1、第五章 核物理一、原子核的基本性質與組成二、原子核的結合能和核力三、原子核的衰變四、核反應（自學） 1第五章 核物理15.1 原子核的基本性質與組成一、原子核的組成 原子核：質子中子質子帶有與電子等量的正電荷質量為電子質量的1836.12倍中子不帶電，質量為電子的1838.65倍。核子：質子和中子的統稱。原子序數Z ：原子核中質子數目。質量數A：原子核中質子和中子的總數。25.1 原子核的基本性質與組成一、原子核的組成 原子原子核的表示：如：同位數：原子序數相同而質量數不同的原子。e.g. 自然界中氫有三種同位素，即分別稱為氫核、氘核（又稱重氫）和氚核。即：“原子質量單位”:碳同位素的原子核質

2、量的1/12。 以amu或u表示：1u=1.66056610-27Kg 3原子核的表示：如：同位數：原子序數相同而質量數不同的原子。即二、原子核的大小與密度實驗發現r0=1.21015m=1.2fm（飛米）E.g. 和 的核半徑分別為4.6fm和7.4 fm核的密度都相等，比地球平均密度大1014倍4二、原子核的大小與密度實驗發現r0=1.21015m=1三、原子核的自旋和磁矩1.核自旋（原子核的自旋角動量）核子的軌道角動量與自旋角動量之和。自旋量子數質子和中子的自旋量子數均為1/2(費米子），質量數A為奇數，I是1/2的奇數倍， 質量數A為偶數， I為正整數或零。5三、原子核的自旋和磁矩1.

3、核自旋（原子核的自旋角動量）自旋量核自旋（量子數）磁矩1103/23/29/2+0.8565N-0.8213N+3.2532N+2.215N+5.49N6核自旋（量子數）磁矩1103/23/29/2+0.8565核的自旋角動量在任何一方向的分量Lz也是量子化的自旋磁量子數2.核磁矩質子的軌道磁矩7核的自旋角動量在任何一方向的分量Lz也是量子化的自旋磁量子數其在z軸方向的投影：核磁子質子和中子的自旋磁矩gsg因子8其在z軸方向的投影：核磁子質子和中子的自旋磁矩gsg其在z軸方向的投影：由于 質子 gs,p=5.5857 中子gs,n= -3.8261 Notice:中子有帶正電的內核和帶負電的外

4、殼9其在z軸方向的投影：由于 質子 gs,p=5.5857核磁矩在z軸方向的分量：四、核磁共振核磁矩比原子磁矩還要小一千倍左右，如何測量核磁矩？拉比(I.I.Rabi)首創了核磁共振法10核磁矩在z軸方向的分量：四、核磁共振核磁矩比原子磁矩還要小一純水，水分子中的電子磁矩相互抵消，氧原子核的磁矩為零，所以水分子的磁矩僅由氫核（質子）提供 磁矩平行于磁場的態為低能態，反平行B的為高能態11純水，水分子中的電子磁矩相互抵消，氧原子核的磁矩為零，所熱平衡時，處于低能態上質子數稍多于高能態上的質子數將電磁波加于水的樣品，當其頻率滿足即質子將吸收電磁波的能量，在兩能態之間發生共振躍遷核磁共振在外磁場中原

5、子核吸收特定電磁波的現象12熱平衡時，處于低能態上質子數稍多于高能態上的質子數將電磁波加乙醇（C2H5OH）的核磁共振譜線利用氫核的核磁共振的醫療診斷人體內部大部分是水，這些水以及富含氫的分子的分布可因種種疾病發生變化13乙醇（C2H5OH）的核磁共振譜線利用氫核的核磁共振的醫療診5.2 原子核的結合能和核力一、原子核的質量虧損和結合能原子核的質量虧損Dm原子核的質量小于組成它的質子和中子質量之和，兩者之差稱為。由質能關系E=mc2145.2 原子核的結合能和核力一、原子核的質量虧損和結原子核的結合能Eb質子、中子組成原子核時放出能量反之要使原子核分解為單個的質子和中子也必須給予等值的能量原子

6、核質量15原子核的結合能Eb質子、中子組成原子核時放出能量反之要使平均結合能（又稱比結合能e）原子核的結合能EB與質量數A之比核子的比結合能愈大，原子核就愈穩定16平均結合能（又稱比結合能e）核子的比結合能愈大，原子核就愈穩1.最輕核和最重核比結合能較小，2.大多數中等質量的核，比結合能近似地相等，都在8MeV左右，中等質量的核最為穩定。3.當重核裂變成為中等質量的核，或輕核聚變為質量較大的核時，都將釋放出巨大的核能長約3cm的“LittleBoy”型原子彈171.最輕核和最重核比結合能較小，長約3cm的“LittleB二、核力核子之間一定存在著另一種很強的相互作用力。它將核子緊密地結合在一起

