【教学课件】第7章原子核物理概论.ppt

原子核物理概论原子核物理概论教材教材:原子物理学原子物理学,杨福家杨福家,高教社高教社,2008,2008第四版第四版制作制作:红河学院理学院红河学院理学院 Zhu Qiao ZhongZhu Qiao Zhong第七章第七章Nuclear physics introductionNuclear physics introduction ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong第七章原子核物理概论第七章原子核物理概论7-17-1原子核物理的对象原子核物理的对象7-57-5放射性衰变基本规律放射性衰变基本规律7-27-2核力核力7-6 7-6 衰变衰变7-37-3核的基态特性之一：核质量核的基态特性之一：核质量7-7 7-7 衰变衰变7-47-4核的基态特性之二：核矩核的基态特性之二：核矩7-8 7-8 衰变衰变*7-5*7-5核模型核模型7-87-8核反应和核能的利用核反应和核能的利用目录目录2 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong第七章原子核物理概论第七章原子核物理概论 1.掌握原子核的基本性质。掌握原子核的基本性质。2.理解原子核结合能的含义并能熟练计算。理解原子核结合能的含义并能熟练计算。3.了解核素符号中各量的意义。了解核素符号中各量的意义。4.了解放射性衰变的规律及其应用。了解放射性衰变的规律及其应用。5.理解核裂变和核聚变。了解原子能的利用。理解核裂变和核聚变。了解原子能的利用。【教学目的教学目的】核力和核矩；放射性衰变的基本规律；和裂核力和核矩；放射性衰变的基本规律；和裂变和核聚变。变和核聚变。【教学重点教学重点】【教学难点教学难点】核力和核结构。】核力和核结构。3 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong7-1原子核的描述原子核的描述1896年年,贝克勒尔发现钠盐的放射现象贝克勒尔发现钠盐的放射现象.这是这是人类历史上第一次在实验室里观察人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象到原子核现象,是核物理学的开端是核物理学的开端.贝克勒尔贝克勒尔,1852-1908法法,与居里夫妇共同获与居里夫妇共同获1903年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖伦琴发现伦琴发现X射线后射线后,彭加勒彭加勒(法法)认为认为“X射线射线可能跟荧光属于同一机理可能跟荧光属于同一机理”,建议贝克勒尔建议贝克勒尔验证验证,终于发现终于发现钠盐钠盐有预期效果有预期效果.同时发现这同时发现这种射线跟荧光不一样种射线跟荧光不一样,不需要外来激发不需要外来激发.进一进一步的研究表明这是有别于步的研究表明这是有别于X射线的辐射射线的辐射,他称他称之为之为“铀辐射铀辐射”.贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片 贝克勒尔是贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟研究荧光和磷光现象的世家子弟,于于18921892年担任巴黎自然历史博物馆教授年担任巴黎自然历史博物馆教授,而此而此职位是他祖父和父亲曾担任过的职位是他祖父和父亲曾担任过的偶然？必然？贝克勒尔发现放射现象（贝克勒尔发现放射现象（贝克勒尔发现放射现象（贝克勒尔发现放射现象（1896189618961896）一、历史回顾一、历史回顾一、历史回顾一、历史回顾4 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao ZhongJ.J汤姆逊发现电子（汤姆逊发现电子（1897）J.J汤姆逊汤姆逊,英英,（1856-1940）获获1906年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖1897年年,J.J汤姆逊通过对阴极汤姆逊通过对阴极射线的研究测定了电子的荷质射线的研究测定了电子的荷质比从而在实验上发现了电子比从而在实验上发现了电子.J.J.汤姆孙曾师从瑞利汤姆孙曾师从瑞利,并于并于1884年年（时年（时年28岁）接替瑞利任卡文迪许实岁）接替瑞利任卡文迪许实验室主任（长达验室主任（长达35年）年）,经他培养的研经他培养的研究人员中有究人员中有7人获过诺贝尔奖人获过诺贝尔奖.