1
2
,原子物理学,第七章 原子核物理概论基本内容 § 7.1原子核的基本性质 (原子核、核素图 )§ 7.2核的基态特性之一：核质量§ 7.3核力
§ 7.4核的基态特性之二：核矩
§ 7.5核模型
§ 7.6放射性衰变的基本规律
§ 7.7α 衰变 § 7.8 β 衰变 § 7.9γ 衰变
§ 7.10核反应 (裂变与聚变 )
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)了解原子核的结构模型,
(4)掌握放射性衰变规律及其应用,
(5)掌握核反应的一般规律及核反能的计算,
(6)了解裂变、聚变反应,了解原子能的利用和加速器,
(7)了解放射系、了解放射性的探测和应用、防护,
3
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1896年,贝克勒尔发现钠盐的放射现象。
这是 人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象，是核物理学的开端。
获 1903年度诺贝尔物理学奖
A.H.贝克勒尔
（法） 1852-1908
伦琴发现 X射线后,彭加勒 (法 )认为,X射线可能跟荧光属于同一机理”,在他的建议下,贝克勒尔着手验证,终于发现钠盐有预期效果,同时发现这种射线跟荧光不一样,不需要外来激发,进一步的研究表明这是有别于 X射线的辐射,他称之为“铀辐射”,
贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片
1.关于原子核的历史回顾贝克勒尔是 研究荧光和磷光现象的世家子弟,于 1892年担任巴黎自然历史博物馆教授,而此职位是他祖父和父亲曾担任过的 …
偶然？必然？
§ 7-1 原子核物理的对象
4
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
J.J汤姆逊，英,1856-1940
1897年,J.J汤姆逊通过对阴极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,
1925年,G.P汤姆逊证实电子的波动性,
与戴维逊同获 1937年度诺贝尔物理学奖,
J.J.汤姆孙曾师从瑞利,并于 1884年
（时年 28岁）接替瑞利任卡文迪许实验室主任（长达 35年），经他培养的研究人员中有 7人获过诺贝尔奖,
获 1906年度诺贝尔物理学奖在 19世纪末物理学的三大发现中，如果说 X射线和放射性的发现具有某种偶然性,那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。
比起前两件来，电子的发现更有意义，它打破了原子不可分的传统观念。
打开了通向原子物理学的大门。
5
,原子物理学,第七章 原子核物理概论皮埃尔,居里（法）（ 1859-1906）
玛丽,居里（法籍波兰）（ 1867-1934）
1897年,居里夫妇发现放射性元素 钋 (Po)和镭 (Ra)
她们的女儿 (1897-1956)和女婿 (1900-1958)因发现人工放射性获 1934年诺贝尔奖,
共同获 1903年度诺贝尔物理学奖贝克勒尔的发现引发了居里夫妇的兴趣,他们发现有多种元素会自发辐射,
并着手寻找新的辐射元素,
1898年 7月,他们发现沥青铀矿分离物的放射性比同质量的铀强 400倍,确证放射性来自分离物内的一种微量元素,最终找到了特别强的放射性物质,居里夫妇建议称之为钋（ Polonium）,为的是纪念祖国波兰,
进一步的分离实验发现钡盐有更强的放射性,认为还有第二种放射性更强的物质,他们命名为镭,最终得到放射性比铀强 10万倍的镭的化合物结晶,后来他们用 4
年时间从 8吨矿渣中提取了 0.1g纯镭盐用于实验,1902年 测得镭的原子量为 225,找到两根明亮的特征谱线,至此,镭的存在得到公认,
6
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1920年 5月,美国记者麦隆内夫人在巴黎简陋的实验室访问居里夫人,问道：“难道这个世界上就没有你想要的东西？”“有,1克镭,以便我的研究,可 18年后的今天我买不起,它的价格太贵了,”
居里夫人的高尚品质麦隆内夫人回国后在全美妇女中为其募捐获得成功,1921年 5月 20日,美国总统将公众捐献的 1克镭赠与居里夫人,
数年后,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,美国公众再次为她捐赠了第二克镭,
居里夫人发现镭后,放弃专利,公布提纯方法。“没有人应该因镭致富,它是属于全人类的。”
“人类需要善于实践的人,他们能从工作中取得较大的收获,既不忘记大众的福利,
又能保障自己的利益,但人类也需要梦想者,需要醉心于事业的大公无私,”
7
,原子物理学,第七章 原子核物理概论居里夫妇在工作中遭受了大剂量的辐射。居里夫人后来长期患恶性贫血症。弗列德利克 ·约里奥曾检验过她当年的实验记录本，发现全都严重沾染了放射物。她当年用过的烹调书,50年后再检查，还有放射性。
1934年居里夫人在经过长期恶性贫血折磨后去世。她的女儿 伊伦 和女婿 弗列德利克 ·约里奥 也因恶性贫血症相继于 1956年和 1958年去世。居里的一家有 4人获诺贝尔物理奖，做出了巨大贡献，他们自己却被镭夺去了宝贵的生命。
8
,原子物理学,第七章 原子核物理概论卢瑟福 (E.Rutherford）
英 国物理学家,(1871-1937),
新西兰人,1908年获得诺贝尔奖。证实了 α 射线为,β
射线为电子 ; 提出了原子的核式模型 ;首次实现人工核反应 ;
培养了 10位诺贝尔奖获得者,
He2
查德威克（ J.Chadwick）
英国物理学家 (1891-1974)，卢瑟福的助手。 1935年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。
9
,原子物理学,第七章 原子核物理概论费米（ E.Fermi）
意大利物理学家 (1901-1954)，
1938年获得诺贝尔奖。发明了热中子链式反应堆。
丁肇中,(1936—)
与 B.里克特分别发现 J,ψ粒子，找到了美夸克存在的证据,1976年获诺贝尔奖。
10
1896,H.Becquerel发现了铀 (U)放射现象 ;
1897：居里夫妇发现钋 (Po)和镭 (Ra);
1899,卢 瑟福发现 α,β 射线；
1900：维拉德发现 γ射线 ;
1903,卢 瑟福证实 α 射线为,β 射线为电子；
1911,卢 瑟福提出原子的核式模型；
1919,卢 瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。
1932,J.Chadwick发现了中子 ;
1934,F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性；
1939,O.Hahn等人发现重核裂变；
1939,N.Bohr等提出液滴模型 ;
1942,E.Fermi发明热中子链式反应堆；
1945,在奥本海默 (美 )领导下,原子弹试爆成功；（ 广岛 ）
1952,在泰勒 (美籍匈牙利人 )领导下,氢弹试爆成功；
1952：前苏联建成第一个核电站,
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
He2
11
1958：我国建成第一座重水型原子反应堆 ;
1964：我国第一颗原子弹试爆成功；
1967,我国第一颗氢弹试爆成功；
1969：我国首次成功地下核实验；
1984：我国受控热核聚变实验装臵顺利启动；
1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功；
1991：秦山核电站发电成功 ;
,原子物理学,第七章 原子核物理概论最早发现原子核一分为三的钱三强,两弹元勋”邓稼先
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论
cmcm
cmcmcm
1613
1287
1010
101010
电子、夸克： 质子：
原子核： 原子：分子：
原子核由质子和中子组成,质子和中子由夸克组成,目前已经明确夸克有 6种,它们和电子等 6种轻子被认为是物质最基本的组成单元,
核的线度只有原子的万分之一,但质量却占原子质量的 99%以上,
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,仍有待进一步研究,
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论
2.原子核的组成核的组份原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和电荷。
元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有关，而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,可不予考虑。
原子质量单位 u 同位素 原子质量的 1/12C12
kggu 2723 1066.1121100 2 2.6 121
原子核质量数 A 原子的质量都接近于一个整数,这个整数称为 …
核子 中子和质子统称核子 M eVum M eVum
p
n
2796.938007277.1
5731.939008665.1
610?原子核的质量一般可用质谱仪测定，其测量精度可达
14
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核素及其标记元素,质子数相同的一类原子,
核素,具有相同质子数和相同中子数的一类原子核,
核素符号
N
A
Z X
UU 238235,
eHH 3221,
A:质量数 (核子数 )
Z:质子数 (原子序数 )
N＝ A-Z:中子数同位素,Z相同但 N不同的核素,例如同中子异位素,N相同但 Z不同的核素,
同量异位素,A相同但 Z不同的核素,KAr 40194018,
同质异能素,A和 Z均相同但能量状态不同的核素,CoCo m6060,
迄今为止发现的 2000多个核素 中，有 300多个天然核素
(280多个稳定核素,60多个放射性核素 )，其余 1600多个是自
1934年以来人工合成的放射性核素。
例如 例如例如
15
核素图核素的稳定区：稳定核素几乎全落在一条光滑曲线上或紧靠其两侧,
此区域称核素的稳定区,
对于轻核,这条曲线与直线 N＝ Z重合,当 N,Z
增大至一定数值后,
稳定线逐渐向 位于稳定线
N＞ Z的方 上侧的为缺中子向偏离,核区,下侧为丰中子核区,
中子数和质子数过多或过少的核素都不稳定,
中科院近物所,新核素图,114种元素,3070个核素
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
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§ 7-2 核的基本特性之一：核质量
,原子物理学,第七章 原子核物理概论质量亏损 mNmZmm np )(
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 MNmZMM
nH )(
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,
2)( cMNmZMB nH
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 ) AB
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,
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论
0.0023893u
减少的质量质量亏损△ m
2mcE
核的结合能 B例
H2氘 ( )为氢的同位素,在海水中每 100万个氢原子中约有 150个氘原子,它由 1个质子和 1个中子组成,计算氘原子的结合能,
例 1：
2
)(
2
)(
])[(
1 3 5 5 2.20
0 0 7 2 7 7.1
0 0 8 6 6 5.1
2
2
cmmmmcB
um
um
um
Hnp
H
p
n
M e VuM e Vu 225.2/9310 0 2 3 9 0.0
例 2：氘和氦的 ε,M e VM e V 7
4
2 9 6.28;1.1
2
2 2 5.2 氦：氘：
18
核的结合能图
,原子物理学,第七章 原子核物理概论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 ε较高,几乎为一常量,
3)轻核和重核的 ε较中等核低。
ε≈8.6MeV
1)当 A＜ 30时,曲线有起伏的上升,其中,偶偶核 (奇奇核 )的 ε 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
19
,原子物理学,第七章 原子核物理概论半经验质量公式 (1935年,魏扎克公式 )
KPDCSV BBBBBBB
体积能,A＝B
VV?
表面能,32 /
S A＝B S?
库仑能,3/122)1(
5
3 AZ
R
keZΖΒ
cC?
对称能：在 N=Z时为 0
对能项：
奇奇核（最不稳定）
核奇偶偶核（最稳定）
2/1
2/1
2.11
0
2.11
A
A
B P A
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 ).
20
Me Va
Me Va
Me Va
C
S
V
72.0
3.18
8.15
,原子物理学,第七章 原子核物理概论表面能 库仑能体积能总能量
A
M eVAB /
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,理论性统计数据,;
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,
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-3 核力 核力：核子紧密结合形成高密度核的力核的半径 (由实验规律给出 ),3/10 ArR? fm.r 210?经验常数核的质量密度：
314
3
0
3
/102
3
4
3
4 cmkgAr
Au
R
NmZm np
4.核力的基本性质
1)核力是具有饱和性的短程力 核力的两个重要特性,短程性饱和性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
22
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
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
ppV
r0
npV
r0
r/fm0 0.8 2 10
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 )
23
,原子物理学,第七章 原子核物理概论费曼图,在时空平面内表示相互作用的方法费曼图
x
t
t?
x?
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”,
h
1e
1e
2e
2e
虚光子核力的介子理论
（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 π介子，有三种,e
mm 275
0,,
由于测不准原理，虚粒子可以不满足能量、动量守恒。
24
核子交换 介子的方式?
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
p n
n p
（ a）
n p
p n
（ b）
n(p) n(p)
0?
n(p) n(p)
（ c）
(a),(b):两个核子交换位臵，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。0?
所以核力是交换力和非交换力的混合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。
25
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-4 核的基态特性之二：核矩核自旋 原子核自身的角动量通常称为核的自旋泡利电子自旋假设提出 (1924年 )之前，为解释原子光谱的超精细结构,
就提出了核自旋的假设。但只有在 1932年查德威克发现中子以后，人们才理解核自旋的起源,
中子质子电子自旋为 的费米子?2/1
核子的自旋和各种复杂相对运动的角动量总和就是核的自旋核的自旋是核固有的,与核的外部运动无关,
原子核基态的自旋规律偶偶核的自旋为 0;
奇偶核的自旋都是的半整数倍 ;
奇奇核的自旋都是的整数倍,
26
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核子磁矩
（由理论和实验给出）?
Nn
Np
μ.＝μ
μ.＝μ
911
792质子与电子均为费米子,都是点电荷，只是质量和电荷不同,故质子的磁矩表达式与电子相似,
中子不带电,与轨道角动量相联系的磁矩为 0,但与自旋角动量相联系的磁矩不为 0,这表明中子内部存在着电荷分布,中子自旋指向与电子一样,自旋指向与磁矩相反,
核磁子（核的玻尔磁子） e V /T.＝me＝μ
p
8
N 1015232
显然,核磁子比电子的玻尔磁子小 3个数量级 1 8 3 6?
e
p
N
B mm＝μμ
核的自旋角动量 通常用 的最大值 来表示核的自旋,
Im I
II
I
mP
)I(IP
z
1核的自旋量子数 I为整数和半整数磁量子数 I,I,,I,Im I 11?