7、形成原子核。性質：(1)核力與核子的電荷無關。質子與質子之間、中子與中子之間、質子與中子之間的核力都是相同的。(2)核力是短程力。其作用范圍在10-15m以內18二、核力核子之間一定存在著另一種很強的相互作用力。性質：r(fm)U(r)/Mev1-1001002002核力勢能曲線強力是一種多體力不可疊加類比：兩個原子殘余電磁力兩個核子殘余色力核子由夸克組成夸克：色荷作為“內稟性質”色荷：紅、綠、藍具有相互作用力19r(fm)U(r)/Mev1-1001002002核力勢能曲核力也是一種交換力1935年日本物理學家湯川秀樹提出了核力的介子理論核子之間的相互作用是通過一個核子放出一個p介子、另一個

8、核子吸收這個p介子而形成的。p介子有三種帶電狀態：p+（帶正電）、p（帶負電）、p0（中性）。質子和質子、中子和中子之間交換的是p0介子，交換前后各個核子的電荷不變；質子和中子之間交換的是p+、p介子20核力也是一種交換力p介子有三種帶電狀態：p+（帶正電）、p核子之間通過交換介子產生核力21核子之間通過交換介子產生核力215.3 原子核的衰變放射性衰變（蛻變）不穩定核通過釋放某些粒子而趨于穩定的過程。一、a 衰變a粒子從原子核內逃逸出的現象a粒子即如：225.3 原子核的衰變放射性衰變（蛻變）不穩定核通過一般有伴隨著a 衰變有能量釋放，釋放的能量以a 粒子的動能形式帶走a 粒子，在核表面就形

9、成一個勢壘（書P211圖）衰變過程就是a 粒子穿過勢壘從原子核放射出去的一個隧道效應過程23一般有伴隨著a 衰變有能量釋放，釋放的能量以a 粒子的動能形粒子和子核間形成的庫侖勢能逃出的a 粒子能量比峰值低得多。見書（P212例5.5）二、b 衰變當一個原子核發出一個b 粒子后，原子核的原子序數增加1，而質量數不變。b粒子電子24粒子和子核間形成的庫侖勢能逃出的a 粒子能量比峰值低得多。二1927年泡利，提出b 衰變時除放出電子外，還同時放出一個“不可檢測的、很輕的、中性粒子，費米(E.Feimi)將其稱為“中微子”251927年泡利，提出b 衰變時除放出電子外，還同時放出一個“b衰變有兩種1.

10、中子衰變，變成質子，放出電子和反中微子自然界中存在2.質子衰變，變成中子放出正電子和中微子在人工放射性中發現26b衰變有兩種自然界中存在2.質子衰變，變成中子放出正電子電子俘獲：即原子核俘獲了與它最接近的內層電子，使核內一個質子轉變成中子，同時放出一個中微子。b 衰變的逆過程，即質子吸收反中微子轉變成中子，同時放出一個正電子27電子俘獲：即原子核俘獲了與它最接近的內層電子，使核內一個質子b衰變是一種弱相互作用過程，它的強度只有電磁相互作用的1012倍 三、g 衰變原子核放出光子的過程稱為g 衰變。當原子核發生a 、b 衰變時，往往衰變到核的激發態向低激發態或基態躍遷，同時放出g 光子，產生g

11、射線。核的能級間隔為100KeV到1Mevg 射線的光子能量非常大，其波長比X射線更短。28b衰變是一種弱相互作用過程，它的強度只有電磁相互作用的10四、放射性衰變定律單位時間內因衰變而減少的核數-dN/dt，與衰變前的核數N成正比其中，t=0時，原子核的數目為N0放射性定律兩個重要參數29四、放射性衰變定律單位時間內因衰變而減少的核數-dN/dt，1.半衰期放射性同位素的原子核數目衰變減少到原有的一半所經歷的時間，用T1/2表示E.g.Ca發生b 衰變的半衰期是164d（天），而212Po發生a衰變的半衰期是3107s301.半衰期放射性同位素的原子核數目衰變減少到原有的一半所2.平均壽命設在t t+dt時間內衰變了（dN）個核，每個核的壽命為t312.平均壽命設在t t+dt時間內衰變了（dN）個核，每五、放射