在在19世纪末物理学的三大发现中世纪末物理学的三大发现中,如果说如果说X射线和放射性的发射线和放射性的发现具有某种偶然性现具有某种偶然性,那么电子的发现却充分显示了科学发展的必那么电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路由之路.它是许多人经过大量实验和理论研究它是许多人经过大量实验和理论研究,进行了长期的科学进行了长期的科学争论之后的产物争论之后的产物.比起前两件来比起前两件来,电子的发现更有意义电子的发现更有意义,它打破了它打破了原子不可分的传统观念原子不可分的传统观念.打开了通向原子物理学的大门打开了通向原子物理学的大门.5 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong居里夫妇发现居里夫妇发现钋和镭钋和镭(1898)1898)）皮埃尔皮埃尔.居里（法）（居里（法）（1859-1906）；）；玛丽玛丽.居里（法籍波兰）（居里（法籍波兰）（1867-1934）同获同获1903年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖.玛丽玛丽.居里居里于于1911年再次获诺贝尔化学奖年再次获诺贝尔化学奖居里夫妇于居里夫妇于1898年年7月在沥青铀矿分离物内找到放射月在沥青铀矿分离物内找到放射性特别强的物质性特别强的物质.为纪念祖国波兰为纪念祖国波兰,他们建议称之为他们建议称之为钋钋钋钋(Polonium).进一步的分离发现钡盐有更进一步的分离发现钡盐有更强的放射性强的放射性,认为还有第二种放认为还有第二种放射性更强的物质射性更强的物质,命名为命名为镭镭镭镭.后来他们用后来他们用4年时间从年时间从 8吨矿渣吨矿渣中提取了中提取了0.1g纯镭盐用于实验纯镭盐用于实验.6 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong居里夫人发现镭后居里夫人发现镭后居里夫人发现镭后居里夫人发现镭后,放弃专利放弃专利放弃专利放弃专利,公布提纯方法公布提纯方法公布提纯方法公布提纯方法.“.“没有人没有人没有人没有人应该因镭致富应该因镭致富应该因镭致富应该因镭致富,它是属于全人类的它是属于全人类的它是属于全人类的它是属于全人类的.”.”居里夫人的高尚品质居里夫人的高尚品质轶事三则：轶事三则：轶事三则：轶事三则：1）居里夫人把她千辛万苦提炼出的镭（价值）居里夫人把她千辛万苦提炼出的镭（价值100万以上法郎万以上法郎.他与居里所得他与居里所得诺贝尔奖金诺贝尔奖金7万法郎万法郎）赠送给了研究治癌的实验室）赠送给了研究治癌的实验室.有人劝她把这些财产留给有人劝她把这些财产留给两个女儿两个女儿,居里夫人说：居里夫人说：“我希望女儿长大自己谋生我希望女儿长大自己谋生,我只留给她们精神财富我只留给她们精神财富,把她们引上正确的生活道路把她们引上正确的生活道路,而绝不给她们留金钱而绝不给她们留金钱.”2）居里夫人淡泊名利）居里夫人淡泊名利.一次她的一位朋友来访一次她的一位朋友来访,看见她的小女儿正在玩英国看见她的小女儿正在玩英国皇家学会刚刚颁发给她的金质奖章皇家学会刚刚颁发给她的金质奖章,惊讶地说惊讶地说“居里夫人居里夫人,得到一枚英国皇家学得到一枚英国皇家学会的奖章会的奖章,是极高的荣誉是极高的荣誉,你怎么能给孩子玩呢你怎么能给孩子玩呢?”居里夫人笑了笑说：居里夫人笑了笑说：“我是想我是想让孩子从小就知道让孩子从小就知道,荣誉就像玩具荣誉就像玩具,只能玩玩而已只能玩玩而已,绝不能看得太重绝不能看得太重,否则就将一否则就将一事无成事无成.”3）从）从1953年起，居里夫人的年薪已增至年起，居里夫人的年薪已增至4万法郎万法郎,但她照样但她照样“吝啬吝啬”.她每她每次从国外回来次从国外回来,总要带回一些宴会上的菜单总要带回一些宴会上的菜单,因为这些菜单都是很厚很好的纸片因为这些菜单都是很厚很好的纸片,在背面写字很方便在背面写字很方便.难怪有人说居里夫人一直到死都难怪有人说居里夫人一直到死都“像一个匆忙的贫穷妇人像一个匆忙的贫穷妇人.”7 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong1920年年5月月,美国记者麦隆内夫人在巴美国记者麦隆内夫人在巴黎简陋的实验室访问居里夫人黎简陋的实验室访问居里夫人,问道问道:“难难道这个世界上就没有你想要的东西？道这个世界上就没有你想要的东西？”“有有,1克镭克镭.以便我的研究以便我的研究.