核物理实验讲义
高中物理 第十九章 原子核 第1节 原子核的组成讲义(含解析)新人教版选修3-5-新人教版高二选修3
第1节原子核的组成1.物质发射射线的性质称为放射性。
放射性元素自发地发出射线的现象，叫做天然放射现象。
2．α射线是高速氦核流，β射线是高速电子流，γ射线是光子流。
3．原子核由质子和中子组成。
1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子，1932年查德威克证实了中子的存在。
4．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现天然放射现象，揭开了人们研究原子核结构的序幕。
一、天然放射现象1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现某些物质具有放射性。
2．物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象。
3．原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。
4．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)。
二、三种射线1．α射线：实际上就是氦原子核，速度可达到光速的110，其电离能力强，穿透能力较差，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。
2．β射线：是高速电子流，它速度很大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
3．γ射线：呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土。
三、原子核的组成1．质子的发现卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子。
2．中子的发现(1)卢瑟福预言：原子核内可能还存在另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫做中子。
(2)查德威克用α粒子轰击铍(49Be)原子核获得了中子。
3．原子核的组成原子核由质子、中子组成，它们统称为核子。
4．原子核的电荷数(Z)等于原子核的质子数，等于原子序数。
5．原子核的质量数(A)等于质子数与中子数的总和。
6．原子核的符号表示A X，其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核的电荷数。
核磁共振实验讲义
把样品为水（掺有硫酸铜）的探头插入到磁铁中心，并使测试仪前端的探测杆与磁场在同一水平方向上，左右移动测试仪使它大致处于磁场的中间位置。将测试仪前面板上的“频率输出”和“NMR输出”分别与频率计和示波器连接。把示波器的扫描速度旋钮放在1ms/格位置，纵向放大旋钮放在0.5V/格或1V/格位置。“X轴偏转输出”与示波器上加到示波器的X轴连接，打开频率计、示波器和核磁共振仪电源的工作电源开关以及扫描电源开关，这时频率计应有读数。连接好“扫场电源输出”与磁场底座上的“扫场电源输入”打开电源开关并把输出调节在较大数值，缓慢调节测试仪频率旋钮，改变振荡频率同时监视示波器，搜索共振信号。待共振信号出现后，逐步减小扫场幅度，并同步调节射频频率，保持在示波器屏幕上能观察到共振信号。由于B0的误差不会超过扫场的幅度B’，因此减小扫场幅度有利于提高磁场B0的测量精度。调节射频的频率使共振信号保持间隔为10ms的均匀排列。在能观察到共振信号的前提下，将B’减小到最小，记下B’达到最小而共振信号等间隔排列时对应的频率 ,利用水中质子的 和共振条件（8）式计算磁铁磁场B0。
一.实验目的
1.掌握ＮＭＲ的基本原理及观测方法。
2.用磁场扫描法（扫场法）观察核磁共振现象。
3.由共振条件测定氟核（１９Ｆ）的g因子。
二.实验原理
1.磁共振、核磁共振
磁共振是指磁矩不为零的原子或原子核在稳恒磁场作用下对电磁辐射能的共振吸收现象。如果共振是由原子核磁矩引起的，则该粒子系统产生的磁共振现象称核磁共振（NMR）;如果磁共振是由物质原子中的电子自旋磁矩提供的，则称电子自旋共振（ESR）,亦称顺磁共振(EPR)；而由铁磁物质中的磁畴磁矩所产生的磁共振现象，则称铁磁共振（FMR）.
（7）
则氢核就会吸收电磁波的能量，由 的能级跃迁到 的能级，这就是核磁共振吸收现象。式（2－7）就是核磁共振条件。为了应用上的方便，常写成
2.核物理与粒子物理讲义-第一章原子核的基本性质1
与此同时，天体物理的许多重要问题如能量和元素的来源，中子星 的结构和冷却，超新星的爆发，都涉及到基本的核物理问题，尤其是弱 束缚核的结构和反应。另一方面，天体中的核过程与核聚变等装置中的 核过程相似，通过相关研究可以为核能源开发应用等提供重要信息和参 考资料。核物理与天体物理的交叉不仅是人类认识天体及宇宙演化过程 及规律的重要方式，并且与能源开发和利用、国防安全建设等密切相 关。放射性核束物理涉及众多新的核样本和核数据，将在超重核合成合 成、新型核材料、新型核能装置等方面产生难以估量的重大影响。
1、259Db合成：首次进入超重核区
测量结果: Eα = 9.47MeV,
22Ne+241Am→259Db
探测器面对产物样品测得的α谱
T1/2 = 0.47 s， Qα=9.70MeV 我国新核素合成首次进入超重区!