27
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核磁矩（磁偶极矩）
NIIIz
I
p
II
μmgμ
P
m
e
＝gμ
2
NI
p
II μ）II＝gm
e）II＝gμ 1
21 （（?Iμ
的大小
Iμ? 在 z方向上的分量也有（ 2I+1）
个取值,其最大投影量为,NI Iμg
Ig 为核的朗德因子,不同核有不同的取值,
BmgBU NIII
在磁场中,核自旋磁矩与磁场相互作用所产生的附加能量：
Im ）12?I（ ）12?I（
因 有 个取值，所以有 个不同的附加能量。
）12?I（于是就发生塞曼能级分裂,一条核能级在磁场中就分裂为 条,
相邻两条分裂能级间的能量差为,
BgU NI
28
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
4.电四极矩从电磁理论知，当带电体的电荷分布呈球形对称时,在体外距球心 r处的电势为, dVrkrqk
e +2e e z
电四极矩的例子如图示的电四极矩,总电荷和电偶极矩均为 0,只需考虑电四极矩即可,一般情况下电四极矩在 r处产生的电势为：
dVrzrk )3(211 223
非球形对称分布带电体产生的电势一般表示为
])3(21111[ 2232dVrzrz d VrdVrk
单电荷的电势 11?ra
电偶极子的电势
+ -
22?ra
电四极矩的电势
+- -
33?ra
29
dVrzeQ )3(1 22?
224101 cmb
理论和实验都证明,原子核的电偶极矩为 0,它的电四极矩定义为：
Q的单位：靶 (b)
实验事实表明,原子核的形状是略偏离球形的轴对称旋转椭球,假设原子核均匀带电,可证明原子核的电四极矩为：
][52 22 abZQ
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
z
a
Q＝ 0
z
a
Q＞ 0
z
a
Q＜ 0
b：对称轴（即旋转轴 z）
的半轴长
a：旋转椭球垂直于对称轴的最大截面的半径
30
5.超精细结构
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
I I?
原子核有一定的大小,其电荷有一个分布 (电四极矩 ),它还有自旋角动量 和磁矩,这些性质对核外电子的运动必然要产生影响,从而使原子光谱进一步分裂,其分裂程度比精细结构还要小 3个数量级,故称为超精细结构,它的起因称为超精细相互作用,
视原子核为点电荷 Ze,得到原子光谱的粗结构,
考虑电子的自旋 -轨道作用后,得到原子光谱的精细结构,
考虑核的自旋、磁矩和电四极矩,得到原子光谱的超精细结构,
31
*§ 7-5 核模型
,原子物理学,第七章 原子核物理概论问题：原子核内各组分的运动规律如何？
在原子内，相互作用力是库仑力，电子是运动的主要承担者，电子与核之间的想到作用对运动的影响是决定性的，相对来说问题容易解决。
核内核子数较多，不可能象两体问题那样求解；
核内核子数较多，不可能象两体问题那样求解；
核子数不是很多，不能用统计方法；
核子间没有一个中心，无法用有效的近似方法。
到目前为止，无法从第一性原理出发来解决核内的核子运动问题。自 1932年以来，人们提出各种核的结构模型，对核子的运动作近似的唯象的描述，但某个模型往往只能反映某一方面的特性。
32
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1.费米气体模型 (最早的独立粒子模型 )
视核子为类似气体分子的费米子,则核可视为费米气体,由于质子与中子有电荷的差异,它们的核势阱不相同,
中子和质子的核方阱
nFE,
0V
0
B
CE
中子
pFE,
费米能级库仑势垒质子图中 B?为实验测得的结合能,费米能级为基态时核子最高能级的位臵 ).
质子阱的底比中子阱高出 Ec,质子阱的上面多出一个库仑势垒,外来质子要穿过这个势垒需要较高的能量,或靠,隧道效应” 穿过,
势阱内有一定 的分立能级
(图未 画出 ).
每个能级 上可有两个核子,
自旋方向一上一下,
33
3,2,1,8 2
22
nmd hnE n
)(8 2322212
2
nnnmdhE n3,2,1111?nnn,、
,原子物理学,第七章 原子核物理概论此前知道,质量为 m的粒子在宽度为 d的势阱中的能量为,
将上式推广到三维,则边长为 d的正方体势阱的能量为：
与一维相比较,其简并度提高了,
三维势阱只有一个基态,(1,1,1);但第一激发态 (能量相同 )却有三个,(2,1,1),(1,2,1),(1,1,2).随着能量的增大,
简并度也随之增高,
34
2.核的壳层模型
,原子物理学,第七章 原子核物理概论元素周期表中,每一惰性气体的出现意味着某特定壳层的闭合,Z＝ 2,10,18,36,54… 时元素最稳定,这些数 (幻数 )在原子的壳层结构中得到圆满的解释,
1930年后,有关原子核的实验事实不断显示,自然界存在着一系列 幻数核,即当质子数 Z或中子数 N等于下列数之一时,原子核特别稳定,2,8,20,28,50,82,126.
人们猜想核是否也表现为壳层结构,但困难重重,主要有以下原因：
1)缺乏物理基础,原子内有一个相对固定中心即原子核,电子在以核为中心的势场中独立运动,由此出发,通过求解薛定谔方程并考虑到泡利原理后即得到壳层结构,但这一物理思想在核内却缺少根据,
35
2
1 lj
,原子物理学,第七章 原子核物理概论但实验事实不断地支持幻数的存在,使得人们重新考虑核的壳层结构,
正在上负在下,次序正好与原子的情况相反,
分裂的大小随 l的增大而增大,
3.集体模型 *
2)有人曾假定核子在某些势阱中运动,并求解薛定谔方程,
但却得不到与实验相符的幻数,
3)当时核的液滴模型已获得成功 (解释了核结合能与核子数成正比的实验事实。玻尔于 1936年用于成功计算核反应截面,于 1939年用于解释核裂变 ).
1949年,迈耶尔和简森用壳层模型成功地解释了幻数,在势阱中加入了自旋 -轨道耦合项,这是算出 50,82,126这三个幻数的关键,正是自旋 -轨道耦合项引起了能级的分裂,原来以 l表征的能级都一分为二 (l＝ 0除外 )：
36
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7－ 6放射性衰变的基本规律在迄今为止发现的 2000多种核素中,绝大多数都不稳定,会自发地蜕变为另一种核素,同时放出各种射线,这种现象称为放射性衰变,
放射性衰变提供原子核内部的信息用于为人类造福放射性衰变过程中,原来的核素 (母体 )或者变为另一种核素 (子体 ),或者进入另一种能量状态。
37
,原子物理学,第七章 原子核物理概论放射性衰变的类型
α 衰变 Ra226
88 Rn22288
+ He)α( 4
242
α 衰变的位移定则,子核在元素周期表中的位臵左移 2格。
β 衰变 Bi21083 Po21084 + e0-1 （电子）
β 衰变的位移定则,子核在元素周期表中的位臵右移 1格。
γ 衰变 *6027Co Co6027 +?
高能短波电磁辐射（即电子波）
38
二、放射性衰变的基本规律
N d tdN
teNN 0
,原子物理学,第七章 原子核物理概论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(t＝ 0时 )，
在 dt内发生衰变的数目－ dN为：
(此式是一统计规律 ; λ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
teNN 0
1.衰变定律：
39
2.放射性核素的特征量
m in10?T
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1)衰变常数,表示一个核在单位时间内发生衰变的几率,
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 )
1.00
0.50
0.25
0 1T 2T 3T 4T t
N/No
N13 衰变
N
dtdN /
0 9 3.02ln
2/1T
aT 292/1?
1T
2T
3T
4T
Sr9038
衰变
40
dttt N d tdN
0 Ntdt?
TTN
N t dt
44121
0
0,
ln
010 %37 NeNN
,原子物理学,第七章 原子核物理概论导出要点：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 τ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 τ后,余下的核素数目约为原来的 37%.
T4411,
41
tt eAeNN
dt
dNA
00
Ra226
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
A的单位 (1975年规定 )：贝克勒 (或贝可 )(Bq).
1Bq＝ 1次核衰变 /秒,
A的辅助单位：居里 (Gi);毫居 (mGi)、微居 (μGi)
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：
BqGi 10107.31 10107.31Gi(即 次核衰变 /秒 )
(早期定义,1g 在 1s内的放射性衰变数,)
teAA
0
42
c4105.2
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
“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.长半衰期的测定
2ln?T
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=λN求出 λ,求出为保证足够的计数以降低统计误差,必须增大 N.
43
检测放射性的方法盖革计数器 是根据受辐射气体发生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理设计的 。
,原子物理学,第七章 原子核物理概论每个被放大了的电脉冲即代表一次放射性记数
44
,原子物理学,第七章 原子核物理概论放射性 鉴年法C14
W.F.Libby(利比 )
鉴年法的先驱C14
获 1960年度诺贝尔化学奖方法：放射性 测定年代法C14
依据：半衰期与反应物的起始浓度无关假定：大气中,的比值是恒定的C146 C126
宇宙射线中的大量质子与大气中原子核反应产生许多次级中子，这些次级中子与大气中的 反应而产生而 自发地进行 β 衰变：
N14 C14C
14
pCNn 1414 eNC 1414
C146
C12
由于宇宙射线的质子流、大气组分相对恒定,故上述次级中子流也相对恒定,使得的产生率保持恒定,经相当时间后产出与衰变达平衡,其数目保持不变,而大气中的是稳定核素,
研究表明,
12
14
103.1
5730:
1214 CC
aC
/NN大气中的半衰期?
45
埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样品中,放射性碳
-14的比活度为 432Bq·g-1 [即 s-1·(gC)-1],而地球上活体植物组织相应的比活度则为 756Bq·g-1,试计算该古墓建造的年代,
,原子物理学,第七章 原子核物理概论例 1
解,衰变反应是,
根据一级反应的速率方程和半衰期公式,
lnct( )= -kt ＋ lnc0( )
T1/2 = 0.693/k
得,k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.21× 10-4 a-1
t=n[756Bq·g-1/432Bq·g-1]/(1.21× 10-4a-1) =4630 a
如以上数据系 2005年所得,则 4630-2005＝ 2625
即该古墓大约是公元前 2625年建造的 。
C146 C146
eNC 01147146
46
,原子物理学,第七章 原子核物理概论解,
例 2 测得古墓 100g骸骨碳的 衰变率为 900/min,求此墓年代 。?
据衰变定律和半衰期公式
2ln
2/1
0
T
eNN t
当前 100g骸骨中 的数目为 N，
00
ln2lnln1 NNTNNt
结论：古墓年代约为公元前 2200年
C14
128 1091.3/1073.4693.05 7 3 02ln1 aadtdNTdtdNN?
12
23
12
0 105.612
10022.6100103.1100
12
14
C
A
C
C N
N
NN
墓主死亡时 100g骸骨碳中含 原子的数目为：C14
aaNNTt 4 2 0 0105.6 1091.3ln6 9 3.05 7 3 0ln2ln 12 12
0?
aadtdN /1073.4/3652460900min/900 8
47
,原子物理学,第七章 原子核物理概论在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变关系,母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素,
放 射 系
48
5.简单的级联衰变
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
)( CBA连续衰变规律,以两代衰变 为例 )
A的衰变服从衰变律,tAA AeNN
0
AA,
B一方面衰变为 C,一方面又不断从 A处获得补充,B的衰变规律与 有关：
)(0 tt
AB
A
AB BA eeNN
AB Bt若,当 时,t
B
A
AB
AeNN?
0
这时子核将按母核的衰变规律衰变。这一个重要结论启示人们保存短寿命核素的一个方法,
自然界存在四个天然衰变链：钍系、镎系、铀系、锕系
(详见下页“放射系”，图中均为自然界存在的放射过程 ).
49
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
80 85 90
145
140
135
130
125
Z
N
钍系（ 4n）
级联衰变
Th23290
Ra22888
Th22890
Ra22488
Rn22086
Po21684
Pb21282
Po21284
Pb20882
Tl20881
80 85 90
145
140
135
130
125
Z
N
铀系（ 4n+2）
级联衰变
U23892
U23492
Th23490 Pa23491
Tb23090
Ra22688
Rn22286
Po21884
Pb21482 At21885 Bi
21484
Tl21481
Po21484 Pb21082
Bi21083
Tl21081 Po21084
Pb20682
50
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
80 85 90
145
140
135
130
125
Z
N
80 85 90
145
140
135
130
125
Z
N
锕系（ 4n+3）
级联衰变
U23592
Pa23191
Th23190
Th22789
Fr22387 Th22790
Ra22388
Rn21986
Pb21182
Ro21584
At21585
Tl20781
Bi21183
Po21184
Pb20782
镎系（ 4n+1）
级联衰变
Np23793
Pa23391
Ac23589
Fr22187
At21785
U23592
Ra22588
Th22989
Br21383
Tl20981 Po21384
Pb20982 Bi20983
51
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
6.同位素生产
NPdtdN
)1( tePN
在 2000多种核素中,只有 60多种是天然的,
其余 1600多种均是在反应堆和加速器中靠人工核反应产生的,在其产生的同时即在发生衰变,设核素的产生率为 P,则它的变化率为：
以上的一阶非齐次微分方程的解为：
可表示为放射性活度：
)1()1( 2/1T
t
t ePePNA
同位素生产图示
0 1 2 3 4 5 6
0.5
1.0
A/P
t/T
显然,当经过 1个 T时,A可达到 P
的 50%,经过 2个 T时,A可达到 P的
75%…( 见左图 ).从图中可知,无论工作时间多长,最大的 A不超过 P.