可可18年后年后的今天我买不起的今天我买不起,它的价格太贵了它的价格太贵了.”麦隆内夫人在全美妇女中为其募捐获麦隆内夫人在全美妇女中为其募捐获得成功得成功.1921年年5月月20日日,美国总统将公众美国总统将公众捐献的捐献的1克镭赠与居里夫人克镭赠与居里夫人.数年后数年后,当居里夫人想在故国波兰华当居里夫人想在故国波兰华沙假设一个镭研究院治疗癌症时沙假设一个镭研究院治疗癌症时,美国美国公众再次为她捐赠了第二克镭公众再次为她捐赠了第二克镭.轶事：居里夫人的轶事：居里夫人的3g3g镭镭居里夫人在工作中遭受了大剂量的辐射居里夫人在工作中遭受了大剂量的辐射.后来长期患恶性贫血后来长期患恶性贫血症症.弗列德利克弗列德利克约里奥曾检验过她当年的实验记录本约里奥曾检验过她当年的实验记录本,发现全都发现全都严重沾染了放射物严重沾染了放射物.她当年用过的烹调书她当年用过的烹调书,50年后再检查年后再检查,还有放还有放射性射性.8 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong居里夫人雕塑居里夫人雕塑-上海上海“东方绿舟东方绿舟”知识大道知识大道9 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford）英英,(1871-1937),获获1908年度诺年度诺贝尔化学奖贝尔化学奖.1903年证实了年证实了射线为射线为2He,射线为电子射线为电子;1911年提出了原子的核式模型年提出了原子的核式模型;1919年首次实现人工核年首次实现人工核反应反应,用用粒子从氮核中打出质子粒子从氮核中打出质子.培养了培养了10位诺贝尔奖位诺贝尔奖获得者获得者.10 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao ZhongJ.Chadwick,(1891-1974),英英.因于因于1932年发现中子年发现中子,获获1935年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖.F.Joliotcurie,法法,（19001958）I.Joliotcurie,法法,（18971956）因于因于1934年发现人工放射性年发现人工放射性,同获同获1935年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖11 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong哈恩等人发现核裂变哈恩等人发现核裂变（19381938）哈恩（哈恩（Hahn）德）德（18791968）1938年年,哈恩和助手哈恩和助手斯特拉斯曼斯特拉斯曼斯特拉斯曼斯特拉斯曼发现发现铀经中子照射后产生了中间质量的元铀经中子照射后产生了中间质量的元素素.接着接着迈特纳迈特纳迈特纳迈特纳（曾是哈恩的助手）和（曾是哈恩的助手）和弗里什弗里什弗里什弗里什提出核裂变概念提出核裂变概念,解释了他们的解释了他们的实验结果实验结果.哈恩为此哈恩为此独获独获1944年诺贝尔年诺贝尔化学奖化学奖.迈特纳迈特纳(L.Meitner)（18781968）犹太血）犹太血统的奥地利物理学家统的奥地利物理学家,被称为被称为“科学中的边科学中的边际人际人”.12 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong费米（费米（E.Fermi）(1901-1954)意大利意大利,1938年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖.发发明了热中子链式反应堆明了热中子链式反应堆.丁肇中丁肇中,(1936)美籍中国人美籍中国人,与与B.里克特分别发现里克特分别发现J、粒粒子子,找到了美夸克存在的证据找到了美夸克存在的证据,获获1976年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖.13 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong近年来的实验已经有了夸克可能是由更小的粒子组近年来的实验已经有了夸克可能是由更小的粒子组成的迹象成的迹象,仍有待进一步研究仍有待进一步研究.14 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong二、原子核的组成二、原子核的组成目前已知原子核的电荷数目前已知原子核的电荷数Z（1-109）.