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物理讲座 扬州职大电子工程系贾湛 2013 8 核物理学 原子核再分割 放射现象 1896年 法国物理化学家贝克勒尔在铀矿石中发现了放射现象 此后 居里夫妇又发现了其他放射性元素 钍 钋 镭 放射性不是少数几种元素才有的 研究发现 原子序数大于82的所有元素 都能自发的放出射线 原子序数小于83的元素 有的也具有放射性 天然放射现象 铀矿石 钡铀云母 斜水钼铀矿 天然放射现象 放射性元素自发地放出射线的现象 氦原子核 高速电子流 高能量电磁波 1 10光速 接近光速 光速 弱 较强 很强 很容易 较弱 更小 质子的发现 原子量始终是氢原子量的整数倍 1919年 卢瑟福用 粒子作为高速 炮弹 来轰击氮原子核 首先实现了原子核的人工破裂 用 粒子轰击氮原子核 能释放氢核 用硼 氟 钠 铝 磷等做实验 也能打出氢核 氢核是原子核的组成部分 氢核定义为 质子 卢瑟福得出结论 原子核是否只是由质子组成呢 1920年卢瑟福进而猜想原子核内存在不带电的中子 这一猜想被他的学生查德威克用实验证实 并得到公认 中子猜想 中子的发现 1930年 德国物理学家玻特和贝克发现利用 粒子轰击铍元素时 产生了一种穿透力极强而且不受电场或磁场影响的射线 1932年 伊莲娜和弗里德里克 约里奥发现 这些新射线能将运动速度极快的氢核从煤油中释放出来 断言这种射线是 射线 1932年 查德威克从实验上发现了质量与质子相近的中性粒子 并命名为 中子 伊伦 约里奥 居里 约里奥 居里 查德威克 1891 1974 英国物理学家1932年发现中子 于1935年获诺贝尔奖 原子核结构 1932年 前苏联伊凡年科与海森伯提出原子核由质子和中子组成的理论 质子 p 和中子 n 统称为核子 N 质子质量 中子质量 质子质量微小于中子质量 元素符号表示 例 同位素 质子数相同 中子数不同的元素 如氢的同位素 氘和氚是氢的同位素 关于氢 氘 氚的原子 下列说法哪个正确 A 具有相同的质子数 相同的中子数 相同的电子数 B 具有不同的质子数 相同的中子数 相同的电子数 C 具有相同的质子数 不同的中子数 相同的电子数 D 具有相同的质子数 相同的中子数 不同的电子数 例 C 衰变遵循的规律 质量数守恒 电荷数守恒 原子核的衰变 decay 重的原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化 原子核的衰变 衰变 原子核放出 粒子的衰变叫做 衰变 衰变 原子核放出 粒子的衰变叫做 衰变 两种衰变 射线伴随 或 衰变产生 例 衰变 衰变 衰变 衰变 判断衰变类型 经过一系列 衰变和 衰变后 可以变成稳定的元素铅206 问这一过程 衰变和 衰变次数 解 设经过x次 衰变 y次 衰变 238 206 4x 92 82 2x y x 8y 6 例 BC 图中P为放在匀强电场中的天然放射源 其放出的射线在电场的作用下分成a b c三束 以下判断正确的是 A a为 射线 b为 射线B a为 射线 b为 射线C b为 射线 C为 射线D b为 射线 C为 射线 例 半衰期 放射性元素的剩余质量与原有质量的关系 半衰期 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 数量关系 单个的微观事件不可预测 即我们只知道它发生的概率 不知道它具体何时发生 衰变知识应用 如 人们利用地壳岩石中存在的微量的放射性元素的衰变规律 测定地球的年龄为46亿年 地壳有一部漫长的演变历史 一部不断变化 不断发展的历史 半衰期的长短由核内部自身的因素决定 跟所处的化学状态和外部条件都没有关系 利用这一知识可以用来测量各种年龄 碳14测年技术大气中14C是一些原子在太阳射来的高能粒子流作用下产生的 能够自发的进行 衰变 半衰期5730年 变成氮 它在大气中产生和衰变存在动态平衡 含量相当稳定 活的植物因新陈代谢含量与空气中一样 死后没有与空气交换只有衰变因此可以根据相对含量 算出死亡时间 1 原理 