52
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-7α衰变 YX AZAZ 42
1,α衰变的条件设衰变前母核 X静止,据能量守律有：
YYX EEcmcmcm 222
Y
d e f EEE
0
衰变能 则 20 )]([ cMMME HeYX
一般用原子质量 M表示为,0222 Ecmcmcm YX
α 衰变的条件 00?E 即 HeYX MMM
2.α衰变能 E0及核能级图?EA AE 40 据此可用各种能谱仪测定 Eα,直接确定衰变能,
欲确定未知核素的 MX，必先测出 Eα和 EY,但由于核的质量较大，反冲能很小不易测量。可从动量守恒定律出发，证明 Eα和 EY间的关系，以便只测出 Eα就能确定 MX。
由于 MX静止,故有
vmvm YY?
53
,原子物理学,第七章 原子核物理概论因此子核的反冲能,
Em
m
m
mvmvmE
YY
YYY
22
2
1
2
1
EA
AE
AEm
mEEE
Y
Y 4)4
41()1(
0
此处用核的质量数之比代替核质量之比,易证明,这样做的误差甚微,
事实上,在 α衰变中,大部分核素放出的 α粒子往往有好几群,每一群粒 子有确定的能量,
的 α 能谱Bi212
5.4 5.6 5.8 6.0 6.2
MeVE /?
相对强度
α粒子能谱具有分立的、不连续的特征。预示着子核有分立的能态,卢瑟福与盖革在实验室观测 α粒子
54
3,α衰变的机制与寿命
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核力是短程力,而库仑斥力为长程力,在多质子的核内,核力几乎不能“补偿”质子间的相互排斥,于是要发生衰变,以减少质子数来增加稳定性,事实上,Z＞ 83的核素都不稳定。
α 衰变产生的粒子来自核内,核内的 α 粒子受核 力吸引 (负势能 ),在核外,粒子受到库仑力的排斥,
这样,在核的表面形成一个势垒,
由于微观粒子的波动性,能量小的 α粒子也有一定的几率穿过势垒而从核内逸出 (隧道效应 ).1928
年伽莫夫等人指出,α粒子就是因量子隧道效应穿过势垒跑到核外的,并证明,α粒子每秒穿过势垒的几率等于它的衰变常数 λ.
R b r
)(rV
RE
E
0
库仑势
α粒子的势垒核势
55
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-8 β 衰变 （核电荷改变而核子数不改变的衰变）
β衰变碰到的难题
贝克勒发现放射性后,证明了 射线是电子流,随后的研究表明 衰变的能谱是连续谱,与 α粒子的分立截然不同,这使当时科学界面临两个难题：
1)原子核是个量子体系,核衰变是不同核能态间的跃迁,释放的能量应该呈量子化,为什么 射线的能谱会是连续的呢？?
2)不确定关系不允许核内有电子,那么 衰变放出的电子从何而来？?
早期对 β能谱的连续性很难理解,因原子核的能量呈量子化,从这一点看能谱应当是离散的,此外,
人们当时发现,β衰变还表现出明显违背能量、
动量和角动量守恒律,
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
强度 I
E /MeV
Bi21083 核的 β能谱
56
,原子物理学,第七章 原子核物理概论泡利于 1930年解决了第一个难题中微子假 说泡利：“只有假定在衰变过程中,伴随着每一个电子有一个轻的中性粒子 (“中微子” )一起被发射出来,使中微子和电子的能量之和为常数,才能解释连续 β谱,”换言之,衰变能应在电子、中微子和子核间进行分配,即：
Ye EEEE0
0?YE由于子核质量远大于电子质量,故
me
e
EEEE
EEE
0
0
0
0
时，
时，当 (即电子能量取极大值 ).
mE0
因此,电子可取 ( )间的任何能量值,
21为使 β衰变前后电荷、角动量均守恒,中微子的电量必为 0,自旋必为一般认为中微子的静质量为 0.后来的研究表明 （尚待进一步研究,） 0m
泡利的中微子假设引起不少怀疑,但费米不仅接受且用于解决了第二个难题,
57
,原子物理学,第七章 原子核物理概论费米解决了第二个难题
费米认为电子和中微子是在衰变中产生的,衰变的本质是核内的一个中子变为质子,衰变和 EC的本质是核内的一个质子变为中子,而质子和中子可视为核子的两个不同状态,中子与质子的转变相当于量子态间的跃迁,在跃迁过程中放出电子和中微子,
(它们原本不存在核内,好像光子是原子不同状态间的跃迁的产物一样,
区别在于电磁作用导致产生光子,弱相互作用导致产生电子和中微子,)
1934年,费米提出的弱相互作用的衰变理论,并经受了长时期的考验,
中微子假说解决了 β衰变的两大难题,但人们希望从实验上证实中微子的存在,中微子无电荷无静质量,与物质的相互作用极其微弱,易穿过物质,
因此很难捕捉到它,1930年预言它的存在,1956年才通过实验探测到它,
58
,原子物理学,第七章 原子核物理概论正电子
1928年狄拉克由相对论量子力学预言正电子的存在,1932年安德逊在宇宙线中观察到正电子,
正电子与电子相遇会湮灭而产生一对 0.51MeV 的 γ光子柯恩、莱尼斯的中微子实验简介大量来自反应堆的反中微子流投射到含镉化合物溶液的水槽中,反中微子被水中的质子俘获,放出一个正电子和一个中子 nep
正电子与电子湮灭而产生一对 γ 光子,新产生的中子经几微秒的迁移后被镉核俘获,而受激镉核放出 3至 4个 γ 光子回到基态,记录下来的反应约每小时 3次,
捕获中微子含镉水槽闪烁计数器入射的反中微子?
e
n
59
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
3,衰变,
eYX AZAZ 1
衰变能,2
0 )( cMME YX
产生 衰变的条件： ),1(),( AZMAZM
YX
衰变纲图中,依惯例将 Z小的核素画在左边例,eHeH 33
H3 的衰变纲图
)33.12(3 年?TH
He3
％）（ 100
0186.0
衰变即以从左上方向右下方画的箭头表示,图中 β粒子的最大动能为
0.0186MeV,此即为 衰变 能,100%表示经衰变全部衰变到的基态,
60
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
＋?4,衰变,
eYX AZAZ 1
2e0 )m2( cMME YX －衰变能：
近似地等于放出的正电子的最大动能＋?产生 衰变的条件：
eYX mAZMAZM 2),1(),( ＋－?
N13 的衰变纲图
m in )96.9(13?TN
％）（ 100
19.1
C13
1.轨道电子俘获 (EC), YeX AZAZ 1
母核俘获核外轨道的一个电子使母核中的一个质子转为中子,过渡到子核同时放出一个中微子,
由于 K层电子最靠近核,最易被俘获,
i从 层俘获电子的衰变能为,iYXi WcMME 20 )(
发生 EC的条件,2/),1(),( cWAZMAZM iYX －
61
,原子物理学,第七章 原子核物理概论与 β
衰变有关的其它衰变方式
1.中微子吸收, enp?
本质同 β衰变,1956年科范和莱恩斯利用此过程直接证明了中微子的存在,
2.双 衰变：产生一个电子必然产生一个中微子,
221 30541 3052eXeTe
3.β延迟中子发射
)6.55(87 sTBr?
Kr87
％）（ 30
0.8
％）（ 70
6.2
Kr86
n
缓中子
4.5?
α衰变较集中于重核 ;
β衰变几乎遍及整个周期系,
0 1 2 3 4 5 6 7 8
8
7
6
5
4
3
2
1
稳定线
N
Z
B125
N127
C126
丰中子核素,
以 衰变向稳定线过渡
缺中子核素,
以 衰变向稳定线过渡
62
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-9 γ 衰变
1.一般性质原子核发生 α,β衰变时往往衰变到子核的激发态,处于激发态的核不稳定,要向低激发态跃迁,同时往往放出 γ光子,此即 γ衰变,例如 的衰变,Co60
)27.5(60 aTCo?
%)100(309.0
Ni60
的衰变纲图Co6
33.1\2?
2.50
1.33
0
17.1\1?
2.内转换电子：
核从激发态向低能级跃迁时不一定放出 γ光子,而是把这部分能量直接交给核外电子而使电子离开原子,此谓内转换,
释放的电子称 内转换电子,
若光子能量为 Eγ(不计核释放光子后的反冲 ),i层电子的结合能为 Wi,则内转换电子的能量就是 Ee=Eγ-Ei.
63
,原子物理学,第七章 原子核物理概论显然,内转换电子的能谱是分立的,
一般地,重核低激发态跃迁时发生内转换电子的概率较大,
NNe?内转换系数 α,表示转换和跃迁相对概率的大小：
3.同质异能跃迁 (IT)
s1410?
通常,处于激发态的原子核寿命短暂,典型值为
“同质异能素,,处于亚稳态的寿命较长的激发态,
“同质异能素”的表示：一般在核素左上角质量数旁加
,m”.
Inm113同质异能素
)1 1 8(1 1 6 dTSn?
m i n )104(113?TIn
In113
%)8.1(EC
%)2.98(EC
253.0?
%)35(
%)65(
IC
393.0
64
,原子物理学,第七章 原子核物理概论穆斯堡尔效应 (无反冲共振吸收 )
R.L.Mossbauer
德（ 1929-）
人们认为原子核也应有共振吸收现象,它可强烈吸收同类核素发出的 γ射线,然而长期观察不到此现象,后来知道这是 因为原子核发射和吸收 γ光子时要受到反冲的影响,部分能量被反冲核带走,使 γ 光子的能量（或说频率）发生
,漂移,,
问题：如何实现 γ射线的共振吸收？
如：使发射源以适当的速度运动可补偿反冲核损失的能量,但在技术上较困难,
解决方案 1：采取补偿能量损失的方法解决方案 2：避免能量损失的方法穆斯堡尔效应：当原子核处于固体晶格中时，遭受反冲的就不是单个原子核，而可能是整块晶体，这时反冲能 0?RE
原子从激发态跃迁到基态时所发射的光子,会被基态的同种原子吸收,称为 原子的共振吸收 （甚强）,（例如，用钠灯照射钠蒸汽,后者会强烈地吸收前者发出的黄光 … ）
1958年发现穆斯堡尔效应获 1961年度诺贝尔物理学奖
65
,原子物理学,第七章 原子核物理概论穆斯堡尔效应示意图放射源 吸收体 探测器
Fe5726目前研究最多的是 从第一激发态跃迁到基态时产生的 14.4keV的谱线。
示意图中，放射源和吸收体均由 制成平板，其中放射源经技术处理后处于激发态,γ 光子将被吸收体无反冲地共振吸收。
Fe5726
与 14.4keV谱线对应的反冲能,eVuM e Vu k e VmchE R 3222 102/931572 )4.14(2 )(
依不确定关系可得到它处于激发态的寿命，即能级半衰期 s8108.9
由此得激发态能级宽度为,eVcc 9107.4 （ Г 远小于反冲能）
能级相对宽度（可测量到的）为,13
0
103E
任何与此量级相当的微小扰动均可被,测量到”。这样高的分辨本领使得穆斯堡尔效应被广泛应用于基础研究和应用领域的精密测量中。
(以上量级意味着：如用于测月地距离可精确到
0.01mm)
66
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-10 核反应 （在高能粒子轰击下核素发生的变化 )
110 310210 610410 510 810710 910 MeVE /
中能热反应 高能热反应低能热反应几个著名的核反应：
HepLi 47 ),(?
输入能量 0.5MeV
输出能量 17.8MeV
3）第一个人工放射性核素的反应 (1934,法,居里夫妇 ),PnAl 3027 ),(?
SiP 3030P30其产物 的半衰其为 2.6min
4)导致发现中子的核反应,CnBe 129 ),(?
E：轰击粒子的能量
1) 第一个人工核反应 (1919,卢瑟福 ),OpN 1714 ),(?
2）第一次在加速器上实现的核反应 (1932,英 )：
67
核反应中的守恒定律
1.质量数 A守恒,即反应前后总的质量数保持不变 ;
2.电荷数 Z守恒,即反应前后总的电荷数保持不变 ;
3.动量守恒,即反应前后各粒子动量的矢量和保持不变 ;
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
4.能量守恒,即反应前后粒子的能量之和保持不变 (按相对论质能关系确定 ).
68
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
Q方程 BbAa BbaA ),(核反应的一般表示,or
靶 核 出射粒子入射粒子 剩余核相应的静质量和动能分别为,BbAa MMMM,,,BbAa EEEE,,,
反应能：
即反应能定义为反应前后粒子总质量之差 (以能量表示 )；
或反应后与反应前粒子的总动能之差,
还可用核的结合能表示为,)()( AaBb BBBBQ
在实验时,靶核一般处于静止状态,即 EA=0,故 aBb EEEQ
：吸能反应放能反应
0
,0
Q
Q
)()()]()[( 2 AaBbBbAa EEEEcMMMMQ
69
利用动量守恒律得出 Q的另一种表示式如图示，入射粒子的动量应为出射粒子的动量和剩余核动量的矢量和,写为分量式为改写上式并与反应能公式合并消去
co s2222 babaB ppppp
BE
c o s2)1()1(
B
baba
a
B
a
b
B
b
M
EEMME
M
ME
M
MQ
许多原子核的质量都是靠 Q值确定的,
对反应前后质量已知的核反应,
可从上式求得 Q值 ;
核反应中的动量守恒
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
bp
Bp
ap
ap?
70
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
Q方程的应用实例,(作为阅读材料 )
1.识别靶核
2.减少运动学变宽
thE
激发原子核反应的撞击粒子必须具有的最小能量,(or：使吸能反应得以开始的入射粒子的动能 ).
Q吸能反应的阈能：
A
aA
th M
MMQE
为简便起见,反应能和阈能表达式中的原子质量之比可用相应的核质量数之比代替,(约千分之一的误差 ).
