原子核物理实验方法Chapter4

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(完整版)原子核物理及辐射探测学1-4章答案

第一章习题答案1-1 当电子的速度为18105.2-⨯ms 时，它的动能和总能量各为多少？答：总能量 ()MeV ....c v c m mc E e 924003521511012222=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-==；动能 ()MeV c v c m T e 413.011122=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--= 1-2.将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？答：α粒子的静止质量()()()u M m M m e 0026.44940.9314,244,224,20=∆+=≈-= α粒子的质量 g u m m 2322010128.28186.1295.010026.41-⨯==-=-=βα1-4 kg 1的水从C 00升高到C 0100，质量增加了多少？答：kg 1的水从C 00升高到C 0100需做功为J t cm E 510184.41001184.4⨯=⨯⨯=∆=∆。

()kg c E m 1228521065.4100.310184.4-⨯=⨯⨯=∆=∆ 1-5 已知：()();054325239;050786238239238u .U M u .U M ==()()u .U M ;u .U M 045582236043944235236235==试计算U-239,U-236最后一个中子的结合能。

答：最后一个中子的结合能()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 774845126023992238922399222==⋅-+=()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 54556007027023692235922369222==⋅-+= 也可用书中的质量剩余()A ,Z ∆：()()()()MeV ....,n ,,B n 806457250071830747239922389223992=-+=∆-∆+∆= ()()()()MeV ....,n ,,B n 545644242071891640236922359223692=-+=∆-∆+∆=其差别是由于数据的新旧和给出的精度不同而引起的。

原子核物理4

22.101 应用核物理（2004年秋）第2讲（9/13/04）薛定谔波动方程参考文献：Eisberg, Fundamentals of Modern Physics (Wiley & Sons, New York, 1961). R. L. Liboff, Introductory Quantum Mechanics (Holden Day, New York, 1980)._____________________________________________________________________在这一讲，我们将对原子核进行量子力学的描述。

核的某些性质只能用量子力学才能进行恰当的描述，其中最容易想到的是核的能级以及能级之间的跃迁。

其它的例子包括各种各样的核辐射；在这些例子中，我们有时将辐射当作波看待，有时又当作粒子来处理。

论述量子力学本身并不是本讲的目标。

然而，为了正确理解核的有关概念以及辐射相互作用，我们没有理由回避使用量子力学。

事实上，认真学习这门课的读者在决定是否学习量子力学这个问题上几乎别无选择。

这是因为量子力学的概念和术语已经是核物理的一个不可分割的组成部分了，以至于量子力学的一些知识已成为全面掌握核物理所必须的了。

整个这学期我们的原则是学习足够的量子力学来理解核物理的基本概念，并且让每个有兴趣的学生学得更深入。

这意味着我们并不总是要推导所使用的基本表达式和方程，学生可以把这些方程作为假设来使用（正如通常情况一样，同学有权力去独立钻研背景材料）。

波与粒子先回顾一下波的基本性质和波粒二象性的概念。

在经典力学里，一维周期性扰动),(t x ξ的方程是：22222xc t ∂∂=∂∂ξξ （2.1）这个方程有如下的通解：)(0),(t kx i e t x ωξξ−= (2.2)其中πνω2=是圆频率，ν是频率，k 是波数，与波长λ的关系为πλ2=k 。

如果(2.2)式要成为(2.1)式的一个解，则和k ω必须满足如下的关系ck =ω (2.3) 因此我们得到的解是相速度等于c 的行波的形式，用ph ν代表这个速度。

原子核物理课件第四章(杨福家版)

第三章原子核反应原子核衰变现象是不稳定的原子核自发地发生转变，最后变成稳定的原子核。

（1）核衰变只涉及到不稳定核素到稳定核素的转变，大量存在的稳定核素都不会发生衰变；（2）核衰变是自发过程，不涉及到核与核、核与其它粒子的相互作用；（3）核衰变只涉及到低激发能级，通常在（3~4）MeV以下。

§4.1 核反应概述•一、核反应及实现核反应的途径•1、核反应•原子核与原子核、或者原子核与其它粒子（例如中子、质子、γ光子等）之间的相互作用所引起的各种变化叫做核反应。

因此核反应是产生不稳定原子核的最基本途径。

•几个著名的核反应：•（1）第一个人工核反应：α+14N p+17O •（2）第一个在加速器上实现的核反应•p+7Li α+ α•（3）第一个人工放射性核素的反应•α+27Al n+30P•其中30P发生β+衰变，半衰期为2.5min •（4）产生中子的核反应•α+9Be n+12C•2、实现核反应的途径•（1）利用放射源产生的高速粒子去轰击原子核。

•（2）利用宇宙射线来进行核反应。

•（3）利用带电粒子加速器或者反应堆来进行核反应。

这是实现人工核反应的最主要手段。

•二、核反应过程的表示及分类•一般情况下，核反应可以表示为•1、按照出射粒子的不同情况，把核反应过程分为两类：•①核散射：出射粒子与入射粒子相同的核反应，又分为弹性散射和非弹性散射。

