原子核物理第一章剖析
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第1章-核物理基础
第一章核物理基础说起来，每年物理师上岗证考试前三章的基础内容都是重点复习内容，尽管在日常工作中应用不多，但作为一个物理师，顾名思义，与“物理”是有着紧密关系的，这就少不了一个物理师对物理学知识必须了解一些基本的东东。
总的来说，前三章内容以记忆为主，另加一些理解！前三章的概念比较多，类似的、相同性质的，比较分析会对理解记忆有帮助，注意区分那些不同点！原子结构原子结构这部分内容较少，知识点也较明确。
相对容易掌握。
1、原子结构的数量级10(-10),原子和原子核的数量级关系：10000倍；2、每个电子的电量约为1.6×10(-19)；3、核素：具有确定质子数和中子数的原子的整体；4、同位素：原子序数相同而质量数不同的核素，在元素周期表中处于同一位置；5、轨道电子数：每个壳层最多容纳2n(2)个电子，各壳层的顺序依次为K、L、M、N、O、P、Q；每个次壳层最多容纳2（2l+1）个电子；《肿瘤放射物理学》第二页表1-1：电子的壳层结构是要多加记忆的。
原子、原子核能级1、电子在原子核库仑场中所具有的势能主要由主量子数n和轨道量子数l决定，并随n和l 的增大而提高；2、基态的定义3、由于高原子序数的原子核比低原子序数的原子核对电子的吸引力大，因此对于同一个能级，当所属原子的原子序数增大时，他的能量更低；4、能量值得大小等于壳层能级能量的绝对值，这些能量程为相应壳层的结合能；5、特征辐射、特征X线、俄歇电子6、当核获得能量，可以从基态跃迁到某个激发态。
当它再跃迁回基态时，以r射线形式辐射能量，能量值等于跃迁能级之差。
原子、原子核的质量1、1u=1/12C（12，6）原子质量------描述方法不好输入，凑合着看吧。
2、N A=6.02×10（23）3、1u=1/NA=1.66×10（-27）kg质量：中子>质子>>电子质量和能量的关系1、E=mC(2)2、电子静止能量：0.51MeV质子静止能量：938.3MeV中子静止能量：939.6MeV3、运动的物体质量随运动速度的变化关系式。
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昆虫长度
10-2 银 河 系 半 径
1 0 21
人体高度
100 星 团 系 半 径
1 0 23
红杉树高度
102 朝 星 系 团 半 径
1 0 24
珠峰高度
104 类 星 体 距 离
1 0 26
“原子”一词来自希腊文，含义是“不可分 割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟 克利特(Democritus)提出了这一概念，并把 它当作物质的最小单元。
道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律 等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够 用来研究和发现新的现象，因此比古代原子说更进 一步。
十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相
继发现，如电子、 X 射线和放射性元素的发
现表明原子是可以分割的，它具有比较复杂的 结构。那么，原子是怎样组成的？原子的运动 规律如何？这就是原子物理学要研究的问题。
根 据 电 子 的 电 量 及 荷 质 比 e/me， 可 定 出电子的质量为：
m e9.109(3 5)8 4 1 9 0 2 78g
两个小插曲：
早在1890年，休斯特(A．schuster)就曾研究过氢放电管中阴 极射线的偏转。且算出构成阴极射线微粒的荷质比为氢离子荷 质比的千倍以上。但他不敢相信自己的测量结果，而觉得“阴 极射线粒子质量只有氢原子的千分之一还不到”的结论是荒谬 的；相反，他假定：阴极射线粒子的大小与原子一样，而电荷 却较氢离子大。
1897年，德国的考夫曼(W．Kaufman)做了类似的实验，他测到 的e/me数值远比汤姆逊的要精确，与现代值只差1％。他还观察 到e/me值随电子速度的改变而改变。但是，他当时没有勇气发 表这些结果，因为他不承认阴极射线是粒子的假设。直到1901 年，他才把结果公布于世。
第一章 原子核的基本性质(2016-2)_824805321
2016年9月14日，第二课
（2）、中子的发现与原子核的组成