A new alpha-emitting isotope 259Db Euro. Phys. J.，A10, (2001) 21-25 产物样品移去后测得的α谱
(197 Au, 10 B, 16 C, 10 He, 11Li, 11Be) 79 5 6 2 3 4 2 3 235 U, 238 U) (1 1H, 1H, 1H 92 92 3 4 (2 1H, 2 He, 3 Li) 40Ar , 40K , 40Ca ) (18 19 20 60m 60 * 同核异能素(Isomer)：有确定的质子数和中子数但能量不同的核素 ( 27 Co或27 Co )
■
未来5年— 超重元素探索和新核素的合成
关键科学问题：超重核合成的新机制和技术
1）截面1 pb以下；2）现有融合体系中子数缺10个左右；3）长寿命核无法利 用现有在束 α-α 级联衰变的方法进行单个事件鉴别
《核物理基础知识》课件
3
核安全保障的国际合作
国际社会通过国际组织和法律法规来促进核安全保障的国际合作。
4
核安全保障的重要性
核安全保障对防止核事故和核武器扩散具有重要意义。
核武器与核不扩散
核武器的概念及种类
核武器是指利用核能释放的巨大能量进行杀伤 和破坏的武器，包括原子弹和氢弹等。
核不扩散问题的背景
核不扩散问题是指阻止更多国家拥有核武器， 以维护全球核安全的问题。
3 核子的结合能
核子的结合能指的是原子核内核子相互结合 所释放的能量。
4 核能的转化
核能可以通过核反应或核衰变转化为其他形 式的能量。
核裂变与核聚变
1
核裂变的定义及特点
核裂变是指重核被撞击或吸收中子后分
核裂变的过程
2
裂为两个或更多的轻核的过程。
核裂变过程涉及核反应，一般会释放出
巨大的能量。
3
核聚变的定义及特点
放射性衰变的特点
放射性衰变是指放射性核素在一定时间内衰变 为其他元素的过程，释放出辐射。
放射性的应用
放射性元素在医学、能源和科学研究等领域有 广泛的应用。
核反应堆与核能的利用
核反应堆的结 构和原理
核反应堆是一个能够 维持核链式反应的装 置，可以通过核裂变 产生大量热能。
核能的利用
核能可以被用于发电、 航天技术、农业和医 学等领域，为人类创 造了巨大的福利。
核聚变是指两个轻核结合形成一个更重
核聚变的过程
4
的核的过程。
核聚变在太阳和恒星中发生，释放出巨 大的能量。
放射性核素的性质与应用
放射性核素的定义及分类
放射性核素是指具有放射性的原子核，可以分 为α射线、β射线和γ射线。
第一章核物理ppt课件
Z>20 N/Z>1 Stability
Z>83
Unstability
2021/1/10
➢原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素 (stable nuclide);
➢原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调 整才能趋于稳定的核素称为放射性核素 (radionuclide);
➢放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发 地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原 子的过程称为放射性衰变(radiation decay)。
受激原子
作用机制：
光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子，壳层中
某一电子获得动能克服原子束缚跑出来，成为自由电子，光子
本身消失了。
γ + A A* + e- （光电子）
原子
A + X射线
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电子对效应：
能量≥1.02MeV的射线与原子核 作用可能产生一对正负电子。
能量转化成质量 M = E /C2
• 核素——质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状 态的原子，称为一种核素。同一元素可有多种核素，如131I 、127I、3H、99mTc、99Tc分别为3种元素的5种核素；
• 同质异能素——质子数和中子数都相同，但处于不同的核 能状态原子，如99mTc、99Tc 。