•②核转变，是指出射粒子和入射粒子不同的核反应，bB a A +→+•2、按照入射粒子的种类来分，核反应可分为•①中子核反应•②带电粒子核反应•③光核反应•3、按照入射粒子的能量不同•①低能核反应•②中能核反应•③高能核反应•三、反应道和守恒定律•（1）电荷守恒，即反应前后的总电荷不变。

•（2）质量数守恒，即反应前后的总质量不变。

•（3）能量守恒，即反应前后体系的总能量（静止质量和动能之和）不变。

•（4）动量守恒，即反应前后体系的总动量不变。

•（5）角动量守恒，即在反应过程中，总角动量不变。

原子核物理实验方法-兰北

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎰min max 20422042ln π4π4max min b b v m e NZz b db v m e NZz dx dE b b ion NB v m e z dx dE ion 2042π4=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=2222201ln 2ln c v c v I v m Z B 一、射线与物质的相互作用1、带电粒子与靶物质原子的碰撞载能带电粒子在靶物质的慢化过程，完全是由带电粒子与靶物质原子中的电子和靶原子核发生各种相互作用的结果，可归纳为1) 与核外电子发生非弹性碰撞；2) 与原子核发生弹性碰撞；3) 与原子核发生非弹性碰撞；4) 与核外电子发生弹性碰撞；与核外电子发生非弹性碰撞：当带电粒子从靶物质近旁掠过时，入射粒子与靶原子核外电子的库仑相互作用使电子获得一部分能量。

称为电子阻止。

如果电子获得的能量足以使电子脱离原子核的束缚成为自由电子，这个过程就叫做电离；如果传递给电子的能量较小，只能使电子从低能级状态跃迁到高能级状态，这个过程就叫做激发。

这是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式。

与靶原子核的非弹性碰撞：入射带电粒子靠近靶原子核时，会受到原子核的库仑力作用，使入射粒子的速度和方向发生改变。

这种运动状态的改变，伴随着发射电磁辐射，并使入射粒子能量损失较大。

对于α粒子和β粒子，由于二者质量相差较大，因此与靶原子核的非弹性碰撞α粒子运动状态改变不大，而β粒子运动状态改变显著。

与原子核发生弹性碰撞：满足动能守恒和动量守恒，入射带电粒子被反弹，靶原子核被反冲。

从靶物质对原子核的阻止看，称为核阻止。

与核外电子发生弹性碰撞：满足动能守恒和动量守恒。

极低能量的β粒子入射才需考虑。

2、重带电粒子与物质的相互作用（如质子和α粒子）重带电粒子与物质相互作用主要分为两部分：与核外电子发生非弹性碰撞(电子阻止)和与原子核发生弹性碰撞(核阻止)。

原子核物理实验方法

原子核物理实验方法
1 原子核物理实验方法
原子核物理实验方法是研究物质原子或核结构和行为的实验方法，是应用物理学原理探索原子或核现象的关键手段。

是研究物质原子、
核及其相互作用的核物理实验。

1.1 同步辐射实验
同步辐射实验是以同步辐射装置(同步加速器)释出的电子束，经
入射腔、反射腔、放大器和调谐器等设备，同步循环传输，使电子束
获得加速而得到高能时，在探测器前斩断，将电子束转换成强烈辐射，以此来研究核素和电子及其间的相互作用，以达到研究目的。

1.2 核共振吸收实验
核共振吸收实验本质上是一种射频和脉冲NMR实验，通常是由核
磁共振物理光源和一个反应器组成的一种物理实验。

利用反应系统加
以调节，可以使反应系统具有可控的射频和脉冲原子核吸收，以及核
磁共振应用研究原子核，进行分子计算和模拟，并在实验室里实现核
磁共振成像。

1.3 核内应力装置实验
核内应力装置实验是为探究原子核素中子体系结构和中子质量分布，用各种辐射粒子，如电子、中子、轻微子、突变线等，向样品放
射，测定反应后产物能位分布，并从能位结构中推断核内形态，用以
研究界面特性和结构、研究半衰期及分布等的原子核物理实验。

原子核物理实验是物质原子或核结构和行为的实验方法，也是用
物理学研究原子和核现象的关键手段，目前常用的实验方法主要有同
步辐射实验、核共振吸收实验和核内应力装置实验。

