原子物理学-原子核物理的对象
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
物理学中的核物理学和原子物理学研究
物理学中的核物理学和原子物理学研究物理学作为一门关于自然界的科学，研究的是物质和能量以及它们之间的相互作用。
核物理学和原子物理学则是物理学的两个重要分支，它们研究的是微观世界中最基本的组成单位──原子核和原子。
一、核物理学研究核物理学主要研究原子核的性质、结构和变化，以及核反应的规律等。
它的研究对象是原子核，而原子核则由质子和中子组成。
核物理学主要包括以下几个方面的研究内容：1. 原子核的基本性质核物理学研究原子核的质量、电荷、自旋、磁矩等基本性质。
通过实验和理论模型的研究，我们可以更深入地了解原子核的组成和结构。
2. 原子核的结构核物理学研究原子核的结构特性，包括核的形状、壳层结构、能级分布等。
通过探究原子核的结构，我们可以揭示核力的作用机制以及核素的稳定性和放射性衰变规律。
3. 核反应核物理学研究原子核之间的相互作用过程，即核反应。
核反应包括核裂变和核聚变两种形式，研究核反应有助于我们理解核能的释放和利用，以及核武器和核能的应用。
二、原子物理学研究原子物理学主要研究原子的性质、结构和变化等方面的内容。
原子是构成物质的最小单位，由质子、中子和电子组成。
原子物理学主要包括以下几个方面的研究内容：1. 原子结构原子物理学研究原子的电子层结构、能级分布和电子云密度等特性。
通过研究原子的结构，我们可以了解元素的周期性表现和化学性质。
2. 原子光谱学原子物理学研究原子吸收和发射光谱现象，探究光与物质的相互作用规律。
通过原子光谱的研究，我们可以分析物质的组成和结构。
3. 原子核素的放射性衰变原子物理学研究放射性核素的衰变规律和放射线的性质。
放射性衰变是一种自然现象，了解放射性衰变可以帮助我们评估辐射风险和应对核辐射危害。
核物理学和原子物理学在科学研究和实际应用中扮演着重要角色。
核能的利用和核武器的研究都依赖于对原子核性质和反应过程的深入了解，而化学分析和光谱分析等领域也需要原子物理学的支持。
通过对核物理学和原子物理学的研究，人类更好地理解了物质构成的基本规律，并且将其应用于能源、医学、环境保护等方面，推动了人类社会的进步和发展。
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。
原子核物理学的基本概念及实验方法
原子核物理学的基本概念及实验方法原子核物理学，作为物理学的一个分支，研究的对象是原子核结构、反应和辐射等。
现代原子核物理学起源于放射性现象的研究，发展历程从放射性到核裂变、核聚变、中子、质子等粒子的发现和研究，再到核能的应用等。
本文将介绍原子核物理学的基本概念和实验方法。
一、原子核物理学的基本概念原子核是由质子和中子组成的，它是原子的稳定部分。
原子核的结构和性质是原子核物理学研究的核心内容。
原子核可描述为一个粒子系，其内部粒子与其他原子核、原子、电子等粒子交互作用，使其在宏观尺度下表现出各种性质和现象。
原子核物理学基本概念如下：1. 质量数：原子核的质量除原子电子外，主要由质子和中子的贡献构成。
质量数A是原子核中质子数Z与中子数N的和，即A=Z+N；2. 核荷数：原子核荷电量等于其内部质子数Z乘以基本电量e，即eZ，反之，由Z获得核荷信息；3. 核结合能：原子核组成带正电荷，故质子间存在相互斥力，使核系统处于不稳定平衡状态，核内包含中子的“引力”能够维持核结构稳定性。
所谓原子核结合能是指将核中的绝对质量总和与核离解成各自质量总和之差，乘以光速的平方即可得到结合能的数值。
二、原子核物理学的实验方法原子核物理学的实验方法是对原子核物理学研究所必要的重要手段。
实验室通常可将实验手段归为两类：一类是基于原子核间的相互作用，如核反应、核裂变等；二是基于测试加速器或天然辐射场的现象和反应。
1. 核反应核反应是指核粒子之间相互作用后发生的一系列物理过程。
在核反应中，参与反应的原子核可能发生聚变、裂变、放射性衰变、共振吸收等反应。