其中其中Z为为43、61、85、87及及93的原子核都是用人工方法获得的的原子核都是用人工方法获得的.原子核的线度为原子核的线度为原子的原子的10-4,质量占原子的质量占原子的99%以上以上.原子核对原子性质起主要贡献的是其质量和电荷原子核对原子性质起主要贡献的是其质量和电荷.核核的其它性质几乎不对原子产生影响的其它性质几乎不对原子产生影响.核外电子的行为对核也几乎不产生影响核外电子的行为对核也几乎不产生影响.元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有关关.而而放射性现象则归因于原子核放射性现象则归因于原子核放射性现象则归因于原子核放射性现象则归因于原子核.核外电子的行为对原子核的影响甚微核外电子的行为对原子核的影响甚微,可不予考虑可不予考虑.15 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong1.1.原子核的组份原子核的组份早在早在1920年年,卢瑟福就推测核内应当存在一种与质子质卢瑟福就推测核内应当存在一种与质子质量大体相等且不带电的粒子量大体相等且不带电的粒子.1932年年,查德威克发现中子之后查德威克发现中子之后,海森伯（德）和伊凡海森伯（德）和伊凡宁柯（俄）宁柯（俄）立即提出立即提出原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成的假说的假说.这一假说得到实验的证实这一假说得到实验的证实,很快就被人们接受很快就被人们接受.中子和质子统称核子中子和质子统称核子中子和质子统称核子中子和质子统称核子.实验表明实验表明,质子是稳定的质子是稳定的,而自由中子却不稳定而自由中子却不稳定.原子质量单位原子质量单位u u：同位素：同位素 原子质量的原子质量的1/12.1/12.原子核和核子的质量通常以原子质量单位原子核和核子的质量通常以原子质量单位u来量度来量度.16 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong原子核的质量数原子核的质量数原子核的质量数原子核的质量数 A A：研究表明：研究表明,原子核的质量都接近原子核的质量都接近整数整数.这个整数称为原子核的质量数这个整数称为原子核的质量数.核核核核子子子子名称名称名称名称符号符号符号符号电量电量电量电量静止质量静止质量静止质量静止质量质子质子质子质子p p p pe e e e中子中子中子中子n n n n0 0 0 0原子核的质量数原子核的质量数中子和质子的质量相近且接近中子和质子的质量相近且接近1u,所以所以原子核的质量数就是该原子核所包含的原子核的质量数就是该原子核所包含的核子总数核子总数.海森伯认为海森伯认为海森伯认为海森伯认为p p和和和和n n是核子的两个不同状态是核子的两个不同状态是核子的两个不同状态是核子的两个不同状态,质量上的微质量上的微质量上的微质量上的微小差异是由电性质的不同所引起的小差异是由电性质的不同所引起的小差异是由电性质的不同所引起的小差异是由电性质的不同所引起的.在原子核内在原子核内在原子核内在原子核内,p,p和和和和n n间间间间可互相转化可互相转化可互相转化可互相转化,在转化过程中还会有其它粒子伴随产生在转化过程中还会有其它粒子伴随产生在转化过程中还会有其它粒子伴随产生在转化过程中还会有其它粒子伴随产生.17 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong核的半径：核的半径：核的半径：核的半径：(由实验规律给出由实验规律给出)经验常数经验常数（所有核普适）（所有核普适）核的质量密度核的质量密度核的质量密度核的质量密度:几种物质的质量密度几种物质的质量密度几种物质的质量密度几种物质的质量密度（g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3）水水水水1 1 1 1白矮星白矮星白矮星白矮星101010105 5 5 5 101010109 9 9 9核物质核物质核物质核物质1010101014141414中子星中子星中子星中子星10101010151515152.2.原子核的大小原子核的大小1cm3核物质的质量达核物质的质量达2亿吨亿吨;1粒米大小的核物质质量达粒米大小的核物质质量达20万吨万吨核的密度近似为常量核的密度近似为常量,与核的种类无关与核的种类无关.18 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong显然显然,核不可能是黑洞。