由于它们使得我
们能够更好地了解物质组成，因此在科学研究中起着非常重要的作用。

原子核物理实验方法Chapter1

1.1核衰变数和计数的统计分布
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放射性计数的统计涨落：在放射性测量中，即使所有实验条件都是稳定的，在相同时间内对同在相同时间内对同一对象进行多次测量，每对象进行多次测量，每次测到的计数并不完全相同，而是围绕某个平均值上下涨落。 1. 不是观测者的主观因素造成的 2. 不是测量条件变化引起的。 3. 而是微观粒子运动过程中的一种规律现象，是放射性原子核衰变的随机性引起的。在放射性核衰变中，N0个原子核在某个时间间隔内衰变的数目n是不确定，但是n服从统计分布规律。另一方面，原子核衰变发出的粒子能否被探测器所接收并引起计数，也有统计涨落问题即探测效率的随机性问题计涨落问题，即探测效率的随机性问题。基于此，下面我们根据数理统计的理论分别讨论其规律性。
School of Nuclear Science and Technology
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系统误差影响系统的准确度，偶然误差影响系统的精确度。在核辐射测量中，偶然误差是一项主要的误差，产生的原因有两个：一是核事件的随机性产生的统计误差；二是测量仪器在正常工作条件下的测量误差。
统计误差是一种特殊的偶然误差，是由微观世界的随机性所决定的。
注意：在二项式分布与泊松分布中，n是离散随机变量，只能取整数值但对高斯分布来说是连续型随机变数所以f(x) 取整数值。但对高斯分布来说，是连续型随机变数，所以理解为在x处的概率密度函数。此时， P(n)可以写成
n 0.5
P ( n)
n 0.5

f ( x)dx f (n)
School of Nuclear Science and Technology
N0
2
N 0 pq m 1 p

核物理与原子核实验教学教案

● 06
第六章总结与展望
核物理与原子核实验教学的总结
在核物理与原子核实验教学中，我们常常遇到一些问题，例如实验设备不足、学生理论基础薄弱等。为了提高教学效果，我们需要定期进行教学效果评估，及时调整教学方案。在教学中积累经验，分享给其他教师也是非常有益的。
未来发展方向
核聚变能量产生实验
聚变反应器的设计
设计合理的反应器结构
实验结果分析
对实验数据进行深入分析
实验装置
选择和搭建合适的装置
核聚变能量产生实验
核聚变是一种高效的能量产生方式，通过合并轻元素产生更稳定的重元素释放能量。实验中需要精确设计反应器结构，确保能量产生的稳定性。
放射性同位素的应用实验
可以研究核能级与核结构之间的关系为核反应实验提供基础理论支持
反应堆堆芯检测实验
01 实验原理
通过测量反应堆堆芯中的辐射情况，分析反应堆工作状态
02 实验装置
包括辐射探测器、测量仪器等设备
03 实验步骤
准备、测量、分析堆芯中辐射源的情况
总结
核反应实验是核物理领域的重要实践教学内容，通过裂变、聚变、中子激发等实验，可以更好地了解核反应过程及相关原理。同时，反应堆堆芯检测实验可以帮助监测核反应堆的运行状态，确保安全可靠。在实验中要严格控制各项参数，保证实验结果准确性。
β衰变实验
实验目的
研究β衰变现象
实验结果分析
通过测量β粒子的能谱分析衰变
过程
实验装置
包括探测器和放射性样品
γ射线探测实验
探测器原理
探测γ射线的工作原理
实验步骤
设置探测器射线源照射

原子核物理(卢希庭)课后习题答案全

原子核物理(卢希庭)课后习题答案全答案第一二章很全,后面章节也较多第一章习题1-1 A 利用课本上的公式AZ BA, B已知(书上第四页) E h (其中h是常数为 .63 1034 ) 6B 上课讲的公式答案第一二章很全,后面章节也较多2-2质谱仪工作原理1 2 M qV (1) 2 M 2 q B ( 2) R q 2V qB 2 R 22 2 即M M B R 2V 由，1 2可以解出M A 1.66 10 27答案第一二章很全,后面章节也较多1-31 2 M qV 2 2 M q B R 2VM R 2 qB 2V1M 1 2 q1 B1 2V2 M 2 2 q2 B2答案第一二章很全,后面章节也较多4 1-4, 计算下列各核的半径：He, 2107 47Ag,238 92U, 设r0 1.45 fm.解：由R r0 A 3知，对于He,R 1.45 44 2 1 31fm 2.33 fm1 3对于对于107 47 238 92Ag,R 1.45 107 U,R 1.45 2381fm 6.88 fm fm 8.99 fm31-5, 实验测得241 Am和243 Am的原子光谱的超精细结构由六条谱线., 解：由已知条件知原子的总角动量量子数可以取6个值又电子总角动量j核的自旋I 5 2 5 2已知相应原子能级的电子角动量大于核的自旋，试求241 Am和243 Am核的自旋。

2I 1 6 I即241 Am和243 Am核的自旋为答案第一二章很全,后面章节也较多原子209 Bi的谱线2 D3 分裂成四条子能级，相邻能级的间距比为：4,求核的自旋值6 5: I2以及谱线2 S 1 和2 D3 分裂的能级总数。

原子核物理实验方法

原子核物理实验方法
原子核物理实验是研究原子核的性质、结构和相互作用的一种方法。

原子核物理实验方法可以通过各种技术手段对原子核进行探测和研究。

下面是原子核物理实验的几种常见方法：
1. 能量谱测量法：原子核在放射性衰变或者其他核反应中发射出的粒子，如α粒子、β粒子、伽马射线等，其能量分布具有一定的规律性。