通过核反应，人们研究了许多探索原子核结构和性质的实验，如利用核反应研究高能粒子、研究核子内部状态等。
2. 核裂变核裂变是指原子核由外界作用下，分为两部分，使裂变合成核伴随着大量释放的能量和中性粒子。
裂变可以通过核反应诱导来实现。
核裂变在原子核物理学中的应用十分广泛，如核能发电和核武器。
《原子物理学》教学大纲
《原子物理学》教学大纲课程类别：专业基础课，必修课先行课程：力学、电磁学、光学、高等数学后继课程：近代物理实验、量子力学主要教材：杨福家，原子物理学(第四版)，北京：高等教育出版社，2008总学时：48理论学时：48学分： 3开课学院：物理电子工程学院实验学时：实验纳入《近代物理实验》课程适用专业：国家理科基地、光信息、应用物理考核方式：考试参考书1 禇圣麟，原子物理学，北京：高等教育出版社，1979, 2005 年1 月第30次印刷。
(注：本书在1987年国家教育委员会举办的全国优秀教材评选中获国家教委一等奖)2 C. J. Foot，Atomic Physics，伦敦：牛津大学出版社，20053 徐栋培、陈宏芳、石名俊，原子物理与量子力学，北京：科学出版，20084 崔宏滨，原子物理学(第二版)，合肥：中国科学技术大学出版社，20125 徐克尊、陈向军、陈宏芳，近代物理学(第二版)，合肥：中国科学技术大学出版社，2008一、课程的目标和任务原子物理学是研究物质微观结构和运动规律的重要基础课，是深入了解物质结构和特性的基础，是许多学科的基础，所以这门课将为学生从事相关学科的研究及其应用领域工作打下良好的基础。
本课程的主要目标和任务是：以原子结构为中心，以科学实验为依据，详细研究原子的结构、性质、及其运动和变化规律，揭示现象与规律的本质；讲述量子物理的基本概念、基本原理和物理图象；初步了解原子核的结构、组成、性质及其相互作用规律；介绍原子物理学的前沿科学研究进展，通过理论与科研实践的结合培养学生分析和解决问题的能力。
二、课程教学的基本要求通过本课程的学习，使学生熟练掌握原子物理学、原子核物理学的基本原理、基本概念和基本规律；掌握原子和原子核的结构、运动规律和研究方法；攻克重点难点问题的解决办法，理论联系科研实践，揭示问题的本质和关键，培养学生不怕困难、勇于探索发现的精神，提高分析和解决问题的能力，使学生具备良好的科研素养，为学生将来的创新性研究工作打好基础。
核安全综合知识
核安全综合知识第一章 原子核物理基础引言1896年贝克勒尔发现天然放射性现象，人类历史上第一次在实验室观察到核变化。
这一重大发现是原子核物理的开端。
第一节 原子和原子核的基本性质一、原子与原子核1898年卢瑟福在“贝可勒尔射线”中发现了α、β粒子，后来证实了α射线是氦原子核，β射线是电子。
1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出原子由原子核和核外电子组成的假设。
目前，人们已知120种元素。
核外电子运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核内部核子的运动是原子核物理学的主要研究对象。
原子和原子核是物质结构的两个层次。
电子带负电荷，电子电荷的值为：e=1.60217733x10-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。
电子的质量为me=9.1093897x10-31kg。
原子核带正电荷，集中了原子的全部正电荷。
原子的大小半径约为10-8cm的量级。
原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。
原子核的尺度只有几十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，放射现象则主要与原子核有关。
二、原子的壳层结构原子的核外电子称为轨道电子。
最靠近核的一个壳层称为K层，在它的外面依次为L、M、N、O壳层等，以此类推。
通常用量子数n(n=1,2,3…)代表壳层。
每个壳层可容纳2n2个电子。
除了K层以外，其他壳层又可分成(2l+1，l=n-1)个支壳层，l是描述电子轨道的量子数。