发现中子之前，人们猜测原子核是 由质子和电子组成的。 这个假设可以解释原子核的质量和 电荷。
但也遇到了不可克服的困难。 与实验和理论不符。
例子：
氦核(质量数4，电荷数＋2)的大小为：d 5fm
假设氦核中有电子，那么电子的德布罗意波长 不能大于2d，即 10fm
C
C
C
核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同， 就是不同的核素。
208 86 90 38 60
Tl Sr Co 60 Co
Pb Y Co 60m Co
208 82 91 39 58
两种核素，A同，Z、N不同。 两种核素，N同，A、Z不同。 两种核素，Z同，A、N不同。 两种核素，A、Z、N同，能态不同。
（N，Z）不同→半衰期不同，为什么？
Z N
1.1 原子核的组成、质量和半径 1.2 原子核稳定性及核素图
1.3 原子核的结合能（第一章重点）
1、原子核的结合能 2、质量亏损与质量过剩 3、比结合能及比结合能曲线
• 1932年查德威克(J. Chadwick)发现中子。
用 粒子轰击铍，铍放射出穿透 力很强的中性粒子，可以将含氢物 质中的质子击出，并证明其有与质 子相近的质量。 9 12
Be C n
1891～1974
(1935年诺贝尔奖)
实验中放出的是中子，而不是高能。
一些与发现中子的荣誉擦肩而过人
稳定核素的奇偶分类表：
Z e e o o N e o e o 名 称 偶偶核 偶奇核 奇偶核 奇奇核 稳定核素数目 167 56 53 9
偶偶核最稳定，稳定核最多； 为什么偶偶核最稳 其次是奇偶核和偶奇核；而奇 定？ 奇核最不稳定，稳定核素最少。 稳定 实验表明，当质子、中子数目取某些数值的时候， 原子核特别稳定，这些数称为幻数： 壳层 Z ＝ 2，8，20，28，50，82 模型 N ＝ 2，8，20，28，50，82费米子
（2）、中子的发现与原子核的组成
发现中子之前，人们猜测原子核是 由质子和电子组成的。 这个假设可以解释原子核的质量和 电荷。
但也遇到了不可克服的困难。 与实验和理论不符。
例子：
氦核(质量数4，电荷数＋2)的大小为：d 5fm
假设氦核中有电子，那么电子的德布罗意波长 不能大于2d，即 10fm
C
C
C
核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同， 就是不同的核素。
208 86 90 38 60
Tl Sr Co 60 Co
Pb Y Co 60m Co
208 82 91 39 58
两种核素，A同，Z、N不同。 两种核素，N同，A、Z不同。 两种核素，Z同，A、N不同。 两种核素，A、Z、N同，能态不同。
（N，Z）不同→半衰期不同，为什么？
Z N
1.1 原子核的组成、质量和半径 1.2 原子核稳定性及核素图
1.3 原子核的结合能（第一章重点）
1、原子核的结合能 2、质量亏损与质量过剩 3、比结合能及比结合能曲线
• 1932年查德威克(J. Chadwick)发现中子。
用 粒子轰击铍，铍放射出穿透 力很强的中性粒子，可以将含氢物 质中的质子击出，并证明其有与质 子相近的质量。 9 12
Be C n
1891～1974
(1935年诺贝尔奖)
实验中放出的是中子，而不是高能。
一些与发现中子的荣誉擦肩而过人
稳定核素的奇偶分类表：
Z e e o o N e o e o 名 称 偶偶核 偶奇核 奇偶核 奇奇核 稳定核素数目 167 56 53 9
偶偶核最稳定，稳定核最多； 为什么偶偶核最稳 其次是奇偶核和偶奇核；而奇 定？ 奇核最不稳定，稳定核素最少。 稳定 实验表明，当质子、中子数目取某些数值的时候， 原子核特别稳定，这些数称为幻数： 壳层 Z ＝ 2，8，20，28，50，82 模型 N ＝ 2，8，20，28，50，82费米子
第一章核物理基础和电离辐射生物学效应
HT：组织T的当量剂量
组织或器官
组织权重因子WT
睾丸
0.20
红骨髓
0.12
结肠
0.12
肺
0.12
胃
0.12
膀胱
0.05
乳腺
0.05
肝
0.05
食道
0.05
甲状腺
0.05
皮肤
0.01
骨表面
0.01
其余组织或器官
0.05
放射性活度(A) 吸收剂量(D)当量剂量 (H) 有效剂量（E）
三
任何物质
吸收剂量(D)
（四）按效应表现的个体分
躯体效应和遗传效应 受照射个体本身所发生的各种效应称为躯体效应。如
辐射所致的骨髓造血障碍、白内障。 受照射个体生殖细胞突变，在子代表现出的效应称为
重排 生物分子损伤
重排
和生物分 子相反应 产生自由基