通过测量这些粒子的能谱，可以获得关于原子核结构和反应过程的信息。

2. 核共振荧光法：这种方法通过激发原子核的自旋磁矩，使其跃迁到高能级，然后再自发辐射回到基态时发射出特定的荧光。

通过测量这些荧光的特性，可以获得原子核的结构信息。

3. 转动能谱法：这种方法是通过测量气态或液态核自由转动时发射的微波辐射谱线的形状和频率，来研究原子核的结构和旋转动力学行为。

4. 放射性示踪法：这种方法是利用放射性核素的衰变特性，在试验物体中引入放射性核素，通过测量其在试验物体中的运动和分布情况，来研究物质在原子核层面的相互作用和运动规律。

总的来说，原子核物理实验方法是多种多样的，具体的实验方法会根据研究目的和样品的不同而有所不同。

在实验过程中，需要用到各种高精度的检测设备和分析方法，例如：核反应堆、加速器、探测器、电子学、计算机模拟等等。

原子核物理实验方法

第一章放射性测量中的统计学放射性事件与核事件，例如核衰变、带电粒子在介质中损耗能量产生电子—离子对、射线或中子与物质相互作用产生带电粒子等，在一定时间间隔内事件发生的数目和某一事件发生的时刻都是随机的，即具有统计涨落性。

因此在实验测量中，一定时间内测到的核事件数目或某种核事件发生的时刻也总是随机的。

了解放射性事件随机性方面的知识，一方面可以检验探测器的工作状态是否正常，分析测量值出现的不确定性是出于统计性原因还是仪器本身有其他误差因素，另一方面可对所测得的计数值进行一些合理校正，给定正确的误差范围，这对以后分析掌握辐射探测器的性能，安排实验测量是很有必要的，本章着重讨论在放射性测量中常遇到的一些统计涨落问题。

第一节核衰变数和计数的统计分布在放射性测量中，即使所有实验条件都是稳定的，如源的放射性活度、源的位置、源与探测器间的距离、探测器的工作电压等都保持不变，在相同时间内对同一对象进行多次测量，每次测到的计数并不完全相同而是围绕某个平均值上下涨落，这种现象称为放射性计数的统计涨落。

这种涨落不是由观测者的主观因素（如观测不准确）造成的，也不是由测量条件变化引起的，而是微观粒子运动过程中的一种规律性现象，是放射性原子核衰变的随机性引起的。

在放射性核衰变中，N个原子核在某个时间间隔内衰变的数目n是不确定的，这就引0起了放射性测量中计数的涨落，它服从统计分布规律。

另一方面，原子核衰变发出的粒子能否被探测器所接收并引起计数，也有统计涨落问题，即探测效率的随机性问题。

下面我们根据数理统计的理论分别讨论其规律性。

一、核衰变的统计分布假定在0t =时刻有0N 个不稳定的原子核，在某一时间t 内将有一部分核发生衰变。

先考虑一个原子核的情形。

假如在某一短时间间隔 t ∆内放射性原子核衰变的概率t P ∆与此原子核过去的历史和现在的环境无关，则t P ∆正比于t ∆，因此t P t λ∆=∆比例常数λ是该种放射性核素的特征值，因为衰变与不衰变是两种互相排斥的事件，两者概率之和为1，所以该原子核经过t ∆未发生衰变的概率是11t t q P t λ∆∆=-=-∆若将时间t 分为许多很短的时间间隔t ∆，则/t t i ∆=，那末该原子核经过2t ∆未发生衰变的概率为：2(1)(1)(1)t t t λλλ-∆-∆=-∆经过t 时间后未发生衰变的概率为：(1)(1)i i t t iλλ-∆=- 令i →∞，则0t ∆→，我们有：lim[1()]i t i t e iλλ-→∞+-= 所以一个放射性原子核经过t 时间后未发生衰变的概率为t e λ-，那末对于0t =时刻的0N 个原子核，在经过t 时间后未发生衰变的原子核数目为：0t N N e λ-= 1.1放射性核衰变服从的三种最基本的分布规律，即二项式分布，泊松分布，高斯分布（正态分布）。