核不可能是黑洞。根据根据“黑洞黑洞”的判据估算核是不是黑洞的判据估算核是不是黑洞（核半径取（核半径取1.02fm,核质量的数量级与核子质量的数量核质量的数量级与核子质量的数量级相当级相当,取取10-27kg）：）：补充补充:19 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong3.3.核素核素元素元素:质子数相同的一类原子质子数相同的一类原子.核素核素:具有相同质子数和相同中子数的一类原子核具有相同质子数和相同中子数的一类原子核.A:质量数质量数(核子数核子数)Z:质子数质子数(原子序数原子序数)NA-Z:中子数中子数核素核素符号符号迄今为止发现的约迄今为止发现的约3000个核素个核素中中,有有300多个天然核素多个天然核素(280多个稳定核素多个稳定核素,60多个放射性核素多个放射性核素),其余其余2300多个是多个是自自1934年以来人工合成的放射性核素年以来人工合成的放射性核素.理论预言可能观测到的核素：理论预言可能观测到的核素：6000余种余种.我国新核素合成跻身国际前沿我国新核素合成跻身国际前沿,至至2003年年,共合成共合成23种种新核素新核素.20 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong同位素同位素:Z Z相同但相同但N N不同的核素不同的核素.例如例如同中子异位素同中子异位素:N N相同但相同但Z Z不同的核素不同的核素.例如例如同量异位素同量异位素:A A相同但相同但Z Z不同的核素不同的核素.例如例如同质异能素同质异能素:A A和和Z Z均相同但能量不同的核素均相同但能量不同的核素.例如例如21 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong核素图核素图NZ中科院近物所中科院近物所.新核素图新核素图.114种元素种元素.3070个核素个核素（收集至（收集至2001年年底）年年底）(1987年核素图含核素年核素图含核素2234种种)核素的稳定区核素的稳定区核素的稳定区核素的稳定区:稳定核素几乎全稳定核素几乎全落在一条光滑曲线（稳定线落在一条光滑曲线（稳定线,称称为为线线）上或紧靠其两侧）上或紧靠其两侧,此此区域称核素的稳定区区域称核素的稳定区.对于轻核对于轻核,稳定线与直稳定线与直线线N=Z重合重合;当当Z增大增大至一定数值后至一定数值后,稳定线逐渐向稳定线逐渐向NZ的方的方向偏离向偏离.位于位于稳定线（稳定线（稳定线（稳定线（线）线）线）线）上侧的为上侧的为缺中子核区缺中子核区缺中子核区缺中子核区,下侧的为下侧的为丰中子核区丰中子核区丰中子核区丰中子核区.N和和Z过多或过少的核过多或过少的核素素都不稳定都不稳定.22 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong关于核素图的补充说明关于核素图的补充说明若将核素图中不稳定区比作若将核素图中不稳定区比作不稳定海洋不稳定海洋,则核素存在的区则核素存在的区域尤如域尤如“半岛半岛”.目前已发现目前已发现的的2000多个核素都在此半岛上多个核素都在此半岛上.1966年曾有理论预言在远离此半岛的年曾有理论预言在远离此半岛的不稳定海洋中不稳定海洋中,在在Z114附近有一个超重元附近有一个超重元素稳定岛素稳定岛.此后先后有此后先后有15次次“成功登岛成功登岛”的报道的报道,但后来均证明实际上不成功但后来均证明实际上不成功.现今的理论还预告现今的理论还预告,在现有核素半岛上在现有核素半岛上,允许允许存在的核素远不止存在的核素远不止3000多个多个,而至少应有而至少应有6000个个.未发现的多为丰中子核素未发现的多为丰中子核素.事实上事实上,新的核素确新的核素确实不断被制造出实不断被制造出,远离稳定线的核素研究系原子远离稳定线的核素研究系原子核物理的一个重要分支核物理的一个重要分支.1974年年,李政道预言李政道预言:在不稳定海洋的更遥远的在不稳定海洋的更遥远的地方存在着一个比岛大得地方存在着一个比岛大得多的多的“稳定洲稳定洲”,那里有那里有成千上万个稳定核素成千上万个稳定核素23 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong一、核质量与结合能原子核由核子组成原子核由核子组成,但实验事实表明：核的质量与组但实验事实表明：核的质量与组成核的诸核子质量之和并不相等成核的诸核子质量之和并不相等.