核物理基础与辐射防护课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2009-05-30,*,核物理基础与辐射防护,能源与机械工程学院,颜廷志,2009-05-30,1,核物理基础与辐射防护能源与机械工程学院2009-05-301,纲要,原子核的基本性质,原子核放射性与核衰变,原子核反应,原子核的裂变与聚变,射线与物质的相互作用,核辐射防护,2009-05-30,2,纲要原子核的基本性质2009-05-302,核物理发展史,原子核物理学是20世纪新建立的一个物理学分支。它研究,原子核的结构,和,变,化规律,，,射线束的产生、探测和分析技术,，以及同,核能、核技术应用,有关的,物理问题。它是一门既有深刻理论意义又有重大实践意义的学科。,一、初期（十九世纪末二十世纪四十年代左右）,1896年，贝可勒尔发现天然放射性,核物理学的开端,主要工作,：人们主要从事,放射性衰变规律和射线性质的研究,，,并且,利用放射性射线对原子核,做了初步的探讨。,主要成果,：原子的,核式结构,、,质子和中子,的发现、,人工放射性,核素,的合成、鉴别射线种类并测定其能量，初步创,建了一系列探测方法和测量仪器，如云室、气泡室、,计数管、电离室等。,2009-05-30,3,核物理发展史原子核物理学是20世纪新建立的一个物理学分支。它,二、大发展时期（,20世纪40年代前后70年代,）,主要得益于粒子加速器和粒子探测技术的发展。,主要成果：,（1）,1939年 哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象。,1942年 费米建立了第一个链式裂变反应堆,核能源的开端,。,（2）合成天然不存在的超铀元素和新的放射性核素,（3）核天体物理：,核过程是天体演化中起关键作用的过程,（4）粒子物理学：,高能和超高能射线束与原子核的相互作用,短寿命的轻粒子，即重子、介子、轻子和共振态粒子等,（5）核技术的广泛应用：,遍及理工农医各部门,如核磁共振、穆斯堡尔谱学等,2009-05-30,4,二、大发展时期（20世纪40年代前后70年代）主要得益于,三、完善和提高阶段：20世纪70年代,由于粒子物理逐渐成为一门独立的学科，核物理已不再是研究,物质结构的最前沿，核物理进入了一个纵深发展和广泛应用的,新的更成熟的阶段。,在此期间两个方面的技术发展对核物理研究产生了深刻的影响。,（1）计算机技术的使用：微机处理和在线数据获取和处理系统的应用，可以,让上百个探测设备协作运行，同时记录和处理成上百个参量，这就大大扩展,了我们的观测能力，从而可以对比较复杂的核现象进行全面的观测和研究。,（2）重离子加速技术的发展：能够有效的加速从氢到铀所有元素的离子，,其能量从每个核子几个兆电子伏到几千兆电子伏甚至几百GeV的能量。,1eV=1.6*10,-19,J，1keV=10,3,eV，1MeV=10,6,eV，1GeV=10,9,eV，1TeV10,12,eV,比较有名的重离子加速器中心：美国RHIC、德国GSI、法国GANIL、,日本RIKEN、俄罗斯DUBUNA、我国中科院兰州近代物理研究所CSR,欧洲核子中心LHC（目前最高能）,2009-05-30,5,三、完善和提高阶段：20世纪70年代 由于粒子物理逐渐,第一章 原子核的基本性质,1.原子核的组成,2.原子核的大小,3.原子核的结合能,4.核力,5.原子核的矩,2009-05-30,6,第一章 原子核的基本性质1.原子核的组成2009-05-,上世纪初的原子模型（发现原子核之前）,J.J.汤姆生的原,子,模型（枣糕模型）：,正电荷均匀分布在一个球体内，电子镶嵌在其中某些平衡位置上，并作简谐振动。,I,.原子核的发现与组成,18561940,1906年诺贝尔物理奖,1.1 原子核的组成,2009-05-30,7,上世纪初的原子模型（发现原子核之前）I.原子核的发现与组成1,1、原子的核式模型,18711937,1908年诺贝尔化学奖,其他主要贡献：,1919年，,1920年，预言中子存在。,培养了12位诺贝尔奖获奖者。