核与粒子物理实验方法4scinti

➢ 激发态上电子从杂质的高激发能级跳到杂质能级的基态，把激发能传给周围的晶格作振动，以热能的形式出现而不发射光子。这种杂质称为“淬灭中心”，在闪烁材料中，这种“淬灭中心”应该越少越好。
➢ 如果杂质能级是亚稳态，电子在上面可以停留较长时间，该能级就如同陷阱一样。处于其中的电子可以在热运动中再跳到导带中，然后跳回满带并发射光子。这种情况下，发光时间较长，达s或更长，是闪烁光中的慢成分，常叫“磷光”。有些晶体，陷阱中的电子，靠自己的热运动还跳不回导带，需要外界加热(热释光)或光照射(光释光)。
BICRON无机闪烁体
Light output (%) Scintillator of NaI(Tl)
NaI(Tl) CsI(Tl) CsI(Na) CsI(pure) BGO BaF2(f) BaF2(s) CaF2(Eu) CdWO4 ZnS(Ag) YAlO3:Ce
100 45 85 4-6 20 3 16 50 30-50 130 18
有机闪烁材料中各种材料吸收和发射光谱示意图。
• 惰性气体（液体）闪烁体的发光机制
惰性气体或液体也是一种闪烁材料。这种材料的发光机制又不同于上述两种。下图简要描述了这种发光机制。
入射粒子通过激发或电离气体原子损失能量。被激发的原子与临近原子形成激发分子态，该分子态退激发后变成两个原子时发射紫外光。被电离的原子则与临近原子形成电离分子态，该分子态捕获一个自由电子后又形成激发分子态，该分子态退激发后变成两个原子时发射紫外光。
4.4.3 闪烁光的读出
闪烁体发射的闪烁光的读出包括两个方面： 1）几何匹配：闪烁体读出端与光子探测器间几何尺寸的匹配； 2）光谱匹配：闪烁体发射的闪烁光的波长分布与光子探测器光电转换效率随波长分布的匹配。

原子核物理实验方法

一、判断题（每题2分，共20分）1、重带电粒子均为带正电荷的粒子（√）2、重带电粒子在介质中运动径迹为曲线，电子在介质中的运动径迹近似为直线（ⅹ）3、对同种材料，电子能量越高，反散射越严重对同样能量的电子，原子序数越低的材料反散射越严重（ⅹ）4、快电子与物质相互作用时，只考虑电离损失（ⅹ）5、吸收物质原子序数越大各相互作用截面越大，其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射变化最小（√）6、脉冲电离室中离子对全部被吸收，所用的时间大约为10−3S（√）7、脉冲电离室形成的电压脉冲由电子脉冲和离子脉冲两部分组成，两者贡献各占一半（ⅹ）8、自猝熄G-M计数管所能加的气体只有卤素气体一种（ⅹ）9、能量低的β粒子从放射源到探测器途中易被吸收（√）10、闪烁探测器的高压是通过分压器加在光电倍增管（√）二、选择题（每空3分，共30分）1、两个湮没光子的能量相同，各等于 B ，两个光子的发射方向相τ差近似DA 0.511KeVB 511KeVC 120oD 180o2、Po210的α粒子能量为5.3MeV，在真空中的射程为3.8cm，平均电离能为34eV，其总电离N为 AA 1..56*105B 1.39*106C 1.56*106D 1.39*1053、已知一探测器的实测计数率为n，分辨时间为τ，据此可求得该探测器的平均计数率为CA nτB 1−nτn C n1−nτD nτn−14、测量γ射线一般选用 A 闪烁体，测量α射线一般选用 C 闪烁体，测量β射线和中子一般选用 B 闪烁体A NaI（Tl）B 塑料C ZnS（Ag）D BGO5、在进行放射性测量中，要求计数率的相对误差不大于+1%时，要求总的计数N 应不小于 BA 105B 104C 103D 1026、4π计数法提高了测量精度，误差可减少到 B 左右A 0.05%B 1%C 5%D 10%7、在NaI（Tl）中2MeVγ射线相互作用的光电效应、康普顿效应和电子对效应的截面比为1:20:2，入射到NaI（Tl）中的2MeVγ射线的脉冲幅度谱给出的峰总比是 A 1/23A 大于B 小于C 等于D 以上都不对三、简答题（每题5分，共25分）1、γ射线与物质发生相互作用有哪几种方式？答：γ射线与物质发生相互作用：光电效应、康普顿效应、电子对效应2、比较典型的气体探测器有哪几种？答：典型的气体探测器有：电离室、正比计数器、G-M计数管3、与电离室相比，正比计数器有哪些优点答：正比计数器优点：脉冲幅度大、灵敏度较高、脉冲幅度几乎与原电离的位置无关4、常用的半导体探测器有哪些？半导体探测器优缺点有哪些？答：常用的半导体探测器：PN结半导体探测器、锂漂移型半导体探测器、高纯锗半导体探测器优点：能量分辨率最佳；射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比缺点：对辐射损伤较灵敏；常用的锗测器，需要低温（液氮）条件下工作，使用不便5、中子按能量可分为哪几类？中子与物质发生相互作用有哪几种方式？中子探测的方法有哪些？答：中子分类：快中子、热中子、超热中子、慢中子相互作用方式：中子的弹性和非弹性散射；中子的辐射俘获、中子核反应、中子裂变反应中子的探测方法：核反应、核裂变、核反冲、活化法四、计算题（1、2题每题8分，3题9分，共25分）1、能量为1.50MeV的γ放射源放在铅容器里，为了安全，必须使容器外的强度减小为原来的1/4000，试求容器壁至少需多厚。