71
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核反应截面 设靶核占有一个有效面积 (or“命中面积,)σ,则在厚度为 t,面积为 A薄箔靶内总的有效面积为,
NAtN为单位体积内的核数目于是,入射粒子打到面积为 A
的靶上发生核反应的几率为,?
Nt
A
N A t?
这个几率必然等于出射粒子数和入射粒子数之比,即
i
l
n
nNt
核反应截面定义式 Ntnn
i
l
227
224
101
101
cmmb
cmb
σ有面积的量纲,单位为靶 (b),
截面的概念
t
σ
一个典型原子核的半径为 6fm,,经典截面
bcmR 1.1101.1 2242
由此知反应截面的单位与核的几何大小同数量级,
72
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
AlnAl 2827 ),(?
scmnmmtmb i 210 /10,2.0,2?
核反应已知反应截面、靶厚和入射中子数分别为分别为试求出射的 γ光子数 。
解：单位体积的靶核数
32223
0 /10022.610022.627
7.2 cmN
AN
scmN t nn il 24 /104.2?则卢瑟福曾认为不可能从原子中获取能量：“任何相信能从原子中获取能量的人，是在说梦话 ……”
可知,打进 1百万个中子，只有 2.4个 γ光子释出。可见反应几率甚小。
例
73
,原子物理学,第七章 原子核物理概论重核裂变从结合能图知,重核裂变为两个中等核时,平均结合能将增加 1MeV左右,即每个核子平均贡献 1MeV左右的能量,
U235平均来看,每个 裂变时将释放的能量约为 200 MeV。释放的能量表现为碎片、放出的中子及相伴发生的 β 衰变产物的动能,
裂变释放的能量
U235
一个铀核能提供的能量几乎是化学反应中一个原子提供能量 (一般不到
10MeV的能量 )的 一亿倍,最重要的一点是铀核裂变平均要放出 2.5个中子,
而这些中子是维持链式反应所必需的,即,中子的再生率 ≥ 1”
M e V
M e V
M e V
M e V
10
1 70
：相伴的与能量：粒子和放出中子的动能：
碎片的动能：
15
5
E.Fermi,意大利,1901-1954
获 1938年度诺贝尔物理学奖费米的主要贡献：
用中子辐照产生新放射性元素以及用慢中子引起核反应的有关发现
74
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1934年，费米小组用中子轰击,对得到的放射性产物半衰期的测定表明它不属于其它重元素！这其实是重核裂变的最早证据。但他们作出错误判断，猜想那是“第 93号元素”同时说明证据不足。但当时罗马大学物理研究所所长柯比诺却在国王出席的科学院会议上宣布发现第 93
号元素，引起新闻界的宣扬，吹捧这是法西斯主义在文化领域的胜利。
U238
费米于 1938年借领取诺贝尔奖之机由意大利迁居美国。在美军方支持下，于 1941.12开始领导“曼哈顿工程”。
核裂变原料U235 占天然铀的 0.72%，自然界仅有的能由热中子引起裂变的核素,
U238 占天然铀的 99.27%，
可用来生产核原料：U238?
)35.2(,
m i n )24(,
239239
239239
239238
dTePuNp
TeNpU
UUn
e
e
1939年发现裂变时,世界上没有浓缩铀，当时还未发现钚 Pu239
1945年美试爆的第一颗原子弹原料,Pu239
75
,原子物理学,第七章 原子核物理概论临界体积在纯铀中,中子易从其表面逃逸而使反应中止。只有当其体积大于“临界体积”时才能发生链式反应。
轶事 斯罗达博士：用手阻止核爆炸的人二战期间的一天,加拿大核物理学家斯罗达博士在实验室主持原子弹引爆临界试验工作,研究两块被放在轨道上的浓缩铀对合的临界质量,
拨动铀块的螺丝刀突然滑落,两块铀在轨道上相向滑动,就在两块铀即将滑到一起的关键时刻,斯罗达奋不顾身地用双手把它们阻隔开,避免了一起核爆炸,斯罗达受到高剂量的致命辐射,出事之后的第九天他离开了人世,加拿大政府和人民为了表彰这位优秀科学家对人类所做的贡献,把他誉为,用双手掰开原子弹的人”,
减速剂欲使裂变反应持续,关键在于使中子减速,
目前常用的减速剂是 重水和石墨,1942年世界第一个反应堆用 石墨 为减速剂,我国 1958年建成的反应堆用 重水 为减速剂。
反应堆的控制棒用吸收中子很强的镉或硼制成 。
链式反应大约 1秒钟可产生 1000代中子,解决的办法是靠,缓发中子” 。
在设计反应堆时,要使缓发中子放出后才达到临界,才能使链式反应进行,因此有足够的时间来控制反应速度,
76
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
“那个意大利航海家已登上了新大陆。”
下午 15,45
77
,原子物理学,第七章 原子核物理概论原子弹发生链式反应 爆炸
35种元素的
200多种核素
nKrBanU
nZrTenU
1
0
91
36
142
56
1
0
235
92
1
0
97
40
137
52
1
0
235
92
3
2
铀 -235 的临界质量约为 1kg,
任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单,从而为防止核武器扩散带来了困难。
78
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1964年 10
月 16日 15
时,中国在本国西部地区试爆成功一颗原子弹蘑菇云发展图
79
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
“小玩意儿,钚装药重 6.1千克,TNT当量 2.2万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座 30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。
在半径为 400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为
1600米的范围内，所有的动物全部死亡。
“漫天奇光异彩,
有如圣灵逞威,
只有一千个太阳,
才能与其争辉,
我是死神，
我是世界的毁灭者,”
“原子弹之父” 奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，
他想起了印度一首古诗,
80
在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达 12英里多。
美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区 80%的建筑化为灰烬,6.4万人丧生,7.2万人受伤，伤亡总人数占全市总人口的 53%。
长崎市 60%的建筑物被摧毁，伤亡 8.6万人，占全市总人口的 37%。
,原子物理学,第七章 原子核物理概论这是美国在日本投掷的两颗原子弹
U235,小男孩” 4.5t
1945.8.6投至广岛枪法铀弹,胖子” 5t
1945.8.8投至长崎
Pu239 内爆钚弹
81
,原子物理学,第七章 原子核物理概论痛苦的回忆 原子弹在日本造成的 ……
疮满目痍
82
,原子物理学,第七章 原子核物理概论轻核聚变 轻核聚变中,每个核子贡献的能量是 3.6MeV,大约是 裂变时每个核子贡献能量的 4倍,U235
氘核靠短程核力聚合在一起，核子间距 r<10fm
才会有核力作用,r=10fm时的库仑势垒高度为,k e VrekE c 1442
两个氘核的聚合必须克服这个势垒,即每个氘核至少需要 72keV的动能,
假如视其为平均动能,由 kTE k 23? 可得出相应的温度为 KT 8106.5
考虑到粒子的势垒贯穿几率和部分粒子的动能大于平均动能,从理论上估计,聚变温度约为 K810~
在此温度下所有原子均电离而形成 等离子态,
说明
1）以上计算时取核子间距 r=10fm。若按估算的氘核半径 1.51fm计算,
则 Ec将为 942keV….
2)以上考虑系以典物理的看法。实际上还要考虑量子隧穿效应等。但研究表明，用击靶方式引发聚变的效率太低。（一百万个氘核打在靶上，只有一个可能进行聚变反应 … ）
83
,原子物理学,第七章 原子核物理概论宇宙中主要能源由核聚变提供,太阳发生的是两种轻核聚变反应,
太阳能：引力约束聚变
CNP
eNO
ONp
NCp
eCN
NCp
1215
1515
1514
1413
1313
1312
C循环
(贝蒂循环）
（ 1938年 )
p-p循环
(克里齐菲尔德循环 )
pHeHe
Hedp
edpp
233
3
两种循环总的效果相同,均为,M e Vep 7.26224
4个质子的聚变过程中每个质子贡献 6.7MeV,比 裂变时每个质子的贡献大八倍,比化学能大一亿倍,太阳释放的能量相当于每秒种爆炸 900亿枚百万吨级的氢弹,
天文研究表明,按太阳总质量的 75%为氢计算,其热核反应可维持 750亿年,
84
核聚变 由轻核聚合成中等核的过程,
实现聚变反应的三个条件
1) 等离子体的温度足够高 ;
2) 等离子体的密度足够大 ;
3) 所需的高温和密度须维持足够长的时间,
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1957年,劳逊将以上三个条件定量化 (对 dt反应 )形成劳逊判据,这是实现聚变反应并获得能量增益的必要条件,
劳逊判据
ke VT
cmsn
10
/10 314?
太阳的热核聚变由万有引力约束，这需要有恒星那样大的质量，这不仅在地球上做不到，即使在太阳系最重的木星上也不能实现。
85
,原子物理学,第七章 原子核物理概论在地球上实现受控核聚变的约束方式磁约束惯 性 约 束磁约束带电粒子在磁场中绕 B线作拉莫旋进，横越 B线的运动受到限制，此为磁场能够约束等离子体的基本原理。但在磁场中等离子体不稳定，难于长时间将粒子约束在等离子体内，这就是磁约等离子体的基本困难。
1958年以来形成大规模国际交流合作,1992年在最大一代托卡马克
（译为“环流器”）装臵上成功地进行了 DT放电，聚变功率从 7.5MW提高到 10MW。 2006年国际热核聚变实验堆（ ITER）项目正式启动 …
惯性约束聚变巴索夫（前苏诺贝尔奖得主）于 20世纪 60年代提出。不加外力而依靠聚变燃料自身惯性，在高温高压下短时间内完成聚变反应。氢弹实现的就是惯性约束。而可控的惯性约束必须在 mm量级的靶内实现才不会产生灾难性后果，在技术上的难点很多。
86
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论
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80年代我国建成的三大高能物理研究装臵
,原子物理学,第七章 原子核物理概论上左：北京正负电子对撞机,1988.10建成。包括北京谱仪、北京同步辐射装臵上右：兰州重离子加速器,1989.11建成。
系当时仅次于法、日的大型回旋加速器上右：合肥同步辐射装臵 1989.4建成。
主要用于粒子光谱的研究
89
Beijing,China
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
（大型通用探测器）
北京正负电子对撞机（外景）
90
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
2006.11.21,中国,欧盟,俄罗斯,印度,日本,韩国,美国经长达十年的谈判最终签字，决定将其建在法国南部,这项计划花费 128亿美元，目的是研究清洁而且无限的能源,建设过程预计超过十年,工程从 2008年开始,
国际热核聚变实验堆（ ITER）装臵示意图,
91
2006.9.28,中国耗时 8年、耗资 2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装臵 EAST首次成功完成放电实验,获得电流 200千安、时间接近 3秒的高温等离子体放电,EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装臵,
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
92
,原子物理学,第七章 原子核物理概论氢 弹：
惯性约束聚变轻核聚变反应中,氘 (d)与氚 (T)的反应截面最大而释放能量最多：
M e VnTd 58.17
氘化锂 ( )可作为氢弹的原料HLi26
氢弹的原理：引爆普通炸药引发裂变反应,产生高温高压同时放出大量中子,中子与 反应产生氚，发生 d+T聚变反应,Li6
典型氢弹
（裂变弹）
的能量 爆震和冲击波 (50%)
热辐射
(35%)
欲使这两部分能量相对减少,就要增加产生的中子数量,使聚变的贡献大于裂变贡献,这使人们进一步研究中子弹,但纯聚变弹至今仍实现不了,
氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子体 (动力性约束 ).