,1909年卢瑟福,散射试验，实验现象：,绝大多数的粒子平均只有2-3度的偏转，但是有1/8000的粒子偏转大于90度，甚至有接近180度的。,2009-05-30,8,1、原子的核式模型187119371908年诺贝尔化学,卢瑟福散射实验结论：,正电荷集中在原子的中心，即,原子核,；,估算出原子核直径约为,10,15,10,-14,m,量级，而原子直径约为,10,10,m,量级；,通常用fm表示：1fm=10,-15,m,质量为整个原子的,99.9%,以上；,从此建立了原子的,有核模型,。,原子的电中性，要求：,原子核所带电量与核外电子,电量相等,，,核电荷与核外电子电荷,符号相反,。,即：,核电荷,Ze,，,核外电子电荷,Ze,。,2009-05-30,9,卢瑟福散射实验结论：原子的电中性，要求：2009-05-30,2、中子的发现与原子核的组成,发现中子之前，人们猜测原子核是由,质子,和,电子,组成的。,这个假设可以解释原子核的,质量,和,电荷,。,但也,遇到了不可克服的困难。,与,实验和理论,不符。,1932年查德威克(J.Chadwick)发现,中子,。(据此获1935年诺贝尔物理学奖),用,粒子轰击铍，铍放射出穿透力很强的中性粒子，可以将含氢物质中的质子击出，并证明其有与质子相近的质量。,实验中放出的,不是,高能,，而是,中子,。,小居里夫妇错失诺贝尔奖！,2009-05-30,10,2、中子的发现与原子核的组成 发现中子之前，人们猜测原子,中子,和,质子,统称为,核子,。,中子发现后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出，,原子核,由,质子,和,中子,组成，并得到实验支持。,1,电子,1,质子,0,中子,电荷,(,e,),质量,(,u,),2009-05-30,11,中子和质子统称为核子。中子发现后，海森堡(W.Heisenb,实际上核素符号,X,和质子数,Z,具有唯一、确定的关系，所以用符号,A,X,足以表示一个特定的核素。,II.,原子核的表示,核子数,A,质子数,Z,中子数,N,元素符号,X,2009-05-30,12,实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、确定的关系，所以用符号A,III.,原子核表示常用术语及意义,1、,核素,（,nuclide,）,具有,一定数目的中子,和,质子,以及,特定能态,的一种原子核或原子称为,核素。,核子数、中子数,、,质子数,和,能态,只要有一个不同，就是不同的,核素,两种核素，,A,同，,Z,、,N,不同。,两种核素，,N,同，,A,、,Z,不同。,两种核素，,Z,同，,A,、,N,不同。,两种核素，,A,、,Z、N,同，能态不同。,2009-05-30,13,III.原子核表示常用术语及意义1、核素（nuclide）,某元素中,各同位素,天然含量,的,原子数百分比,称为,同位素丰度,。,具有,相同原子序数,但,质量数不同,的核素称为某元素的,同位素,。(即,Z,相同，,N,不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。),2、,同位素,（,isotope,）和同位素丰度,铀的二种同位素。,氢的三种同位素；,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,2009-05-30,14,某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。,3、同中子异荷素（,isotone,）,4、同量异位素（,isobar,）,质量数,A,相同,，,质子数,Z,不同,的核素。,中子数,N,相同,，,质子数,Z,不同,的核素。,也称为同中子素或同中异位素。,2009-05-30,15,3、同中子异荷素（isotone）4、同量异位素（isoba,5、同质异能素（,isomer,）,质子数,Z,和,中子数,N,均相同,，而,能态不同,的核素。,同质异能态,：,同质异能素所处的能态，是寿命比较长的激发态。,激发态半衰期为2.81hr。