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• 同位素——凡同一元素的不同核素（质子数同，中 子数不同）在周期表上处于相同位置，互称为该元 素的同位素。
N = N0e-t
• 放射性活度（activity, A) – 定义：单位时间内发生衰变的原子核数 A=dN/dt
–1Bq=1次 × S-1 –1Ci=3.7×1010 Bq –1Ci=1000mCi
核物理与粒子物理实验教案
核物理与粒子物理实验教案实验目的：通过核物理与粒子物理实验的教学，使学生能够了解核物理和粒子物理的基本原理和实验方法，培养实验操作的能力和科学研究精神，提高学生对物理实验的兴趣和动手能力。
实验材料：1. 放射源（如Am-241、Cs-137等）2. 聚变堆放射源（如D-D双中子源）3. 闪烁探测器4. 电子学读出系统5. 射线测量仪器（如Geiger-Muller计数器等）6. 实验x射线机7. 电磁铁8. 双螺旋线加速器等实验一：测量放射源活度的方法与技术实验原理：放射源活度是放射性核素衰变速率的指标，可以通过测量单位时间内放射源发射的粒子数来间接推算。
本实验将通过使用闪烁探测器和电子学读出系统来测量放射源的活度。
实验步骤：1. 将放射源放置于合适的装置中，如采用间接法测量，可将放射源放在适当位置让射线通过待测样品，然后再用探测器测量通过样品后的射线数目。
2. 调整闪烁探测器的高压和阈值等参数，确保探测器能够工作在最佳状态。
3. 将闪烁探测器连接至电子学读出系统，通过读出系统测量探测器输出的信号。
4. 根据测得的探测器信号和测量时间，计算放射源的活度。
实验二：粒子间相互作用实验实验原理：粒子间相互作用是核物理和粒子物理研究的重要内容。
本实验将通过使用射线测量仪器和实验x射线机来观察粒子在物质中的相互作用过程。
实验步骤：1. 设置实验x射线机的参数，如射线强度、能量等，并将射线照射到样品上。
2. 使用射线测量仪器，测量射线通过样品前后的强度差异，观察粒子在物质中的相互作用效应。
3. 根据实验结果，分析和讨论粒子在物质中的散射、吸收、衰减等现象。
实验三：粒子加速与探测实验实验原理：粒子加速和探测是粒子物理研究中的关键技术。
本实验将通过使用电磁铁和双螺旋线加速器等设备来模拟粒子加速和探测的过程。
实验步骤：1. 将待加速的粒子注入双螺旋线加速器中，并调整加速器的参数，如电场强度、磁场强度等。
2. 使用电磁铁对加速后的粒子进行偏转，根据偏转角度和磁场强度等参数推算粒子的动量和轨道。
第1章核物理基础知识PPT课件
2828R 6 a2826R 2 n24He
的粒子的能谱是不连续。
22
衰变 能量
能量
E1=4.782MeV
E2=4.599MeV
E3=4.340MeV
E4=4.194MeV
份额 94.6% 5.4% 0.0051% 710-4
23
γ衰变（跃迁）
量子力学指出，原子核可能具有的能量是不 连续的。
第1章 反应堆的核物理基础
什么是反应堆？反应堆是利用易裂变核，使之 产生可控的自持链式裂变反应的装置。裂变的 同时，提供大量的核能以及新的核素。
反应堆中有燃料、慢化剂、结构材料和控制材 料等。反应堆一旦运行后，堆内中子要与这些 材料的原子核发生各种类型的相互作用，产生 新核，发生一系列的放射性衰变现象。因此， 反应堆是一个强大的各种粒子（中子、α粒子β 粒子和γ粒子）辐照场。同时，反应堆的运行 是建立在中子与堆内物质相互作用的基础上。
以60Co源的γ射线强度是放射性活度的两倍。
38
1.3 结合能与原子核的稳定性
1.3.1 质量亏损 所有原子核的质量都比组成它的单个质
子与中子质量的总和略小，这种质量上 的差异称为质量亏损。 ΔM＝Z Mp＋（A-Z）Mn-MA ΔM＝Z（Mp＋Me)＋(A-Z)MnM ΔM＝1.007825Z＋1.008665(AZ) M
239Np
2.35d
239Pu
2.44x104a
35
放射性活度
放射性同位素样品在单位时间内衰变的次数， 即为该同位素样品的活度。
A(t)N(t)
单位：贝可勒尔，简称贝可（Bq） (1居里)1Ci=3.7x1010/s=3.7x1010Bq 因此，半衰期也可以定义为某同位素活度（A）