射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象 显示射线的存在 2 现象举例 粒子使气体或液体电离 以这些离子为核心 过饱和的蒸汽会产生雾滴 过热液体会产生气泡 使照相乳胶感光 使荧光物质产生荧光 探测射线方法的原理 射线使气体分子电离 过饱和蒸汽以离子为中心凝结成雾滴 显示运动轨迹 威尔逊云室 粒子的电离本领很小 一般看不到它的径迹 射线 直而粗 原因 粒子质量大 不易改变方向 电离本领大 沿途产生的离子多 射线 比较细 而且常常弯曲 原因 粒子质量小 跟气体碰撞易改变方向 电离本领小 沿途产生的离子少 工作原理 射线使液体分子电离 过热液体以离子为核心形成胚胎气泡 显示运动轨迹 气泡室 优点 直观 作用顶点可见 有很好的多重效率 有效空间大和测量精度高等等 缺点 收集和分析数据较慢 扫描 测量照片太费时间 体积不容易做得很大 窗口 阴极 导电圆筒 阳极 金属丝 接放大器 粒子 盖革 米勒计数器 射线使气体分子电离 产生脉冲放电 放电次数就是进入计数管内粒子的个数 优点 非常灵敏 缺点 不能区分射线的种类 不适合于极快速的计数 不适合于检测 粒子 核反应 原子核在其他粒子的轰击下产生新的原子核的过程 有些同位素具有放射性 叫做放射性同位素 放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质 放射性同位素衰变可生成另一种新元素 放射性同位素与放射性元素一样 都有一定的半衰期 衰变规律一样 天然放射性同位素不过四十多种 现在可以用人工的方法得到放射性同位素1000多种 核反应和放射性同位素 放射性同位素在农业 医疗卫生 和科学研究等许多方面得到了广泛的应用 其应用是沿着利用它的射线和作为示踪原子两个方向展开的 放射性的应用 射线应用 示踪原子 探伤仪 培育新种 保存食物 消除有害静电 消灭害虫 治疗恶性肿瘤 农作物检测 诊断器质性和功能性疾病 生物大分子结构及功能研究 放射性同位素的应用 核力 核子之间的相互作用力 核力的奇怪特点 核力 强力 1 核力是四种相互作用中的强相互作用 强力 的一种表现 2 核力是短程力 约在10 15m量级时起作用 距离大于0 8 10 15m时为引力 距离为10 10 15m时核力几乎消失 距离小于0 8 10 15m时为斥力 3 核力具有饱和性 核子只对相邻的少数核子产生较强的引力 而不是与核内所有核子发生作用 4 核力具有电荷无关性 除核力外原子核内还存在弱相互作用 弱力 弱相互作用也是短程力 力程比强力更短 为10 18m 作用强度则比电磁力小 弱力是引起中子 质子转变的原因 弱力 自然界中较轻的原子核 质子数与中子数大致相等 但对于较重的原子核 中子数大于质子数 越重的元素 两者相差越多 原子核中质子与中子的比例 当核越来越大 有些核子间的距离越来越远 核力减小很快 所以 原子核大到一定程度时 相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力 这个原子核就不稳定了 这时 如果增加中子 中子与其他核子没有库仑斥力 但有相互吸引的核力 有助于维系原子核的稳定 所以重原子核里 中子数要比质子数多 入射的光子的能量至少是2 22MeV 以 光子的形式向外辐射2 22MeV出去 当核子结合成原子核时要放出一定能量 原子核分解成核子时 要吸收同样的能量 这个能量叫做原子核的结合能 也叫核能 结合能 2 中等大小的核的比结合能最大 表明中等质量的核最稳定 1 比结合能越大 取出一个核子就越困难 核就越稳定 比结合能是原子核稳定程度的量度 3 质量较大的重核和质量较小的轻核的比结合能都较小 比结合能 结合能 E与核子数A之比 也叫平均结合能 特点 比结合能 质量亏损 把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差 核子在结合成原子核时出现质量亏损 所以要放出能量 大小为 质量与能量 爱因斯坦的质能方程 Zmp A Z mn m 其中Z为质子数 A为质量数即核子数 核聚变 核裂变 核聚变 核裂变 核聚变和核裂变 核聚变 两个轻核结合成较重的单个原子核 