核物理实验与核反应：核反应和核物理实验的实验设计与实践

衰变
核粒子放射出整个原子核变为另一种核放射性元素的特征
链式反应
一次反应引发下一次反应用于核武器等
核实验设计与实践
核物理实验的设计需要综合考虑实验目的、实验方法、实验装置等多个因素，以确保实验数据的准确性和可靠性。在实践过程中，严格遵守核安全规范，是保障实验人员安全和防止核辐射污染的重要措施。
03 核实验设计与实践
考虑实验目的、实验方法、实验装置
核物理实验的意义
推动科学研究
探索核结构、核反应规律
确保核能安全
防止核辐射污染和事故发生
促进技术进步
为能源领域提供技术支持
核反应的基本概念
裂变
分裂原子核释放能量常见于核电站反应堆
聚变
多个原子核融合释放能量太阳等恒星运行的基础
核物理实验与核反应
汇报人：XX
2024年X月
第1章简介第2章核反应的类型第3章核物理实验方法第4章核物理实验应用第5章核反应堆实验第6章总结与展望
目录
● 01
第1章简介
核物理实验与核反应简介
01 核物理实验的意义
推动核能应用和核技术发展
02 核反应的基本概念
裂变、聚变、衰变等过程
启动
安全启动反应堆
监控
停堆
实时监控反应堆运行情况
安全停堆反应堆
核反应堆实验数据分析
01 功率分布分析
评估反应堆功率分布情况
02 中子通量测量
测量反应堆中子通量变化
03 燃耗计算
计算燃料的燃耗情况
总结
核反应堆实验是核物理研究中不可或缺的重要环节。通过科学的实验设计、操作和数据分析，可以深入了解核反应堆的运行机理，为核能发展提供重要支持。

第四章原子核反应

西安交通大学核科学与技术学院第四章原子核反应41概述42q方程及其应用43核反应截面和产额44细致平衡原理45核反应机制及核反应模型41核衰变是不稳定核素在没有外界的影响下自发地改变核的性质
西安交通大学核科学与技术学院
第四章原子核反应
刘书焕
第四章原子核反应
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 概述 Q方程及其应用核反应截面和产额细致平衡原理核反应机制及核反应模型
反应道
7
Be n
4.1 概述
核反应过程遵守一系列守恒定律： A (a,b) B 1）电荷数守恒：反应前后反应物和生成物的电荷数的代数和相等，即
Z a Z A Z B Zb
2）能量守恒：反应前后反应物和生成物的总能量（静止能量和动能）之和相等。
E a E A E B Eb
3）动量守恒：反应前后反应物和生成物的动量的矢量和相等，即
pa p A p B pb
4）角动量l守恒：总角动量保持不变。
4.1 概述
5）质量数守恒：即反应前后总质量数不变 6）宇称守恒：即对每一类型的核反应，体系的总宇称不变。在强相互作用和电磁相互作用中，宇称守恒，核反应属于强相互作用。
1 2
式中a、A、b和B分别表示入射粒子、靶核、出射粒子 (一般指轻粒子）和剩余核。
4.1 概述
核反应过程涉及到粒子与核、核与核的相互作用，稳定核素到不稳定核素的转变；核反应的能量变化比核衰变大得多，通常大于一个核子的结合能，高的可达102～103MeV，因而它是研究原子核高激发能级的重要手段；可以在更广阔而深邃的领域研究原子核。
0.001281 931.5 1.193MeV
4.3 实验室坐标系和质心坐标系

