原子核物理第二次.ppt

1,第七章 原子核物理概论,2,基本内容,32 原子核物理的对象(原子核、核素图) 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 37 放射性衰变的基本规律,目的与要求,(1)掌握原子核的基本性质. (2)能熟练计算原子核的结合能.,3,核的基本特性之一：核质量,质量亏损,原子核的质量与组成它的核子质量之和的差值.,用原子质量可表示为,氢原子的质量,核的结合能B,结合能：核子结合为某种核时释放的能量.,表明:亏损的质量转化为能量的释放. or:核能的释放以质量亏损为代价.,通过实验测出原子的质量M,即可由上式求出各种核素的结合能,反之亦然.因此,核的质量和结合能两词经常可等价使用.但至今仍无法从第一性原理导出核质量(或结合能)公式,以算出其它核素的质量(或结合能).,平均结合能 (比结合能),原子核中每个核子结合能的贡献,标志核子结合的松紧程度.,4,核的结合能图,核素图和核的结合能图是原子核物理学中最重要的两个图,2)A=40-120的中等核较高,几乎为一常量.,3)轻核和重核的较中等核低。,8.6MeV,1)当A30时,曲线有起伏的上升.其中,偶偶核(奇奇核)的有极大(小)值,具有较高(低)的稳定性;偶偶核(奇奇核):Z、N均为偶(奇)数,原子能（核能）,原子核结合能发生变化时释放的能量,获得核能的两个途径,1)重核裂变 2)轻核聚变,5,核的半径(由实验规律给出):,经验常数,核的密度：,6,半经验质量公式(1935年,魏扎克公式),体积能：,表面能：,库仑能：,对称能：在N=Z时为0,对能项：,壳效应：一般不考虑,魏扎克考虑到核密度与A无关而近似为常数,比结合能随A的变化也不大(轻核除外),这些特征表明原子核尤如荷电液滴(一种近似的唯象的模型).,7,表面能,库仑能,体积能,总能量,A,O,结合能的主要部分,在魏扎克半经验质量公式中，起主导作用的是前三项中。相关系数可由实验或计算得出。分别为：,第一性原理：某些硬性规定或推演得出的结论,称为“理论性计算数据”;,经验参数：大量实例得出的规律性数据.这些数据可来源于第一性原理,也可来自于实验,称为“实验统计数据”;,半经验：某些原理或数据来源于第一性原理,但推演过程中加入了一些假设.,8,核力,核力：核子紧密结合形成高密度核的力,经验常数,核密度：,4.核力的基本性质,1)核力是具有饱和性的短程力,核力是一种短程强相互作用力,只作用于相邻的核子.核的结合能近似与A成正比,比结合能B/A近似为常数,表明核力是具有明显饱和性的交换力.核的结合能正比于核的体积,这与液体相像.,2)核力是与电荷无关的强相互作用,核力强度约为库仑力的100倍.,海森堡于1932年假设：,a)电荷对称性:质子间、中子间的核力相等; b)核力与电荷无关:质子和中子间的核力相等.,此假设于1937年为实验初步证明,1946-1955年间为更精确的实验确证,9,3)核力在极短程表现为斥力,核子的作用势：由p-p、n-p的散射实验得出,核力表现为“斥力”,核力表现为“强引力”,核力消失,核子间距2fm范围内, 还有很多问题有待解决。,因无法制备纯中子靶而无法进行n-n散射实验,但间接实验证明有相似的大致规律)。,4)核力与自旋有关,两核子自旋平行时总自旋为1,此时作用力较强. (核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同),10,总结核力的基本性质,1核力是短程力，只在 数量级的范围内发生作用。,： 引力 ： 消失,2核力是一种强相互作用,核力的强度比库仑力大一百倍,11,3核力近似地与电荷无关,4核力是具有饱和性的交换力,核力的饱和性：核子只与它最靠近的几个核子有相互作用。,核的密度近似地为一常数，,核的结合能近似地与核子数成正比，,核力是交换力：核子之间通过交换某种媒介粒子 而发生相互作用。,12,费曼图:,在时空平面内表示相互作用的方法,费曼图,以两个电子间的相互作用为例：两个电子通过交换光子而实现.但若光子的能量为 则违反守恒律（不允许）,故称之为“虚光子”.交换光子的过程为“虚过程”.,核力的介子理论,（汤川秀树于1935年提出的假设）,“介子”是核力的“传播子”,汤川认为核子也能发射和吸收某种虚粒子（ “介子”），虚粒子的交换将伴随能量和动量的转移，从而导致两个核子之间的相互作用.,核子间的相互作用是由于交换介子场的量子(即“介子”)而引起的。,汤川由力程预言介子的质量介于电子和核子之间( )，但直到1947年才找到，称为介子，有三种:,由于测不准原理，虚粒子可以不满足能量、动量守恒。,13,核子交换 介子的方式,（a）,（b）,（c）,(a)、(b):两个核子交换位置，所以交换 介子所产生的核力是交换力。,(c) :核子不变，所以交换 介子所产生的核力是非交换力。,所以核力是交换力和非交换力的混合,14,核力的介子理论是解决核本性的一个方向，在一些相关实验中已得到检验，但对核子间高能碰撞的实验事实等无能为力。可见人们对核力的认识还很肤浅。,15,核的基态特性之二：核矩,电子的角动量与相应的磁矩之间的关系为：,原子核也有磁矩，它与角动量的关系为：,核磁子远小于玻尔磁子，原子核磁矩比电子磁矩小得多，产生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。,16,在外场方向的取向也是量子化的，它在外场方向的投影：,在外场方向的最大值为：,测量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振。,17,放射性衰变的基本规律,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(t0时)，在dt内发生衰变的数目dN为：,(此式是一统计规律; 为衰变常数),它必定正比于当时所存在的核数目N。,积分后即得,1.衰变定律：,18,2.放射性核素的特征量,1)衰变常数:,2)半衰期：放射性核素衰变掉原有 核素一半所需的时间.,(分子表示单位时间内发生衰变的核数目,dN 代表N的减少量,为负值,故在它前面加一负号),0 1T 2T 3T 4T t,衰变,衰变,表示一个核在单位时间内发生衰变的几率.,19,导出要点：在 内,发生衰变的核数为 ,这些核的寿命为t ,则所有核素的总寿命为,3)平均寿命：,可见比半衰期长一点.将上式代入衰变规律还可得到：,于是任一核素的平均寿命为:,表示：经过时间后,余下的核素数目约为原来的37%.,20,A的单位(1975年规定)：贝克勒(或贝可)(Bq). 1Bq1次核衰变/秒. A的辅助单位：居里(Ci);毫居(mCi)、微居(Ci),3.放射性活度A：放射性物质在 单位时间内发生衰变的原子核数.,(A也称“放射性强度”,or“放射率”、“衰变率”),注意：只描述放射源每秒发生核衰变的次数,并不表示放射出的粒子数.,导出要点：,(即 次核衰变/秒),(早期定义：1g 在1s内的放射性衰变数.),21,“伦琴”、“拉德”、“戈瑞”： 为放射性物质产生的射线对其它物质的效应大小的单位,它们取决于放射物射线的特性和接受射线的材料的性质.,1伦琴(R)：使1kg空气中产生 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.,A的其它单位,4.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.,测出放射性强度A,算出产生A的核素数目N,据A=N求出 ,求出,为保证足够的计数以降低统计误差,必须增大N.,