大学物理实验之核磁共振讲义
N
•
，h为普朗克常数， mp为质子质量，c为光速，I为核自旋量子 g 5.5856947 数，对氢核 ，而常数 e N 2m p c 称为玻尔核磁矩。 当核自旋系统处在恒定磁场Bz中时，由于 核自旋和磁场Bz间的相互作用，核能级发生 塞曼能级分裂。对氢核这类I = 1/2的简单 核系统，核能级仅分裂成上、下两个能级E2 和E1，如图8-1所示。磁场为Bz时，塞曼分 裂上下两能级间能量差与g和Bz成正比。
g H 5.58569 , N 5.050791027 J T 1 , h 6.626071034 J S
2. 用硫酸铜水溶液样品，用扫频法观察共 振信号，测出共振频率 v1 ，标定磁场B。 3. 仍用硫酸铜水溶液样品，测量离磁场中 心前后约1cm处的磁场B，分析磁场均匀度。
一、原理
• 1. 共振吸收 • 对于质子数和中子数两者或其一为奇数 的原子核才有核自旋，其磁矩μ与核自旋角 动量J成正比，可写成 rJ • （1） • r为旋磁比，实验上常用无量纲的比例因子 g代替r，称为g因子，其间的关系可写成 • rJ r I ( I 1) g ( e ) I (I 1) g I (I 1)
用移相法观察：磁场和示波器都用同一音 频正弦波（50Hz）进行同步扫描，示波器上 看到李萨如图形，示波器Y轴接共振信号，X 轴接RC平衡式移相器的输出信号，电位器W1 用于移相，W2则用于调幅。ω1指二峰在中 间的圆频率，ω0指二峰一起移到边缘时的圆 频率，Δt通过如图8—3的比例求得。
•
二、实验内容 1.假定 B 0.52T ，硫酸铜水溶液样品中 H核核磁共振时，估算射频场的频率 v1 。
核磁共振
• 1924年泡利（W.Pauli）提出核自旋的假 设，1930年埃斯特曼（L.Esterman）在 实验上证实.核磁共振是指电磁波作用的原 子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃 迁的现象，1939年，拉比（I.I.Rabi）以 及随后的伯塞尔（E.M.Purcell）和布洛 赫（F.Bloch）因观察到此现象而分别获 得1944年和1952年诺贝尔物理学奖。核 磁共振已成为确定物质分子结构、组成和 性质的重要实验方法.
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实验名称: Si(Li) X射线谱仪
一、目的:
1.了解Si(Li)谱仪的工作原理和基本技能，初步掌握它的使用方法。
2.对谱仪进行能量刻度，计算谱仪的能量分辨率。
3.学会一种元素的分析方法—荧光分析法。
二、设备:
4.Si(Li)探测器
5.前放，主放，高压电源
6.238Pu激发源
7.Mn，Fe，Co，Cu，Zn等纯金属或氧化物片
8.待分析药品
三、步骤: 用238Pu作激发源
1.分别测(Fe，Co，Zn，Mn，Ni，Cu)特征谱，记下每种元素的Kα峰中心道的道数
和半宽度。
要求峰中心道记数误差不大于4%
2.测待分析样品特征谱。
记下Kα峰位的道址。
四、报告:
1. 由Mn，Fe，Co，Ni，Cu和Zn的k∞峰位道址与能量(由手册中查出)作能量刻度曲
线。
2. 计算各种元素的Kα峰的半宽度(以能量为单位)和能量分辨率，作出能量 E与能量分
辨率的曲线。
3. 根据待分析样品的Kα峰位和能量刻度曲线，确定该元素为何种元素。
实验名称: NaI(Tl) γ单晶闪烁谱仪
一、目的:
1. 了解NaI(Tl)γ单谱的基本结构和单能谱的形状。
2. 用一套标准源对谱仪进行能量刻度，验证分辨率和能量关系。
3. 用相对比较法测未知源的活度。
二、设备:
1.NIM插件箱供电装置。
2.FH~1034A高压，FH1001A线性放大器各一台。
3.FH1001A定标器一台。
4.FJ375 Na(Tl)γ探头一个
5.多道分析器一台
6.标准源一套，待测源一个。
三、步骤:
1选择好工作高压和放大器放大倍数，使137Cs的全能峰位于100道附近(多道分析器的道数选择为256道)。
测137Cs的全谱，定时五分钟，并记录下来(参考数:工作高压:4*150伏，放大*4)
2 用137Cs，60Co源对谱仪进行能量刻度:分别记下它们的全能峰道道址和半宽度FWHM
所对应的道数。