以氘核以氘核(2H)为例为例氘核氘核7-27-2原子核的基态特性之一：核质量原子核的基态特性之一：核质量事实上事实上事实上事实上,任何两个物体结合为一体时都会放出一部分能量任何两个物体结合为一体时都会放出一部分能量任何两个物体结合为一体时都会放出一部分能量任何两个物体结合为一体时都会放出一部分能量.只不只不只不只不过一般情况下释放的能量甚微无须考虑过一般情况下释放的能量甚微无须考虑过一般情况下释放的能量甚微无须考虑过一般情况下释放的能量甚微无须考虑.但在核物理学中但在核物理学中但在核物理学中但在核物理学中,结合能结合能结合能结合能则是一个重要概念则是一个重要概念则是一个重要概念则是一个重要概念,而在高能物理中更有特别的意义而在高能物理中更有特别的意义而在高能物理中更有特别的意义而在高能物理中更有特别的意义.24 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong1.1.质量亏损：组成核的核子质量之和与核的质量的差值质量亏损：组成核的核子质量之和与核的质量的差值质量亏损：组成核的核子质量之和与核的质量的差值质量亏损：组成核的核子质量之和与核的质量的差值.由于原子质量可以用质谱仪测定由于原子质量可以用质谱仪测定,一般数据表均可查一般数据表均可查到到,所以通常用中性原子的质量来表示核的质量所以通常用中性原子的质量来表示核的质量.因此上因此上式改写为：式改写为：等式右边第一项中的等式右边第一项中的Z个电子的质量恰好被第三项中个电子的质量恰好被第三项中的的Z个电子的质量所抵消个电子的质量所抵消.1.1.质量亏损质量亏损 严格地说这是一种近似严格地说这是一种近似严格地说这是一种近似严格地说这是一种近似.因为多电子原子中因为多电子原子中因为多电子原子中因为多电子原子中Z Z个电子的结合能个电子的结合能个电子的结合能个电子的结合能不等于不等于不等于不等于Z Z个氢原子中电子的结合能之和个氢原子中电子的结合能之和个氢原子中电子的结合能之和个氢原子中电子的结合能之和,但差别很小但差别很小但差别很小但差别很小,以至可忽略以至可忽略以至可忽略以至可忽略.25 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong2.2.核的结合能核的结合能核的结合能核的结合能B B：核子结合为某种核时释放的能量：核子结合为某种核时释放的能量：核子结合为某种核时释放的能量：核子结合为某种核时释放的能量.2.2.核的结合能核的结合能B B核的结合能越大核的结合能越大,原子核越稳定原子核越稳定.表明表明:亏损的质量转化为能量的释放亏损的质量转化为能量的释放.oror:核能的释放以质量亏损为代价核能的释放以质量亏损为代价.通过实验测出原子的质量通过实验测出原子的质量M,即可由上式求出各种核即可由上式求出各种核素的结合能素的结合能,反之亦然反之亦然.因此因此,核的质量和结合能两词可等核的质量和结合能两词可等核的质量和结合能两词可等核的质量和结合能两词可等价使用价使用价使用价使用.平均结合能平均结合能（比结合能）（比结合能）表示原子核中每个核子对结表示原子核中每个核子对结表示原子核中每个核子对结表示原子核中每个核子对结合能的贡献合能的贡献合能的贡献合能的贡献.标志核子结合的松紧标志核子结合的松紧标志核子结合的松紧标志核子结合的松紧程度程度程度程度.越大越大,从核内从核内“拉出拉出”一个核一个核子所需作的功就越大子所需作的功就越大,核就越稳定核就越稳定.26 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong例例1：氘：氘(2H)为氢的同位素为氢的同位素,在海水中每在海水中每100万个氢原子中约有万个氢原子中约有150个氘原子个氘原子,它由它由1个质子和个质子和1个中子组成个中子组成.计算氘原子的结合能计算氘原子的结合能.解：解：精确的实验证明氘的结合能与以上计算结果一致精确的实验证明氘的结合能与以上计算结果一致.实验还证实了它的逆过程实验还证实了它的逆过程,当用当用2.225MeV的光子照射氘核时的光子照射氘核时,氘核将氘核将“分离分离”为一个质子和一个中子为一个质子和一个中子.例例2：计算氘和氦的比结合能：计算氘和氦的比结合能(已知已知B氦氦=28.296MeV).解：解：27例：例：Be的原子质量为的原子质量为9.012183u,试计算试计算Be核的质量亏损、结核的质量亏损、结合能和平均结合能。合能和平均结合能。9494解：解：Be核由核由4个质子和个质子和5个中子组成，查表得个中子组成，查表得9428 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong1)当当A30时时,曲线有起伏的上升曲线有起伏的上升.