分子内能量传递
与生物分子反应
理化阶段(10-10秒)
生物分子自由基
化学阶段(10-8秒)
继发生物分子损伤
代谢 突变
代谢
代谢 生化反应
生殖细胞
体细胞
代谢 遗传变异
代谢
代谢损伤 异常增殖 细胞死亡
个体疾病、死亡
生物阶段 (数秒至数 十年)
（二）电离辐射的继发作用
者 意 义
1戈瑞 = 1焦耳/千克 1 Gy = 1 J/kg
和
区
别
有机体
放射源 活度(A) 1贝克=1次核衰变/秒
当量剂量 (H) 有效剂量（E） 1希沃特 = 1 焦耳/千克
小结
剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。 不同种类、能量的核辐射，对生物体造成的辐射损伤不同。 辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行
组织或器官
组织权重因子WT
睾丸
0.20
红骨髓
0.12
结肠
0.12
肺
0.12
胃
0.12
膀胱
0.05
乳腺
0.05
肝
0.05
食道
0.05
甲状腺
0.05
皮肤
0.01
骨表面
0.01
其余组织或器官
0.05
放射性活度(A) 吸收剂量(D)当量剂量 (H) 有效剂量（E）
三
任何物质
吸收剂量(D)
（四）按效应表现的个体分
躯体效应和遗传效应 受照射个体本身所发生的各种效应称为躯体效应。如
辐射所致的骨髓造血障碍、白内障。 受照射个体生殖细胞突变，在子代表现出的效应称为
重排 生物分子损伤
重排
和生物分 子相反应 产生自由基
分子内能量传递
与生物分子反应
理化阶段(10-10秒)
生物分子自由基
化学阶段(10-8秒)
继发生物分子损伤
代谢 突变
代谢
代谢 生化反应
生殖细胞
体细胞
代谢 遗传变异
代谢
代谢损伤 异常增殖 细胞死亡
个体疾病、死亡
生物阶段 (数秒至数 十年)
（二）电离辐射的继发作用
者 意 义
1戈瑞 = 1焦耳/千克 1 Gy = 1 J/kg
和
区
别
有机体
放射源 活度(A) 1贝克=1次核衰变/秒
当量剂量 (H) 有效剂量（E） 1希沃特 = 1 焦耳/千克
小结
剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。 不同种类、能量的核辐射，对生物体造成的辐射损伤不同。 辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行
原子物理学第一章
Atomic Physics 原子物理学
背景知识 在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原 子学说，他认为:
1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成；
2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不 同元素的原子，质量也不相同； 3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按
几种不同的比率化合成几种化合物的分子。
Atomic Physics 原子物理学
背景知识 1808，法国盖· 吕萨克定律告诉我们，在每 一种生成或分解的气体中，组分和化合物气 体的体积彼此之间具有简单的整数比； 1811，意大利阿伏伽德罗发现气体的体积 与其中所含的粒子数目有关。同温同压下， 相同体积的不同气体含有相等数目的分子； 1826，英国布朗观察到液体中的悬浮微粒作 无规则的起伏运动---布朗运动；
从上式可以预言下列四种关系： ① 在同一 粒子源和同一散射物的情况下
dn 在同一散射角， d
dn 4 Sin 常数 d 2
② 用同一粒子源和同一种材料的散射物，
t
dn 4 ③ 用同一个散射物，在同一个散射角， v 常数 d
3．散射截面的物理意义
设有一薄膜，面积为A，厚度为ｔ，单位体积内的原子数为N ，则薄膜中的总原子数是： N＇ NAt
近似：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不互 相覆盖。 则N’个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：
d N `d NAtd
n A
dn d
dn dn d Ntd d n A nNt
问题： (l) d的物理意义？
(2) 库仑散射公式为什么不能直接检验?