处于不同壳层的电子具有不同的位能，当电子从无穷远处移动到靠近原子核的位置时是电场力作功，K层的能级最低。
能级的能量大小就等于该壳层电子的结合能，要使该壳层电子脱离核的束缚成为自由电子所需做的功。
结合能是负值，通常以KeV为单位，K壳层电子的结合能的绝对值最大。
在正常情况下，电子先充满较低能级，但当原子受到内在原因或外来因素的作用时，低能级的电子可以被激发到高能级上（称激发过程），或电子被电离到原子的壳层之外（称电离过程），高能级电子就会跃迁到低能级上留下的空位上，并以电磁辐射的形式释放一个光子。
原子物理学。
原子物理学。
原子物理学是研究原子及其内部结构、性质和相互作用的学科。
它是现代物理学的重要分支之一，对理解物质的微观世界起着至关重要的作用。
原子物理学的研究对象是原子，它是物质的基本单位。
原子由原子核和围绕核运动的电子组成。
原子核由质子和中子组成，质子带有正电荷，中子没有电荷。
电子带有负电荷，数量与质子相等，使得原子整体呈现出电中性。
在原子物理学中，我们研究原子的结构和性质。
原子的结构由电子云和核组成。
电子云是电子在原子周围的分布，它的形状和能级决定了原子的化学性质。
原子核由质子和中子组成，质子的数量决定了原子的元素性质。
不同的元素由不同数量的质子组成，因此具有不同的化学性质。
原子物理学的研究还包括原子的相互作用。
原子之间可以通过电磁力相互作用，形成分子和晶体等复杂结构。
原子内部的相互作用也非常重要，如原子核内质子和中子之间的相互作用，以及电子与原子核之间的相互作用。
这些相互作用决定了原子的稳定性和性质。
通过研究原子物理学，我们可以更好地理解物质的性质和行为。
原子物理学在许多领域具有广泛的应用，包括材料科学、能源研究、医学和环境科学等。
例如，原子物理学可以帮助我们开发新型材料，
改善能源利用效率，探索医学诊断和治疗的新方法，以及研究大气污染和环境保护等问题。
原子物理学是一门重要的学科，它研究原子的结构、性质和相互作用，对于我们理解物质世界起着重要的作用。
通过深入研究原子物理学，我们可以更好地认识和利用原子的特性，推动科学技术的发展，为人类社会的进步做出贡献。
原子核物理的对象核外电子
主要内容：
1、原子核的基本性质 2、放射性衰变的基本规律 3、三种衰变 4、核反应、原子能
§7.1、原子核物理的对象
核外电子-原子物理学 原子核-原子核物理学
一、原子的中心：原子核
原子核对原子性质的主要贡献是原子核的质量和电荷，原 子核的其他性质对原子的影响相当微小。 核外电子的行为对原子核的性质也几乎没有关系。 除了物质的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。
9 对铍（4 Be）核，Z=4，N=5，结合能
B 4M H 5mn M Be c2
4 1.007825 51.008665 9.012183 931.5
58.16MeV
原子核的结合能越大，核子之间的结合就越牢固， 原子核就越稳定。为了比较不同原子核的稳定程度，我们 引入核子的平均结合能，定义为原子核的结合能与原子核 内所包含的总核子数之比，即
9 4 例：氦（2 Be）原子的质量分别是 He）原子和铍（ 4 4.002605u和9.012183u，试计算氦核和铍核的结合能。 已知1uc2=931.5MeV。
4 He）核，Z=2，N=2，结合能 解：对氦（2
B 2M H 2mn M He c2
28.30MeV
2 1.007825 2 1.008665 4.002605 931.5
§7.2、核的基态特性之一：核质量
一、“1+1=2”
原子核的质量并不等于质子和中子的质量之和。
例如：氘核 2 H
中子质量： mn 1.008665u
质子质： mp 1.007277u 氘核质量： md 2.013552u
则 mp mn md 0.002390u 2.225MeV / c 中子和质子组成氘核时，会释放出一部分能量。
原子核物理概论
3）库仑能 Bc
七 章
——质子间库仑斥力使结合能减小
:
我们知道，核中Z个质子中的每一个都与其