核裂变 1个重核分裂为两个 或多个 中等质量的核 证明 1u质量对应的能量为931 5MeV 碳原子质量的1 12称为原子质量单位 用u表示 例 解 根据质能关系E mc2 1 6605 10 27 3 0 108 1 49445 10 10 J 1 46445 10 10 1 602 10 19 0 9315 109 931 5MeV 1uc2 931MeV 中子的质量 1 6749 10 27Kg质子的质量 1 6726 10 27Kg中子和质子的质量和 3 3475 10 27Kg氘核的质量 3 3436 10 27Kg质量差 0 0039 10 27Kg放出的核能 E mC2 m 931MeV 0 0039 1 6605 931 2 1866MeV 例 求放出的能量 解 中子与质子结合生成氘放出2 19MeV的能量 这能量的绝对数量并不算大 但这只是组成1个氘核所放出的能量 如果组成的是6 02 1023个 1摩尔 氘核时 放出的能量就十分可观了 与之相对照的是 使1摩的碳完全燃烧放出的能量为393 5 103J 折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV 两者相差数十万倍 可见核能比化学能强得多 如 1克铀相当于2500吨优质煤 核反应与化学反应能量比较 铀核裂变 1939年12月 德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现 用中子轰击铀核时 核发生了裂变 哈恩 铀核裂变的产物是多种多样的 有时裂变为氙 Xe 和锶 Sr 有时裂变为钡 Ba 和氪 Kr 或者锑 Sb 和铌 Nb 同时放出2 3个中子 铀核还可能分裂成三部分或四部分 不过这种情形比较少见 讨论其中一个裂变 92235u 01n 3890sr 54136xe 1001n 计算可知 反应过程中质量减少了 m 0 1510u 放出核能 E mc2 141MeV 铀核裂变时 同时释放出2 3个中子 如果这些中子再引起其他U235核裂变 就可使裂变反应不断地进行下去 这种反应叫做链式反应 链式反应 使裂变物资能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积 相应的质量叫做临界质量 原子弹原理 核燃料存在一个临界体积 当体积大于此临界体积时 核反应将得到放大 否则链式反应将终止 临界体积对应的质量称为临界质量 例如铀的临界质量为30磅 钚的临界质量为5磅 原子弹用控制临界体积的方法引发核链式反应 枪式 内爆式 1942年 在奥本海默领导下出色完成美国 曼哈顿 计划 造出世界上第一颗原子弹 核电站 核电站和原子弹是核裂变能的两大应用 两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制 核反应堆按中子能量可分为 热中子堆和快中子堆 热中子堆 中子能量在0 1eV左右 中子能量在2 V左右 快中子 可以使12至16个铀238变成钚239 生产核燃料生产的比消耗的还要多 几乎可以百分之百地利用铀资源 所以各国都在积极开发 现在全世界已有几十座中小型快堆在运行 慢中子反应堆 核聚变 聚变是核裂变平均每个核子放出能量的四倍 海水中氢与氘的原子数之比约为1 0 000151升海水中的氘核聚变放出的能量相当于燃烧300升汽油所放出的能量 地球上所有海水中的氘可供人类使用数百亿年 核聚变常用氘氚 d T 或氘氘 d d反应 d T d d 发生聚变的条件 要使原子核间的距离达到10 15m 实现方法 产生高温108 109K 氢弹 普通炸药 235 氘 氚 爆炸 裂变 聚变 氢弹是利用原子弹实现高温的 恐怖地氢弹爆炸 1967年6月17日 中国第一颗氢弹爆炸成功 太阳是一个巨大的热核反应堆 还能维持90亿 100亿年 人类的希望 受控热核反应 受控核聚变必须具备以下3个条件 1 足够高的点火温度 需要几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温 2 反应装置中的气体密度要很低 相当于常温常压下气体密度的几万分之一 