人工约束较为成功的是 激光惯性约束,此外还有电子束、重离子束的惯性约束方案,但这些人工惯性约束目前还仅限于理论,实践上还未获成功,
可控核聚变最有希望的是磁约束,
93
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1967.6.17，中国第一颗氢弹在西部地区上空试爆成功（比
1000个太阳还亮）
（距中国第一颗原子弹试爆成功不到 3年）
94
1946年 7月 25日 (二战结束之后 將 近一年 ),史上第一场水下原子弹试爆 释出了一团一英里高的蒸汽云，最顶部是一道道上升的水柱。在基部的地方，爆炸风扩散的震波看起来像个白色的圆圈，吞噬了一支无人的海军船队。这场试爆是,十字路口行动,（美国军队在太平洋马绍尔群岛进行的一系列核子试爆）的一部分，是地球上引爆过的 第五颗原子弹 。
95
1952年 11月 1日，世界的第一颗氢弹在太平洋的埃尼托威克环礁上方引爆，震撼了天际。这场美国的试爆行动代 號 「艾薇麦克」，把附近岛屿的植被全部连根拔起、造成了一个直径超过一英里的坑,並 把大块大块受到放射线污染的珊瑚炸到 50公里以外的地方。
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核弹爆炸的瞬间
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
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令人恐怖的美丽
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论核反应堆通过受控核裂变反应获得核能的装臵,可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,
以形成所谓的 自持链式反应,
100秦山核电站
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核电是一种清洁能源 1995年一些国家核电占其总电力的比率
101
反应堆
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
102
人工核反应的实现使科学家在实验室合成已知元素的新核素和新的化学元素成为可能
185Hf(1992),208Hg(1992)、
237Th(1993),239Pa(1995)、
175Er(1996),235Am(1996)、
135Gd(1996),121Ce(1997)、
186Hf(1998),209Hg(1998)、
238Th(1999),125Nd(1999)、
128Pm(1999),129Sm(1999)、
139Dy(1999),139Tb(1999)和
137Gd(1999)。
我国科学家合成的 19种新核素：
90Ru(1991)和 202Pt(1992)分别由中国原子能科学研究院
（北京）和上海原子核研究所合成。
,原子物理学,第七章 原子核物理概论人 工核反应人工核反应是指原子核受中子,质子,α 粒子,重粒子
(例如原子核 )等轰击而形成新核的核嬗变过程 。C
126
2
,原子物理学,第七章 原子核物理概论基本内容 § 7.1原子核的基本性质 (原子核、核素图 )§ 7.2核的基态特性之一：核质量§ 7.3核力
§ 7.4核的基态特性之二：核矩
§ 7.5核模型
§ 7.6放射性衰变的基本规律
§ 7.7α 衰变 § 7.8 β 衰变 § 7.9γ 衰变
§ 7.10核反应 (裂变与聚变 )
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)了解原子核的结构模型,
(4)掌握放射性衰变规律及其应用,
(5)掌握核反应的一般规律及核反能的计算,
(6)了解裂变、聚变反应,了解原子能的利用和加速器,
(7)了解放射系、了解放射性的探测和应用、防护,
3
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1896年,贝克勒尔发现钠盐的放射现象。
这是 人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象，是核物理学的开端。
获 1903年度诺贝尔物理学奖
A.H.贝克勒尔
（法） 1852-1908
伦琴发现 X射线后,彭加勒 (法 )认为,X射线可能跟荧光属于同一机理”,在他的建议下,贝克勒尔着手验证,终于发现钠盐有预期效果,同时发现这种射线跟荧光不一样,不需要外来激发,进一步的研究表明这是有别于 X射线的辐射,他称之为“铀辐射”,
贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片
1.关于原子核的历史回顾贝克勒尔是 研究荧光和磷光现象的世家子弟,于 1892年担任巴黎自然历史博物馆教授,而此职位是他祖父和父亲曾担任过的 …
偶然？必然？
§ 7-1 原子核物理的对象
4
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
J.J汤姆逊，英,1856-1940
1897年,J.J汤姆逊通过对阴极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,
1925年,G.P汤姆逊证实电子的波动性,
与戴维逊同获 1937年度诺贝尔物理学奖,
J.J.汤姆孙曾师从瑞利,并于 1884年
（时年 28岁）接替瑞利任卡文迪许实验室主任（长达 35年），经他培养的研究人员中有 7人获过诺贝尔奖,
获 1906年度诺贝尔物理学奖在 19世纪末物理学的三大发现中，如果说 X射线和放射性的发现具有某种偶然性,那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。
比起前两件来，电子的发现更有意义，它打破了原子不可分的传统观念。
打开了通向原子物理学的大门。
5
,原子物理学,第七章 原子核物理概论皮埃尔,居里（法）（ 1859-1906）
玛丽,居里（法籍波兰）（ 1867-1934）
1897年,居里夫妇发现放射性元素 钋 (Po)和镭 (Ra)
她们的女儿 (1897-1956)和女婿 (1900-1958)因发现人工放射性获 1934年诺贝尔奖,
共同获 1903年度诺贝尔物理学奖贝克勒尔的发现引发了居里夫妇的兴趣,他们发现有多种元素会自发辐射,
并着手寻找新的辐射元素,
1898年 7月,他们发现沥青铀矿分离物的放射性比同质量的铀强 400倍,确证放射性来自分离物内的一种微量元素,最终找到了特别强的放射性物质,居里夫妇建议称之为钋（ Polonium）,为的是纪念祖国波兰,
进一步的分离实验发现钡盐有更强的放射性,认为还有第二种放射性更强的物质,他们命名为镭,最终得到放射性比铀强 10万倍的镭的化合物结晶,后来他们用 4
年时间从 8吨矿渣中提取了 0.1g纯镭盐用于实验,1902年 测得镭的原子量为 225,找到两根明亮的特征谱线,至此,镭的存在得到公认,
6
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1920年 5月,美国记者麦隆内夫人在巴黎简陋的实验室访问居里夫人,问道：“难道这个世界上就没有你想要的东西？”“有,1克镭,以便我的研究,可 18年后的今天我买不起,它的价格太贵了,”
居里夫人的高尚品质麦隆内夫人回国后在全美妇女中为其募捐获得成功,1921年 5月 20日,美国总统将公众捐献的 1克镭赠与居里夫人,
数年后,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,美国公众再次为她捐赠了第二克镭,
居里夫人发现镭后,放弃专利,公布提纯方法。“没有人应该因镭致富,它是属于全人类的。”
“人类需要善于实践的人,他们能从工作中取得较大的收获,既不忘记大众的福利,
又能保障自己的利益,但人类也需要梦想者,需要醉心于事业的大公无私,”
7
,原子物理学,第七章 原子核物理概论居里夫妇在工作中遭受了大剂量的辐射。居里夫人后来长期患恶性贫血症。弗列德利克 ·约里奥曾检验过她当年的实验记录本，发现全都严重沾染了放射物。她当年用过的烹调书,50年后再检查，还有放射性。
1934年居里夫人在经过长期恶性贫血折磨后去世。她的女儿 伊伦 和女婿 弗列德利克 ·约里奥 也因恶性贫血症相继于 1956年和 1958年去世。居里的一家有 4人获诺贝尔物理奖，做出了巨大贡献，他们自己却被镭夺去了宝贵的生命。
8
,原子物理学,第七章 原子核物理概论卢瑟福 (E.Rutherford）
英 国物理学家,(1871-1937),
新西兰人,1908年获得诺贝尔奖。证实了 α 射线为,β
射线为电子 ; 提出了原子的核式模型 ;首次实现人工核反应 ;
培养了 10位诺贝尔奖获得者,
He2
查德威克（ J.Chadwick）
英国物理学家 (1891-1974)，卢瑟福的助手。 1935年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。
9
,原子物理学,第七章 原子核物理概论费米（ E.Fermi）
意大利物理学家 (1901-1954)，
1938年获得诺贝尔奖。发明了热中子链式反应堆。
丁肇中,(1936—)
与 B.里克特分别发现 J,ψ粒子，找到了美夸克存在的证据,1976年获诺贝尔奖。
10
1896,H.Becquerel发现了铀 (U)放射现象 ;
1897：居里夫妇发现钋 (Po)和镭 (Ra);
1899,卢 瑟福发现 α,β 射线；
1900：维拉德发现 γ射线 ;
1903,卢 瑟福证实 α 射线为,β 射线为电子；
1911,卢 瑟福提出原子的核式模型；
1919,卢 瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。
1932,J.Chadwick发现了中子 ;
1934,F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性；
1939,O.Hahn等人发现重核裂变；
1939,N.Bohr等提出液滴模型 ;
1942,E.Fermi发明热中子链式反应堆；
1945,在奥本海默 (美 )领导下,原子弹试爆成功；（ 广岛 ）
1952,在泰勒 (美籍匈牙利人 )领导下,氢弹试爆成功；
1952：前苏联建成第一个核电站,
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
He2
11
1958：我国建成第一座重水型原子反应堆 ;
1964：我国第一颗原子弹试爆成功；
1967,我国第一颗氢弹试爆成功；
1969：我国首次成功地下核实验；
1984：我国受控热核聚变实验装臵顺利启动；
1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功；
1991：秦山核电站发电成功 ;
,原子物理学,第七章 原子核物理概论最早发现原子核一分为三的钱三强,两弹元勋”邓稼先
12
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
cmcm
cmcmcm
1613
1287
1010
101010
电子、夸克： 质子：
原子核： 原子：分子：
原子核由质子和中子组成,质子和中子由夸克组成,目前已经明确夸克有 6种,它们和电子等 6种轻子被认为是物质最基本的组成单元,
核的线度只有原子的万分之一,但质量却占原子质量的 99%以上,
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,仍有待进一步研究,
13
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
2.原子核的组成核的组份原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和电荷。
元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有关，而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,可不予考虑。
原子质量单位 u 同位素 原子质量的 1/12C12
kggu 2723 1066.1121100 2 2.6 121
原子核质量数 A 原子的质量都接近于一个整数,这个整数称为 …
核子 中子和质子统称核子 M eVum M eVum
p
n
2796.938007277.1
5731.939008665.1
610?原子核的质量一般可用质谱仪测定，其测量精度可达
14
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核素及其标记元素,质子数相同的一类原子,
核素,具有相同质子数和相同中子数的一类原子核,
核素符号
N
A
Z X
UU 238235,
eHH 3221,
A:质量数 (核子数 )
Z:质子数 (原子序数 )
N＝ A-Z:中子数同位素,Z相同但 N不同的核素,例如同中子异位素,N相同但 Z不同的核素,
同量异位素,A相同但 Z不同的核素,KAr 40194018,
同质异能素,A和 Z均相同但能量状态不同的核素,CoCo m6060,
迄今为止发现的 2000多个核素 中，有 300多个天然核素
(280多个稳定核素,60多个放射性核素 )，其余 1600多个是自
1934年以来人工合成的放射性核素。
例如 例如例如
15
核素图核素的稳定区：稳定核素几乎全落在一条光滑曲线上或紧靠其两侧,
此区域称核素的稳定区,
对于轻核,这条曲线与直线 N＝ Z重合,当 N,Z
增大至一定数值后,
稳定线逐渐向 位于稳定线
N＞ Z的方 上侧的为缺中子向偏离,核区,下侧为丰中子核区,
中子数和质子数过多或过少的核素都不稳定,
中科院近物所,新核素图,114种元素,3070个核素
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
16
§ 7-2 核的基本特性之一：核质量
,原子物理学,第七章 原子核物理概论质量亏损 mNmZmm np )(
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 MNmZMM
nH )(
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,
2)( cMNmZMB nH
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 ) AB
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,
17
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
0.0023893u
减少的质量质量亏损△ m
2mcE
核的结合能 B例
H2氘 ( )为氢的同位素,在海水中每 100万个氢原子中约有 150个氘原子,它由 1个质子和 1个中子组成,计算氘原子的结合能,
例 1：
2
)(
2
)(
])[(
1 3 5 5 2.20
0 0 7 2 7 7.1
0 0 8 6 6 5.1
2
2
cmmmmcB
um
um
um
Hnp
H
p
n
M e VuM e Vu 225.2/9310 0 2 3 9 0.0
例 2：氘和氦的 ε,M e VM e V 7
4
2 9 6.28;1.1
2
2 2 5.2 氦：氘：
18
核的结合能图
,原子物理学,第七章 原子核物理概论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 ε较高,几乎为一常量,
3)轻核和重核的 ε较中等核低。
ε≈8.6MeV
1)当 A＜ 30时,曲线有起伏的上升,其中,偶偶核 (奇奇核 )的 ε 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
19
,原子物理学,第七章 原子核物理概论半经验质量公式 (1935年,魏扎克公式 )
KPDCSV BBBBBBB
体积能,A＝B
VV?
表面能,32 /
S A＝B S?
库仑能,3/122)1(
5
3 AZ
R
keZΖΒ
cC?
对称能：在 N=Z时为 0
对能项：
奇奇核（最不稳定）
核奇偶偶核（最稳定）
2/1
2/1
2.11
0
2.11
A
A
B P A
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 ).
20
Me Va
Me Va
Me Va
C
S
V
72.0
3.18
8.15
,原子物理学,第七章 原子核物理概论表面能 库仑能体积能总能量
A
M eVAB /
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,理论性统计数据,;
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,
21
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-3 核力 核力：核子紧密结合形成高密度核的力核的半径 (由实验规律给出 ),3/10 ArR? fm.r 210?经验常数核的质量密度：
314
3
0
3
/102
3
4
3
4 cmkgAr
Au
R
NmZm np
4.核力的基本性质
1)核力是具有饱和性的短程力 核力的两个重要特性,短程性饱和性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
22
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
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
ppV
r0
npV
r0
r/fm0 0.8 2 10
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 )
23
,原子物理学,第七章 原子核物理概论费曼图,在时空平面内表示相互作用的方法费曼图
x
t
t?
x?
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”,
h
1e
1e
2e
2e
虚光子核力的介子理论
（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 π介子，有三种,e
mm 275
0,,
由于测不准原理，虚粒子可以不满足能量、动量守恒。
24
核子交换 介子的方式?
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
p n
n p
（ a）
n p
p n
（ b）
n(p) n(p)
0?
n(p) n(p)
（ c）
(a),(b):两个核子交换位臵，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。0?
所以核力是交换力和非交换力的混合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。
25
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-4 核的基态特性之二：核矩核自旋 原子核自身的角动量通常称为核的自旋泡利电子自旋假设提出 (1924年 )之前，为解释原子光谱的超精细结构,
就提出了核自旋的假设。但只有在 1932年查德威克发现中子以后，人们才理解核自旋的起源,
中子质子电子自旋为 的费米子?2/1
核子的自旋和各种复杂相对运动的角动量总和就是核的自旋核的自旋是核固有的,与核的外部运动无关,
原子核基态的自旋规律偶偶核的自旋为 0;
奇偶核的自旋都是的半整数倍 ;
奇奇核的自旋都是的整数倍,
26
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核子磁矩
（由理论和实验给出）?
Nn
Np
μ.＝μ
μ.＝μ
911
792质子与电子均为费米子,都是点电荷，只是质量和电荷不同,故质子的磁矩表达式与电子相似,
中子不带电,与轨道角动量相联系的磁矩为 0,但与自旋角动量相联系的磁矩不为 0,这表明中子内部存在着电荷分布,中子自旋指向与电子一样,自旋指向与磁矩相反,
核磁子（核的玻尔磁子） e V /T.＝me＝μ
p
8
N 1015232
显然,核磁子比电子的玻尔磁子小 3个数量级 1 8 3 6?
e
p
N
B mm＝μμ
核的自旋角动量 通常用 的最大值 来表示核的自旋,
Im I
II
I
mP
)I(IP
z
1核的自旋量子数 I为整数和半整数磁量子数 I,I,,I,Im I 11?
