入另一种能量状态.
则此齐次方程的通解为： N Cet