,2009-05-30,16,5、同质异能素（isomer）质子数 Z 和中子数 N 均相,6、,偶,A,核：,奇,A,核：,偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。,奇中子核，奇质子核。,镜像核：,中子数,N,、质子数,Z,互换的核素。,中子数,N,、质子数,Z,均为,偶数,的核素。,偶偶核,(e-e核),中子数,N,、质子数,Z,均为,奇数,的核素。,奇奇核,(o-o核),2009-05-30,17,6、偶A核：奇A核：偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。,IV.,核素图及稳定曲线,稳定的核素都分布在一条,光滑曲线上或紧靠曲线的,两侧，即为稳定线,理论预言,，可能存在的核,素至少应有5000种，分布,在两条实线范围内。,上面的一条实线为质子滴线，,线上核素的质子结合能为零；,下面一条实线为中子滴线，,线上核素的中子结合能为零。,2009-05-30,18,IV.核素图及稳定曲线稳定的核素都分布在一条理论预言，可,核素图及稳定曲线的特点：,).核素图包括,300,多个,天然,存在的,核素,(其中稳定核素280多个，放射性核素30多个)及,1600,多个,人工,放射性,核素,。,).稳定同位素几乎全落在一条光滑的曲线，稳定曲线在,轻核靠近,ZN,线,，而,对重核则,N Z,.,3).偏离稳定曲线下方的核素为,丰中子核素,，,易发生,衰变,；上方的核素为,缺中子核素,，,易发生,衰变,。发生衰变后都趋向于稳定线，故称,稳定线。,2009-05-30,19,核素图及稳定曲线的特点：).核素图包括300多个天然,1.2 原子核的大小,原子核形状可,近似,看作,球形,，,由于角动量，略呈,旋转椭球形,。,根据测量方法可分为：,核力作用半径：,核力有一作用半径，在半径之外核力为0；,通过中子、质子或其他原子核与核的作用所测得。,电荷分布半径：,其实就是质子分布半径,；,利用高能电子在原子核上的散射。,电荷半径：,核力半径：,原子核,半径,近似,正比于,A,1/3,，原子核,体积,近似,正比于,A,。,2009-05-30,20,1.2 原子核的大小 原子核形状可近似看作球形，由于角动量,原子核的密度：,代入：,得：,结论：原子核密度近似为常数，且非常大,。,2009-05-30,21,原子核的密度：代入：得：结论：原子核密度近似为常数，且非常大,1.3 原子核的结合能,1、原子核结合能的概念,当若干质子和中子结合成一个核时，由于核力的作用，将,释放,一部分能量叫,结合能,。,以原子质量,M,表示，且忽略原子电子的结合能，得：,2009-05-30,22,1.3 原子核的结合能1、原子核结合能的概念当若干质子和中子,2、质量亏损与质量过剩,质量亏损,和,原子核结合能,是,同一个物理量,的,质量,和,能量,表示。它们的联系就是质能关系。,原子核的质量总是,小于,组成它的所有核子的质量之和的，少的那部分质量称为,质量亏损,(,Mass Defect,)。表示为 。,所有的核都存在质量亏损，即,2009-05-30,23,2、质量亏损与质量过剩质量亏损和原子核结合能是同一个物理量的,计算中，常用原子质量代替核质量：,为了计算方便，定义,质量过剩,为：,也称为,质量盈余,(Mass Excesses)，单位为,MeV,，,在核数据手册中可查到,由它可求出原子质量,2009-05-30,24,计算中，常用原子质量代替核质量：为了计算方便，定义质量过剩为,3、比结合能及比结合能曲线,比结合能,：,（平均结合能）,单位是,MeV,/,Nu,，,Nu,代表核子。,比结合能的物理意义：,原子核拆散成自由核子时，外界对,每个核子,所做的最小的,平均功,。,或者说，它表示核子结合成原子核时，平均,一个核子,所,释放的能量,。,比结合能,表征了,原子核结合,的,松紧程度,：,比结合能,大,，核结合,紧,，稳定性,高,；,比结合能,小,，核结合,松,，稳定性,差,。,2009-05-30,25,3、比结合能及比结合能曲线比结合能：（