27
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核磁矩（磁偶极矩）
NIIIz
I
p
II
μmgμ
P
m
e
＝gμ
2
NI
p
II μ）II＝gm
e）II＝gμ 1
21 （（?Iμ
的大小
Iμ? 在 z方向上的分量也有（ 2I+1）
个取值,其最大投影量为,NI Iμg
Ig 为核的朗德因子,不同核有不同的取值,
BmgBU NIII
在磁场中,核自旋磁矩与磁场相互作用所产生的附加能量：
Im ）12?I（ ）12?I（
因 有 个取值，所以有 个不同的附加能量。
）12?I（于是就发生塞曼能级分裂,一条核能级在磁场中就分裂为 条,
相邻两条分裂能级间的能量差为,
BgU NI
28
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
4.电四极矩从电磁理论知，当带电体的电荷分布呈球形对称时,在体外距球心 r处的电势为, dVrkrqk
e +2e e z
电四极矩的例子如图示的电四极矩,总电荷和电偶极矩均为 0,只需考虑电四极矩即可,一般情况下电四极矩在 r处产生的电势为：
dVrzrk )3(211 223
非球形对称分布带电体产生的电势一般表示为
])3(21111[ 2232dVrzrz d VrdVrk
单电荷的电势 11?ra
电偶极子的电势
+ -
22?ra
电四极矩的电势
+- -
33?ra
29
dVrzeQ )3(1 22?
224101 cmb
理论和实验都证明,原子核的电偶极矩为 0,它的电四极矩定义为：
Q的单位：靶 (b)
实验事实表明,原子核的形状是略偏离球形的轴对称旋转椭球,假设原子核均匀带电,可证明原子核的电四极矩为：
][52 22 abZQ
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
z
a
Q＝ 0
z
a
Q＞ 0
z
a
Q＜ 0
b：对称轴（即旋转轴 z）
的半轴长
a：旋转椭球垂直于对称轴的最大截面的半径
30
5.超精细结构
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
I I?
原子核有一定的大小,其电荷有一个分布 (电四极矩 ),它还有自旋角动量 和磁矩,这些性质对核外电子的运动必然要产生影响,从而使原子光谱进一步分裂,其分裂程度比精细结构还要小 3个数量级,故称为超精细结构,它的起因称为超精细相互作用,
视原子核为点电荷 Ze,得到原子光谱的粗结构,
考虑电子的自旋 -轨道作用后,得到原子光谱的精细结构,
考虑核的自旋、磁矩和电四极矩,得到原子光谱的超精细结构,
31
*§ 7-5 核模型
,原子物理学,第七章 原子核物理概论问题：原子核内各组分的运动规律如何？
在原子内，相互作用力是库仑力，电子是运动的主要承担者，电子与核之间的想到作用对运动的影响是决定性的，相对来说问题容易解决。
核内核子数较多，不可能象两体问题那样求解；
核内核子数较多，不可能象两体问题那样求解；
核子数不是很多，不能用统计方法；
核子间没有一个中心，无法用有效的近似方法。
到目前为止，无法从第一性原理出发来解决核内的核子运动问题。自 1932年以来，人们提出各种核的结构模型，对核子的运动作近似的唯象的描述，但某个模型往往只能反映某一方面的特性。
32
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1.费米气体模型 (最早的独立粒子模型 )
视核子为类似气体分子的费米子,则核可视为费米气体,由于质子与中子有电荷的差异,它们的核势阱不相同,
中子和质子的核方阱
nFE,
0V
0
B
CE
中子
pFE,
费米能级库仑势垒质子图中 B?为实验测得的结合能,费米能级为基态时核子最高能级的位臵 ).
质子阱的底比中子阱高出 Ec,质子阱的上面多出一个库仑势垒,外来质子要穿过这个势垒需要较高的能量,或靠,隧道效应” 穿过,
势阱内有一定 的分立能级
(图未 画出 ).
每个能级 上可有两个核子,
自旋方向一上一下,
33
3,2,1,8 2
22
nmd hnE n
)(8 2322212
2
nnnmdhE n3,2,1111?nnn,、
,原子物理学,第七章 原子核物理概论此前知道,质量为 m的粒子在宽度为 d的势阱中的能量为,
将上式推广到三维,则边长为 d的正方体势阱的能量为：
与一维相比较,其简并度提高了,
三维势阱只有一个基态,(1,1,1);但第一激发态 (能量相同 )却有三个,(2,1,1),(1,2,1),(1,1,2).随着能量的增大,
简并度也随之增高,
34
2.核的壳层模型
,原子物理学,第七章 原子核物理概论元素周期表中,每一惰性气体的出现意味着某特定壳层的闭合,Z＝ 2,10,18,36,54… 时元素最稳定,这些数 (幻数 )在原子的壳层结构中得到圆满的解释,
1930年后,有关原子核的实验事实不断显示,自然界存在着一系列 幻数核,即当质子数 Z或中子数 N等于下列数之一时,原子核特别稳定,2,8,20,28,50,82,126.
人们猜想核是否也表现为壳层结构,但困难重重,主要有以下原因：
1)缺乏物理基础,原子内有一个相对固定中心即原子核,电子在以核为中心的势场中独立运动,由此出发,通过求解薛定谔方程并考虑到泡利原理后即得到壳层结构,但这一物理思想在核内却缺少根据,
35
2
1 lj
,原子物理学,第七章 原子核物理概论但实验事实不断地支持幻数的存在,使得人们重新考虑核的壳层结构,
正在上负在下,次序正好与原子的情况相反,
分裂的大小随 l的增大而增大,
3.集体模型 *
2)有人曾假定核子在某些势阱中运动,并求解薛定谔方程,
但却得不到与实验相符的幻数,
3)当时核的液滴模型已获得成功 (解释了核结合能与核子数成正比的实验事实。玻尔于 1936年用于成功计算核反应截面,于 1939年用于解释核裂变 ).
1949年,迈耶尔和简森用壳层模型成功地解释了幻数,在势阱中加入了自旋 -轨道耦合项,这是算出 50,82,126这三个幻数的关键,正是自旋 -轨道耦合项引起了能级的分裂,原来以 l表征的能级都一分为二 (l＝ 0除外 )：
36
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7－ 6放射性衰变的基本规律在迄今为止发现的 2000多种核素中,绝大多数都不稳定,会自发地蜕变为另一种核素,同时放出各种射线,这种现象称为放射性衰变,
放射性衰变提供原子核内部的信息用于为人类造福放射性衰变过程中,原来的核素 (母体 )或者变为另一种核素 (子体 ),或者进入另一种能量状态。
37
,原子物理学,第七章 原子核物理概论放射性衰变的类型
α 衰变 Ra226
88 Rn22288
+ He)α( 4
242
α 衰变的位移定则,子核在元素周期表中的位臵左移 2格。
β 衰变 Bi21083 Po21084 + e0-1 （电子）
β 衰变的位移定则,子核在元素周期表中的位臵右移 1格。
γ 衰变 *6027Co Co6027 +?
高能短波电磁辐射（即电子波）
38
二、放射性衰变的基本规律
N d tdN
teNN 0
,原子物理学,第七章 原子核物理概论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(t＝ 0时 )，
在 dt内发生衰变的数目－ dN为：
(此式是一统计规律 ; λ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
teNN 0
1.衰变定律：
39
2.放射性核素的特征量
m in10?T
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1)衰变常数,表示一个核在单位时间内发生衰变的几率,
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 )
1.00
0.50
0.25
0 1T 2T 3T 4T t
N/No
N13 衰变
N
dtdN /
0 9 3.02ln
2/1T
aT 292/1?
1T
2T
3T
4T
Sr9038
衰变
40
dttt N d tdN
0 Ntdt?
TTN
N t dt
44121
0
0,
ln
010 %37 NeNN
,原子物理学,第七章 原子核物理概论导出要点：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 τ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 τ后,余下的核素数目约为原来的 37%.
T4411,
41
tt eAeNN
dt
dNA
00
Ra226
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
A的单位 (1975年规定 )：贝克勒 (或贝可 )(Bq).
1Bq＝ 1次核衰变 /秒,
A的辅助单位：居里 (Gi);毫居 (mGi)、微居 (μGi)
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：
BqGi 10107.31 10107.31Gi(即 次核衰变 /秒 )
(早期定义,1g 在 1s内的放射性衰变数,)
teAA
0
42
c4105.2
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
“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.长半衰期的测定
2ln?T
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=λN求出 λ,求出为保证足够的计数以降低统计误差,必须增大 N.
43
检测放射性的方法盖革计数器 是根据受辐射气体发生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理设计的 。
,原子物理学,第七章 原子核物理概论每个被放大了的电脉冲即代表一次放射性记数
44
,原子物理学,第七章 原子核物理概论放射性 鉴年法C14
W.F.Libby(利比 )
鉴年法的先驱C14
获 1960年度诺贝尔化学奖方法：放射性 测定年代法C14
依据：半衰期与反应物的起始浓度无关假定：大气中,的比值是恒定的C146 C126
宇宙射线中的大量质子与大气中原子核反应产生许多次级中子，这些次级中子与大气中的 反应而产生而 自发地进行 β 衰变：
N14 C14C
14
pCNn 1414 eNC 1414
C146
C12
由于宇宙射线的质子流、大气组分相对恒定,故上述次级中子流也相对恒定,使得的产生率保持恒定,经相当时间后产出与衰变达平衡,其数目保持不变,而大气中的是稳定核素,
研究表明,
12
14
103.1
5730:
1214 CC
aC
/NN大气中的半衰期?
45
埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样品中,放射性碳
-14的比活度为 432Bq·g-1 [即 s-1·(gC)-1],而地球上活体植物组织相应的比活度则为 756Bq·g-1,试计算该古墓建造的年代,
,原子物理学,第七章 原子核物理概论例 1
解,衰变反应是,
根据一级反应的速率方程和半衰期公式,
lnct( )= -kt ＋ lnc0( )
T1/2 = 0.693/k
得,k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.21× 10-4 a-1
t=n[756Bq·g-1/432Bq·g-1]/(1.21× 10-4a-1) =4630 a
如以上数据系 2005年所得,则 4630-2005＝ 2625
即该古墓大约是公元前 2625年建造的 。
C146 C146
eNC 01147146
46
,原子物理学,第七章 原子核物理概论解,
例 2 测得古墓 100g骸骨碳的 衰变率为 900/min,求此墓年代 。?
据衰变定律和半衰期公式
2ln
2/1
0
T
eNN t
当前 100g骸骨中 的数目为 N，
00
ln2lnln1 NNTNNt
结论：古墓年代约为公元前 2200年
C14
128 1091.3/1073.4693.05 7 3 02ln1 aadtdNTdtdNN?
12
23
12
0 105.612
10022.6100103.1100
12
14
C
A
C
C N
N
NN
墓主死亡时 100g骸骨碳中含 原子的数目为：C14
aaNNTt 4 2 0 0105.6 1091.3ln6 9 3.05 7 3 0ln2ln 12 12
0?
aadtdN /1073.4/3652460900min/900 8
47
,原子物理学,第七章 原子核物理概论在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变关系,母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素,
放 射 系
48
5.简单的级联衰变
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
)( CBA连续衰变规律,以两代衰变 为例 )
A的衰变服从衰变律,tAA AeNN
0
AA,
B一方面衰变为 C,一方面又不断从 A处获得补充,B的衰变规律与 有关：
)(0 tt
AB
A
AB BA eeNN
AB Bt若,当 时,t
B
A
AB
AeNN?
0
这时子核将按母核的衰变规律衰变。这一个重要结论启示人们保存短寿命核素的一个方法,
自然界存在四个天然衰变链：钍系、镎系、铀系、锕系
(详见下页“放射系”，图中均为自然界存在的放射过程 ).
49
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
80 85 90
145
140
135
130
125
Z
N
钍系（ 4n）
级联衰变
Th23290
Ra22888
Th22890
Ra22488
Rn22086
Po21684
Pb21282
Po21284
Pb20882
Tl20881
80 85 90
145
140
135
130
125
Z
N
铀系（ 4n+2）
级联衰变
U23892
U23492
Th23490 Pa23491
Tb23090
Ra22688
Rn22286
Po21884
Pb21482 At21885 Bi
21484
Tl21481
Po21484 Pb21082
Bi21083
Tl21081 Po21084
Pb20682
50
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
80 85 90
145
140
135
130
125
Z
N
80 85 90
145
140
135
130
125
Z
N
锕系（ 4n+3）
级联衰变
U23592
Pa23191
Th23190
Th22789
Fr22387 Th22790
Ra22388
Rn21986
Pb21182
Ro21584
At21585
Tl20781
Bi21183
Po21184
Pb20782
镎系（ 4n+1）
级联衰变
Np23793
Pa23391
Ac23589
Fr22187
At21785
U23592
Ra22588
Th22989
Br21383
Tl20981 Po21384
Pb20982 Bi20983
51
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
6.同位素生产
NPdtdN
)1( tePN
在 2000多种核素中,只有 60多种是天然的,
其余 1600多种均是在反应堆和加速器中靠人工核反应产生的,在其产生的同时即在发生衰变,设核素的产生率为 P,则它的变化率为：
以上的一阶非齐次微分方程的解为：
可表示为放射性活度：
)1()1( 2/1T
t
t ePePNA
同位素生产图示
0 1 2 3 4 5 6
0.5
1.0
A/P
t/T
显然,当经过 1个 T时,A可达到 P
的 50%,经过 2个 T时,A可达到 P的
75%…( 见左图 ).从图中可知,无论工作时间多长,最大的 A不超过 P.