(3) 如果粒子以一定的瞄准距离接近原子核时， 以90o 角散射，当粒子以更小的瞄准距离接近 原子核时，散射角的范围是什么? (4) 卢瑟福依据什么提出他的原子模型? (5) 卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么?
原子物理学第1章
3、散射几率
• 一个a粒子通过一个核的微分截面d的几率 d/照射面积A
• a粒子散射到q→qdq 之间立体角d的几率 一个核的散射几率 d/A × 照射面积上核的总数 •A上核的总数 n′= 单位体积原子数n×A×厚度t • a粒子散射到d的几率：
dp(q ) d内a粒子数 dN d n ntd a粒子总数 N A
c (q )是a粒子散射到q方向单位立体角内每个原子的有效截面，
2
单位是靶恩b, 1b 1028 m 2 / sr
3、散射几率
dN 4 q 1 2 Z1Z 2e 2 2 所以， sin ( ) Nnt( ) d 2 4 0 4Ek
结论：对于给定的a源 (N,Ek确定)、给定的散射靶 (n,t 确定)，
同一a粒子源和同一种散射材料不同厚度在同一散射角同一散射物同一散射角不同a粒子源同一个a粒子源在同一个散射角对同一nt1同一a粒子源同一散射物不同散射角表1212aa粒子在不同角度上的散射粒子在不同角度上的散射sinq2dnsin150331115288135430138312120519179290105695253275752117252916047716029845435466308315300937353308002233502252730069039615132000445384表表1aa粒子散射与其初速的关系粒子散射与其初速的关系4的相对值闪烁数dndnv102472512129024150334221914423284812843210123922255281414原子序数294778原子正电核数测定29346774角动量守恒定律由上两式及库仑散射公式可得能量守恒定律mvmva粒子所达到的与核最近的距离就是原子核半径的上限例
反应堆物理第一章原子核物理
¾ 在β稳定线左上部的核素，都具
有β-放射性。
¾在 β稳定线右下部的核素具有 β+放射性。
五、放射性同位素
（一）定义
具有一定原子序数和质量数，并处于非稳定能态的一类原
子称为放射性核素，也称放射性同位素。
（二）举例
¾ 135Xe在235U裂变的直接裂变产额约为0.3%，但是绝 大多数135Xe是由135I经β衰变而形成的。
小结
¾ 原子质量单位是如何定义的？采用1个原子质量单位有何 好处？ ¾ 原子核由哪些粒子组成？这些粒子的主要差别是什么？ ¾ 如何用化学符号来表示一个化学元素X ¾ 什么叫同位素？列出铀，氢的三种同位素。 ¾ 天然铀中U—238约占 99.3%，U—235约占0.7%。
第一章 原子核物理
培训中心 2012年10月19日
目录
一、原子结构的基本单元 二、原子质量单位 三、核素 四、同位素 五、放射性同位素
一、原子结构的基本单元
¾ 1911年卢瑟福通过金箔对α粒子 的散射实验确立了原子的核式模型， 即原子由处于中心的原子核和核外运 动的电子组成。由此开始了对原子核 的探索。
4
它的质量数是7，质子数是3，中子数是4。
Z —质子数（或电荷数）
Ｎ—中子数
四、同位素
（一）定义
¾ 质子数相同，中子数不同的核素称为同位素。 例如：
铀的同位素：23392U、23592U、和23892U 钚的同位素：23994Pu、24094Pu、和24194Pu 氢的同位素：11H、21H、和31H
原子质量/u
7.016005 12.000000 15.994915 235.043994 238.050816
二、原子质量单位
¾ 原子质量都接近于一个整数，此整数叫做原子核的质量数A。 例 如 ， 4He ， 12C ， 16O ， 235U 的 质 量 数 分 别 是 4 ， 12 ， 16 ，