原 子 核 物
余（Z-1）个有相互作用，因此库仑能 Bc 将正比于核内的相互作用对数 Bc ~ Z(Z 1) ~ Z 2
原子的结 合能
理 概 论
另一方面，每个质子间的相互作用能为
e2 R
~
e2 A1/ 3
B 故
1）E 是原子核稳定性的标志，E 越大，相应
子
核
的核就越稳定；
物 理
2）A 40 ~120 之间的核，E近似为常数，且较
概 论
大，E ~ 8.5MeV
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第二节:核质量
3）轻核（A较小）和重核（A较大）的平均结合
第 七
能都比较小，因此，轻核的聚变和重核的裂变
章 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
原子的结
原 子
E( 238U ) 7.5MeV，当一个238U裂为两个质量中等的核 合能
核 物
(A ~100)左，右 则每个核子放出1MeV的能量，因此 质量公式
理 概
一个238U 的核放出的能量约为200MeV，而一克
论
238U
含有
6.021023 2.351021 238
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第一节:原子核的描述
第
原子核的基本情况---核素图
七
章
上面我们知道，核是由质子和中子构成
:
的，那么 Z，N的不同搭配使自然界共有多少
原
种核呢？
电量
子 核
原子核物理学介绍
• 1919年
实现人工核反应，用α 粒子从氮核打出质子。
原子的中心
• 原子由 质子 + 电子 组成? 均匀分布?
• 1909 年, 盖革，马斯顿，用α 粒子轰击原子，发现有 8000分之一的几率被反射回来，难以理解? • 1911 年, 卢瑟福提出有核模式。正电荷和原子质量集 中在原子中心的小范围内，这就是原子核。重大发现， 但不受重视。
中子的发现
• 原子核的组成？？？
• 最初，基本粒子只有电子，质子，原子核由电子 和质子组成？？？ 电子在原子核内？？？
hc 1240 fm MeV 124 MeV p c 10 fm c c h E pc 124 MeV
自旋， 统计
• 1920 年,
卢瑟福提出:
• 海森堡，原子核 ： 质子 + 中子，---〉核子，两 个不 同状态
原子核符号
符号：
A z
X
Z 相同， N 不同
同位素 （isotope)，
同量异位素 (Isobar)，A 相同, Z 不同 同中子异荷素(Isotone). N 相同, Z 不同
Z
核素图
N
核素图
• 天然存在的核素: 280多种, 稳定, 60 多种, 长寿命放射性 • 人工制作的有1600 多种放射性
Thermal neutron Cancer cells
癌細胞
10 10
熱 中性 子
B
B
10
B
正常細胞
10
B
10
B
Normal cells
章节安排
• • • • • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 放射性 原子核的一般性质 核的结合能与液滴模型 α衰变 β衰变 γ衰变 原子核反应 核力 原子核结构 中子，裂变，聚变
核安全工程师综合知识第一章原子核物理知识(精简版)
（第一章）原子核物理基础引言（P1）1.1895年X射线1896年放射性这三大发现揭开了近代物理的序幕，物质结构的研究开始进入微观领域。
1897年电子2.放射性现象1896年法国科学家贝克勒尔（Becquerel A.H）发现的天然放射性现象是人类第一次观察到核变化的情况，通常人们把这一重大发现看成是原子核物理的开端。
3.20世纪50年代，逐步形成了研究物质结构的三个分支学科，即原子物理、原子核物理和粒子物理，这三者各有独立的研究领域和对象，但又紧密关联。
本章重点论述原子核物理这一领域。
第一节原子和原子核的基本性质（P1-6）1.到目前为止，包括人工制造的不稳定元素在内，人们已经知道了100多种元素。
