(本科）物理学第七版16-1 原子核的基本性质和规律.ppt

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1、课程主讲人：物理学第七版16-1 原子核的基本性质和规律物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律2一一 原子核的基本性质原子核的基本性质1 原子核的组成、原子核的组成、大小和核力的存在大小和核力的存在 原子核的组成原子核的组成1911年卢瑟福建立了原子核的概念年卢瑟福建立了原子核的概念. .1932年查德威克发现了中子年查德威克发现了中子. .海森伯提出了原子核是由质子和中子海森伯提出了原子核是由质子和中子组成的假设组成的假设. .物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介

2、16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律3表示表示符号符号电电荷荷静止质量静止质量核子质子p+e1.672610-27中子n01.674910-27 原子核的质量和电荷原子核的质量和电荷原子核带电荷原子核带电荷 q = = Ze核电荷数核电荷数 Z 为核内质子数，也称为核内质子数，也称为原子序数为原子序数.物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律4质量数电荷数核质量数核质量数 A 是原子核内质子数与中是原子核内质子数与中子数的总和子数的总和.同位素同位素 Z 相同，相同， A

3、不同的原子核不同的原子核例：例：H， H， H 原子质量单位原子质量单位物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律5 原子核的大小与核力的存在原子核的大小与核力的存在原子核内的核子对称分布，近似为原子核内的核子对称分布，近似为半径半径R的球体，的球体，R = r0 A1/3 . r0约为约为(1.11.3)10-15 m 原子核密度原子核密度 2.31017 kgm-3 白矮星密度白矮星密度 109 21010 kgm-3 中子星密度中子星密度 1018 kgm-3物理学第七版第十六章第十六章 原子核与

4、粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律6核力是一种吸引力核力是一种吸引力. .原子核的势能曲线原子核的势能曲线物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律72 原子核的原子核的自旋和磁自旋和磁矩矩磁量子数 原子核的自旋角动量原子核的自旋角动量PI I 为自旋量子数，只能取整数或半整数；为自旋量子数，只能取整数或半整数； PI 在空间某特殊方向的投影：在空间某特殊方向的投影： = I,I1,I1,I 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介

5、原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律8通常以核自旋投影的最大值来表示核通常以核自旋投影的最大值来表示核 自旋的大小，自旋的大小， 原子核的磁矩原子核的磁矩 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律9“g因子因子”反映原子核结构；反映原子核结构； 为为 质子质量质子质量. 核磁子核磁子 . 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律103 原子核的结合能原子核的结合

6、能两个质子与两个中子质量和两个质子与两个中子质量和例例 核质量核质量存在质量差存在质量差 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律11结合能结合能：核子结合成原子核时放出的核子结合成原子核时放出的能量能量. .反映了核子结合的紧密程度反映了核子结合的紧密程度，值越大，则，值越大，则核越稳定核越稳定. .平均结合能平均结合能 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律12部分原子核的结合能与核子平均结合能部分原子

7、核的结合能与核子平均结合能物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律13各种不同核的核子平均结合能各种不同核的核子平均结合能的的分布曲线分布曲线物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律14注意注意30A150， 近似为常量近似为常量( 8.6 ).轻核与重核平均结合能都小于中等原子核轻核与重核平均结合能都小于中等原子核 的平均结合能的平均结合能.原子能的利用：聚变能和裂变能原子能的利用：聚变能和裂变能. . 物

8、理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律15 核力与核子的电荷无关核力与核子的电荷无关. . 质子与质子，质子与中子，中子与中子质子与质子，质子与中子，中子与中子 间有相同的核力间有相同的核力. . 核力是短程力核力是短程力. . 其作用距离其作用距离 m. m.4 核力特点核力特点 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律16 核力是强相互作用力核力是强相互作用力. . 核力是具有饱和性的交换力核力是具有饱和

9、性的交换力. . 核的结合能与核的结合能与核子数核子数成正比成正比. .相互作用相互作用类型类型核子平均结合能 核子间万有引力 质子与中子磁作用势能 质子与质子静电势能 能量值能量值/ /MeV8.610-36 0.03 0.72物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律17二原子核的变化及其规律二原子核的变化及其规律1 放射性衰变放射性衰变某些原子序数高的核（如某些原子序数高的核（如铀铀、钍钍、锕锕等）等）不稳定，具有天然放射性不稳定，具有天然放射性. .射线类型射线类型电离作用电离作用贯穿本领贯穿本

10、领带电性带电性磁场中磁场中是否偏转是否偏转（氦核)强小正电是（电子)较弱较高负电是 （光子）最弱最高电中性否 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律18 核衰变时的守恒规律核衰变时的守恒规律 质量数守恒、电荷数守恒。质量数守恒、电荷数守恒。 核衰变规律核衰变规律 大量同种放射性核衰变时遵守统计规律大量同种放射性核衰变时遵守统计规律. .例例 原子核放射出原子核放射出 射线，射线， 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的

11、基本性质和规律19指数衰减规律指数衰减规律 为为 t=0 时刻的核数：时刻的核数： N为为t时刻时刻 的核数的核数. . 称为衰变常量称为衰变常量. . 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律20斜率的绝对值斜率的绝对值 注意注意 是单位时间内原子核衰变的概率是单位时间内原子核衰变的概率, , 表征原子核衰变的快慢表征原子核衰变的快慢. . 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律21放射性放射性活度活度