52
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-7α衰变 YX AZAZ 42
1,α衰变的条件设衰变前母核 X静止,据能量守律有：
YYX EEcmcmcm 222
Y
d e f EEE
0
衰变能 则 20 )]([ cMMME HeYX
一般用原子质量 M表示为,0222 Ecmcmcm YX
α 衰变的条件 00?E 即 HeYX MMM
2.α衰变能 E0及核能级图?EA AE 40 据此可用各种能谱仪测定 Eα,直接确定衰变能,
欲确定未知核素的 MX，必先测出 Eα和 EY,但由于核的质量较大，反冲能很小不易测量。可从动量守恒定律出发，证明 Eα和 EY间的关系，以便只测出 Eα就能确定 MX。
由于 MX静止,故有
vmvm YY?
53
,原子物理学,第七章 原子核物理概论因此子核的反冲能,
Em
m
m
mvmvmE
YY
YYY
22
2
1
2
1
EA
AE
AEm
mEEE
Y
Y 4)4
41()1(
0
此处用核的质量数之比代替核质量之比,易证明,这样做的误差甚微,
事实上,在 α衰变中,大部分核素放出的 α粒子往往有好几群,每一群粒 子有确定的能量,
的 α 能谱Bi212
5.4 5.6 5.8 6.0 6.2
MeVE /?
相对强度
α粒子能谱具有分立的、不连续的特征。预示着子核有分立的能态,卢瑟福与盖革在实验室观测 α粒子
54
3,α衰变的机制与寿命
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核力是短程力,而库仑斥力为长程力,在多质子的核内,核力几乎不能“补偿”质子间的相互排斥,于是要发生衰变,以减少质子数来增加稳定性,事实上,Z＞ 83的核素都不稳定。
α 衰变产生的粒子来自核内,核内的 α 粒子受核 力吸引 (负势能 ),在核外,粒子受到库仑力的排斥,
这样,在核的表面形成一个势垒,
由于微观粒子的波动性,能量小的 α粒子也有一定的几率穿过势垒而从核内逸出 (隧道效应 ).1928
年伽莫夫等人指出,α粒子就是因量子隧道效应穿过势垒跑到核外的,并证明,α粒子每秒穿过势垒的几率等于它的衰变常数 λ.
R b r
)(rV
RE
E
0
库仑势
α粒子的势垒核势
55
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-8 β 衰变 （核电荷改变而核子数不改变的衰变）
β衰变碰到的难题
贝克勒发现放射性后,证明了 射线是电子流,随后的研究表明 衰变的能谱是连续谱,与 α粒子的分立截然不同,这使当时科学界面临两个难题：
1)原子核是个量子体系,核衰变是不同核能态间的跃迁,释放的能量应该呈量子化,为什么 射线的能谱会是连续的呢？?
2)不确定关系不允许核内有电子,那么 衰变放出的电子从何而来？?
早期对 β能谱的连续性很难理解,因原子核的能量呈量子化,从这一点看能谱应当是离散的,此外,
人们当时发现,β衰变还表现出明显违背能量、
动量和角动量守恒律,
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
强度 I
E /MeV
Bi21083 核的 β能谱
56
,原子物理学,第七章 原子核物理概论泡利于 1930年解决了第一个难题中微子假 说泡利：“只有假定在衰变过程中,伴随着每一个电子有一个轻的中性粒子 (“中微子” )一起被发射出来,使中微子和电子的能量之和为常数,才能解释连续 β谱,”换言之,衰变能应在电子、中微子和子核间进行分配,即：
Ye EEEE0
0?YE由于子核质量远大于电子质量,故
me
e
EEEE
EEE
0
0
0
0
时，
时，当 (即电子能量取极大值 ).
mE0
因此,电子可取 ( )间的任何能量值,
21为使 β衰变前后电荷、角动量均守恒,中微子的电量必为 0,自旋必为一般认为中微子的静质量为 0.后来的研究表明 （尚待进一步研究,） 0m
泡利的中微子假设引起不少怀疑,但费米不仅接受且用于解决了第二个难题,
57
,原子物理学,第七章 原子核物理概论费米解决了第二个难题
费米认为电子和中微子是在衰变中产生的,衰变的本质是核内的一个中子变为质子,衰变和 EC的本质是核内的一个质子变为中子,而质子和中子可视为核子的两个不同状态,中子与质子的转变相当于量子态间的跃迁,在跃迁过程中放出电子和中微子,
(它们原本不存在核内,好像光子是原子不同状态间的跃迁的产物一样,
区别在于电磁作用导致产生光子,弱相互作用导致产生电子和中微子,)
1934年,费米提出的弱相互作用的衰变理论,并经受了长时期的考验,
中微子假说解决了 β衰变的两大难题,但人们希望从实验上证实中微子的存在,中微子无电荷无静质量,与物质的相互作用极其微弱,易穿过物质,
因此很难捕捉到它,1930年预言它的存在,1956年才通过实验探测到它,
58
,原子物理学,第七章 原子核物理概论正电子
1928年狄拉克由相对论量子力学预言正电子的存在,1932年安德逊在宇宙线中观察到正电子,
正电子与电子相遇会湮灭而产生一对 0.51MeV 的 γ光子柯恩、莱尼斯的中微子实验简介大量来自反应堆的反中微子流投射到含镉化合物溶液的水槽中,反中微子被水中的质子俘获,放出一个正电子和一个中子 nep
正电子与电子湮灭而产生一对 γ 光子,新产生的中子经几微秒的迁移后被镉核俘获,而受激镉核放出 3至 4个 γ 光子回到基态,记录下来的反应约每小时 3次,
捕获中微子含镉水槽闪烁计数器入射的反中微子?
e
n
59
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
3,衰变,
eYX AZAZ 1
衰变能,2
0 )( cMME YX
产生 衰变的条件： ),1(),( AZMAZM
YX
衰变纲图中,依惯例将 Z小的核素画在左边例,eHeH 33
H3 的衰变纲图
)33.12(3 年?TH
He3
％）（ 100
0186.0
衰变即以从左上方向右下方画的箭头表示,图中 β粒子的最大动能为
0.0186MeV,此即为 衰变 能,100%表示经衰变全部衰变到的基态,
60
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
＋?4,衰变,
eYX AZAZ 1
2e0 )m2( cMME YX －衰变能：
近似地等于放出的正电子的最大动能＋?产生 衰变的条件：
eYX mAZMAZM 2),1(),( ＋－?
N13 的衰变纲图
m in )96.9(13?TN
％）（ 100
19.1
C13
1.轨道电子俘获 (EC), YeX AZAZ 1
母核俘获核外轨道的一个电子使母核中的一个质子转为中子,过渡到子核同时放出一个中微子,
由于 K层电子最靠近核,最易被俘获,
i从 层俘获电子的衰变能为,iYXi WcMME 20 )(
发生 EC的条件,2/),1(),( cWAZMAZM iYX －
61
,原子物理学,第七章 原子核物理概论与 β
衰变有关的其它衰变方式
1.中微子吸收, enp?
本质同 β衰变,1956年科范和莱恩斯利用此过程直接证明了中微子的存在,
2.双 衰变：产生一个电子必然产生一个中微子,
221 30541 3052eXeTe
3.β延迟中子发射
)6.55(87 sTBr?
Kr87
％）（ 30
0.8
％）（ 70
6.2
Kr86
n
缓中子
4.5?
α衰变较集中于重核 ;
β衰变几乎遍及整个周期系,
0 1 2 3 4 5 6 7 8
8
7
6
5
4
3
2
1
稳定线
N
Z
B125
N127
C126
丰中子核素,
以 衰变向稳定线过渡
缺中子核素,
以 衰变向稳定线过渡
62
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-9 γ 衰变
1.一般性质原子核发生 α,β衰变时往往衰变到子核的激发态,处于激发态的核不稳定,要向低激发态跃迁,同时往往放出 γ光子,此即 γ衰变,例如 的衰变,Co60
)27.5(60 aTCo?
%)100(309.0
Ni60
的衰变纲图Co6
33.1\2?
2.50
1.33
0
17.1\1?
2.内转换电子：
核从激发态向低能级跃迁时不一定放出 γ光子,而是把这部分能量直接交给核外电子而使电子离开原子,此谓内转换,
释放的电子称 内转换电子,
若光子能量为 Eγ(不计核释放光子后的反冲 ),i层电子的结合能为 Wi,则内转换电子的能量就是 Ee=Eγ-Ei.
63
,原子物理学,第七章 原子核物理概论显然,内转换电子的能谱是分立的,
一般地,重核低激发态跃迁时发生内转换电子的概率较大,
NNe?内转换系数 α,表示转换和跃迁相对概率的大小：
3.同质异能跃迁 (IT)
s1410?
通常,处于激发态的原子核寿命短暂,典型值为
“同质异能素,,处于亚稳态的寿命较长的激发态,
“同质异能素”的表示：一般在核素左上角质量数旁加
,m”.
Inm113同质异能素
)1 1 8(1 1 6 dTSn?
m i n )104(113?TIn
In113
%)8.1(EC
%)2.98(EC
253.0?
%)35(
%)65(
IC
393.0
64
,原子物理学,第七章 原子核物理概论穆斯堡尔效应 (无反冲共振吸收 )
R.L.Mossbauer
德（ 1929-）
人们认为原子核也应有共振吸收现象,它可强烈吸收同类核素发出的 γ射线,然而长期观察不到此现象,后来知道这是 因为原子核发射和吸收 γ光子时要受到反冲的影响,部分能量被反冲核带走,使 γ 光子的能量（或说频率）发生
,漂移,,
问题：如何实现 γ射线的共振吸收？
如：使发射源以适当的速度运动可补偿反冲核损失的能量,但在技术上较困难,
解决方案 1：采取补偿能量损失的方法解决方案 2：避免能量损失的方法穆斯堡尔效应：当原子核处于固体晶格中时，遭受反冲的就不是单个原子核，而可能是整块晶体，这时反冲能 0?RE
原子从激发态跃迁到基态时所发射的光子,会被基态的同种原子吸收,称为 原子的共振吸收 （甚强）,（例如，用钠灯照射钠蒸汽,后者会强烈地吸收前者发出的黄光 … ）
1958年发现穆斯堡尔效应获 1961年度诺贝尔物理学奖
65
,原子物理学,第七章 原子核物理概论穆斯堡尔效应示意图放射源 吸收体 探测器
Fe5726目前研究最多的是 从第一激发态跃迁到基态时产生的 14.4keV的谱线。
示意图中，放射源和吸收体均由 制成平板，其中放射源经技术处理后处于激发态,γ 光子将被吸收体无反冲地共振吸收。
Fe5726
与 14.4keV谱线对应的反冲能,eVuM e Vu k e VmchE R 3222 102/931572 )4.14(2 )(
依不确定关系可得到它处于激发态的寿命，即能级半衰期 s8108.9
由此得激发态能级宽度为,eVcc 9107.4 （ Г 远小于反冲能）
能级相对宽度（可测量到的）为,13
0
103E
任何与此量级相当的微小扰动均可被,测量到”。这样高的分辨本领使得穆斯堡尔效应被广泛应用于基础研究和应用领域的精密测量中。
(以上量级意味着：如用于测月地距离可精确到
0.01mm)
66
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
§ 7-10 核反应 （在高能粒子轰击下核素发生的变化 )
110 310210 610410 510 810710 910 MeVE /
中能热反应 高能热反应低能热反应几个著名的核反应：
HepLi 47 ),(?
输入能量 0.5MeV
输出能量 17.8MeV
3）第一个人工放射性核素的反应 (1934,法,居里夫妇 ),PnAl 3027 ),(?
SiP 3030P30其产物 的半衰其为 2.6min
4)导致发现中子的核反应,CnBe 129 ),(?
E：轰击粒子的能量
1) 第一个人工核反应 (1919,卢瑟福 ),OpN 1714 ),(?
2）第一次在加速器上实现的核反应 (1932,英 )：
67
核反应中的守恒定律
1.质量数 A守恒,即反应前后总的质量数保持不变 ;
2.电荷数 Z守恒,即反应前后总的电荷数保持不变 ;
3.动量守恒,即反应前后各粒子动量的矢量和保持不变 ;
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
4.能量守恒,即反应前后粒子的能量之和保持不变 (按相对论质能关系确定 ).
68
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
Q方程 BbAa BbaA ),(核反应的一般表示,or
靶 核 出射粒子入射粒子 剩余核相应的静质量和动能分别为,BbAa MMMM,,,BbAa EEEE,,,
反应能：
即反应能定义为反应前后粒子总质量之差 (以能量表示 )；
或反应后与反应前粒子的总动能之差,
还可用核的结合能表示为,)()( AaBb BBBBQ
在实验时,靶核一般处于静止状态,即 EA=0,故 aBb EEEQ
：吸能反应放能反应
0
,0
Q
Q
)()()]()[( 2 AaBbBbAa EEEEcMMMMQ
69
利用动量守恒律得出 Q的另一种表示式如图示，入射粒子的动量应为出射粒子的动量和剩余核动量的矢量和,写为分量式为改写上式并与反应能公式合并消去
co s2222 babaB ppppp
BE
c o s2)1()1(
B
baba
a
B
a
b
B
b
M
EEMME
M
ME
M
MQ
许多原子核的质量都是靠 Q值确定的,
对反应前后质量已知的核反应,
可从上式求得 Q值 ;
核反应中的动量守恒
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
bp
Bp
ap
ap?
70
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
Q方程的应用实例,(作为阅读材料 )
1.识别靶核
2.减少运动学变宽
thE
激发原子核反应的撞击粒子必须具有的最小能量,(or：使吸能反应得以开始的入射粒子的动能 ).
Q吸能反应的阈能：
A
aA
th M
MMQE
为简便起见,反应能和阈能表达式中的原子质量之比可用相应的核质量数之比代替,(约千分之一的误差 ).