3 充分约束 能量的约束时间要超过1秒钟 等离子体的温度 密度和热能约束时间三者乘积称为 聚变三重积 当它达到1022时 聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率 必须超过这一基本值 聚变反应才能自持进行 磁场约束 聚变所需燃料的约束 惯性约束 1987年春 IAEA 国际原子能机构 总干事邀请欧共体 日本 美国和加拿大 前苏联的代表在维也纳开会 决定四方合作设计建造国际热核实验堆 ITER 这是一个基于托卡马克方案的项目 中子n 质子p 氘核D的质量分别为现用光子能量为E的 射线照射静止氘核使之分解 反应的方程为若分解后中子 质子的动能可视为相等 则中子的动能是 C 例 能量最小 基本粒子 基本粒子指人们认知的构成物质的最小最基本的单位 质子和中子有没有结构 微观世界除了质子中子还有哪些东西 有没有没有结构的基本粒子 新粒子的发现 1932 1950发现一大批新粒子如 子 介子 奇异粒子 超子等 数目的增加在某种程度上类似于19世纪化学元素的增加 新的感性认知的基础上 需要新的归纳总结 1964年由美国盖尔曼提出强子由更小的组元 夸克组成 1995年预言的六种夸克都被证实 粒子的物理性质 3 寿命 粒子的寿命不同 有长寿粒子 如 电子 质子 中子 质子寿命最长 大于1033年 但绝大多数寿命远远小于十万分之一秒 1 质量 例如 电子的静止质量为m 9 11 10 31Kg质子的静止质量为m 1 67 10 27Kg 4 自旋 一种内在性质 带有量子化的角动量 5 粒子具有对称性 有一个粒子 必有一个反粒子 费米子 自旋为h 2 的半整数倍 玻色子 自旋为h 2 的整数倍 1928年 狄拉克从理论上预言反粒子的存在1932年 发现正电子 1995年发现反原子 2 电荷 有正负和不带电三种可能 基本电量e 1 6 10 19C 夸克可以带e 3 此外还有重子数 轻子数 奇异数 同位旋等性质 1 强子类 是指能直接参与强相互作用的粒子 由夸克组成 如 核子 质子 中子 超子 介子 k介子 r粒子等 夸克共3代 6味 每味3色 共36种 2 轻子类 是指不直接参与强相互作用 只参与弱相互作用 电磁作用和引力作用的粒子 共有六种 电子 电中微子 u子 u中微子 子 中微子 及这六种轻子的反粒子 3 传播子 是传播粒子间相互作用的能够独立存在的粒子 有四种 胶子 中间玻色子 光子 引力子 强力 弱力 电磁力 引力 基本粒子分类 标准模型 规范粒子 中微子系中性粒子 质量为零 只参与弱相互作用 轻子 共12种 夸克 夸克 组成参与强相互作用的强子 3代 6味 每味3色 共36种 1 0 1 1 1 2 1 2 0 0 p n p p u夸克 J 1 2 Q 2e 3 d夸克 J 1 2 Q e 3 几种粒子的夸克组成 物理理论的统一 超弦 大爆炸理论 宇宙从一个 奇点 爆炸产生 1950年前后 伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念 天文观察的依据是根据1929年埃德温 哈勃发现的红移定律 关于原子的结合能 下列说法中正确的是 A 使原子核分解为核子时释放的能量B 核子结合成核时需要吸收的能量C 核子结合成核时释放的能量D 核子结合成核时释放的能量等于将核分解为核子时吸收的能量 练习1 下列说法中正确的是 A 质子与中子的质量不等 但质量数相等B 两个质子间 不管距离如何 核力总是大于库仑力C 同一种元素的原子核有相同的质量数 但中子数可以不同D 除万有引力外 两个中子之间不存在其它相互作用力 练习2 关于原子的结合能 下列说法中正确的是 A 使原子核分解为核子时释放的能量B 核子结合成核时需要吸收的能量C 核子结合成核时释放的能量D 核子结合成核时释放的能量等于将核分解为核子时吸收的能量 CD 练习1答案 下列说法中正确的是 A 质子与中子的质量不等 但质量数相等B 两个质子间 不管距离如何 核力总是大于库仑力C 同一种元素的原子核有相同的质量数 但中子数可以不同D 除万有引力外 两个中子之间不存在其它相互作用力 A 练习2答案