2.1911年卢瑟福(Rutherford R.C.)根据α粒子的散射实验提出了原子的核式模型的假设，即原子是由原子核和核外电子组成。
补充：1898年, 卢瑟福（Rutherford）在“贝可勒尔射线”中发现了α、β粒子,后来证实了α射线是氦原子核，β射线是电子。
3.原子就被分成两部分来处理：核外电子的运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核则成了另一门学科——原子核物理学的主要研究对象。
原子和原子核是物质结构互相关联又泾渭分明的两个层次。
4.关于电子：（1）电子是由英国科学家汤姆逊(Thomson J.J.)于1897年发现的，也是人类发现的第一个微观粒子。
（2）电子性质：①电子带负电，电子电荷的值为e＝1.602 177 33×10-19CPS: 电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。
②电子的质量为m e＝9.109 389 7×10-31kg补充：质子质量：1.6726231×10-27kg；中子质量：1.6749273×10-27kg5.原子核性质：（1）原子核带正电荷，原子核的电荷集中了原子的全部正电荷。
（2）原子核的质量远远超过核外电子的总质量；（3）原子核的线度只有几十飞米，而密度高达108t/cm3PS:1fm＝10-15m＝10-13cm 1nm=10-9m6.关于原子（1）原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征的；（2）原子的大小即半径约为10-8cm的量级。
原子物理学课件
原子物理学课件第一部分：原子结构原子是物质的基本组成单位，由原子核和电子组成。
原子核位于原子的中心，由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。
电子带负电，围绕原子核运动。
原子的结构可以用波尔模型来描述。
波尔模型认为，电子在原子核周围的运动是量子化的，即电子只能处于特定的能级上。
当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射特定频率的光子。
原子物理学的研究对象包括原子、分子和凝聚态物质等。
原子物理学的研究方法包括实验和理论计算。
实验方法包括光谱学、散射实验和原子碰撞实验等。
理论计算方法包括量子力学、量子场论和统计力学等。
原子物理学的研究对于理解物质的基本性质和结构具有重要意义。
原子物理学的研究成果在许多领域都有应用，如材料科学、化学、生物学和天文学等。
第二部分：量子力学与原子量子力学是描述原子和亚原子粒子的运动和相互作用的物理理论。
在量子力学中，粒子的位置和动量不能同时精确测量，这就是著名的海森堡不确定性原理。
在原子物理学中，量子力学被用来解释电子在原子中的运动。
根据量子力学，电子不是像波尔模型那样在固定的轨道上运动，而是在原子核周围形成概率云。
电子在原子中的能级是量子化的，这意味着电子只能处于特定的能级上。
量子力学在原子物理学中的应用还包括解释原子光谱和原子碰撞现象。
原子光谱是原子发射或吸收光子时产生的光谱线，这些光谱线可以用来确定原子的能级结构。
原子碰撞是指原子之间或原子与其他粒子之间的相互作用，这些相互作用可以导致原子能级的变化。
量子力学是原子物理学的基础，它为我们理解原子的性质和行为提供了重要的理论工具。
量子力学的研究成果不仅对原子物理学的发展具有重要意义，也对其他物理学领域的研究产生了深远的影响。
第三部分：原子物理学的发展与应用原子物理学的发展历程可以追溯到19世纪末20世纪初，当时科学家们开始研究原子的结构和性质。
随着量子力学的发展，原子物理学逐渐成为一门独立的学科。
原子物理学的研究成果在许多领域都有应用，如材料科学、化学、生物学和天文学等。
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。
数学物理学中的原子核物理学理论研究
数学物理学中的原子核物理学理论研究原子核物理学是研究原子核内部结构和性质的学科。
随着物理学的发展，原子核物理学也得到了快速的发展。