12、表征辐射强度；常用单位居里表征辐射强度；常用单位居里(Ci), 国际单位制单位为贝克勒尔，符号国际单位制单位为贝克勒尔，符号 . . 1 Ci物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律22半衰期半衰期 T T原子核数由原子核数由 衰变到衰变到 所需所需的时间的时间 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律23 平均寿命平均寿命 原子核衰变前存在时间的原子核衰变前存在时间的 平均值平均值. . 在在 到到 时间内

13、发生衰变的原子核时间内发生衰变的原子核 数为数为 , ,其总寿命为其总寿命为 , ,则所则所有有 原子核的总寿命为原子核的总寿命为 . . 则则 . . t tdt 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律24放射性原子核的半衰期放射性原子核的半衰期 T物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律25事件事件距现在的距现在的大约时间大约时间地球的产生46 亿年生命的出现单细胞生命的出现38 亿年脊椎动物的出现5

14、亿年哺乳动物的出现2 亿年灵长类动物的出现6000万年人类的出现最早的人类400 万年早期人类200 万年现代人类20 万年人类文明时期农业的出现1 万年科学的出现500 年工业的出现250 年 测年法测年法 通过测量死亡生通过测量死亡生物体内物体内 的放射的放射性活度，可以确定性活度，可以确定生物体与外界停止生物体与外界停止碳交换的年代碳交换的年代. . 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律262 裂变与聚变裂变与聚变 核裂变核裂变 一个重核分裂为两个或两个以上一个重核分裂为两个或两个以上中等质

15、量的核，同时释放出极大能量中等质量的核，同时释放出极大能量. .例例 慢中子轰击慢中子轰击 ,可发生如下反应可发生如下反应1g 裂变约释放裂变约释放 8.4 J的能量，的能量，相当于相当于 2500kg 煤燃烧释放的能量煤燃烧释放的能量. 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律27 核聚变核聚变 两个两个轻核聚合为一个质量数稍轻核聚合为一个质量数稍大的核大的核. .依靠核聚变取得能量的例子依靠核聚变取得能量的例子：太阳能：太阳能 和氢弹和氢弹. .例例 极高温下极高温下(10(108 8 10109

16、 9 K)K)，可发生如下，可发生如下 反应反应: : 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律283 辐射吸收剂量和防护辐射吸收剂量和防护吸收剂量吸收剂量 D 是物体吸收辐射的程度是物体吸收辐射的程度. . E E 是被照射体吸收辐射的能量是被照射体吸收辐射的能量, ,m m 是被是被 照射体的质量照射体的质量. . 国际单位制单位为戈国际单位制单位为戈 瑞瑞 ，符号为，符号为 , , = = 1 J/kg J/kg . . 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16

17、-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律29有效剂量有效剂量 H, ,定义为定义为 Q 是射线种类的品质因子，亦称为相对是射线种类的品质因子，亦称为相对 生物有效性生物有效性. . 国际单位制单位为希国际单位制单位为希 沃特沃特 ，符号为，符号为 . . 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律30各种射线的品质因数各种射线的品质因数类型类型Q QX射线和射线1射线约 1快质子1慢中子约 3快中子10射线和重离子20物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理

18、简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律31例例 一个质量为一个质量为m=70 kg的实验室技术员每天的实验室技术员每天有有4.0 h在具有放射性活度为在具有放射性活度为40 mCi 的的 放射源旁边工作放射源旁边工作. 假设此人面对放射源的假设此人面对放射源的身体横截面为身体横截面为 S =1.5 ，距离放射源为，距离放射源为R=4.0 m. 已知已知 一次衰变相继放射出两一次衰变相继放射出两种能量分别为种能量分别为1.33 MeV、1.17 MeV的的 射射线，其中照射到人体上的能量的线，其中照射到人体上的能量的50%被人被人体吸收体吸收, 问该技术员每天吸收的

19、辐射有效问该技术员每天吸收的辐射有效剂量剂量H为多少为多少? 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律3240mCi40mCi 放射源每秒释放的总能量放射源每秒释放的总能量该总能量均匀分布在半径该总能量均匀分布在半径4.04.0 m m的球面上，的球面上，分布在人体横截面上的比例为分布在人体横截面上的比例为解 一次衰变释放出的总能量为一次衰变释放出的总能量为 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律33人体每

20、天吸收的辐射能量为人体每天吸收的辐射能量为每天吸收的剂量为每天吸收的剂量为物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介16-16-1 1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律34 射线的射线的Q =1，则该实验员有效吸收剂量，则该实验员有效吸收剂量为为 人体防辐射正常剂量标准人体防辐射正常剂量标准1 mSv/年年. 射线射线 铅板隔离铅板隔离 射线射线 薄层铝、塑料、玻璃屏蔽薄层铝、塑料、玻璃屏蔽 物理学第七版第十六章第十六章 原子核与粒子物理简介原子核与粒子物理简介本章目录本章目录35选择进入下一节：选择进入下一节：16-1 16-1 原子核的基本性质和规律原子核的基本性质和规律16-2 16-2 粒子的相互作用及粒子的分类粒子的相互作用及粒子的分类16-3 16-3 守恒量、对称性和标准模型守恒量、对称性和标准模型16-0 16-0 教学基本要求教学基本要求