3 测未知源的强度:测其能谱和它的一个全能峰的面积:选出与它相应的标准源，测出同
一全能峰的面积:去掉源测本底(注意:测量时要保持能量不变，测量时间，道宽，放大倍数一相同)
注:全能峰下总计数误差<1%。
四、报告:
1. 在半对数坐标纸上画出137Cs的能谱，求出FWHM和能量分辨率。
2. 用标准源做能量刻度曲线。
并用最小二乘直线拟合，求出它的直线表达式，并求出
各峰的FWHM的能量值。
3. 鉴别未知源为何种源(说明原因)，标出源活度(注意标准源的生产日期，活度，半衰
期)。
实验名称:金硅面垒α谱仪
一、目的:
1.对谱仪进行能量刻度;计算能量分辨率;
2.确定未知源的α能量;
3.测量239Pu的α能量:
二、设备:
1. FH—445A α探头架
2 .FH—42
3 电荷灵敏前置放大器，主放大器
3. S—30 多道分析器
4. 真空机械泵
5. 241Am和239Pu α源
三、步骤:
1.将241Am α源放入真空室内，抽真空。
2.连好线路，调整谱仪参数。
确定探测器的工作电压参考数，前置放大*5主放
大100*0.6
3.用标准源241Am和239Pu作能量刻度，测241Am和239Pu谱(300sec)并记录下
来，作能量刻度曲线(道址~能量)，计算各峰的能量分辨率和半宽度FWHM
的能量值。
4.测未知源的α谱，记下峰位道址，由能量刻度曲线查出未知源的α能量;
5.测量239Pu的α射程R:
(1)通过活塞改变气压P，测量不同气压下峰下的面积值。
参考数:源距R0=4.4cm
在P为30—10区间，每隔5寸测一个点
10—2.5区间每隔1寸测一个点
总计数误差为4%
(2)做N~Rp曲线，求α的平均射程R
Rp是将气压为P时得空气厚度换算成大气压P0时的距离:由于
Rp∝P，设Rp=Kp，又R0=Kp0
∴Rp=(R0/P0)*p
其中R0=4.4cm。
P0=1各大气压＝760mm汞柱
P与表头上示数关系为
P=P0(1-L/30)
L为表头示数（以寸为单位）
∴Rp=R0(1-L/30)
四、注意事项：
1. 注意保护探测器和源表面不受损伤，不要用手或镊子去触摸探测器和
源表面
2. 偏压不要超过150V
3. 由于标准α表面都有一层保护膜，因而α的能量有所降低，２４１Am的能
量由5.486降为4.8Mev，239Pu的α能量由5.155降为4.6Mev。
所以作
能量刻度时用降低后的能量值为标准。
五、报告:
1.画出241Am和239Pu的能谱，计算出能量分辨率和用能量为单位的半宽度
FWHM。
2.能量刻度曲线，求出其斜率和截距，写出能量和道数之间的表达式。
3.求未知源的α能量。
4.确定239Pu的α射程R。
实验名称: HP(Ge)γ谱仪
一、目的:
1.了解谱仪的工作原理。
2.掌握谱仪的基本性能的测量方法。
3.测量和分析未知样品的γ能谱。
二、设备:
4.HP(Ge)探测器。
5.电荷灵敏前置放大器，主放，高压电源，多谱分析器。
6.60Co，137Cs等系列标准源。
三、步骤:
7.用22Na对谱仪进行能量刻度。
8.测量60Co的γ能谱，确定1.33Mev全能峰的半宽度和峰康比。
(1) 将60Co放在探测器的轴线上离探测器表面25cm处。
(2) 测60Co的γ能谱，要求1.33Mev全能峰中心道记数误差达到2%。
(3) 求出1.33Mev的半宽度(以Kev为单位)和能量分辨率。
(4) 确定峰康比P=N(x0)/N0，N(x0) 为1.33Mev峰的中心道处的记数，N0为康普顿
坪区(从1040Kev到1096Kev)的平均记数。
9.确定谱仪对1.33Mev全能峰的相对效率ε=Ag/An
Ag为1/33Mev全能峰下的总面积数，误差<1%
An为3寸*3寸NaI(Tl)的1.33Mev全能峰的总面积数，可按如下公式计算: An=1.20*10-3S*T
S为60Co源现在的强度(根据源的生产日期，活度，半衰期来计算)，T为测量银
的活时间。
10.定出未知样品中各谱线的能量和相对强度。
(1)测量未知样品的能量谱，要求各谱线中心道记数误差不大于2%
(2)用描图仪画下全谱。
(3)再图上标出各峰的能量和相对强度。
四、报告
11.计算1.33Mev的半宽度(以Kev为单位)，能量分辨率和峰康比。
12.计算谱仪对1.33Mev峰的相对效率。