原子核物理学作为物理学的一个重要支柱之一，已经深入到了许多领域。
原子核物理学的主要研究对象是原子核。
原子核是由质子和中子组成的，是核物质的基本构成单位。
原子核物理学的研究内容包括原子核的构成模型、原子核的基本性质、核反应、核能的产生与消耗等方面。
原子核的构成模型是原子核物理学的基础。
原子核有许多具有确定能量和位置的粒子，这些粒子虽然具有不同的性质和规律，但是它们在原子核内部的分布却是极其复杂的。
在原子核物理学中，科学家们提出了两种常用的原子核模型：液滴模型和壳模型。
液滴模型是原子核物理学中最古老的模型之一。
它认为原子核就像一个小小的液滴一样，液滴的分子间作用力形成了原子核内部的相互吸引力和相互斥力，并且在外部还具有一个对称性。
液滴模型可以解释原子核的轨道磁矩和核磁共振等现象，对核反应的描述也很成功。
壳模型是随着原子核物理学的发展而产生的新模型。
它认为原子核的粒子分布存在着壳层结构，就像电子在原子中存在壳层结构一样。
壳层结构使得原子核的性质变得更为复杂，例如核的质量、磁矩、自旋等性质都与壳层结构有关。
原子核的基本性质是原子核物理学研究的重点之一。
其中包括质量、电荷、自旋、核磁矩等。
其中，原子核的质量和电荷是最基本的物理量，也是核物理学研究的基础。
原子核的质量非常小，但是它却具有强大的核力，这使得原子核显得非常稳定。
原子核的电荷则是由质子的数目决定的，而电子的存在则对原子核的电荷有很大的影响。
自旋和核磁矩则与原子核中的质子和中子的自旋和磁性有关。
核反应是原子核物理学中的另一个重要内容。
核反应可以分为两种：放射性衰变和核反应。
放射性衰变是指核内的粒子自发地发生变化，释放能量和粒子。
核反应则是指两个或多个原子核之间的相互作用，这种相互作用需要高能量的粒子，通常是中子或质子。
核反应在核能的产生和利用中具有重要的应用价值。
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：
第七章 原子核物理概论 32节 原子核物理的研究对象3
四、核素图
按原子序数Z把核素排在一张图上――核素图。
N—横坐标；Z—纵坐标。
图33.2――核素图的缩小版示意图。
图32.3――核素挂图，每已小格代表一个特定的核素。
核素图中，包括300多个天然核素（280多个稳定核素（60多个长寿命放射性核素），），也包括1600多个人工制备的放射性元素，公200多个核素。
核素的稳定区：
轻核：大致满足：Z=N；
重核：N>Z。
位于稳定线上方――缺中子区。
位于稳定点下方――丰中子区。
定性分析：核的质量密度：1014g/cm3.核子间存在强大的核力。
质子带电，相互排斥，
破坏核的稳定。
轻核区，库仑力较小，N=Z的核素比较稳定；同时，质子核中子均为费米子，受泡利原理限制，每个能态只能存在2个质子和2个中子，故N=Z时，体系能量最低。
Z增大时，库仑力为长程力，正比于Z(Z-1)，而核力为短程力，正比于A.随着Z增加，
库仑排斥力的作用的影响比核力作用的影响增加得快，必须靠较多得中子数抵消库仑力的
破坏，故中子数多于质子数。
当Z大于某已数值时，核力已不能抵消库仑力的影响，核素
无法存在。
核素半岛与核素岛。
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
Manufacture :Zhu Qiao Zhong 13
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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迄今为止发现2000多个核素，其中300多个天 然核素(280多个稳定核素，60多个放射性核素)， 其余是自1934年以来人工合成的放射性核素。
核素图
核素的稳定区：稳定核素几乎全落在
一条光滑曲线上或紧靠其两侧,
此区域称核素的稳定区.
对于轻核,这条曲线与直
线N＝Z重合,当N、Z
增大至一定数值后,
稳定线逐渐向
位于稳定线
N＞Z的方
上侧的为缺中子
向偏离.