其中偶偶核其中偶偶核(奇奇核奇奇核)的的有极大有极大(小小)值值,具有较高具有较高(低低)的稳定性的稳定性;（自然界（自然界（自然界（自然界280280多种稳定核素中多种稳定核素中多种稳定核素中多种稳定核素中,偶偶核占偶偶核占偶偶核占偶偶核占166166种种种种,奇奇核只占奇奇核只占奇奇核只占奇奇核只占9 9种种种种.）2)A=40-120的中等核的中等核较高较高,几乎为一常量几乎为一常量.8.68.6MeVMeV3)轻核和重核的轻核和重核的较中等核低较中等核低.1)重核裂变重核裂变2)轻核聚变轻核聚变核的比结合能图核的比结合能图29 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong3.3.魏扎克半经验质量公式魏扎克半经验质量公式（19351935）目前人们对核的定量描述还很困难目前人们对核的定量描述还很困难,至今还无法从第一性原理导出一个核至今还无法从第一性原理导出一个核质量公式质量公式,以算出所有核素的质量以算出所有核素的质量.1935年年,冯冯.魏扎克（德魏扎克（德,1912-）根据液滴）根据液滴模型给出一个半经验的核质量公式即核的结合能公式模型给出一个半经验的核质量公式即核的结合能公式,与实验结果相符与实验结果相符.体积能体积能:表明核的体积与核的质量数近似成正比表明核的体积与核的质量数近似成正比表明核的体积与核的质量数近似成正比表明核的体积与核的质量数近似成正比.表面能表面能:核表面的核子末受四周核子包围核表面的核子末受四周核子包围核表面的核子末受四周核子包围核表面的核子末受四周核子包围,是使结合能变小的项是使结合能变小的项是使结合能变小的项是使结合能变小的项.库仑能库仑能:表明核内质子间的库仑斥表明核内质子间的库仑斥表明核内质子间的库仑斥表明核内质子间的库仑斥力是导致核不稳定的因素力是导致核不稳定的因素力是导致核不稳定的因素力是导致核不稳定的因素,是使结合能变小的项是使结合能变小的项是使结合能变小的项是使结合能变小的项.对称能对称能:在在N=Z时为时为0对能项（奇偶能）对能项（奇偶能）:壳效应壳效应:一般不考虑一般不考虑30 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong在魏扎克半经验质量公在魏扎克半经验质量公式中式中,起主导作用的是前三起主导作用的是前三项中项中.相关系数可由实验相关系数可由实验或计算得出或计算得出.分别为分别为:结合能的主要部分结合能的主要部分A0体积能体积能表面能表面能表面能表面能库仑能库仑能库仑能库仑能总能量总能量总能量总能量31 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong补充补充第一性原理第一性原理:某些硬性规定或推演得出的结论某些硬性规定或推演得出的结论,称为称为“理论性统计数据理论性统计数据”;经验参数经验参数:大量实例得出的规律性数据大量实例得出的规律性数据.这些数据这些数据可来源于第一性原理可来源于第一性原理,也可来自于实验也可来自于实验,称为称为“实验实验统计数据统计数据”;半经验半经验:某些原理或数据来源于第一性原理某些原理或数据来源于第一性原理,但推但推演过程中加入了一些假设演过程中加入了一些假设.32 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong核力核力核力核力:核子紧密结合形成高密度核的力核子紧密结合形成高密度核的力.一、核力的基本性质1 1）短程性的强相互作用）短程性的强相互作用）短程性的强相互作用）短程性的强相互作用核力只作用于相邻的核子核力只作用于相邻的核子,作用距离不大于作用距离不大于10-15m.作作用力程用力程(作用半径作用半径)比核线度小比核线度小,为短程力为短程力.核力强度约为库仑力的核力强度约为库仑力的100倍倍.7-37-3核力核力两个核子间的引力势能约为两个核子间的引力势能约为10-36MeV,质子间的静电质子间的静电势能为势能为0.72MeV,而核子间的平均结合能为而核子间的平均结合能为8.6MeV.由由此可知与其势能对应的引力、静电力和核力的区别此可知与其势能对应的引力、静电力和核力的区别.33 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong核的结合能近似与核的结合能近似与A成正比成正比,近似为常数近似为常数.