物理实验技术的核物理实验方法

物理实验技术的核物理实验方法导言物理实验技术在科学研究中起着重要的作用。

在核物理实验中，特定的技术方法被广泛应用，以研究和了解原子核的性质。

本文将探讨一些核物理实验中常用的技术方法和仪器。

一、加速器加速器是进行核物理实验的重要工具。

它们可以加速离子或粒子以极高的速度，使其能够和原子核产生碰撞，进而探索其内部结构。

加速器的一种常见类型是线性加速器，它可以通过电场和磁场的组合来加速带电粒子。

另一种常见的加速器是环形加速器，如质子同步加速器（PSA）和正负电子对撞机（LEP），它们可以以环形轨道加速粒子。

二、粒子探测器粒子探测器用于观察和记录加速粒子与其他粒子的相互作用，以获取有关物质结构和性质的信息。

探测器的设计和使用通常取决于实验目的和粒子类型。

例如，传统的核探测器如气体室和闪烁体用于探测带电粒子的径迹和能量沉积。

而对于产生次级粒子的碰撞实验，常使用闪烁体、核磁共振和半导体探测器。

三、核研究中的中性粒子探测器在核物理实验中，探测到的粒子不仅限于带电粒子，中性粒子也被广泛研究。

中子是最常见的中性粒子之一，它在核物理研究中具有重要价值。

传统的方法涉及中子的探测是利用中子的散射和吸收性质。

例如，关键中子检测器如聚乙烯或液体硼具有高中子截面，能够探测和测量中子的流量和能量。

四、核同步辐射技术核同步辐射技术是一种非常有用的无损分析方法，可以用于研究固体、气体和液体材料的结构和组成。

核同步辐射是通过将电子或正电子注入加速器环中，并让它们通过磁场进行同步加速来产生的。

这种技术可用于测量材料的X射线吸收和衍射光谱，从而研究材料的元素、晶体结构和电子结构。

五、核反应原理核反应是核物理实验中的重要方法之一。

在核反应中，原子核与其他核或粒子发生相互作用，从而产生新的核和放射性粒子。

核反应可通过热核反应、弹性、非弹性和中子俘获等方式进行研究。

常见的核反应实验方法包括中子衰变实验、质子和离子入射实验等。

结语物理实验技术在核物理研究中起着至关重要的作用。

原子核物理-第四章

当核反应的出射粒子可能有多个，如简写为核处于激发态的情形往往不止一种4.2 Q方程及其应用• 考察核反应a+A→b+B，根据能量守恒有M a c 2 + Ea + M Ac 2 + E A = M bc 2 + Eb + M B c 2 + EB• 如下定义反应能，Q>0为放能反应，反之为吸能反应 Q ≡ ( M a + M A − M b − M B ) c2 = ( Eb + EB ) − ( Ea + E A ) = Bb + BB − Ba − BA • 上述等式是基于反应前后粒子均处于基态，若剩余核处于激发态时，激发能为EB*（激发能是激发态与基态之间的能量差），则反应后的动能将相应减小，此时的反应能（实验Q值）为 * Q′ = Q − EB4.2 Q方程及其应用• 实验中靶核往往是静止的，根据能量和动量守恒有 θ为出射粒子与入射粒子所成角度，代入动量与• 根据余弦定理有动能之间（P2=2mEk）的关系• 最终代入反应能的表达式得到核反应的Q方程4.2 Q方程及其应用• 在实际问题中通常需要知道出射粒子能量随出射角的变化关系，即能量-角度关系，求解Q方程可得• 能量-角度关系中有正负双号，一般只取正号，只有出现能量双值时才同时取正负号，这一关系对剩余核也成立，只需要变换：AB→Ab，Ab→ AB，θL →φL • 反应能Q可根据原子质量进行计算，利用能量-角度关系可用于对应某一能量入射粒子的出射粒子的辨认，以及在不同的出射角度选择合适能量的出射粒子4.2 Q方程及其应用• 当剩余核处于激发态时，Q方程中的Q应该用实验Q 值Q‘来替代，如果剩余核处在不同激发态，则在同一出射角下可测得几个不同的粒子出射能量，由此获得相应的Q‘值来推算出剩余核的激发能 • 能量-角度关系可整理成如下形式Eb = u ± u 2 + ω u≡ Aa Ab Ea Ab + AB cos θ Lω≡( AB − Aa ) Ea + ABQAb + AB4.2 Q方程及其应用• 对于放能反应Q>0通常有AB>Aa，此时根号内恒大于零 • 对于吸能反应Q<0，此时ω可取正值也可取负值，当取负值时粒子入射能量必须满足一定条件才能使根号内为正，即此时核反应有阈能( Ab + AB )Ea ,minAa Ab Ea2cos2AB − Aa ) Ea + AB Q ( θL + =0 Ab + AB• 当θ=0时，粒子入射能量取最小值，故Ab + AB Q的定义及MA>>Q/C2 = −Q Ab + AB − AaEth = Ma + M A Q MA4.2 Q方程及其应用• 对于放能反应Q>0，故ω>0，粒子出射能量只能是单值，而在吸能反应中当粒子入射能量低于一定值时将出现ω<0，此时粒子出射能量将出现双值，对应的能量称为临界能量，以Ecr表示 Ecr = AB Q ( AB − Aa ) • 显然在吸能反应中当粒子入射能量满足Eth<E<Ecr时粒子出射能量将出现双值 • 此时对粒子的出射角也有限制，具体为必须保证根号内为正，这一最大角度为圆锥半张角，称为圆锥效应cos θ LM = ( Ab + AB ) ω Aa Ab Ea吸能反应是否一定出现能量双值效应？4.2 Q方程及其应用• 质心坐标系（C系），即坐标原点取在相互作用粒子的质心上，原子核物理研究中常用的坐标系 • 实验室坐标系（L系），固定在地面上的坐标系 • 质心系能量：质心系中看到的体系中所有粒子的动能和，入射道的质心系能量是质心系中入射粒子和靶核的动能和，记为Eα’，右上角的一撇表示质心系的量，下标α表示入射道 • 假设靶核静止，根据质心的动量等于体系的总动量有入射粒子相对质心速度靶核相对质心速度质心系入射粒子速度与靶核速度方向相反4.2 Q方程及其应用• 那么入射道的质心系能量等于• 即入射道质心系能量总是小于入射粒子总动能，并且它与C系下质心动能之和等于L系下的总动能′ + Ec Ea + E A = Eα• 类似地，出射道的质心系能量等于′ + Ec Eb + EB = Eβ′ = Eα ′ +Q Eβ4.2 Q方程及其应用• 出射粒子速度在L系和C系的关系为 • 根据正弦定理有 • 定义γ=vc/vb‘，则 • 另外根据几何关系有 • 利用余弦定理可得获得γ是计算两个转换关系的关键4.2 Q方程及其应用• 反应能等于出射道质心系能量与入射道质心系能量的差值为什么？• γ一般是入射粒子能量的函数，对于弹性散射，它与能量无关，等于率，这一概率等于出射粒子数与入射粒子数之比，即式中N等于Nt，即单位面积的靶核数对于一定厚度的靶，入射粒子强度将随厚度而改变系中当角度变化dθ数为，那么在于利用L系和C系的角度转换关系可得细致平衡原理给出了可逆反应过程中，正逆反应在质心系下满足的关系上式只适用于参与反应的各种粒子非极化的情形，可第三阶段，核反应的最后阶段，复合核分解出出射粒经过复合核的弹性散射称共振弹性散射，势散射是处于独立粒子阶段E n是入射粒子能量光学模型计算的截即复合核分解成出射粒子和剩余核入射粒子进入靶核后将能量交给附近的核子，这些核具有多种入射道和多种衰变方式的复合核形成过程为非束缚能级，而低于核子分之和称为总概率根据能级平均寿命及能级宽度与寿命的关系的反应截面可表示为总截面和分截面的峰宽、峰位相等，但前者的峰高高。