核区,下侧为丰中子核区.
中子数和质子数过多或过少
的核素都不稳定.
中科院近物所.新核素图.114种元素.3070个核素
(4)
Stable and unstable nuclei: balance of numbers of protons and neutrons
第七章
原子核物理概论
主要内容
32 原子核物理的对象 33 核的基态特性之一:核质量 34 核力 35 核的基态特性之二:核矩 *36 核模型 37 放射性衰变的基本规律 38 α衰变 39 衰变 40 γ衰变 41 核反应 42 裂变与聚变:原子能的利用
§32 原子核物理的对象
下面一条极限 线为中子泄漏线， 线上中子结合能为零。
核素(nuclide)图
(1)原子的中心：原子核 线度、质量 原子核的电荷：q Ze
(2)历史回顾 1896年,贝克勒尔发现铀的放射现
象；
1897年,居里夫妇发现钋和镭；
1899-1900年，发现、、 射线；
1903年，卢瑟福证实 射线是氦核， 射线是电子；
1911年，卢瑟福提出原子核式模型； 1919年，卢瑟福首次实现人工核反应：
1952年，美国实现轻元素的热核爆炸； 1954年，苏联建成第一个原子能发电站； 1958年，我国建成第一座重水型原子反
应堆； 1964年，我国成功试爆原子弹； 1967年，我国成功试爆氢弹。
（3）原子核(nucleus)的组成
★原子核由质子和电子组成？
•微观粒子的波动性（以氦核为例）
=2d≈10fm 非相对论
原
子
核
表
示
符
号
：ZAX
（
N
或AX）
N： 核 内 中 子 数 ；
Z： 核 内 质 子 数 ；
A N Z：核内的核子数，
即质量数。
原子核对原子性质起主要贡献的是 核的质量和电荷。
元素的物理、化学性质或光谱特性 主要与核外电子有关，而放射性现 象则归因于原子核。
核外电子的行为对原子核的影响甚 微,可不予考虑。
核素相关概念
元素:质子数相同的一类原子.
核素:具有相同质子数和相同中子数的一类原子核.
同位素:Z相同但N不同 同中子异位素:N相同但Z不同
例如 例如
235U ,238U
2 1
H
,
3 2
H
e
同量异位素:A相同但Z不同.
同质异能素:A和Z均相同但 能量状态不同.
例如
40 18
Ar
,1490K
例如 60Co,60 mCo
原子质量单位u：同位素12C原子质量的1/12
1u
12 6.022 1023
1 12
g
1.66 1027
kg
核子中质子子((nperuottroonn))：：mmpn
1.008665u 1.007277u
nucleon
原子核质量数A：原子的质量都接近于 一个整数,这个整数称为…原子核的质 量一般可用质谱仪测定，其测量精度可 达10-6
p
h
hc
c
1240fm MeV 10fm c
124 MeV c
v
p m
pc2 mc2
124c MeV 0.511MeV
240c
相对论
E2 (pc)2 (mc2 )2
pc 124 MeV mc2 0.511MeV
E pc 124MeV
•核自旋 （以氮核为例）
★原子核由质子和中子组成
核
150
素
100
stable alpha decay beta decay electron capture positron emission fission
N=Z
(nuclide)
50
图
0 0
20
40
60
80
100
proton number Z
稳定核素(黑方块)、实验已发现的核 素(在两条曲折线范围内)以及理 论预告的核素(在两条实线 范围内).上面一条实 线称为质子泄漏 线、线上质子 结合能为零
用粒子从氮核中打出质子；
1932年，查德威克发现中子，海森伯 提出原子核由质子和中子组成；
1934年，小居里夫妇发现人工放射性； 1939年，重核裂变现象被发现，玻尔
和惠勒提出重原子核裂变的液滴模型 理论；
1942年，费米等发明热中子链式反应 堆；
1945年，美国制造出原子弹；原子弹 在日本广岛分裂；