意味着每意味着每一个核子只与它临近的少数几个核子发生相互作用一个核子只与它临近的少数几个核子发生相互作用.正因为核力具有饱和性正因为核力具有饱和性,重核才不稳定重核才不稳定.因为静电力不因为静电力不具有饱和性具有饱和性,重核外层核子所受核力与斥力基本相等重核外层核子所受核力与斥力基本相等,故故不稳定不稳定.2 2）饱和性的交换力）饱和性的交换力）饱和性的交换力）饱和性的交换力3 3）电荷无关性）电荷无关性）电荷无关性）电荷无关性(1932年海森堡的假设年海森堡的假设.1946-1955年确证）年确证）a)电荷对称性电荷对称性:质子间、中子间的核力相等质子间、中子间的核力相等;b)核力与电荷无关核力与电荷无关:质子和中子间的核力相等质子和中子间的核力相等.4 4）自旋相关性）自旋相关性）自旋相关性）自旋相关性两核子自旋平行时总自旋为两核子自旋平行时总自旋为1,此时作用力较强此时作用力较强.(核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同)34 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong5 5）核力在极短程表现为斥力（斥心力的存在）核力在极短程表现为斥力（斥心力的存在）核力在极短程表现为斥力（斥心力的存在）核力在极短程表现为斥力（斥心力的存在）核子的作用势核子的作用势:由由p-p、n-p的散射实验得出的散射实验得出r0r0r/fm0 0.8 2 10 核力表现为核力表现为“斥力斥力”核力表现为核力表现为“强引力强引力”核力消失核力消失核子间距核子间距2fm范围内范围内,还还有很多问题有待解决有很多问题有待解决!无法制备纯中子靶进行无法制备纯中子靶进行n-nn-n散射实验散射实验,但间接实验但间接实验证明有相似的大致规律证明有相似的大致规律.35 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong二、费曼图二、费曼图费曼图：在时空平面内表示相互作用的方法费曼图：在时空平面内表示相互作用的方法.理查德理查德菲利普菲利普费曼费曼R.Feynman,（19181988）,美美,因在量子电动力学方面的成就而获因在量子电动力学方面的成就而获1965年度诺年度诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖.两个电子间的相互作用两个电子间的相互作用:两个电子通过交换光子而实两个电子通过交换光子而实现现.但若光子的能量为但若光子的能量为h则违反守恒律（不允许）则违反守恒律（不允许）,故称故称之为之为“虚光子虚光子”.交换光子的过程为交换光子的过程为“虚过程虚过程”.虚光子虚光子36 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong三、核力的介子理论（三、核力的介子理论（19351935）1935年年,汤川秀树（日）汤川秀树（日）把核力与电磁力进行类比把核力与电磁力进行类比,提出核力的提出核力的介子理论介子理论.他认为他认为核力是一种交换力核力是一种交换力,核子间通过交换核子间通过交换“媒介粒子媒介粒子”而发生相互作用而发生相互作用.他还估算了媒介粒子的质量他还估算了媒介粒子的质量,方法大致如下方法大致如下.如图示如图示,虚粒子生存时间为虚粒子生存时间为t,此段时间的最大能量此段时间的最大能量转移为转移为:假如这些能量全部转化为虚粒假如这些能量全部转化为虚粒子的静止能子的静止能,则则其质量必满足其质量必满足:这部分能是这部分能是这部分能是这部分能是“无中生有无中生有无中生有无中生有”的的的的.因此能量在此不守恒因此能量在此不守恒因此能量在此不守恒因此能量在此不守恒.在实验中观察不到媒介粒子的释放在实验中观察不到媒介粒子的释放在实验中观察不到媒介粒子的释放在实验中观察不到媒介粒子的释放,这就是这就是这就是这就是“虚虚虚虚”词词词词的由来的由来的由来的由来.但不确定关系允许在但不确定关系允许在但不确定关系允许在但不确定关系允许在 t t内存在不守恒量内存在不守恒量内存在不守恒量内存在不守恒量 E.E.37 ManufactureManufacture :Zhu Qiao Zhong:Zhu Qiao Zhong汤川认为核子也能发射和吸收某种虚粒子（媒介子）汤川认为核子也能发射和吸收某种虚粒子（媒介子）虚粒子的交换将伴随能量和动量的转移虚粒子的交换将伴随能量和动量的转移,从而导致两个从而导致两个核子之间的相互作用核子之间的相互作用.考虑核力考虑