有β-放射性。
¾在 β稳定线右下部的核素具有 β+放射性。
五、放射性同位素
（一）定义
具有一定原子序数和质量数，并处于非稳定能态的一类原
子称为放射性核素，也称放射性同位素。
（二）举例
¾ 135Xe在235U裂变的直接裂变产额约为0.3%，但是绝 大多数135Xe是由135I经β衰变而形成的。
小结
¾ 原子质量单位是如何定义的？采用1个原子质量单位有何 好处？ ¾ 原子核由哪些粒子组成？这些粒子的主要差别是什么？ ¾ 如何用化学符号来表示一个化学元素X ¾ 什么叫同位素？列出铀，氢的三种同位素。 ¾ 天然铀中U—238约占 99.3%，U—235约占0.7%。
第一章 原子核物理
培训中心 2012年10月19日
目录
一、原子结构的基本单元 二、原子质量单位 三、核素 四、同位素 五、放射性同位素
一、原子结构的基本单元
¾ 1911年卢瑟福通过金箔对α粒子 的散射实验确立了原子的核式模型， 即原子由处于中心的原子核和核外运 动的电子组成。由此开始了对原子核 的探索。
4
它的质量数是7，质子数是3，中子数是4。
Z —质子数（或电荷数）
Ｎ—中子数
四、同位素
（一）定义
¾ 质子数相同，中子数不同的核素称为同位素。 例如：
铀的同位素：23392U、23592U、和23892U 钚的同位素：23994Pu、24094Pu、和24194Pu 氢的同位素：11H、21H、和31H
原子质量/u
7.016005 12.000000 15.994915 235.043994 238.050816
二、原子质量单位
¾ 原子质量都接近于一个整数，此整数叫做原子核的质量数A。 例 如 ， 4He ， 12C ， 16O ， 235U 的 质 量 数 分 别 是 4 ， 12 ， 16 ，
原子物理(杨福家)第一章
Ze2 a= 4πε0E 为库仑散射因子。
库仑散射公式 Rtherford公式 公式
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第三节： 第三节：卢斯福散射公式
散射公式推导 设入射粒子为α粒子，在推导库仑散射公式之前，我 们对散射过程作如下假设： 1.假定只发生单次散射，散射现象只有当α粒子与原 子核距离相近时，才会有明显的作用，所以发生散射的机 会很少； 2.假定 粒子与原子核之间只有库仑力相互作用； 3.忽略核外电子的作用，这是由于核外电子的质量不 到原子的千分之一，同时粒子运动的速度比较高，估算结 果表明核外电子对散射的影响极小，所以可以忽略不计； 4.假定原子核静止。这是为了简化计算。
Thomson模型 α散射实验 模型 散射实验 Thomson模型的失败 模型的失败 Rutherford模型的提出 模型的提出
Next
第二节： 第二节：卢斯福模型的提出
Thomson模型 α散射实验 模型 散射实验
Back
Thomson模型的失败 模型的失败
Rutherford模型的提出 模型的提出
原子 电子 关于卢斯福
第二节： 第二节：卢斯福模型的提出
在汤姆逊(Thomson)发现电子之后,对于原子中正负电 荷的分布他提出了一个在当时看来较为合理的模型.即原 子中带正电部分均匀分布在原子体内,电子镶嵌在其中， 人们称之为"葡萄干面包模型".为了检验汤姆逊(Thomson) 模型是否正确,卢瑟福(Rutherford)于1911年设计了α粒 子散射实验,实验中观察到大多数粒子穿过金箔后发生约 一度的偏转.但有少数α粒子偏转角度很大,超过90度以 上,甚至达到180度.对于α粒子发生大角度散射的事实, 无法用汤姆逊(Thomoson)模型加以解释.除非原子中正电 荷集中在很小的体积内时，排斥力才会大到使α粒子发 生大角度散射,在此基础上,卢瑟福(Rutherford)提出了 原子的核式模型.