原子核物理实验方法

“块”； ➢ 粒子速度更低，低能多电荷粒子，径迹基本上是一条黑粗
线，无法测量。
原子核物理实验方法
从电离鉴别粒子
➢ 用待测粒子X的径迹与已知粒子A的径迹相比较，寻找在同一乳胶片中径迹颗粒密度相同的地方：
➢ 如果两种粒子的电荷相同，则有：
➢ 在颗粒密度相同的地方，即速度相同处，测量剩余射程，得到射程比，再得到质量比，继而得到未知粒子质量Mx。
原子核物理实验方法
2010.10.27
原子核物理实验方法
第六章其他探测器
➢径迹探测器
➢切伦科夫探测器
➢多丝正比室
➢热释光探测器
原子核物理实验方法
➢核乳胶
径迹探测器➢固体径迹室 Nhomakorabea➢气泡室
➢脉冲径迹室
原子核物理实验方法
电子学计数器
➢ 通过记录粒子产生的电信号，如计数、幅度、时间、空间位置、脉冲形状等。必须与电子学线路和仪器配套使用的探测器。
➢ 气体探测器：电离室、正比计数器、G-M计数器 ➢ 半导体探测器：金硅面垒、Si(Li)、Ge(Li)、高纯锗等 ➢ 闪烁探测器：NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)、BGO、PWO、塑料闪烁
体、液体闪烁体
➢ 切伦科夫探测器：阈式C计数器、微分式C计数器、RICH等 ➢ 气体丝室：多丝正比室、漂移室等
➢ 测量处理前后的乳胶厚度，就可得到收缩因子：
原子核物理实验方法
从电离鉴别粒子
➢ 电离损耗决定于粒子的速度、质量和电荷，所以通过测量径迹上的电离就可以鉴别粒子。
➢ 实验上最常用的方法：测银颗粒密度，即单位长度径
迹上银颗粒数目。
➢ 粒子速度快，电离小，颗粒密度稀； ➢ 粒子速度慢，电离大，颗粒三三两两挤成小团，形成

NuclearReaction4-1

4.1 核反应概述
出射粒子与入射粒子相同，即: a ＝ b 剩余核与靶核构成相同。
弹性散射：散射前后系统总动能相等 A(a , a ) A * ʹ′ A ( a , a ) A 非弹性散射：散射前后系统总动能不相等
(b) 反应出射粒子与入射粒子不同，即: b ≠ a。这种情况下，剩余核不同于靶核，也就是一般意义上的核反应。
mB m b TB Tb
反应能
Ta TA
由能量守恒： ( ma + m A )c 2 + (Ta + TA ) = ( m B + mb )c 2 + (Tb + TB ) 定义反应能Q 为： Q = (Tb + TB ) − (Ta + TA )
= (m
a
+ mA
)c
2
− (m
b
+ mB
)c
Q方程的应用
4.2 核反应能
Q方程的本质反映了反应能Q与出射粒子方向和出射粒子能量之间的关系。可用于求出反应能 Q。
2 Aa AbTaTb ⎛ ⎛ Ab ⎞ Aa ⎞ Q ≈ ⎜ cosθ ⎜ 1 + A ⎟ ⎟Tb − ⎜ ⎜ 1 − A ⎟ ⎟Ta − AB B ⎠ B ⎠ ⎝ ⎝
（以 A(a,b)B 反应为例来说明。）
(1) 电荷守恒即：
反应前后的总电荷数不变。
Za + Z A = Z B + Zb
(2) 质量数守恒反应前后的总质量数不变。（仅适用于低能反应）即： Aa + AA = AB + Ab (3) 能量守恒反应前后体系的总能量(静止能量和动能之和) 不变。即： ( ma + m A )c 2 + (Ta + TA ) = ( mB + mb )c 2 + (Tb + TB )

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