71
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核反应截面 设靶核占有一个有效面积 (or“命中面积,)σ,则在厚度为 t,面积为 A薄箔靶内总的有效面积为,
NAtN为单位体积内的核数目于是,入射粒子打到面积为 A
的靶上发生核反应的几率为,?
Nt
A
N A t?
这个几率必然等于出射粒子数和入射粒子数之比,即
i
l
n
nNt
核反应截面定义式 Ntnn
i
l
227
224
101
101
cmmb
cmb
σ有面积的量纲,单位为靶 (b),
截面的概念
t
σ
一个典型原子核的半径为 6fm,,经典截面
bcmR 1.1101.1 2242
由此知反应截面的单位与核的几何大小同数量级,
72
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
AlnAl 2827 ),(?
scmnmmtmb i 210 /10,2.0,2?
核反应已知反应截面、靶厚和入射中子数分别为分别为试求出射的 γ光子数 。
解：单位体积的靶核数
32223
0 /10022.610022.627
7.2 cmN
AN
scmN t nn il 24 /104.2?则卢瑟福曾认为不可能从原子中获取能量：“任何相信能从原子中获取能量的人，是在说梦话 ……”
可知,打进 1百万个中子，只有 2.4个 γ光子释出。可见反应几率甚小。
例
73
,原子物理学,第七章 原子核物理概论重核裂变从结合能图知,重核裂变为两个中等核时,平均结合能将增加 1MeV左右,即每个核子平均贡献 1MeV左右的能量,
U235平均来看,每个 裂变时将释放的能量约为 200 MeV。释放的能量表现为碎片、放出的中子及相伴发生的 β 衰变产物的动能,
裂变释放的能量
U235
一个铀核能提供的能量几乎是化学反应中一个原子提供能量 (一般不到
10MeV的能量 )的 一亿倍,最重要的一点是铀核裂变平均要放出 2.5个中子,
而这些中子是维持链式反应所必需的,即,中子的再生率 ≥ 1”
M e V
M e V
M e V
M e V
10
1 70
：相伴的与能量：粒子和放出中子的动能：
碎片的动能：
15
5
E.Fermi,意大利,1901-1954
获 1938年度诺贝尔物理学奖费米的主要贡献：
用中子辐照产生新放射性元素以及用慢中子引起核反应的有关发现
74
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1934年，费米小组用中子轰击,对得到的放射性产物半衰期的测定表明它不属于其它重元素！这其实是重核裂变的最早证据。但他们作出错误判断，猜想那是“第 93号元素”同时说明证据不足。但当时罗马大学物理研究所所长柯比诺却在国王出席的科学院会议上宣布发现第 93
号元素，引起新闻界的宣扬，吹捧这是法西斯主义在文化领域的胜利。
U238
费米于 1938年借领取诺贝尔奖之机由意大利迁居美国。在美军方支持下，于 1941.12开始领导“曼哈顿工程”。
核裂变原料U235 占天然铀的 0.72%，自然界仅有的能由热中子引起裂变的核素,
U238 占天然铀的 99.27%，
可用来生产核原料：U238?
)35.2(,
m i n )24(,
239239
239239
239238
dTePuNp
TeNpU
UUn
e
e
1939年发现裂变时,世界上没有浓缩铀，当时还未发现钚 Pu239
1945年美试爆的第一颗原子弹原料,Pu239
75
,原子物理学,第七章 原子核物理概论临界体积在纯铀中,中子易从其表面逃逸而使反应中止。只有当其体积大于“临界体积”时才能发生链式反应。
轶事 斯罗达博士：用手阻止核爆炸的人二战期间的一天,加拿大核物理学家斯罗达博士在实验室主持原子弹引爆临界试验工作,研究两块被放在轨道上的浓缩铀对合的临界质量,
拨动铀块的螺丝刀突然滑落,两块铀在轨道上相向滑动,就在两块铀即将滑到一起的关键时刻,斯罗达奋不顾身地用双手把它们阻隔开,避免了一起核爆炸,斯罗达受到高剂量的致命辐射,出事之后的第九天他离开了人世,加拿大政府和人民为了表彰这位优秀科学家对人类所做的贡献,把他誉为,用双手掰开原子弹的人”,
减速剂欲使裂变反应持续,关键在于使中子减速,
目前常用的减速剂是 重水和石墨,1942年世界第一个反应堆用 石墨 为减速剂,我国 1958年建成的反应堆用 重水 为减速剂。
反应堆的控制棒用吸收中子很强的镉或硼制成 。
链式反应大约 1秒钟可产生 1000代中子,解决的办法是靠,缓发中子” 。
在设计反应堆时,要使缓发中子放出后才达到临界,才能使链式反应进行,因此有足够的时间来控制反应速度,
76
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
“那个意大利航海家已登上了新大陆。”
下午 15,45
77
,原子物理学,第七章 原子核物理概论原子弹发生链式反应 爆炸
35种元素的
200多种核素
nKrBanU
nZrTenU
1
0
91
36
142
56
1
0
235
92
1
0
97
40
137
52
1
0
235
92
3
2
铀 -235 的临界质量约为 1kg,
任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单,从而为防止核武器扩散带来了困难。
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1964年 10
月 16日 15
时,中国在本国西部地区试爆成功一颗原子弹蘑菇云发展图
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论
“小玩意儿,钚装药重 6.1千克,TNT当量 2.2万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座 30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。
在半径为 400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为
1600米的范围内，所有的动物全部死亡。
“漫天奇光异彩,
有如圣灵逞威,
只有一千个太阳,
才能与其争辉,
我是死神，
我是世界的毁灭者,”
“原子弹之父” 奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，
他想起了印度一首古诗,
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在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达 12英里多。
美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区 80%的建筑化为灰烬,6.4万人丧生,7.2万人受伤，伤亡总人数占全市总人口的 53%。
长崎市 60%的建筑物被摧毁，伤亡 8.6万人，占全市总人口的 37%。
,原子物理学,第七章 原子核物理概论这是美国在日本投掷的两颗原子弹
U235,小男孩” 4.5t
1945.8.6投至广岛枪法铀弹,胖子” 5t
1945.8.8投至长崎
Pu239 内爆钚弹
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论痛苦的回忆 原子弹在日本造成的 ……
疮满目痍
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论轻核聚变 轻核聚变中,每个核子贡献的能量是 3.6MeV,大约是 裂变时每个核子贡献能量的 4倍,U235
氘核靠短程核力聚合在一起，核子间距 r<10fm
才会有核力作用,r=10fm时的库仑势垒高度为,k e VrekE c 1442
两个氘核的聚合必须克服这个势垒,即每个氘核至少需要 72keV的动能,
假如视其为平均动能,由 kTE k 23? 可得出相应的温度为 KT 8106.5
考虑到粒子的势垒贯穿几率和部分粒子的动能大于平均动能,从理论上估计,聚变温度约为 K810~
在此温度下所有原子均电离而形成 等离子态,
说明
1）以上计算时取核子间距 r=10fm。若按估算的氘核半径 1.51fm计算,
则 Ec将为 942keV….
2)以上考虑系以典物理的看法。实际上还要考虑量子隧穿效应等。但研究表明，用击靶方式引发聚变的效率太低。（一百万个氘核打在靶上，只有一个可能进行聚变反应 … ）
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论宇宙中主要能源由核聚变提供,太阳发生的是两种轻核聚变反应,
太阳能：引力约束聚变
CNP
eNO
ONp
NCp
eCN
NCp
1215
1515
1514
1413
1313
1312
C循环
(贝蒂循环）
（ 1938年 )
p-p循环
(克里齐菲尔德循环 )
pHeHe
Hedp
edpp
233
3
两种循环总的效果相同,均为,M e Vep 7.26224
4个质子的聚变过程中每个质子贡献 6.7MeV,比 裂变时每个质子的贡献大八倍,比化学能大一亿倍,太阳释放的能量相当于每秒种爆炸 900亿枚百万吨级的氢弹,
天文研究表明,按太阳总质量的 75%为氢计算,其热核反应可维持 750亿年,
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核聚变 由轻核聚合成中等核的过程,
实现聚变反应的三个条件
1) 等离子体的温度足够高 ;
2) 等离子体的密度足够大 ;
3) 所需的高温和密度须维持足够长的时间,
,原子物理学,第七章 原子核物理概论
1957年,劳逊将以上三个条件定量化 (对 dt反应 )形成劳逊判据,这是实现聚变反应并获得能量增益的必要条件,
劳逊判据
ke VT
cmsn
10
/10 314?
太阳的热核聚变由万有引力约束，这需要有恒星那样大的质量，这不仅在地球上做不到，即使在太阳系最重的木星上也不能实现。
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论在地球上实现受控核聚变的约束方式磁约束惯 性 约 束磁约束带电粒子在磁场中绕 B线作拉莫旋进，横越 B线的运动受到限制，此为磁场能够约束等离子体的基本原理。但在磁场中等离子体不稳定，难于长时间将粒子约束在等离子体内，这就是磁约等离子体的基本困难。
1958年以来形成大规模国际交流合作,1992年在最大一代托卡马克
（译为“环流器”）装臵上成功地进行了 DT放电，聚变功率从 7.5MW提高到 10MW。 2006年国际热核聚变实验堆（ ITER）项目正式启动 …
惯性约束聚变巴索夫（前苏诺贝尔奖得主）于 20世纪 60年代提出。不加外力而依靠聚变燃料自身惯性，在高温高压下短时间内完成聚变反应。氢弹实现的就是惯性约束。而可控的惯性约束必须在 mm量级的靶内实现才不会产生灾难性后果，在技术上的难点很多。
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80年代我国建成的三大高能物理研究装臵
,原子物理学,第七章 原子核物理概论上左：北京正负电子对撞机,1988.10建成。包括北京谱仪、北京同步辐射装臵上右：兰州重离子加速器,1989.11建成。
系当时仅次于法、日的大型回旋加速器上右：合肥同步辐射装臵 1989.4建成。
主要用于粒子光谱的研究
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Beijing,China
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（大型通用探测器）
北京正负电子对撞机（外景）
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2006.11.21,中国,欧盟,俄罗斯,印度,日本,韩国,美国经长达十年的谈判最终签字，决定将其建在法国南部,这项计划花费 128亿美元，目的是研究清洁而且无限的能源,建设过程预计超过十年,工程从 2008年开始,
国际热核聚变实验堆（ ITER）装臵示意图,
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2006.9.28,中国耗时 8年、耗资 2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装臵 EAST首次成功完成放电实验,获得电流 200千安、时间接近 3秒的高温等离子体放电,EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装臵,
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论氢 弹：
惯性约束聚变轻核聚变反应中,氘 (d)与氚 (T)的反应截面最大而释放能量最多：
M e VnTd 58.17
氘化锂 ( )可作为氢弹的原料HLi26
氢弹的原理：引爆普通炸药引发裂变反应,产生高温高压同时放出大量中子,中子与 反应产生氚，发生 d+T聚变反应,Li6
典型氢弹
（裂变弹）
的能量 爆震和冲击波 (50%)
热辐射
(35%)
欲使这两部分能量相对减少,就要增加产生的中子数量,使聚变的贡献大于裂变贡献,这使人们进一步研究中子弹,但纯聚变弹至今仍实现不了,
氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子体 (动力性约束 ).
人工约束较为成功的是 激光惯性约束,此外还有电子束、重离子束的惯性约束方案,但这些人工惯性约束目前还仅限于理论,实践上还未获成功,
可控核聚变最有希望的是磁约束,
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1967.6.17，中国第一颗氢弹在西部地区上空试爆成功（比
1000个太阳还亮）
（距中国第一颗原子弹试爆成功不到 3年）
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1946年 7月 25日 (二战结束之后 將 近一年 ),史上第一场水下原子弹试爆 释出了一团一英里高的蒸汽云，最顶部是一道道上升的水柱。在基部的地方，爆炸风扩散的震波看起来像个白色的圆圈，吞噬了一支无人的海军船队。这场试爆是,十字路口行动,（美国军队在太平洋马绍尔群岛进行的一系列核子试爆）的一部分，是地球上引爆过的 第五颗原子弹 。
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1952年 11月 1日，世界的第一颗氢弹在太平洋的埃尼托威克环礁上方引爆，震撼了天际。这场美国的试爆行动代 號 「艾薇麦克」，把附近岛屿的植被全部连根拔起、造成了一个直径超过一英里的坑,並 把大块大块受到放射线污染的珊瑚炸到 50公里以外的地方。
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核弹爆炸的瞬间
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令人恐怖的美丽
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,原子物理学,第七章 原子核物理概论核反应堆通过受控核裂变反应获得核能的装臵,可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,
以形成所谓的 自持链式反应,
100秦山核电站
,原子物理学,第七章 原子核物理概论核电是一种清洁能源 1995年一些国家核电占其总电力的比率
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反应堆
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人工核反应的实现使科学家在实验室合成已知元素的新核素和新的化学元素成为可能
185Hf(1992),208Hg(1992)、
237Th(1993),239Pa(1995)、
175Er(1996),235Am(1996)、
135Gd(1996),121Ce(1997)、
186Hf(1998),209Hg(1998)、
238Th(1999),125Nd(1999)、
128Pm(1999),129Sm(1999)、
139Dy(1999),139Tb(1999)和
137Gd(1999)。
我国科学家合成的 19种新核素：
90Ru(1991)和 202Pt(1992)分别由中国原子能科学研究院
（北京）和上海原子核研究所合成。
,原子物理学,第七章 原子核物理概论人 工核反应人工核反应是指原子核受中子,质子,α 粒子,重粒子
(例如原子核 )等轰击而形成新核的核嬗变过程 。C
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